脈沖激光回波信號(hào)的數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)

吳淦華

摘要：為了提高激光雷達(dá)的測(cè)距威力，文章提出了一種脈沖激光回波信號(hào)的數(shù)字化檢測(cè)方法，采用高速AD器件將回波通道進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用超低閾值對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行一次固定閾值檢測(cè)，然后對(duì)回波脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行二次動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)，并對(duì)二次檢測(cè)結(jié)果采用先跟蹤再檢測(cè)技術(shù)，降低虛警率，提高弱小目標(biāo)檢測(cè)正確性及檢測(cè)概率。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距；數(shù)字化檢測(cè)；脈沖激光回波信號(hào)；激光雷達(dá)

中圖分類號(hào)：TN958文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-2374（2012）03-0120-03

測(cè)距激光雷達(dá)是一種用途最廣的激光雷達(dá)，普遍應(yīng)用于工業(yè)、交通、建筑等民用領(lǐng)域，同時(shí)在火控、導(dǎo)航、偵查探測(cè)、跟蹤測(cè)量、防空預(yù)警等軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。當(dāng)前，由于遠(yuǎn)程精確打擊和導(dǎo)彈防御在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中占據(jù)著主體地位，激光雷達(dá)的測(cè)距威力成為制約其應(yīng)用擴(kuò)展的一個(gè)重要方面，展開提高激光測(cè)距威力研究有著十分重要的意義。

一、提高測(cè)距威力方法分析

激光雷達(dá)測(cè)距方程為：

（1）

其中：為激光發(fā)射峰值功率，為發(fā)射光學(xué)透過率，為接收光學(xué)透過率，接收光學(xué)面積，目標(biāo)反射截面積，目標(biāo)反射率，大氣雙程透過率，激光束散角，探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

由雷達(dá)測(cè)距方程可以看出，提高激光測(cè)距威力的方法有：增大激光發(fā)射峰值功率、提高發(fā)射接收光學(xué)透過率、增大接收光學(xué)口徑、減小激光束散角、提高探測(cè)系統(tǒng)靈敏度等措施。由于激光轉(zhuǎn)換效率很低，提高激光發(fā)射功率，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗、體積顯著增加，并對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱性能提出苛刻要求。目前，激光雷達(dá)光學(xué)透過率可以達(dá)到80%以上，通過提高光學(xué)透過率來增強(qiáng)測(cè)距威力的難度很大且效果有限。增大接收光學(xué)面積，可以有效提高激光測(cè)距威力，但會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)體積和重量的成倍增加，同時(shí)引入大量的背景光噪聲。激光束散角必須與系統(tǒng)跟蹤精度相匹配，如果減小激光束散角，就必須提高系統(tǒng)跟蹤精度，技術(shù)難度大、成本高。探測(cè)系統(tǒng)靈敏度受探測(cè)器靈敏度、回波檢測(cè)技術(shù)等的制約，探測(cè)器靈敏度與器件的工藝水平有關(guān)，提高探測(cè)器靈敏度的難度很大。隨著數(shù)字技術(shù)飛速發(fā)展，研發(fā)低信噪比下回波信號(hào)的數(shù)字化檢測(cè)方法，可以有效提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，并且具有成本低、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)常規(guī)測(cè)距激光雷達(dá)的回波檢測(cè)處理方法為固定閾值檢測(cè)法，即將回波脈沖信號(hào)與設(shè)定閾值進(jìn)行比對(duì)，低于設(shè)定閾值的回波脈沖被剔除，高于設(shè)定閾值的回波脈沖信號(hào)被保留。通常測(cè)量量程（20km）內(nèi)保留的回波脈沖一般不多于10個(gè)，然而由于固定閾值檢測(cè)法的工作環(huán)境適應(yīng)能力很差，無法自動(dòng)適應(yīng)天氣、環(huán)境及亮暗背景等的變化，如果閾值設(shè)置過低就會(huì)出現(xiàn)工作環(huán)境好的情況下可正常測(cè)距，工作環(huán)境變差時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛警，甚至無法正常測(cè)距。這就要求閾值設(shè)置不能太低，傳統(tǒng)激光測(cè)距雷達(dá)的回波閾值為1.2V左右，這就導(dǎo)致低于1.2V的有效回波信號(hào)被丟失，大大降低了設(shè)備的測(cè)距能力。

