機載激光多脈沖展寬識別運動目標(biāo)和地面背景

徐 強，王海晏，王 芳，楊海燕

(空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安710038)

1 引言

激光因其具有高單色性、高方向性、高亮度性及較好的相關(guān)性等特點，已在測距、成像、探測等方面得到廣泛應(yīng)用，是為現(xiàn)代戰(zhàn)爭提供精確化信息處理的重要技術(shù)手段之一。其中脈沖激光的特點有:一是激光發(fā)射角小，能量在空間相對集中;二是激光脈沖持續(xù)時間很短，能在時間上相對集中，因而瞬時功率很大(可達兆瓦級以上)。脈沖激光探測已成為激光應(yīng)用的主要方面之一。隨著機載激光設(shè)備的發(fā)展，多脈沖累積探測技術(shù)的運用可以滿足遠程探測與測距。通過探測器接收端的數(shù)字信號處理器對多個回波進行累加平均等信號處理，提高信噪比，降低最小可檢測信噪比，進而增加最大測程，同時，將淹沒在噪聲中的弱信號檢測出來。

由于光束在傳播過程中與介質(zhì)粒子、障礙物或運動目標(biāo)接觸而發(fā)生色散、移位等現(xiàn)象［1］，造成了回波在時間上的擴展，從而產(chǎn)生脈沖展寬。文獻［2］中考慮到云的多次散射作用，利用脈沖展寬的寬度不同來區(qū)分目標(biāo)和云，增強目標(biāo)的識別能力。但傳輸脈沖信號的展寬會引起信噪比下降，誤碼率升高，甚至導(dǎo)致信號不能分辨，并由此對通信速率和通信距離形成限制。

目前運動目標(biāo)與地面背景識別問題大多采用視頻處理技術(shù)解決，主要方法有光流法、幀間差分法、背景差分法等［3］。其中，光流法硬件要求高，難以實現(xiàn)對目標(biāo)實時監(jiān)檢測;幀間差分法往往提取的目標(biāo)比較粗糙，比實際的運動目標(biāo)輪廓要大;背景差分法對背景建模和背景更新要求較高。

綜上，本文將多脈沖累積技術(shù)與脈沖展寬特性相結(jié)合，對運動目標(biāo)進行探測，由于目標(biāo)速度的存在改變了光軸與目標(biāo)表面夾角而造成回波延時，從而通過與基準(zhǔn)脈沖的相關(guān)度不同，將其從地面背景區(qū)分出來。仿真結(jié)果表明該方法可以保證信噪比，將信號從噪聲中檢測出來，并有效識別目標(biāo)與背景。

2 激光多脈沖累積探測

由空氣中介質(zhì)粒子、地面障礙物等導(dǎo)致的低信噪比環(huán)境中，如何提高激光探測的信噪比，降低目標(biāo)檢測的虛警概率，是激光探測要解決的技術(shù)難題之一。

多脈沖探測［4］是在一個工作周期內(nèi)發(fā)射一串光脈沖，每一次探測、處理的過程都由一個相對較大的系統(tǒng)時鐘控制，保持發(fā)射、接收的同步性。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，目前半導(dǎo)體激光器和固體激光器都可以達到較高的重復(fù)頻率，同時，高速信號采集和處理電路技術(shù)飛速發(fā)展，為多脈沖接收的后續(xù)高速數(shù)據(jù)處理提供了可能。激光多脈沖探測原理框圖如圖1所示。

圖1 激光多脈沖探測原理框圖

設(shè)激光帶噪聲的回波信號［5］為yi(t)=s(t)+ni(t)，噪聲信號為ni(t)，累積平均前強度信噪比為RS，N=s(t)/Vn，其中，噪聲強度 Vn=，為噪聲的均方根。

進行多脈沖累積平均:

激光回波信號s(t)為確定性信號，噪聲ni(t)是均值為零的高斯白噪聲，不同時刻的值相互獨立、互不相關(guān)。則根據(jù)其性質(zhì)可得N個脈沖累積平均后，噪聲功率為:

噪聲強度為:

則強度信噪比為:

由此可得，多脈沖累加平均信噪比改善滿足槡N的關(guān)系，脈沖個數(shù)越多，信噪比改善越大。

3 多脈沖展寬識別

3.1 多脈沖技術(shù)對運動目標(biāo)的特性

圖2為激光多脈沖探測示意圖，假設(shè)目標(biāo)的橫向尺寸為d，激光脈沖的重復(fù)周期為T，脈寬為τ。目標(biāo)相對激光探測器的運動速度為v。速度v的存在使目標(biāo)表面與載機光軸產(chǎn)生一定的夾角，當(dāng)激光光束相對目標(biāo)傾角變化時，光斑內(nèi)各點到光源處高低差發(fā)生變化，造成回波延時，從而產(chǎn)生了脈沖展寬的現(xiàn)象［6］。

