相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)研究

李河均，張鵬飛，潘靜巖，董光焰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047)

1 引言

對(duì)風(fēng)場的探測(cè)研究，在氣象、軍事、航空和新能源等多個(gè)方面都具有重要的意義。目前常用的風(fēng)場遙感測(cè)量的手段有微波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)以及激光雷達(dá)。激光雷達(dá)由于工作波長在0.1～10 μm，比微波雷達(dá)小，因此在風(fēng)場測(cè)量方面有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)主要有多普勒測(cè)量和多光束測(cè)量兩種測(cè)量方式［1］。激光多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)基于激光多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)工作方式又可以分為相干多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)和直接探測(cè)多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)［2－4］。相干多普勒激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)利用光外差探測(cè)技術(shù)獲得激光多普勒頻移信息。國外許多研究成果已經(jīng)證明了相干多普勒激光雷達(dá)是測(cè)量風(fēng)場和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的有效手段［5－6］。

2 相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)組成結(jié)構(gòu)

本文采用相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，設(shè)計(jì)搭建的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片如圖2所示。相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)主要由激光發(fā)射部分、光學(xué)發(fā)收部分以及探測(cè)處理部分組成。

激光發(fā)射部分主要功能是產(chǎn)生激光脈沖，為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)提供主動(dòng)探測(cè)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中激光發(fā)射部分采用的技術(shù)是MOPA(master oscillator power amplifier)。發(fā)射部分的種子激光采用的是單頻窄線寬的光纖激光器，激光器的線寬為5kHz。種子激光發(fā)射出的激光通過分束器分成兩束，一束作為本振光，用于和接收到的回波激光進(jìn)行光混頻;另外一束通過聲光移頻調(diào)制后，形成移頻的脈沖信號(hào)光，經(jīng)過脈沖激光放大器放大后，產(chǎn)生高能量的激光脈沖通過光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射向空中。移頻的主要作用是方便檢測(cè)目標(biāo)多普勒頻移的方向即風(fēng)在激光視線方向上的運(yùn)動(dòng)方向，同時(shí)也有利于探測(cè)接收部分電路帶寬的設(shè)計(jì)。光學(xué)發(fā)收分系統(tǒng)，主要完成激光的校正輸出及接收目標(biāo)反射的激光。探測(cè)處理部分包括光信號(hào)探測(cè)單元和信號(hào)處理單元。光信號(hào)探測(cè)單元將接收到回波激光與種子光分束的本振光，通過混頻效應(yīng)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)通過放大、濾波后送往信號(hào)處理單元。信號(hào)處理單元是系統(tǒng)的大腦，控制整機(jī)的時(shí)序，判別部件的狀態(tài)，對(duì)多普勒回波信號(hào)進(jìn)行處理和解算，從而獲得不同距離上的激光視向風(fēng)速數(shù)據(jù)。結(jié)合掃描機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可以獲取待測(cè)區(qū)域多個(gè)方向上的測(cè)量數(shù)據(jù)，然后通過不同的反演方式得出測(cè)量區(qū)域的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

3 信號(hào)處理方式及仿真

信號(hào)處理系統(tǒng)中最重要的工作是解算出回波信號(hào)中的多普勒信息。光學(xué)收發(fā)部分接收目標(biāo)反射的激光，同時(shí)其光學(xué)元件表面反射的激光也被接收，因此回波中包含了光學(xué)表面反射信息和目標(biāo)的多普勒信息。由于不同距離上目標(biāo)回波信號(hào)的多普勒信息不同，為了測(cè)量多普勒信息隨距離變化的分布，首先接收到的回波按照時(shí)間序列分成多個(gè)距離門，對(duì)同一距離門單元進(jìn)行功率譜估計(jì)找到頻率峰值，并通過多次回波綜合統(tǒng)計(jì)檢測(cè)以提高估計(jì)性能。

功率譜估計(jì)方法很多，常用的估計(jì)方法是最大似然估計(jì)［7］。最大似然估計(jì)是把多個(gè)觀測(cè)值的聯(lián)合概率分布視為待估函數(shù)，求出使這些觀測(cè)值出現(xiàn)概率最大的參考值。最大似然估計(jì)要求的信息較多，算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)處理速度較慢。考慮到算法的可行性及實(shí)時(shí)性，本文對(duì)每個(gè)距離門的功率譜估計(jì)采用周期圖方式。這里假設(shè)每個(gè)距離門的周期是平穩(wěn)隨機(jī)過程，周期圖是每個(gè)距離門數(shù)據(jù)的自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換，信號(hào)處理的流程如圖3所示。

圖3 多普勒信息處理流程Fig.3 The method of Doppler signal processing

通過前文提到的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室采集了大氣散射的激光多普勒回波信號(hào)。采集到的大氣散射回波信號(hào)如圖4所示。采集到的信號(hào)通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，在仿真分析中采用了512點(diǎn)傅里葉變換。經(jīng)過MATLAB軟件分析處理的信號(hào)譜圖如圖5所示。