數(shù)字化檢測(cè)處理技術(shù)通過高速AD器件將回波通道進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并對(duì)回波通道進(jìn)行帶通數(shù)字濾波處理，然后利用超低閾值對(duì)回波通道進(jìn)行一次固定閾值檢測(cè)，該檢測(cè)保留了通道中幾乎所有的回波脈沖，并記錄下這些脈沖的位置、波形、脈寬、幅度、幅度排名等有效信息。采用恒虛警方法對(duì)回波脈沖進(jìn)行二次動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)，依據(jù)設(shè)備的虛警率要求、被測(cè)目標(biāo)狀態(tài)與數(shù)據(jù)處理能力，從一次檢測(cè)結(jié)果中選取幅度排名靠前的回波脈沖，該動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，可依據(jù)通道的噪聲情況實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整二次檢測(cè)閾值的高低。對(duì)二次檢測(cè)結(jié)果采用先跟蹤再檢測(cè)技術(shù)，降低虛警率，提高目標(biāo)檢測(cè)正確性及對(duì)弱小目標(biāo)的檢測(cè)概率。

二、數(shù)字化檢測(cè)方法

由于目標(biāo)回波具有閃爍性、時(shí)間相關(guān)性以及回波幅度隨距離增加急劇下降等特點(diǎn)。借鑒微波雷達(dá)等處理方法，對(duì)目標(biāo)回波脈沖先進(jìn)行多目標(biāo)離散跟蹤，分析并跟蹤所有可能的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，再對(duì)這些目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行智能檢測(cè)判斷，提取出真實(shí)目標(biāo)回波。

數(shù)字化檢測(cè)處理軟件主要包括：超低閾值回波脈沖檢測(cè)（一次檢測(cè)）、動(dòng)態(tài)閾值回波脈沖檢測(cè)（二次檢測(cè)）、相關(guān)匹配處理（多目標(biāo)離散跟蹤）、目標(biāo)智能檢測(cè)確認(rèn)處理、目標(biāo)距離解算與修正等幾個(gè)部分。

超低閾值回波脈沖檢測(cè)是回波脈沖的一次檢測(cè)，完成回波通道數(shù)據(jù)預(yù)處理，將回波通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為包含有位置、波形、脈寬、幅度、幅度排名等有效信息的回波脈沖數(shù)據(jù)。超低閾值回波脈沖檢測(cè)的檢測(cè)閾值設(shè)置為100mV左右，并采用全數(shù)字化方式檢測(cè)處理，便于根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過此次檢測(cè)，在測(cè)量量程范圍內(nèi)可獲得大約200～500個(gè)回波脈沖數(shù)據(jù)，基本保證了目標(biāo)回波脈沖不丟失。

動(dòng)態(tài)閾值回波脈沖檢測(cè)是回波脈沖的二次檢測(cè)處理，采用恒虛警處理方法對(duì)回波脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行二次檢測(cè)，依據(jù)設(shè)備的虛警率要求、被測(cè)目標(biāo)狀態(tài)與數(shù)據(jù)處理能力等條件，從一次檢測(cè)結(jié)果中提取幅度排名靠前的預(yù)定個(gè)數(shù)回波脈沖，這就將復(fù)雜的檢測(cè)閾值自適應(yīng)調(diào)整問題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的預(yù)定脈沖個(gè)數(shù)設(shè)置問題，實(shí)現(xiàn)了回波脈沖閾值實(shí)時(shí)自動(dòng)適應(yīng)通道噪聲變化的能力。該動(dòng)態(tài)閾值檢測(cè)具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)適應(yīng)天氣、環(huán)境、亮暗背景及設(shè)備狀態(tài)等的變化，提高了設(shè)備的整體性能。針對(duì)目前所內(nèi)激光測(cè)距產(chǎn)品，二次檢測(cè)預(yù)定脈沖個(gè)數(shù)常設(shè)置為80個(gè)，對(duì)應(yīng)二次回波閾值約為150～250mV，這可能會(huì)丟失部分目標(biāo)回波脈沖信息，但保證了設(shè)備的虛警率及數(shù)據(jù)處理能力，與傳統(tǒng)處理方式的固定閾值1.2V相比，有大幅提升。

相關(guān)匹配處理是依據(jù)目標(biāo)回波具有時(shí)間相關(guān)性而干擾脈沖不具備時(shí)間相關(guān)性而設(shè)計(jì)的。首先對(duì)二次檢測(cè)的回波脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯，對(duì)連續(xù)多幀回波脈沖數(shù)據(jù)依據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性（速度與加速度）進(jìn)行匹配相關(guān)處理，檢索可能的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，并對(duì)所有運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行跟蹤，記錄所有軌跡點(diǎn)的回波脈沖幅度、幅度排名、距離、速度等信息。