圖2 激光多脈沖探測示意圖

載機從空中向下對運動目標(biāo)進行探測，由于脈沖周期較短，在多個激光脈沖周期內(nèi)，目標(biāo)的尺寸大小與橫向位移對回波延時作用較小，而平行于光束方向的速度，使目標(biāo)遠離或靠近激光探測器作用較為明顯，進而影響了脈沖展寬程度。因此，相鄰脈沖往返時間差可近似為Δτ=2· v平行· t/c，即為脈沖的展寬，t為脈沖發(fā)射時發(fā)射機與目標(biāo)位置間的傳輸時間，則回波脈沖串的脈寬相對發(fā)射脈沖變?yōu)?τ'= τ+Δτ。

3.2 脈沖展寬相關(guān)度判別

為了驗證運動目標(biāo)的脈沖展寬特性，此處忽略云層和空氣中介質(zhì)粒子對激光的散射作用，并將地面背景看成朗伯體，即反射亮度是常數(shù)，在各個方向上相等。

假設(shè)一個周期內(nèi)觸發(fā)三個激光脈沖，即基準(zhǔn)脈沖分別為a、b、c，照射到地面背景后反射回波分別為a1、b1、c1，照射到運動目標(biāo)后反射回波分別為a2、b2、c2，如圖 3 所示。

圖3 發(fā)射脈沖與不同回波脈沖時序波形圖

根據(jù)公式計算及已有的理論分析［7－8］得知，激光脈沖打在地面背景后，回波在光程差上沒有明顯變化，周期與探測器的基準(zhǔn)脈沖基本保持一致，且接收概率較為平穩(wěn)，通過累積平均后波形脈寬與基準(zhǔn)脈沖相關(guān)程度高。而運動目標(biāo)的速度改變了光程差，造成回波延時或提前，使脈寬發(fā)生了變化，且由于一個周期內(nèi)探測器的接收角和光斑區(qū)域一定，接收概率隨著目標(biāo)運動速度的增加而下降，通過累計平均后波形脈寬與基準(zhǔn)脈沖相關(guān)程度較低。

根據(jù)協(xié)方差公式:

及相關(guān)系數(shù)公式:

可得回波脈沖的協(xié)方差:

在此基礎(chǔ)上計算相關(guān)系數(shù)，比較每串回波脈沖的自相關(guān)性與互相關(guān)性，就可以區(qū)分地面背景與運動目標(biāo)。

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 多脈沖累積探測仿真實驗

進行激光多脈沖探測的模擬仿真分為四部分［9］:發(fā)射激光脈沖模塊，接收回波信號模塊，噪聲擾動和脈沖疊加模塊，疊加結(jié)果顯示模塊。

實際系統(tǒng)中采樣可以看作y(t)與δ(t－iT)相卷積的結(jié)果，即:

式中，T為脈沖周期。數(shù)字式平均結(jié)果為:

系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)函數(shù)為:

進而得其頻域響應(yīng)函數(shù)為:

相應(yīng)的幅頻特性為:

上式實為帶通窗口濾波器，N值越大，濾波器的帶寬越窄，濾除的噪聲越多，因而累積平均次數(shù)越多，信噪比提高越大。

仿真實驗中產(chǎn)生周期為50ns，寬度為5ns，幅度為0.5V的脈沖串信號，加入均方根為0.3V的高斯白噪聲，再對脈沖串信號進行累加平均。圖4(a)～圖4(d)依次為帶噪聲的一串脈沖信號波形、進行10次、25次、50次累積平均后的波形?？煽闯?，累積平均后噪聲減小，淹沒在噪聲中的信號出現(xiàn)，且累積平均脈沖個數(shù)及次數(shù)越多噪聲越小，信噪比越大，仿真結(jié)果與理論分析一致。

圖4 多脈沖累積平均與信噪比關(guān)系圖

4.2 脈沖展寬目標(biāo)識別實驗

在實驗一的基礎(chǔ)上，利用脈沖展寬進行目標(biāo)識別模擬實驗，激光波長為1.064 μm，發(fā)射機與接收機距地面目標(biāo)5 km，目標(biāo)速度v為100 km/h，其中v平行為80 km/h，v垂直為 60 km/h，發(fā)射機 0.1s 內(nèi)連續(xù)發(fā)射2000個周期脈沖，此處觀察接收到的第800個地面背景回波脈沖與運動目標(biāo)回波脈沖(也可觀察其他回波)。隨著脈沖周期增多，接收概率下降，為方便比較對振幅進行歸一化處理后分別如圖5所示。

圖5 觀察的第800個地面背景回波與運動目標(biāo)回波

經(jīng)過觀察與計算，運動目標(biāo)回波脈沖相對基準(zhǔn)脈沖產(chǎn)生了4 ～5 ns的展寬，且延時1.6 ～1.8 μs。分別設(shè)基準(zhǔn)脈沖、地面背景回波、運動目標(biāo)回波為序列X(t)、Y(t)、Z(t)，再取各序列中第 300、500、800 個脈沖分別為 xi，yi，zi(i=1，2，3)，根據(jù)式(6)～ (13)，可得各回波序列間脈寬相關(guān)系數(shù)，如表1所示。

表1 各回波序列間脈寬相關(guān)系數(shù)

