脈沖壓縮及相參積累在激光雷達(dá)中的應(yīng)用

張 濤,幸 濤,潘 璠

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047；2.空軍裝備部駐鄭州地區(qū)軍代室,河南 鄭州 451150)

1 引 言

現(xiàn)代微波雷達(dá)中,采用寬脈寬的脈沖壓縮信號(hào)波形,寬脈寬使得雷達(dá)可以獲得較遠(yuǎn)的作用距離,脈沖壓縮信號(hào)可以提高雷達(dá)的距離分辨率,通過采用脈沖壓縮技術(shù),有效解決了雷達(dá)作用距離與雷達(dá)距離分辨率之間的矛盾,在現(xiàn)代雷達(dá)上得到了廣泛的應(yīng)用。此外,現(xiàn)代雷達(dá)普遍采用相參積累技術(shù),相參積累同時(shí)利用目標(biāo)回波信號(hào)的幅度和相位信息,進(jìn)行回波信號(hào)的同相疊加,可以獲得高的積累增益,從而能夠有效提高雷達(dá)對(duì)微弱目標(biāo)的探測(cè)性能。傳統(tǒng)的激光脈沖測(cè)距雷達(dá)采用高峰值功率窄脈沖對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離測(cè)量,采用單個(gè)脈沖對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè),由于脈沖之間相位不具有相參性,因此不能進(jìn)行有效的相參積累。由于激光雷達(dá)脈內(nèi)未進(jìn)行調(diào)制,因此激光雷達(dá)距離分辨率取決于發(fā)射的窄脈沖寬度,目前激光雷達(dá)的脈沖寬度為10～20 ns,而想要進(jìn)一步減小脈沖寬度工程實(shí)現(xiàn)難度較大[1],因此,若能夠?qū)⑽⒉ɡ走_(dá)中的脈沖壓縮技術(shù)應(yīng)用于激光雷達(dá)中,則可以有效解決激光雷達(dá)的作用距離和距離分辨率問題。激光雷達(dá)的高發(fā)射峰值功率易于被敵方激光告警設(shè)備捕獲,采用低發(fā)射峰值功率會(huì)影響激光雷達(dá)的作用距離,將微波雷達(dá)中的相參積累技術(shù)應(yīng)用于激光雷達(dá)中,則在同樣的作用距離條件下,可有效降低激光雷達(dá)的發(fā)射峰值功率,實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的低截獲性能,有效提高激光雷達(dá)的對(duì)抗能力[2-5]。

為有效提升傳統(tǒng)激光脈沖測(cè)距雷達(dá)的性能,采用線性調(diào)頻信號(hào)對(duì)激光脈沖信號(hào)進(jìn)行脈內(nèi)調(diào)制,采用相參積累技術(shù)對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行積累,搭建了一套激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采集目標(biāo)回波數(shù)據(jù)并對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 理論分析

線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)的脈沖寬度為Tp,信號(hào)帶寬為B,則線性調(diào)頻脈沖信號(hào)可以表示為:

u(t)=rect(t/Tp)exp(jπkt2)

(1)

其中,rect(·)為矩形脈沖信號(hào),線性調(diào)頻信號(hào)斜率k=B/Tp。

對(duì)公式(1)進(jìn)行傅里葉變換得到線性調(diào)頻信號(hào)頻譜:

(2)

其中,c(u)和s(u)為菲涅爾積分。

根據(jù)菲涅爾積分的性質(zhì),當(dāng)時(shí)寬帶寬積BTp1時(shí),線性調(diào)頻信號(hào)的幅頻特性近似為矩形,信號(hào)帶寬為B。

脈沖寬度為Tp的傳統(tǒng)脈沖基帶信號(hào)可以表示為:

(3)

其信號(hào)頻譜為:

S(f)=Tpsinc(fTp)

(4)

根據(jù)sinc函數(shù)的性質(zhì),傳統(tǒng)脈沖基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬為1/Tp。

激光雷達(dá)的距離分辨率可以表示為

ΔR=c/2B

(5)

其中,c為光速。

根據(jù)公式(5),激光雷達(dá)的距離分辨率取決于發(fā)射基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬,因此,在同樣的脈沖寬度下,由于線性調(diào)頻信號(hào)的時(shí)寬帶寬積大于1,采用線性調(diào)頻信號(hào)的激光雷達(dá)可以獲得較高的距離分辨率。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括激光種子源、脈沖激光功率放大器、聲光移頻器、波形產(chǎn)生器、光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)和掃描控制、光電探測(cè)及信號(hào)處理等部分。其中,波形產(chǎn)生器產(chǎn)生脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)波形的產(chǎn)生,光電探測(cè)完成本振光與目標(biāo)后向散射光的混頻,信號(hào)處理對(duì)光電探測(cè)輸出的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字正交解調(diào)、數(shù)字脈壓及相參積累處理。激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)激光種子源采用光纖單頻激光器,光纖激光器經(jīng)過光纖分束器后,一路作為本振光送入光電探測(cè)器,一路送入聲光移頻器,信號(hào)波形產(chǎn)生器在聲光移頻器中完成對(duì)激光信號(hào)的調(diào)制,調(diào)制后的激光信號(hào)送激光功率放大器進(jìn)行光放大,形成高能量的激光脈沖,高能激光脈沖經(jīng)發(fā)射光束控制,在掃描控制系統(tǒng)的控制下,經(jīng)發(fā)射天線將激光脈沖信號(hào)投射到空間某一目標(biāo)上,目標(biāo)對(duì)入射的激光信號(hào)進(jìn)行反射,反射的目標(biāo)回波光信號(hào)由光學(xué)接收天線接收,經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)單元,本振光與目標(biāo)回波光回波信號(hào)在光電探測(cè)單元內(nèi)進(jìn)行混頻,混頻后經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)放大后通過AD采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后經(jīng)數(shù)字正交解調(diào)、脈沖壓縮及相參脈沖積累,解算出目標(biāo)的距離及徑向速度參數(shù),從而完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

