一種適用于相干激光雷達(dá)的下變頻技術(shù)研究

李瑞鋒,劉 波,顏?zhàn)雍?王佳龍,霍陳思

(固體激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100015)

1 引 言

激光雷達(dá)自身的光束窄、波長短,因此分辨率高、隱蔽性好、抗有源干擾能力強(qiáng),在火控制導(dǎo)、多普勒測速、遠(yuǎn)程測距等方面已經(jīng)得到廣泛的軍事應(yīng)用。傳統(tǒng)激光雷達(dá)采取直接探測(非相干探測)的方式對(duì)激光的回波信號(hào)接收從而得到回波信息。相干激光雷達(dá)采用光外差(相干探測)接收的方式對(duì)激光的回波信號(hào)與本振光混頻后經(jīng)光電探測器響應(yīng)輸出,探測靈敏度可比傳統(tǒng)的直探型激光雷達(dá)提高兩三個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。國內(nèi)應(yīng)用相干激光雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測距的相關(guān)研究起步較晚,2002年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用可調(diào)諧電光調(diào)Q射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光器發(fā)射脈沖激光,對(duì)回波激光信號(hào)采取相干接收和頻譜分析,實(shí)現(xiàn)了1.6 km處大樓的測距[2]。隨著雷達(dá)系統(tǒng)小型化的發(fā)展,2018年,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道,中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所采用全光纖化的雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì),在海拔3300 m、大氣能見度100 km、脈沖能量20 μJ的條件下,實(shí)現(xiàn)了85.59 km的大目標(biāo)(山體)測量[3]。

在相干激光雷達(dá)的外差接收系統(tǒng)中,由于中頻的選擇輸出一般較高,從而可以避免低頻附近的噪聲干擾,傳統(tǒng)的采樣方案都是直接用高采樣率的ADC進(jìn)行采集[2-3],數(shù)據(jù)量大,難以滿足實(shí)時(shí)性的要求。本文以相干激光雷達(dá)測距為背景,提出了一種下變頻的數(shù)據(jù)采集方案,將激光雷達(dá)回波外差輸出信號(hào)的頻率搬移至低頻處理,并采用梳狀濾波器(CIC)、半帶濾波器(HB)組成多級(jí)采樣率轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)濾波和抽取,最終對(duì)數(shù)據(jù)分段求均值,根據(jù)峰值找出回波信號(hào)的時(shí)間位置信息。

2 原 理

2.1 相干激光雷達(dá)原理

相干激光雷達(dá)的一般接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 相干激光雷達(dá)的接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相干激光探測指的是采用兩個(gè)光波之間的非線性混合,通常將目標(biāo)返回的激光回波弱信號(hào)經(jīng)接收鏡頭會(huì)聚后,與發(fā)射激光經(jīng)分束器產(chǎn)生的本地激光(光LO)在準(zhǔn)直合束器中合束后,由光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)輸出的一種探測方法。

由于光電探測器的平方律特性,對(duì)混合后的高頻部分響應(yīng)困難,所以,響應(yīng)輸出的結(jié)果等于激光回波信號(hào)與本振光的頻率差值。設(shè)激光的回波信號(hào)光和本振光分別為[4]:

Esig(τ)=Asigcos(2πfsigτ+ψsig)

(1)

ELO(τ)=ALOcos(2πfLOτ+ψLO)

(2)

式中,Esig(τ)和ELO(τ),Asig和ALO,fsig和fLO,ψsig和ψLO分別為回波光信號(hào)和本振光信號(hào)的電場、振幅、頻率和相位。設(shè)光電探測器的響應(yīng)輸出的電流為i(t),由光電探測器的平方律特性,響應(yīng)回波信號(hào)與本振信號(hào)的疊加場,得到輸出電流:

i(t)=K(Asigcos(2πfsigτ+ψsig)+

ALOcos(2πfLOτ+ψLO))2

(3)

將式(3)展開可得:

+ψLO)+AsigALO[cos[2π(fsig+fLO)τ+

(ψLO+ψsig)+cos[2π(fsig-fLO)τ+

(ψLO-ψsig)]]}

(4)