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可見仿真結(jié)果與理論分析較為符合，可以有效檢測出運動目標(biāo)回波。

在實際目標(biāo)探測過程中，根據(jù)計算相鄰回波脈寬相關(guān)系數(shù)，并設(shè)定合適的閾值篩選，便可以區(qū)分出地面背景與運動目標(biāo)的相應(yīng)回波，再根據(jù)回波延時與脈沖展寬程度，反推確定目標(biāo)運動速度。

5 結(jié)束語

多脈沖累積平均探測與脈沖展寬特性已分別被研究與應(yīng)用，本文將二者的特點相結(jié)合，采用多脈沖展寬特性識別運動目標(biāo)與地面背景，不僅提高了接收信號的信噪比，同時根據(jù)脈沖展寬程度與基準(zhǔn)脈沖的相關(guān)度判別出運動目標(biāo)。仿真結(jié)果表明該方法可有效識別運動目標(biāo)與地面背景，為實際應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。

經(jīng)過理論分析與仿真，仍有兩個問題有待研究:一是目標(biāo)運動速度對于回波的展寬及接收概率的影響，根據(jù)公式計算得知運動速度越大，展寬越明顯，但當(dāng)速度超過一定的閾值，目標(biāo)將很快超出激光光斑區(qū)域而造成丟失現(xiàn)象;二是探測距離對于回波展寬及接收概率的影響，過遠可能會降低探測精度，過近造成展寬不明顯，同時本文為方便討論與計算，忽略云層、介質(zhì)顆粒等對于光束的影響，而在實際探測中這些因素都會降低探測距離與精度。綜上，如何確定目標(biāo)合適的運動的速度與探測距離，將精度與展寬效果最大化，提高探測器性能，將是下一步研究的重點。

［1］ Lu Hongqiang，Zhao Wei，Xie Xiaoping.Analysis and comparison of pulse broadening caused by atmospheric turbulence and dispersion［J］.Acta Armamentarii，2011，32(4):432 －438.(in Chinese)陸紅強，趙衛(wèi)，謝小平.大氣湍流和色散導(dǎo)致脈沖展寬的分析比較［J］.兵工學(xué)報，2011，32(4):432－438.

［2］ Zhao Wei，Zhang Guiyan，Miao Tongqun.Identifying target with pulse stretching characteristic［J］.Laser Journal，2008，29(4):36 －37.(in Chinese)趙偉，張貴彥，繆同群.利用脈沖展寬特性識別云和地面目標(biāo)［J］.激光雜志，2008，29(4):36 －37.

［3］ Gao Meifeng，Liu Di.Moving object detection based on consecutive blocks frame difference and background subtraction［J］.Application Research of Computers，2013，30(1):299 －302.(in Chinese)高美鳳，劉娣.分塊幀差和背景差相融合運動目標(biāo)檢測［J］.計算機應(yīng)用研究，2013，30(1):299 －302.

［4］ Zahng Yu，Zhao Yuan，Yang Yong，et al.Computer simulation and experiments for laser multi－pulse detection［J］.Infrared and Laser Engineering，2007，36(1):60 －63.(in Chinese)張宇，趙遠，楊勇，等.激光多脈沖探測的計算機模擬與實驗研究［J］.紅外與激光工程，2007，36(1):60－63.

［5］ Zhang Chunfeng，Yang Yi，Liu Chunhua.A multi－ pulse based signal processing algorithm foe airborne long－distance laser ranging［J］.Electronics Optics ＆ Control，2010，17(12):29 －33.(in Chinese)張春風(fēng)，羊毅，劉春華.基于多脈沖的機載遠程激光測距信號處理算法［J］.電光與控制，2010，17(12):29－33.

［6］ Ma Pengge，Qi Li，Yang Yi，et al.Study on airborne multi－ pulse ladar target signal simulator［J］.Acta Optica Sinica，2012，32(1):0128001.(in Chinese)馬鵬閣，齊林，羊毅，等.機載多脈沖激光雷達目標(biāo)信號 模 擬 器 的 研 究 ［J］.光 學(xué) 學(xué) 報，2012，32(1):0128001.

［7］ Li Lei，Hu Yihua，Zhao Nanxiang，et al.Experiment on the stretching characteristics of pulse Width of laser remote sensing echo［J］.Infrared and Laser Engineering，2010，39(2):246 －250.(in Chinese)李磊，胡以華，趙楠翔，等.激光遙感目標(biāo)回波脈沖展寬特性實驗［J］.紅外與激光工程，2010，39(2):246－250.

［8］ Bassem R.Mahafza.Radar Systems Analysis and Design［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2008.(in Chinese)Bassem R.Mahafza.雷達系統(tǒng)分析與設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［9］ Zhang Tinghua，F(xiàn)an Guihua，He Yonghua.Research on multi－ pulsed laser echo signal process method ［J］.Journal of the Academy of Equipment Command＆Technology，2011，22(1):93 －96.(in Chinese)張廷華，樊桂花，何永華.多脈沖激光回波信號處理方法研究［J］.裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，22(1):93－96.