脈沖激光回波信號的數(shù)字化檢測技術(shù)

吳淦華

摘要：為了提高激光雷達的測距威力，文章提出了一種脈沖激光回波信號的數(shù)字化檢測方法，采用高速AD器件將回波通道進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用超低閾值對回波數(shù)據(jù)進行一次固定閾值檢測，然后對回波脈沖數(shù)據(jù)進行二次動態(tài)閾值檢測，并對二次檢測結(jié)果采用先跟蹤再檢測技術(shù)，降低虛警率，提高弱小目標檢測正確性及檢測概率。

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

中圖分類號：TN958文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2012）03-0120-03

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

一、提高測距威力方法分析

激光雷達測距方程為：

（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，目標反射截面積，目標反射率，大氣雙程透過率，激光束散角，探測系統(tǒng)的靈敏度。

由雷達測距方程可以看出，提高激光測距威力的方法有：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，會導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗、體積顯著增加，并對冷卻系統(tǒng)的散熱性能提出苛刻要求。目前，激光雷達光學(xué)透過率可以達到80%以上，通過提高光學(xué)透過率來增強測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距威力，但會導(dǎo)致系統(tǒng)體積和重量的成倍增加，同時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。探測系統(tǒng)靈敏度受探測器靈敏度、回波檢測技術(shù)等的制約，探測器靈敏度與器件的工藝水平有關(guān)，提高探測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的數(shù)字化檢測方法，可以有效提高探測系統(tǒng)的靈敏度，并且具有成本低、適用性強等優(yōu)點。

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

數(shù)字化檢測處理技術(shù)通過高速AD器件將回波通道進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，并對回波通道進行帶通數(shù)字濾波處理，然后利用超低閾值對回波通道進行一次固定閾值檢測，該檢測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。采用恒虛警方法對回波脈沖進行二次動態(tài)閾值檢測，依據(jù)設(shè)備的虛警率要求、被測目標狀態(tài)與數(shù)據(jù)處理能力，從一次檢測結(jié)果中選取幅度排名靠前的回波脈沖，該動態(tài)閾值檢測具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，可依據(jù)通道的噪聲情況實時自動調(diào)整二次檢測閾值的高低。對二次檢測結(jié)果采用先跟蹤再檢測技術(shù)，降低虛警率，提高目標檢測正確性及對弱小目標的檢測概率。

二、數(shù)字化檢測方法

由于目標回波具有閃爍性、時間相關(guān)性以及回波幅度隨距離增加急劇下降等特點。借鑒微波雷達等處理方法，對目標回波脈沖先進行多目標離散跟蹤，分析并跟蹤所有可能的目標運動軌跡，再對這些目標運動軌跡進行智能檢測判斷，提取出真實目標回波。

數(shù)字化檢測處理軟件主要包括：超低閾值回波脈沖檢測（一次檢測）、動態(tài)閾值回波脈沖檢測（二次檢測）、相關(guān)匹配處理（多目標離散跟蹤）、目標智能檢測確認處理、目標距離解算與修正等幾個部分。

超低閾值回波脈沖檢測是回波脈沖的一次檢測，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的檢測閾值設(shè)置為100mV左右，并采用全數(shù)字化方式檢測處理，便于根據(jù)設(shè)備狀態(tài)進行調(diào)整。經(jīng)過此次檢測，在測量量程范圍內(nèi)可獲得大約200～500個回波脈沖數(shù)據(jù)，基本保證了目標回波脈沖不丟失。

動態(tài)閾值回波脈沖檢測是回波脈沖的二次檢測處理，采用恒虛警處理方法對回波脈沖數(shù)據(jù)進行二次檢測，依據(jù)設(shè)備的虛警率要求、被測目標狀態(tài)與數(shù)據(jù)處理能力等條件，從一次檢測結(jié)果中提取幅度排名靠前的預(yù)定個數(shù)回波脈沖，這就將復(fù)雜的檢測閾值自適應(yīng)調(diào)整問題轉(zhuǎn)化為簡單的預(yù)定脈沖個數(shù)設(shè)置問題，實現(xiàn)了回波脈沖閾值實時自動適應(yīng)通道噪聲變化的能力。該動態(tài)閾值檢測具有很強的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠自動適應(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。針對目前所內(nèi)激光測距產(chǎn)品，二次檢測預(yù)定脈沖個數(shù)常設(shè)置為80個，對應(yīng)二次回波閾值約為150～250mV，這可能會丟失部分目標回波脈沖信息，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)目標回波具有時間相關(guān)性而干擾脈沖不具備時間相關(guān)性而設(shè)計的。首先對二次檢測的回波脈沖數(shù)據(jù)進行存貯，對連續(xù)多幀回波脈沖數(shù)據(jù)依據(jù)目標運動特性（速度與加速度）進行匹配相關(guān)處理，檢索可能的目標運動軌跡，并對所有運動軌跡進行跟蹤，記錄所有軌跡點的回波脈沖幅度、幅度排名、距離、速度等信息。