式(4)中,fsig+fLO的頻率可達(dá)上THz,光電探測器無法對(duì)如此高的光頻信號(hào)響應(yīng),所以僅響應(yīng)差頻信號(hào),可得:

(5)

由式(5)可知,所以經(jīng)過光電探測器輸出的信息,僅僅含有直流分量和差頻fsig-fLO部分,經(jīng)電容隔直后,探測器輸出的信號(hào)只含差頻部分。

2.2 過采樣

對(duì)于雷達(dá)的回波弱信號(hào),往往需要考慮盡可能地提高回波信號(hào)的信噪比,從而在噪聲中提取出回波信號(hào)位置。過采樣是指大于奈奎斯特頻率(采樣頻率為被采樣信號(hào)最高頻率的2倍)進(jìn)行采樣,它通過提高多樣率減小量化噪聲,提高ADC的量化信噪比,從而提高ADC的量化有效分辨率[5]。根據(jù)公式(6),式中d為ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換位數(shù),β為M倍過采樣率下的等效位寬。即采樣率每增加一倍,分辨率約增加0.5位。根據(jù)公式(7),式中,n代表采樣位數(shù),每增加1 bit位寬,量化信噪比增加約6 dB。

(6)

SNR=(6.02n+1.76)dB

(7)

2.3 梳狀濾波器

CIC(梳狀)濾波器結(jié)構(gòu)簡單,無需乘法器,僅由加法器、積分器、寄存器構(gòu)成,在實(shí)現(xiàn)高速濾波的同時(shí),又能實(shí)現(xiàn)高速采樣率變換,非常適合在高采樣率條件下工作。CIC濾波器的設(shè)計(jì)需要充分考慮幅頻特性,根據(jù)公式(8):

(8)

對(duì)于不同M長度的CIC濾波器,會(huì)有不同的幅頻響應(yīng)特性。如圖2所示,對(duì)于單級(jí)的CIC濾波器,隨著長度的增加,第一旁瓣電平相對(duì)于主瓣電平的差值幾乎是13.46 dB,濾波效果較差,并且通帶的衰減卻隨之增大,所以M的設(shè)置也不是越大越好,如果我們的信號(hào)在低頻,會(huì)使感興趣的通帶信號(hào)也隨之衰減。在工程中,為了使其具有更好的幅頻特性,考慮把單級(jí)的濾波器通過級(jí)聯(lián)的方式來增加第一旁瓣的衰減,從而可以過濾高頻的噪聲。如圖3所示,使用長度為5的單級(jí)CIC通過5級(jí)級(jí)聯(lián)后,第一旁瓣電平衰減達(dá)到了約60 dB。

圖2 不同長度的單級(jí)CIC幅頻特性

圖3 不同長度的5級(jí)CIC幅頻特性

2.4 半帶濾波器

圖4 不同階的HB幅頻響應(yīng)

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)描述

本文針對(duì)相干激光雷達(dá)測距的應(yīng)用背景,單頻激光種子源分成兩路,一路本振光直接進(jìn)入準(zhǔn)直合束器；另外一路經(jīng)過聲光調(diào)制器對(duì)其進(jìn)行斬波、固定頻率的調(diào)制后進(jìn)入激光放大器,將其功率放大后照射到待測目標(biāo)?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過外差接收后由光電探測器輸出差頻(400 MHz),重頻較小(20 kHz),若直接對(duì)回波信號(hào)采集,工程上往往需要5～10倍差頻的ADC芯片,且重頻周期較長,需要采集的數(shù)據(jù)量非常大,較采用下變頻方案信噪比較低,不利于后續(xù)數(shù)據(jù)處理判斷出回波信號(hào)位置。

