相干激光雷達探測目標研究

張鵬飛，潘靜巖，張 濤，李 麗，董光焰

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

·激光應用技術·

相干激光雷達探測目標研究

張鵬飛，潘靜巖，張 濤，李 麗，董光焰

(中國電子科技集團公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

介紹了相干激光雷達對目標探測的技術優(yōu)點和現(xiàn)狀,闡述了基于相干探測技術構(gòu)建的激光雷達的主要組成,并給出了整個系統(tǒng)的工作流程。文中基于1.5 μm光纖光學技術搭建了相干激光雷達系統(tǒng)。通過搭建的系統(tǒng)進行了外場試驗,獲得了外場目標的成像圖和不同汽車引擎振動產(chǎn)生的微多普勒譜特征圖。通過試驗證明了相干激光雷達系統(tǒng)可以在目標自動偵察識別方面發(fā)揮重要作用。

相干探測;激光雷達;微多普勒

1 引 言

激光相干探測技術比直接探測具有更高的探測靈敏度,同時其獨特的技術特點可以發(fā)展成多種獨特的激光雷達系統(tǒng),比如激光相干通訊雷達、激光相干多普勒測風雷達[1]、測振激光雷達[2]等。相干激光雷達是激光技術、相干探測技術、數(shù)字信號處理技術綜合技術產(chǎn)物。它既可以實現(xiàn)直接探測激光雷達的功能,獲取測量目標的方位、距離、強度等空間信息,又利用相干探測的技術特點,獲得目標的速度、微多普勒等特征信息。相干激光雷達向目標空域發(fā)射激光,根據(jù)激光回波的時域信息獲取目標的距離、尺度等結(jié)構(gòu)特征；根據(jù)激光回波的頻域信息獲取目標的運動和微多普勒特性等本征特征。相干激光雷達有效融合這些信息,使得其在目標探測和自動識別方面具有巨大前景。

相干激光雷達這些優(yōu)點已經(jīng)引起了美國、瑞典、日本等多個國外研究機構(gòu)的興趣,并取得了一些成果。美國空軍研究工作實驗室(Air Force Research Laboratory)研制了一套2 μm波長的激光相干雷達系統(tǒng)。該系統(tǒng)在1998年7月間,參與了北約(NATO)組織的美國陸軍主辦的外場試驗,對不同距離上不同的目標進行了探測,試驗的目標包括:M2 Bradley,M60坦克,T-72蘇式坦克,美式和蘇式裝甲運兵車[3]。瑞典防御研究局(Swedish Defence Research Agency)采用了激光相干探測體制設計了一套激光相干測振雷達并用于外場試驗,在China Lake試驗場,探測到距離1.3 km軍用車輛產(chǎn)生的振動[4]。文中基于1.5 μm光纖光學技術設計了一套相干激光雷達系統(tǒng),并對一定距離上的目標進行了試驗驗證。

2 系統(tǒng)簡介

激光相干雷達系統(tǒng)由相干激光發(fā)射部分、光學系統(tǒng)部分、接收處理部分組成。相干激光發(fā)射機包括高穩(wěn)定度的種子激光器、調(diào)制器、脈沖激光放大器。光學系統(tǒng)包括掃描系統(tǒng)和光學收發(fā)系統(tǒng)。激光接收處理部分包括光混頻、光電探測與放大、信號處理單元。系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖如圖1所示。

圖1 相干激光雷達原理框圖

本系統(tǒng)采用了使用1.5 μm波長光纖激光,這是人眼安全選擇的波長,同時也是通訊工業(yè)廣泛使用的技術。激光種子源采用的是光纖單頻激光器,經(jīng)過分數(shù)比98∶2的光纖分束后,強分束光輸出光進入一個光纖調(diào)制器進行調(diào)制,弱分束光作為本振光輸出到光混頻單元。進入光纖調(diào)制器的光形成一系列脈沖信號,這些脈沖信號經(jīng)過激光放大器功率放大后,形成高能量的激光脈沖。高能激光脈沖經(jīng)發(fā)射光學系統(tǒng)、收發(fā)開關和擴束系統(tǒng)后,由掃描控制系統(tǒng)控制激光投射向某一空間目標,從空間目標反射的激光信號由掃描控制器進行光信號的收集,收集的光信號經(jīng)光束擴束系統(tǒng)、光開關后,由接收光學系統(tǒng)傳輸?shù)焦饣祛l單元。接收的回波信號和本振光信號經(jīng)過混頻后被光電探測器轉(zhuǎn)換成相應的電信號,電信號經(jīng)過放大到合適的強度后,送往信號處理單元進行處理。

