基于線性調(diào)頻脈沖壓縮的激光相干探測(cè)技術(shù)研究

張鵬飛,潘靜巖,范杰平

(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

脈沖激光相干探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)靈敏度高,具備同時(shí)對(duì)目標(biāo)的測(cè)距和測(cè)速的能力,在激光測(cè)風(fēng)、飛行器測(cè)量、激光成像和制導(dǎo)方面的應(yīng)用越來越廣泛[1]。脈沖相干激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí),希望對(duì)被測(cè)目標(biāo)有高的測(cè)速精度和測(cè)距精度,但是在實(shí)際應(yīng)用中,單頻率脈沖系統(tǒng)無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度的距離測(cè)量和速度測(cè)量。固定載頻脈沖信號(hào)的時(shí)間寬度τ和信號(hào)的帶寬B滿足以下關(guān)系:

τB≈1

單頻率激光雷達(dá)脈沖的時(shí)間寬度τ與帶寬反比,速度分辨率取決于頻率分辨率,而頻率分辨率由時(shí)間寬度決定。脈沖的時(shí)寬越大脈沖能量越大,雷達(dá)的作用距離就越遠(yuǎn),但脈沖時(shí)寬越大則帶寬B就越小,導(dǎo)致測(cè)距分辨率就變差。因此,在單脈沖激光雷達(dá)測(cè)量中距離分辨率和速度分辨率間有著耦合矛盾。

為了解決這個(gè)矛盾,可以通過相干地結(jié)合多個(gè)短激光脈沖,就有可能增加信號(hào)的時(shí)間,從而提高多普勒分辨率[2]。這種方法雖然有效但對(duì)激光脈沖發(fā)射要求較高,且確定激光脈沖間的相位關(guān)系非常復(fù)雜,因此在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)非常困難。

另外一種方法就是采用寬脈沖發(fā)射和脈沖壓縮信號(hào)處理的方式來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于相干激光雷達(dá),其方式就是激雷達(dá)采用較寬的發(fā)射脈沖,在寬脈沖內(nèi)附加某種調(diào)制,擴(kuò)展信號(hào)的頻帶,從而獲得大時(shí)寬帶寬積脈沖信號(hào),相應(yīng)地在激光接收處理端,通過一個(gè)壓縮網(wǎng)絡(luò)將接收到的寬脈沖壓縮成窄脈沖。采用寬脈沖能夠增加激光發(fā)射能量,從而在保證測(cè)速分辨率的前提下增加作用距離同時(shí)通過脈沖壓縮處理又保證測(cè)距分辨率要求,解耦激光雷達(dá)的高精度測(cè)量矛盾。

2 線性調(diào)頻與脈沖壓縮

發(fā)射大時(shí)寬帶寬積脈沖信號(hào)是脈沖壓縮的前提,調(diào)制是在寬脈沖情況下,增大信號(hào)帶寬的典型途徑。調(diào)制一般分為幅度調(diào)制和相位調(diào)制。幅度調(diào)制會(huì)降低發(fā)射信號(hào)的平均功率,不能最大程度應(yīng)用激光的效能,因此我們采用相位調(diào)制。

常用的相位調(diào)制信號(hào)有四類:線性調(diào)頻(LFM)脈沖信號(hào)、非線性調(diào)頻(NLFM)脈沖信號(hào)、頻率編碼脈沖信號(hào)和相位編碼脈沖信號(hào)。前三種均通過頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)非線性相位調(diào)制,相位編碼是通過不同的碼型調(diào)制來實(shí)現(xiàn),四種方式都能獲得大帶寬,但信號(hào)處理的負(fù)責(zé)程度和脈沖的壓縮比不同。

線性調(diào)頻信號(hào)較易產(chǎn)生,因此是研究最早應(yīng)用最廣的脈壓信號(hào)。這種信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)多普勒頻移不敏感,即使回波信號(hào)帶有較大頻移,匹配濾波器仍能起到脈沖壓縮的作用[3]。

線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的表達(dá)式為:

如果用復(fù)數(shù)表達(dá)有:

x(t)=ejπβt2/τ=ejθ(t)0≤t≤τ

則該波形的瞬時(shí)頻率是相位函數(shù)的微分:

線性調(diào)頻信號(hào)的波形x(t)可以表示為圖1所示,當(dāng)β為正時(shí),脈沖為正調(diào)頻；當(dāng)β為負(fù)時(shí),脈沖為負(fù)調(diào)頻。線性調(diào)頻脈沖的時(shí)寬帶寬積就是βτ。