目標(biāo)智能檢測(cè)確認(rèn)是指對(duì)相關(guān)匹配處理所跟蹤到的所有運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析處理，提取出真實(shí)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。目標(biāo)智能檢測(cè)確認(rèn)以回波率為主要判據(jù)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡的回波率高于預(yù)設(shè)回波率時(shí)，確認(rèn)為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)存在多個(gè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡滿足回波率要求時(shí)，綜合軌跡回波率、軌跡點(diǎn)的脈沖寬度、脈沖幅度、幅度排名等信息，進(jìn)行目標(biāo)智能選取。回波脈沖幅度排名可以有效反映當(dāng)前通道的信噪比情況，當(dāng)軌跡點(diǎn)的回波幅度排名較高時(shí)可自動(dòng)降低回波率判據(jù)預(yù)設(shè)值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的快速確認(rèn)。當(dāng)軌跡點(diǎn)的回波幅度排名較低時(shí)可自動(dòng)提高回波率判據(jù)，防止虛假目標(biāo)的出現(xiàn)。激光近程后向散射是一種常見激光測(cè)距干擾問題，它會(huì)導(dǎo)致近程測(cè)距異常，采用遠(yuǎn)近回波差異控制技術(shù)，對(duì)近程目標(biāo)采用高回波脈沖幅度限制，既不會(huì)影響測(cè)距威力，同時(shí)可以抑制激光近程后向散射干擾。由于數(shù)字化接收處理保留了回波脈沖位置、脈寬、波形、幅度、幅度排名等有效信息，這就為目標(biāo)智能選取與確認(rèn)算法的實(shí)現(xiàn)提供有力支持，在提高測(cè)距威力的同時(shí)，有效增強(qiáng)了設(shè)備的整體性能及工作環(huán)境適應(yīng)性。

距離解算與修正是將目標(biāo)脈沖的位置信息進(jìn)行光速修正、系統(tǒng)誤差修正等處理，轉(zhuǎn)化為目標(biāo)距離數(shù)據(jù)。由于數(shù)字接收處理技術(shù)保留了目標(biāo)回波脈沖的波形數(shù)據(jù)，便于采用幅度恒比法、能量恒比法和波形微分法等處理方法來提高距離測(cè)量精度，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，靜態(tài)目標(biāo)距離測(cè)量精度由傳統(tǒng)處理方式的3米提高到0.5米，測(cè)距精度大幅提高。

三、試驗(yàn)情況

2010年3月，新型數(shù)字接收機(jī)參加了某型號(hào)設(shè)備的靶場(chǎng)檢飛試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用新型數(shù)字接收機(jī)替換其中一臺(tái)設(shè)備的終端與接收分機(jī)，進(jìn)行測(cè)距威力對(duì)比測(cè)試，測(cè)距威力平均由原處理方式的12.6km提高到15.5km，提高測(cè)距威力超過20%，且工作性能穩(wěn)定。

圖1、圖2為2010年3月檢飛試驗(yàn)中使用新型數(shù)字接收機(jī)測(cè)量得到的某一航次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此次測(cè)得的目標(biāo)最遠(yuǎn)距離為16.3km。

圖1回波脈沖分布圖圖2目標(biāo)脈沖幅度與距離關(guān)系圖

圖1為多幀的回波脈沖分布圖，橫軸為距離值（量化為m），縱軸為幀序號(hào)，如圖可以清晰的看到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖2為目標(biāo)回波脈沖幅度與距離的關(guān)系，目標(biāo)距離增加時(shí)回波幅度呈明顯下降趨勢(shì)，目標(biāo)距離增加100m，回波幅度平均下降約37mV，目標(biāo)回波信號(hào)具有明顯的閃爍現(xiàn)象。

2010年9月，使用了新型數(shù)據(jù)接收處理技術(shù)的該型號(hào)設(shè)備的三臺(tái)激光測(cè)距機(jī)，在基地進(jìn)行靶場(chǎng)檢飛試驗(yàn)，三臺(tái)激光測(cè)距設(shè)備的最遠(yuǎn)穩(wěn)定測(cè)量距離分別為：1號(hào)激光測(cè)距機(jī)15.8km、2號(hào)激光測(cè)距機(jī)18.2km、3號(hào)激光測(cè)距機(jī)15.7km，檢飛試驗(yàn)一次性通過，與指標(biāo)要求的12km相比，保留了超過30%的測(cè)距威力余量。

四、結(jié)論

近幾年，隨著高采樣率高帶寬A/D器件的出現(xiàn)和大規(guī)模高性能數(shù)字集成電路的飛速發(fā)展，數(shù)字接收處理技術(shù)逐漸受到國(guó)內(nèi)各激光測(cè)距設(shè)備研制單位和其他科研院校的關(guān)注與重視。我們開發(fā)的數(shù)字接收處理技術(shù)已在多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中投入使用，經(jīng)驗(yàn)證是一種功能全面、性能穩(wěn)定的激光回波信號(hào)處理技術(shù)，該技術(shù)在提高激光測(cè)距威力的同時(shí)，大大改善了測(cè)距精度、環(huán)境適應(yīng)性和設(shè)備可靠性等整機(jī)性能。

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作者簡(jiǎn)介：吳淦華（1980-），男，安徽黃山人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所工程師，研究方向：激光雷達(dá)信號(hào)處理。

（責(zé)任編輯：劉晶）