信號處理系統(tǒng)首先將采樣到的信號,按照時間序列分成多個距離門,然后對所有距離門單元進行頻譜分析并找出頻率峰值。由于光學收發(fā)系統(tǒng)接收目標反射激光的同時,其光學元件表面反射的激光也被接收,此激光反射信號作為距離探測的起始位置,且其信號強度最大；因此通過比較所有距離門峰值,找出最大的頻率峰值距離門即為主波信號所在的位置。頻率峰值第二大的位置為目標信號的位置,如圖2所示。圖2中水平軸分別為信號的采樣序列點和多普勒頻率,垂直軸為頻率的強度。根據(jù)主波和回波在時間序列的間隔信息即時域信息,根據(jù)激光飛行時間的方法得到目標的距離。根據(jù)得到的目標距離和目標的頻率峰值強度結(jié)合激光發(fā)射功率、系統(tǒng)靈敏度等參數(shù)可以反演出目標的反射率,對目標位置距離門的多普勒頻譜進行分析處理得到目標的微多普勒信息。

圖2 激光雷達回波圖

脈沖相干激光雷達探測目標時,希望目標的時域特征和頻域特征都有一定的分辨精度,但是通常相干激光雷達單個脈沖對多普勒速度分辨率和距離分辨率乘積受限于下面式子：

對于波長1.5 μm系統(tǒng),其乘積就是17.9 m2/s,如果其多普勒速度精度要求0.1 m/s,其距離精度就比較差。為了保證信號多普勒分辨率和信號的空間分辨率都滿足一定要求,系統(tǒng)相干地結(jié)合多個短激光脈沖,從而增加參與處理的信號時間,改善目標的多普勒分辨率,同時短脈沖可以保留著好的距離分辨率。

信號處理系統(tǒng)通過對掃描控制系統(tǒng)的控制,實現(xiàn)不同空間位置上目標相關信息獲取。經(jīng)過對掃描視場內(nèi)所有空間位置信息的探測,信號處理系統(tǒng)通過信息融合可以獲得目標的空間特征和頻率特征,從而實現(xiàn)對目標的探測識別。

3 實驗測量

基于上述相干激光雷達系統(tǒng),結(jié)合前文所述的技術特點,對探測目標進行時域和頻域兩個方面分析實驗。因此實驗分為兩個部分:①對目標進行空間關系測量;②對目標的振動進行測量。

3.1 目標空間關系測量實驗

本系統(tǒng)采用的掃描裝置是二維掃描振鏡,系統(tǒng)在掃描模式上采用“之”字型的掃描方式,完成全部待測區(qū)域的掃描。實驗中伺服系統(tǒng)設置的掃描視場為8°×1.2°,掃描角度的間隔為0.2°。相干激光雷達信號處理部分,將測量結(jié)果形成三維角度距離圖像。相干激光雷達試驗系統(tǒng)測量的場景和測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 相干激光雷達掃描場景和掃描圖像

從實驗結(jié)果上看,相干激光雷達給出了初步的測量結(jié)果,在通過掃描圖像可以基本區(qū)分測量的目標,基本達到試驗的目的。但由于光學系統(tǒng)的束散角和掃描間隔較大,系統(tǒng)的距離分辨率還不夠高,因此系統(tǒng)對目標成像的精細度還不夠,無法分清目標的細節(jié),這需要在以后的研究中逐步提高。

3.2 目標振動測量實驗

為了驗證相干激光雷達系統(tǒng)對目標振動產(chǎn)生的微多普勒信息的測量效果,實驗中選取了汽車作為目標進行測量,主要測量汽車引擎產(chǎn)生的振動。相干激光雷達對汽車表面目標部位發(fā)射激光脈沖,信號處理系統(tǒng)對獲得的激光回波進行頻域的多普勒分析。