圖4 采集到大氣回波信號(hào)時(shí)域圖Fig.4 Time domain scattered signal off the atmosphere

圖5中距離零點(diǎn)是采樣觸發(fā)的采集的回波，采樣到的時(shí)域信號(hào)，根據(jù)激光測(cè)距飛行時(shí)間方法［8］換算成距離。圖中可以看出在30m左右的范圍內(nèi)，存在一個(gè)較強(qiáng)的多普勒回波，這是由光學(xué)表面反射的信號(hào)，等同于激光測(cè)距中的主波信號(hào)，也就是實(shí)際測(cè)量中的距離零點(diǎn)。

圖5 MATLAB處理過的信號(hào)譜圖Fig.5 MATLAB simulation diagrams

4 信號(hào)處理系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 信號(hào)處理系統(tǒng)簡介

在實(shí)際設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通過軟件設(shè)置，使得第一個(gè)距離門起始位置與的主波信號(hào)上升沿重合，同時(shí)距離門覆蓋整個(gè)主波信號(hào)，通過功率譜估計(jì)獲取的頻率信息作為零多普勒標(biāo)準(zhǔn)，零多普勒標(biāo)準(zhǔn)就是信號(hào)多普勒變化的參考頻率?；夭ㄐ盘?hào)的每一個(gè)距離上的估計(jì)出的頻率值通過與參考頻率的差，作為信號(hào)的多普勒變化量和變化方向。激光多普勒雷達(dá)測(cè)風(fēng)中速度和頻率變化的關(guān)系式，其中υ是速度，dγ是頻率變化，λ是激光的波長。根據(jù)估計(jì)的多普勒頻率，通過計(jì)算獲得激光視線方向上的速度。

本信號(hào)處理系統(tǒng)采用商業(yè)高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，采樣頻率為400MHz，該采集卡配置了大容量數(shù)據(jù)緩存，配合高穩(wěn)定外圍控制及輔助電路，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的一次大容量數(shù)據(jù)采集。采集卡同時(shí)附帶了豐富的SDK數(shù)據(jù)開發(fā)包，可以基于 C++，MATLAB和LABVIEW進(jìn)行軟件開發(fā)。

我們基于NI公司開發(fā)的LABVIEW 8.5軟件，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理系統(tǒng)軟件部分。信號(hào)處理系統(tǒng)軟件功能包括對(duì)采集部分的設(shè)置以及多普勒信號(hào)處理解算。通過搭建的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)對(duì)大氣風(fēng)場進(jìn)行了測(cè)量，信號(hào)處理系統(tǒng)軟件顯示的大氣視線風(fēng)速如圖6所示。圖中縱軸為距離，橫軸為解算后的速度值，速度的正負(fù)分別表示風(fēng)是吹向和吹離雷達(dá)。通過VAD(Velocity Azimuth Display)掃描方式可以反演出測(cè)量空域中風(fēng)場的風(fēng)速和風(fēng)向。

圖6 信號(hào)處理系統(tǒng)測(cè)量界面Fig.6 Acquisition and Processing User Interface

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)重要的指標(biāo)是頻率測(cè)量精度，為了驗(yàn)證所研信號(hào)處理系統(tǒng)的測(cè)量性能，我們利用信號(hào)源配合相關(guān)的電路設(shè)計(jì)了一套多普勒回波信號(hào)模擬系統(tǒng)。根據(jù)模擬信號(hào)的頻率計(jì)算出多普勒速度值和系統(tǒng)測(cè)量的速度值進(jìn)行比對(duì)。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)場景及結(jié)果如圖7所示。

圖7 信號(hào)頻率60MHz測(cè)量結(jié)果Fig.7 The experimental results of 60MHz signal

實(shí)驗(yàn)中模擬的多普勒回波信號(hào)是延遲一定時(shí)間的脈沖信號(hào)，信號(hào)的頻率范圍從10 MHz到80 MHz，信號(hào)頻率每次增加或減小量為0.1 MHz。本系統(tǒng)中激光的波長為1550 nm，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行分析，系統(tǒng)的頻率測(cè)量精度是1 MHz，系統(tǒng)的速度測(cè)量精度在0.8 m/s以內(nèi)。

5 結(jié)論

本文介紹了所研制的相干激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)相干探測(cè)信號(hào)處理方法進(jìn)行了研究，給出了脈沖多普勒信號(hào)處理的流程及仿真結(jié)果?；谏虡I(yè)高速信號(hào)采集卡及LABVIEW軟件設(shè)計(jì)了信號(hào)處理系統(tǒng)，并通過研制的測(cè)風(fēng)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明信號(hào)處理系統(tǒng)有較好的測(cè)量精度。在后續(xù)的工作中，我們將對(duì)信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高其多普勒頻譜測(cè)量的性能。

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