基于線性調頻脈沖壓縮的激光相干探測技術研究

張鵬飛,潘靜巖,范杰平

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

1 引 言

脈沖激光相干探測技術具有探測靈敏度高,具備同時對目標的測距和測速的能力,在激光測風、飛行器測量、激光成像和制導方面的應用越來越廣泛[1]。脈沖相干激光雷達探測目標時,希望對被測目標有高的測速精度和測距精度,但是在實際應用中,單頻率脈沖系統無法同時實現對目標進行高精度的距離測量和速度測量。固定載頻脈沖信號的時間寬度τ和信號的帶寬B滿足以下關系:

τB≈1

單頻率激光雷達脈沖的時間寬度τ與帶寬反比,速度分辨率取決于頻率分辨率,而頻率分辨率由時間寬度決定。脈沖的時寬越大脈沖能量越大,雷達的作用距離就越遠,但脈沖時寬越大則帶寬B就越小,導致測距分辨率就變差。因此,在單脈沖激光雷達測量中距離分辨率和速度分辨率間有著耦合矛盾。

為了解決這個矛盾,可以通過相干地結合多個短激光脈沖,就有可能增加信號的時間,從而提高多普勒分辨率[2]。這種方法雖然有效但對激光脈沖發射要求較高,且確定激光脈沖間的相位關系非常復雜,因此在實際應用中實現非常困難。

另外一種方法就是采用寬脈沖發射和脈沖壓縮信號處理的方式來實現。對于相干激光雷達,其方式就是激雷達采用較寬的發射脈沖,在寬脈沖內附加某種調制,擴展信號的頻帶,從而獲得大時寬帶寬積脈沖信號,相應地在激光接收處理端,通過一個壓縮網絡將接收到的寬脈沖壓縮成窄脈沖。采用寬脈沖能夠增加激光發射能量,從而在保證測速分辨率的前提下增加作用距離同時通過脈沖壓縮處理又保證測距分辨率要求,解耦激光雷達的高精度測量矛盾。

2 線性調頻與脈沖壓縮

發射大時寬帶寬積脈沖信號是脈沖壓縮的前提,調制是在寬脈沖情況下,增大信號帶寬的典型途徑。調制一般分為幅度調制和相位調制。幅度調制會降低發射信號的平均功率,不能最大程度應用激光的效能,因此我們采用相位調制。

常用的相位調制信號有四類:線性調頻(LFM)脈沖信號、非線性調頻(NLFM)脈沖信號、頻率編碼脈沖信號和相位編碼脈沖信號。前三種均通過頻率調制實現非線性相位調制,相位編碼是通過不同的碼型調制來實現,四種方式都能獲得大帶寬,但信號處理的負責程度和脈沖的壓縮比不同。

線性調頻信號較易產生,因此是研究最早應用最廣的脈壓信號。這種信號的突出優點是對多普勒頻移不敏感,即使回波信號帶有較大頻移,匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用[3]。

線性調頻脈沖信號的表達式為:

如果用復數表達有:

x(t)=ejπβt2/τ=ejθ(t)0≤t≤τ

則該波形的瞬時頻率是相位函數的微分:

線性調頻信號的波形x(t)可以表示為圖1所示,當β為正時,脈沖為正調頻；當β為負時,脈沖為負調頻。線性調頻脈沖的時寬帶寬積就是βτ。

圖1 線性調頻信號的波形

脈沖壓縮的實質是匹配濾波,匹配濾波是接收機濾波器的頻率響應與發射信號波形相匹配,從而獲得最大的輸出信噪比。為了確保這種匹配關系,根據發射信號波形,通過時間翻轉及對復波形取共軛,從而獲得匹配濾波器的響應特性。設發射信號為x(t),那么匹配濾波器的響應函數為:

h(t)=αx*(tm-t)

其中，α是匹配濾器的增益;tm為輸出最大信噪比時刻。使信噪比最大化的時刻tm可以是任意的,但是為了使h(t)具有因果性,應該滿足tm>τ。對于線性調頻信號來說需要引入與線性調頻信號相反的時延,同時它的相頻特性應該與調制信號共軛,使壓縮后的信號具有線性相位。對于線性時不變系統,如果輸入信號序列x(n),匹配濾波器的響應序列h(n)是以n為周期的序列。則其匹配濾器壓縮輸出y(n)為:

y(n)=x(n)?h(n)

根據卷積定理,時域的卷積運算對應于頻域的乘積運算,因此脈沖壓縮除了在時域實現外,還可以在頻域通過正反傅里葉變化的方法來實現,并且頻域壓縮降低了計算量。

實際測量過程中,由于激光雷達的回波信號存在噪聲和多普勒頻移。當噪聲存在不能忽略的時候,則測量的結果存在誤差。對于線性調頻脈沖壓縮波形的雷達來說,其測距精度可以表示為[4]

其中,E是雷達回波信號的能量；N0是接收帶寬中噪聲在每赫茲上的功率；B是帶寬；c是光速。從上式可以看出,測量精度與信噪比的開方具有正比關系。同時多普勒頻移同樣會對脈沖壓縮的結果產生影響,多普勒頻移過大時,會導致脈沖壓縮匹配損失甚至匹配失敗。圖2基于MATLAB對有噪聲和多普勒頻移條件下脈沖壓縮輸出的信號仿真結果。