實驗中汽車引擎為怠速狀態(tài),為了較好地提取激光回波中所包含的微多普勒特征,對汽車引擎部位反射的激光回波信號采用時-頻分析的方法[5]。實驗中采用了普通的大客車作為測量目標,其引擎處于汽車尾部,相干激光雷達通過掃描光束照射汽車尾部不同的部位。實驗中獲得的大客車尾部不同部位振動產(chǎn)生的微多普勒時頻分布如圖4所示。

圖4 大客車不同部位的微多普勒時頻分布圖

同時為了驗證對不同目標測量效果,試驗對普通的小汽車引擎表面也進行了測量,小汽車引擎振動產(chǎn)生的微多普勒時頻分布如圖5所示。

圖5 小汽車回波的微多普勒時頻分布圖

從圖4和圖5中可以看出汽車引擎振動產(chǎn)生的微多普勒頻譜都具有一定的寬度,汽車引擎面不同部位回波的微多普勒時頻圖稍有差別。從大客車與小汽車的引擎的微多普勒時頻分布圖可以看出,其振動頻率有非常大的區(qū)別,這些區(qū)別可以作為目標分類的特征。通過掃描可以實現(xiàn)整個目標的振動特征圖,根據(jù)這些特征圖,可以分辨真假測量目標,區(qū)分坦克、汽車等不同類型目標。

4 結(jié) 論

基于光纖光學技術設計了一套相干激光雷達系統(tǒng),并進行了相關的測量實驗。經(jīng)過實驗證明了相干激光雷達可以有效實現(xiàn)對目標探測識別。目前系統(tǒng)采用了掃描加單元探測的體制,因此無法實現(xiàn)快速運動目標探測。下一步研究激光相干陣列探測方法,逐步建模目標振動特征庫,為實現(xiàn)相干激光雷達探測識別系統(tǒng)奠定基礎。

[1] LI Hejun,ZHANG Pengfei,PAN Jingyan,et al.Study on signal processing system of coherent wind LIDAR[J].Laser & Infrared,2013,43 (10):1114-1116.(in Chinese) 李河均,張鵬飛,潘靜巖，等.相干激光測風雷達信號處理系統(tǒng)研究[J].激光與紅外,2013,43 (10):1114-1116.

[2] WANG Xueqin,DONG Yanqun,YUAN Shuai,et al.Study on simulation of m icro-Doppler effect in lidar,Laser Technology,2007,21(2):117-119.(in Chinese) 王學勤,董艷群,原帥，等,激光雷達微多普勒效應的仿真研究[J].激光技術,2007,21(2):117-119.

[3] Richard D，Richmond.2 Micron cw vibration sensing laser radar[R].AFRL/SNJM Air Force Research Laboratoryreport,1998.

[4] T Carlsson.Software signal processing-Scanning laser radar vibrometer at 1.55 μm[R].FOI report,FOI-D-0027-SE,2001.

[5] V C Chen,F Li,S S Ho.Analysis of micro-doppler signatures[C].IEE Proceedings Radar,Sonar and Navigation,2003,150(4):271-276.

Study on the object detection with the coherent lidar system

ZHANG Peng-fei,PAN Jing-yan,ZHANG Tao,LI Li,DONG Guang-yan

(The 27thResearch Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Zhengzhou 450047,China)

The advantage and current situation of the coherent lidar in object detecting are introduced in the paper.The main constitutes and workflow of lidar based on the coherent detecting technology are given.The coherent lidar system is constructed based on 1.5 μm fiber optical technology.The outfield experiments were carried out by using the system.The images of the objects in outfield and the micro-Doppler characteristic images produced by the car’s motor quivering were obtained by using this system.The experiments prove the importance of the coherent lidar system in objects reconnoitering and identifying.

coherent detection;lidar;micro-Doppler

張鵬飛(1982-),男，碩士，主要從事激光雷達方面的研究。E-mail:zpf2005@sohu.com

2014-11-14;

2014-12-14

1001-5078(2015)07-0753-04

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.004