脈沖壓縮技術在相干激光探測中的應用

熊文龍，陳念江，眭曉林，劉 波，顏子恒

（固體激光技術重點實驗室，北京100015）

·激光應用技術·

脈沖壓縮技術在相干激光探測中的應用

熊文龍，陳念江，眭曉林，劉 波，顏子恒

（固體激光技術重點實驗室，北京100015）

針對寬脈沖相干激光雷達信號處理遇到測距精度差的問題，將脈沖壓縮算法引入到相干激光雷達信號處理中。文章首先對脈沖壓縮相干激光雷達測距原理和精度進行理論分析，通過仿真實驗驗證該理論正確性。仿真結果表明采用脈沖壓縮的信號處理方法可以實現(xiàn)測距，并且可以提高測距距離和測距精度，為以后相干激光雷達測距提高作用距離與測距精度提供了重要的理論依據(jù)。

相干激光雷達；脈沖壓縮算法；信號處理；匹配濾波

1 引 言

1960年激光器的發(fā)明使相干光作為雷達發(fā)射源成為可能，此后的幾十年發(fā)展中，相干探測技術被運用到激光雷達中，相干探測技術相比直接探測具有更高的靈敏度［1］。

相干激光雷達的總體設計首先要考慮的重要內(nèi)容之一就是體制的選擇，而體制的選擇是和信號的形式密切相關的。目前可選用的信號形式主要有單脈沖、連續(xù)波、脈沖壓縮、調(diào)頻連續(xù)波等［2］。

調(diào)頻連續(xù)波相干激光雷達作用距離一般為幾公里，作用距離比較短。寬脈沖相干激光雷達雖然能夠遠距離測距，但是由于信號帶寬太小，導致測距精度并不理想。然而通過脈沖壓縮信號處理方式可以明顯提高作用距離和精度。脈沖壓縮算法的優(yōu)點是具有良好的距離分辨率和徑向速度分辨率；另外因為所發(fā)射的寬脈沖線性調(diào)頻信號既有較大的時寬，又有較大的帶寬，因此它的作用距離較遠，測距精度都較高。本文主要針對相干激光雷達信號采用脈沖壓縮算法的方式進行研究。

2 脈沖壓縮相干雷達信號處理原理

圖1是脈沖壓縮相干激光雷達系統(tǒng)原理框圖。激光器發(fā)射兩束光，一束是連續(xù)的本振光，另外一束是通過脈沖放大器后，再經(jīng)過聲光調(diào)頻器生成調(diào)頻脈沖光，脈沖光直接通過發(fā)射鏡頭發(fā)射出去，照射到目標上，回波通過鏡頭接收之后在探測器上與本振光進行混頻，然后通過放大器，到信號處理系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)中包含了脈沖壓縮算法和信號提取兩部分。整個信號處理的過程可以分為相干探測［3－5］、脈沖壓縮兩個部分。

圖1 脈沖壓縮相干激光雷達系統(tǒng)圖

2.1 相干探測部分

單頻激光器發(fā)出的脈沖光可以表示為：

目標回波復信號可以表達為：

其復頻譜為：

2.2 脈沖壓縮

圖2是正交解調(diào)脈沖壓縮算法原理框圖，其中st（t）是探測器輸出信號，H（W）是匹配濾波器的頻譜，探測器輸出信號st（t）經(jīng)過正交解調(diào)［6－7］處理得到I信號和Q信號，I信號和Q信號得到基帶信號；H（w）是根據(jù)基帶信號的頻譜得到的。

圖2 正交解調(diào)脈沖壓縮原理圖

st（t）實部分別與cos（w0t）和sin（w0t）相乘通過低通濾波器后得到基帶信號u（t）?？紤]到τ非常小，去除含有τ2的項，兩路信號經(jīng)過低通濾波器后得到I信號和Q信號：

零中頻基帶可以表示信號：

零中頻基帶信號復頻譜為：

其中：其幅頻特性為：

其相頻特性為：

圖3 信號頻譜

圖3是零中頻基帶信號頻譜圖，從上面的理論分析，D＝TB值越大，則幅頻特性在（w0－Δw／2）到（w0＋Δw／2）之間越平坦，在這個頻帶之外幅度下降越快，信號能量主要集中在此頻帶范圍內(nèi)。當D＞＞1時，信號相頻可以近似表示為：

零中頻基帶信號復頻譜將匹配濾波器沖擊響應函數(shù)h（t）的頻譜函數(shù)H（w）相乘，然后經(jīng)過IFFT可以得到目標的距離信息。設匹配濾波器頻率特性為H（w），那么根據(jù)匹配條件應滿足下式關系：

匹配濾波器輸出信號為：

其中，Δw＝2πB，D＝BT，稱為壓縮比。取實部信號：

由（15）可以得知匹配濾波器輸出信號包絡是一個sin c函數(shù)，其最大值所對應得時間t＝τ＋td，td是匹配濾波器的物理延時，理想情況下為0。因此，我們可以準確得到這樣就輕松得到目標距離信息。

3 作用距離和精度分析

由（3）和（15）可以看出，經(jīng)過脈沖壓縮之后信號的幅值增加了倍，則SNR增加D倍。由雷達方程可以得知，作用距離R∝，這就意味著作用距離增加了。

寬脈沖的信號帶寬都比較小，近似認為1／T（T為脈寬），而經(jīng)過脈沖壓縮后，其脈寬會急劇縮小，其脈寬約為T／D。因此，可以得知，脈沖壓縮后信號帶寬會增加D倍。經(jīng)過脈沖壓縮后信噪比（SNR）增加了D，通過脈沖壓縮之后，其精度會倍。由此可以看出測距精度將會增加倍。