圖2 基于MATLAB的脈沖壓縮輸出仿真結果

3 瓶頸問題分析

線性調頻脈沖壓縮激光相干探測技術可以借鑒微波線性調頻脈沖壓縮技術,但也存在以下需要解決的瓶頸問題:

1)線性調頻激光脈沖的產生

要實現激光相干探測技術就需要激光源有較高的頻率穩定性和窄線寬,線性調頻又需要對激光的頻率進行較大范圍的調制。激光的線性調頻主要采用腔長調制的方式,通過將激光腔鏡換成PZT反射鏡,通過改變PZT電壓來改變腔長。或者在激光腔內放置一塊FM切割的電光晶體,通過晶體折射率改變等效于諧振腔長的變化。腔長調制的方式可以產生非常寬的調制帶寬,但是無法同時提供外差探測的單頻本振光。

為了同時提供本振光和同源的線性調頻信號,可以通過腔外調制的方式,腔外線性調頻是主要采用聲光器件來實現的。聲光調制器由聲光介質和壓電換能器構成。聲光移頻器主要采用正常布喇格衍射模式,驅動射頻信號加載于壓電換能器上,激發相同頻率的超聲波耦合入聲光介質,入射光子與聲子在介質中交換能量產生極化波,激發光輻射形成衍射光。聲光調制器主要通過衍射的方式來實現移頻,由于不同頻率的衍射光的方向和衍射效率不同,因此聲光調制器的頻率調制帶寬較小,且不同頻率的調制效率也不同。對于聲光調制器的頻率調制帶寬較小的問題需要新的晶體材料或者新的調制方式來解決。

由于激光調制效率的不同會導致線性調頻脈沖幅度出現起伏,通常激光調制脈沖功率較小,需要進行脈沖放大后發射,由于激光脈沖放大器的工作特點,輸出的脈沖不是平頂脈沖,通常為高斯型脈沖。脈沖形狀的變化對壓縮效率會產生影響。

為了解決這個問題可以通過預先補償的方式,比如電調制信號不采用常規的矩形脈沖,采用反高斯的方式從而保證發射脈沖各頻率幅度信號的一致性。利用MATLAB軟件模擬發射信號為反高斯形狀并進行壓縮驗證,反高斯波形和壓縮的仿真結果如圖3所示。左圖中模擬的反高斯信號頻率點最大和最小功率相差4.3 dB,右圖反高斯信號壓縮的結果與矩形信號壓縮信號相比,副瓣有所抬升,經過高斯型的脈沖放大后,會保證脈沖信號各頻率幅值接近矩形脈沖。

2)多普勒頻移的影響

由于光學波長很短,很小的多普勒也會造成很大的多普勒,根據上述的仿真結果當多普勒頻率較大時會導致脈沖壓縮匹配效率的降低甚至無法實現壓縮。對于波長為1.5 μm的體制帶寬為200 MHz的激光,當速度為38.75 m/s時,多普勒為50 MHz,多普勒頻移為1/4倍信號帶寬時,即脈沖壓縮為波形的3/4,此時脈沖壓縮匹配損失為1.25 dB。

線性調頻信號的測距和測速是耦合的,即速度影響目標距離的測量,所以想精確測距,必須測量出速度。通常微波領域采用MTD來獲得動目標的多普勒[5],前提是目標不存在多普勒模糊,也就是說,目標的多普勒不能超過脈沖重復頻率。對于激光相干脈沖壓縮來說,發射脈沖的重復頻率為10 kHz,可表示的速度范圍為0.0077 m/s。當目標多普勒為50 MHz。此時目標的多普勒是重頻的5000倍,也就是說目標的多普勒可能會重復5000次,MTD無法對目標進行測速。為了實現對目標的多普勒測量,可以通過順序發射正負調頻斜率來獲得目標的準確距離和徑向速度。

圖3 反高斯補償信號及脈沖壓縮的結果

4 試驗驗證

為了驗證線性調頻的調制性能和測量方式的可行性,我們搭建了線性調頻脈沖壓縮試驗系統。系統采用的激光種子源線寬為3 kHz,線性調頻組件的中頻為200 MHz,調制信號通過脈沖放大后發射向目標,采用高速數字信號采集儀實現對目標回波的采集和數字化,利用MATLAB軟件對回波信號的脈沖壓縮算法驗證。線性調頻頻帶帶寬范圍結果如圖4所示。

圖4(b)測量的目標壓縮結果,圖中為第一個主高峰是由發射信號泄露直接耦合到接收通道后處理的信號結果,由于信號泄露基本在光學天線部分,此位置正好可認為目標測距時的距離起點,圖中第二個高峰為目標回波壓縮的信號,目標的距離信息通過目標位置與起始位置的距離差來獲得。通過試驗驗證了技術方案的可行性,為下一步系統的優化奠定了基礎。

圖4 線性調頻頻帶測量結果和目標

5 結 語

本文針對線性調頻脈沖壓縮技術進行了分析和仿真,并針對脈沖壓縮激光相干探測技術的相關問題進行的分析,并搭建了試驗環境實現了算法驗證。作為采用脈沖相干探測技術的激光雷達來說,汲取微波領域的相關研究成果和思想,結合激光雷達的技術特點,實現對目標的同時高精度的測距和測速還有許多技術問題需要研究。