信號(hào)波形產(chǎn)生器產(chǎn)生的信號(hào)波形為線性調(diào)頻信號(hào),線性調(diào)頻信號(hào)是微波雷達(dá)中最常用的脈沖壓縮信號(hào),具有良好的脈沖壓縮性能及分辨能力,線性調(diào)頻信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是匹配濾波器對(duì)回波信號(hào)的多普勒頻移不敏感,本文基于DDS芯片,制作信號(hào)波形產(chǎn)生板卡,板卡輸出的線性調(diào)頻信號(hào)作為對(duì)激光脈沖進(jìn)行調(diào)制的脈沖壓縮信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析

激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后,開展目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn),收集目標(biāo)回波數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析主要包括兩部分:脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和相參脈沖積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

4.1 脈沖壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

線性調(diào)頻信號(hào)參數(shù)設(shè)置:脈寬0.8 μs,帶寬10 MHz,中心頻率100 MHz,AD采集的原始回波數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 原始回波數(shù)據(jù)

從圖中很容易看出發(fā)射脈沖泄露的線性調(diào)頻脈沖信號(hào),這里稱為主波,對(duì)主波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字正交解調(diào)及脈沖壓縮處理,脈沖壓縮后的波形如圖3所示。

(a)脈壓后波形(整體)

由圖3可以看出,線性調(diào)頻主波信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮處理后,副瓣低于主瓣約13 dB,與理論結(jié)果吻合,因此線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)可以應(yīng)用于激光雷達(dá)中,在脈沖寬度一定的情況下,有效提高激光雷達(dá)的距離分辨率。

4.2 相參脈沖積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

利用搭建的激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展室外固定目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn),目標(biāo)與激光雷達(dá)相距400 m,相參脈沖積累結(jié)果如圖4所示。

圖4 相參脈沖積累結(jié)果

從圖4可以看出,位于第67個(gè)采樣點(diǎn)處為主波信號(hào)相參積累結(jié)果,位于第283個(gè)采樣點(diǎn)處為目標(biāo)回波信號(hào)相參積累結(jié)果。依據(jù)數(shù)據(jù)采樣率,計(jì)算目標(biāo)與激光雷達(dá)之間的距離為:

=405 m

信號(hào)處理目標(biāo)檢測(cè)得出的目標(biāo)測(cè)距結(jié)果與待測(cè)目標(biāo)的實(shí)際距離相一致,經(jīng)多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)該激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)距精度為5 m,因此基于脈沖壓縮和相參積累技術(shù)的激光雷達(dá)可以應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)。

主波信號(hào)相參脈沖積累結(jié)果如圖5所示。

圖5 主波信號(hào)相參積累結(jié)果

目標(biāo)回波信號(hào)相參積累結(jié)果如圖6所示。

圖6 目標(biāo)回波信號(hào)相參積累結(jié)果

從圖5和圖6可以看出,隨著脈沖積累個(gè)數(shù)的增加,無論是主波信號(hào)還是目標(biāo)回波信號(hào),相參積累后的幅度值都隨脈沖積累個(gè)數(shù)的增加而增加,具體數(shù)值如表1所示,從表1可以看出,相參脈沖積累個(gè)數(shù)增加一倍,相參積累結(jié)果增加近似3 dB,與理論分析吻合,因此相參脈沖積累可以應(yīng)用于激光雷達(dá)中。

表1 相參積累幅度值

目前激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只是開展了固定目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn),對(duì)于動(dòng)目標(biāo)探測(cè)來說,由于激光的波長較短,動(dòng)目標(biāo)會(huì)引起較大的多普勒頻移,將會(huì)造成脈壓性能下降及距離速度耦合現(xiàn)象,因此需要采用合理的多普勒補(bǔ)償算法才能應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)探測(cè),這也是下一步將要開展的研究內(nèi)容。

5 結(jié) 論

本文基于脈沖壓縮及相參積累技術(shù)搭建了一套激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了室外目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn),收集并分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過應(yīng)用脈沖壓縮及相參積累技術(shù),激光雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)能力得以有效提升。