目標智能檢測確認是指對相關(guān)匹配處理所跟蹤到的所有運動軌跡進行分析處理，提取出真實目標的運動軌跡。目標智能檢測確認以回波率為主要判據(jù)，當運動軌跡的回波率高于預(yù)設(shè)回波率時，確認為目標運動軌跡。當存在多個目標運動軌跡滿足回波率要求時，綜合軌跡回波率、軌跡點的脈沖寬度、脈沖幅度、幅度排名等信息，進行目標智能選取?；夭}沖幅度排名可以有效反映當前通道的信噪比情況，當軌跡點的回波幅度排名較高時可自動降低回波率判據(jù)預(yù)設(shè)值，實現(xiàn)目標的快速確認。當軌跡點的回波幅度排名較低時可自動提高回波率判據(jù)，防止虛假目標的出現(xiàn)。激光近程后向散射是一種常見激光測距干擾問題，它會導(dǎo)致近程測距異常，采用遠近回波差異控制技術(shù)，對近程目標采用高回波脈沖幅度限制，既不會影響測距威力，同時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，這就為目標智能選取與確認算法的實現(xiàn)提供有力支持，在提高測距威力的同時，有效增強了設(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脈沖的位置信息進行光速修正、系統(tǒng)誤差修正等處理，轉(zhuǎn)化為目標距離數(shù)據(jù)。由于數(shù)字接收處理技術(shù)保留了目標回波脈沖的波形數(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量精度，實測結(jié)果表明，靜態(tài)目標距離測量精度由傳統(tǒng)處理方式的3米提高到0.5米，測距精度大幅提高。

三、試驗情況

2010年3月，新型數(shù)字接收機參加了某型號設(shè)備的靶場檢飛試驗，試驗現(xiàn)場使用新型數(shù)字接收機替換其中一臺設(shè)備的終端與接收分機，進行測距威力對比測試，測距威力平均由原處理方式的12.6km提高到15.5km，提高測距威力超過20%，且工作性能穩(wěn)定。

圖1、圖2為2010年3月檢飛試驗中使用新型數(shù)字接收機測量得到的某一航次的試驗數(shù)據(jù)，此次測得的目標最遠距離為16.3km。

圖1回波脈沖分布圖圖2目標脈沖幅度與距離關(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，如圖可以清晰的看到目標的運動軌跡。圖2為目標回波脈沖幅度與距離的關(guān)系，目標距離增加時回波幅度呈明顯下降趨勢，目標距離增加100m，回波幅度平均下降約37mV，目標回波信號具有明顯的閃爍現(xiàn)象。

2010年9月，使用了新型數(shù)據(jù)接收處理技術(shù)的該型號設(shè)備的三臺激光測距機，在基地進行靶場檢飛試驗，三臺激光測距設(shè)備的最遠穩(wěn)定測量距離分別為：1號激光測距機15.8km、2號激光測距機18.2km、3號激光測距機15.7km，檢飛試驗一次性通過，與指標要求的12km相比，保留了超過30%的測距威力余量。

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)逐漸受到國內(nèi)各激光測距設(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)已在多個型號產(chǎn)品中投入使用，經(jīng)驗證是一種功能全面、性能穩(wěn)定的激光回波信號處理技術(shù)，該技術(shù)在提高激光測距威力的同時，大大改善了測距精度、環(huán)境適應(yīng)性和設(shè)備可靠性等整機性能。

參考文獻

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作者簡介：吳淦華（1980-），男，安徽黃山人，中國電子科技集團公司第二十七研究所工程師，研究方向：激光雷達信號處理。

（責(zé)任編輯：劉晶）