本文設(shè)計(jì)了如圖5的下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對(duì)混頻電信號(hào)進(jìn)行三級(jí)信號(hào)放大后得到i(τ),然后通過二功分器,將其分成相同的兩路電信號(hào)i1(τ)和i2(τ),i1(τ)與DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成的cos(2πfτ)(其中f=400 MHz)在混頻器中混頻后通過模擬濾波器,可以濾除高頻部分2f,生成I路信號(hào)I(τ)；同理,i2(τ)與DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成的-sin(2πfτ)在混頻器中混頻后通過模擬濾波器可以濾除高頻部分2f,生成Q路信號(hào)Q(τ)。此時(shí),I路和Q路中感興趣的中心頻率為0頻,帶寬為3.33 MHz,分別對(duì)IQ兩路信號(hào)采用1.6G的16 bitADC進(jìn)行過采樣,根據(jù)公式(6),較直接使用相同的ADC對(duì)400 MHz信號(hào)采樣,采樣位數(shù)可增加約3.45位,根據(jù)公式(7),信噪比相當(dāng)于增加約21 dB。

將IQ兩路數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字處理單元,由于CIC濾波器結(jié)構(gòu)簡單,無需乘法運(yùn)算,非常適合作為在高速抽取系統(tǒng)中的第一級(jí)抽取單元。在數(shù)字處理單元中設(shè)計(jì)出的多級(jí)CIC濾波器可以削弱模擬低通濾波器未能消除的旁瓣噪聲,并且實(shí)現(xiàn)M=4倍的數(shù)據(jù)抽取。經(jīng)過長度為9的5級(jí)CIC濾波器后,采樣率fs=1.6 GHz變?yōu)閒s/4=800 MHz。再將IQ兩路數(shù)字信號(hào)通過HB濾波器,HB雖然需要乘法運(yùn)算,但也只有FIR濾波器運(yùn)算量的一半,實(shí)現(xiàn)2倍抽取,采樣率降為fs/8=200 MHz,且HB幅頻響應(yīng)的旁瓣相比CIC濾波器更小,能進(jìn)一步提高信噪比。本文的雷達(dá)回波信號(hào)帶寬只有3.33 MHz,通帶較窄,對(duì)于單級(jí)的HB濾波器,難以滿足濾波特性,所以增加最后一級(jí)FIR(有限脈沖響應(yīng))濾波器可以采用較少的抽頭得到更高的信噪比。

圖5 下變頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在數(shù)據(jù)處理部分,得到IQ兩路信號(hào)的數(shù)據(jù)率分別為200×16 Mbps,較采用相同的ADC數(shù)據(jù)率減小了8倍,對(duì)回波數(shù)據(jù)I+jQ分段,以60個(gè)數(shù)據(jù)為一段求均值,每一個(gè)均值代表300 ns的時(shí)間位置分辨率,比較求均值后的幅度值從而判斷出回波信號(hào)的位置。

3.2 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)采用脈沖式激光測距,用Matlab分析該技術(shù)方案的原理可行性,以0時(shí)刻開始在測距點(diǎn)向被測目標(biāo)發(fā)射重頻周期為20 kHz、脈寬300 ns的激光脈沖,激光脈沖發(fā)射到目標(biāo)后一小部分激光反射到測距點(diǎn)經(jīng)光外差方式接收,由光電探測器響應(yīng)輸出,如圖6所示。按照本文的下變頻結(jié)構(gòu)中,經(jīng)模擬低通濾波器后采用1.6 GHz的16 bitADC采樣得到IQ兩路數(shù)字信號(hào),如圖7所示。

圖6 雷達(dá)回波信號(hào)

圖7 I/Q信號(hào)

IQ兩路再經(jīng)過多級(jí)采樣率轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取,如圖8所示。經(jīng)過下變頻和抽取后,回波信號(hào)為載波的包絡(luò),將圖3的時(shí)域波形在信號(hào)處局部放大,如圖9所示。

圖8 抽取后IQ信號(hào)的模

圖9 IQ信號(hào)的局部放大

圖10 仿真脈沖測距結(jié)果

4 結(jié) 語

本文以相干激光雷達(dá)脈沖測距為背景,提出了一種提高信噪比、減小數(shù)據(jù)率的信號(hào)采集和處理方案。該方案將光外差信號(hào)經(jīng)光電探測器混頻后輸出的電信號(hào)頻率搬至0頻過采樣,并采用CIC濾波器、HB濾波器和FIR濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的濾波和抽取,通過分段求均值查找幅度值,判斷出回波信號(hào)的時(shí)間位置,可以有效地在高信噪下實(shí)現(xiàn)低數(shù)據(jù)率的脈沖測距。