4 仿真實驗

為了驗證脈沖壓縮算法在相干激光雷達信號處理中的理論是否可行，采用MATLAB進行兩組仿真實驗，分別是為了驗證脈沖壓縮信號處理方式可以實現(xiàn)測距和驗證采用脈沖壓縮信號處理方式可以明顯提高SNR，進而增加作用距離和精度，仿真的參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)表

第一組仿真實驗：驗證脈沖壓縮信號處理方式能夠?qū)崿F(xiàn)測距。

首先產(chǎn)生一個模擬發(fā)射的chirp信號，經(jīng)過延時后當作目標回波，與本振相干并且加入噪聲。然后經(jīng)過脈沖壓縮，得到延遲時間從而得到距離信息。圖4是模擬發(fā)射的chirp信號，圖5是模擬回波信號。圖6是經(jīng)過脈沖壓縮之后的輸出圖。

圖4 模擬發(fā)射Chirp信號圖

圖5 模擬目標回波信號圖

圖6 脈寬為15us，調(diào)制帶寬為200MHz脈沖壓縮輸出圖（含噪聲）

根據(jù)公式（15）可對脈沖壓縮相干激光雷達信號處理問題進行仿真，仿真實驗結果如表2所示。

表2 測距仿真結果

表2表明脈沖壓縮算法對運用在相干激光雷達中確實能夠?qū)崿F(xiàn)測距。

第二組仿真實驗：驗證采用脈沖壓縮算法處理相干激光雷達信號可以提高信噪比，進而提高作用距離和測距精度。根據(jù)第三節(jié)的精度分析描述，本組實驗主要是針對不同脈寬，不同調(diào)制帶寬進行的仿真實驗，對比在不同時寬和不同調(diào)制帶寬下，其SNR提高倍數(shù)，其結果如表3所示。

表3 測距精度仿真結果

由表3可以看出，采用大時寬脈沖和大調(diào)制帶寬時，其SNR更高，精度更好，這表明采用大時寬脈沖和大調(diào)制帶寬可以提高作用距離和測距精度。但在時間運用中脈沖時寬不可能無限大，應該考慮目標回波的時間，調(diào)制帶寬也不可能無限大。一般而言激光脈沖時寬最大能夠在微秒量級；調(diào)制帶寬一般在幾百兆赫茲到幾吉赫茲不等，另外采用大的調(diào)制帶寬對硬件要求也會比較高，造價比較昂貴。

5 結 論

首先通過對脈沖壓縮算法處理相干激光雷達信號的理論進行了分析，得到脈沖壓縮輸出和距離的表達式，并且分析了其作用距離與測距精度和無脈沖壓縮的作用距離和測距精度進行了對比，結合仿真實驗得到采用脈沖壓縮算法處理相干激光雷達信號可以準確的得到距離信號，提高作用距離和測距精度的結論。為相干激光雷達信號處理方法得到了新的理論依據(jù)；為將來脈沖壓縮相干激光雷達運用于遠程預警、遠程跟蹤、導彈防御、精確制導等方面提供了新的理論體制。

［1］ R CHarvey.Military applications of coherent infrared radar［J］.SPIE.，1981，30D：1－11.

［2］ JDansanc，JLMeymnnette.CO2laser Doppler rangefinder with heterodyne detection and linear frequency pulse compression［J］.SPIE，1987，806：122－127.

［3］ Sui Xiaolin，Zhou Shouhuan，Chen Nianjiang.All fiber coherent Doppler lidar for space craft safe landing［C］. ICOM，2012 International Conference，2012：198－202.

［4］ Sui Xiaolin，Zhou shouhuan.Optical frequencymodulation continuous wave coherent laser radar for spacecraft safe landing vector velocitymeasurement［J］.Proc SPIE 2013，8796：879618－1－879618－6.

［5］ Sui Xiaolin，Zhou Shouhuan，Zhaohong，etal.All fiber coherent detection system far target velocitymeasurement［J］.Laser＆Infrared，2013，43（3）：256－257.（in Chinese）眭曉林，周壽桓，趙鴻，等.全光纖激光相干探測實現(xiàn)遠距離目標測速［J］.激光與紅外，2013，43（3）：256－257.

［6］ Bassem R Mahafza，Atef Z Elsherbeni.Matlab simulation for radar systems design［M］.Zhu Guo-fu，et al transl. Beijing：Publishing House of Electronic Industy，2009.（in Chinese）Bassem R Mahafza，Atef Z Elsherbeni.雷達系統(tǒng)設計MATLAB仿真［M］.朱國富，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［7］ Christopher T.Allen and Sek Ken Chong.Developmentof a 1319nm Laser Radar Using Fiber Optics and RF Pulse Compression［R］.Kansas：The University of Kansas，2002.

Pulse compression technology in the app lication of the coherent laser detection

XIONGWen-long，CHEN Nian-jiang，SUIXiao-lin，LIU Bo，YAN Zi-heng
（Key laboratory of solid-state laser technology，Beijing 100015，China）

The pulse compression algorithm was introduced into the coherent laser radar signal processing，which solved the problems of poor accuracy.Firstly，the theory and accuracy of pulse compression coherent laser radar ranging are analyzed；the theory correctness is proved through the simulation results.The simulation results also show that ranging can be realized by using pulse compression signal processingmethod，and ranging distance and accuracy can be improved，it is important for the coherent laser radar ranging distance and accuracy.

coherent laser radar；pulse compression algorithm；signal processing；matching filter

TN249

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0122-04

熊文龍（1989－）男，碩士研究生，主要研究方向是信號處理。E-mail：378389165＠qq.com

2013-12-10