圖1 線性調(diào)頻信號(hào)的波形

脈沖壓縮的實(shí)質(zhì)是匹配濾波,匹配濾波是接收機(jī)濾波器的頻率響應(yīng)與發(fā)射信號(hào)波形相匹配,從而獲得最大的輸出信噪比。為了確保這種匹配關(guān)系,根據(jù)發(fā)射信號(hào)波形,通過時(shí)間翻轉(zhuǎn)及對(duì)復(fù)波形取共軛,從而獲得匹配濾波器的響應(yīng)特性。設(shè)發(fā)射信號(hào)為x(t),那么匹配濾波器的響應(yīng)函數(shù)為:

h(t)=αx*(tm-t)

其中，α是匹配濾器的增益;tm為輸出最大信噪比時(shí)刻。使信噪比最大化的時(shí)刻tm可以是任意的,但是為了使h(t)具有因果性,應(yīng)該滿足tm>τ。對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)來說需要引入與線性調(diào)頻信號(hào)相反的時(shí)延,同時(shí)它的相頻特性應(yīng)該與調(diào)制信號(hào)共軛,使壓縮后的信號(hào)具有線性相位。對(duì)于線性時(shí)不變系統(tǒng),如果輸入信號(hào)序列x(n),匹配濾波器的響應(yīng)序列h(n)是以n為周期的序列。則其匹配濾器壓縮輸出y(n)為:

y(n)=x(n)?h(n)

根據(jù)卷積定理,時(shí)域的卷積運(yùn)算對(duì)應(yīng)于頻域的乘積運(yùn)算,因此脈沖壓縮除了在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)外,還可以在頻域通過正反傅里葉變化的方法來實(shí)現(xiàn),并且頻域壓縮降低了計(jì)算量。

實(shí)際測(cè)量過程中,由于激光雷達(dá)的回波信號(hào)存在噪聲和多普勒頻移。當(dāng)噪聲存在不能忽略的時(shí)候,則測(cè)量的結(jié)果存在誤差。對(duì)于線性調(diào)頻脈沖壓縮波形的雷達(dá)來說,其測(cè)距精度可以表示為[4]

其中,E是雷達(dá)回波信號(hào)的能量；N0是接收帶寬中噪聲在每赫茲上的功率；B是帶寬；c是光速。從上式可以看出,測(cè)量精度與信噪比的開方具有正比關(guān)系。同時(shí)多普勒頻移同樣會(huì)對(duì)脈沖壓縮的結(jié)果產(chǎn)生影響,多普勒頻移過大時(shí),會(huì)導(dǎo)致脈沖壓縮匹配損失甚至匹配失敗。圖2基于MATLAB對(duì)有噪聲和多普勒頻移條件下脈沖壓縮輸出的信號(hào)仿真結(jié)果。

圖2 基于MATLAB的脈沖壓縮輸出仿真結(jié)果

3 瓶頸問題分析

線性調(diào)頻脈沖壓縮激光相干探測(cè)技術(shù)可以借鑒微波線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù),但也存在以下需要解決的瓶頸問題:

1)線性調(diào)頻激光脈沖的產(chǎn)生

要實(shí)現(xiàn)激光相干探測(cè)技術(shù)就需要激光源有較高的頻率穩(wěn)定性和窄線寬,線性調(diào)頻又需要對(duì)激光的頻率進(jìn)行較大范圍的調(diào)制。激光的線性調(diào)頻主要采用腔長調(diào)制的方式,通過將激光腔鏡換成PZT反射鏡,通過改變PZT電壓來改變腔長?；蛘咴诩す馇粌?nèi)放置一塊FM切割的電光晶體,通過晶體折射率改變等效于諧振腔長的變化。腔長調(diào)制的方式可以產(chǎn)生非常寬的調(diào)制帶寬,但是無法同時(shí)提供外差探測(cè)的單頻本振光。

為了同時(shí)提供本振光和同源的線性調(diào)頻信號(hào),可以通過腔外調(diào)制的方式,腔外線性調(diào)頻是主要采用聲光器件來實(shí)現(xiàn)的。聲光調(diào)制器由聲光介質(zhì)和壓電換能器構(gòu)成。聲光移頻器主要采用正常布喇格衍射模式,驅(qū)動(dòng)射頻信號(hào)加載于壓電換能器上,激發(fā)相同頻率的超聲波耦合入聲光介質(zhì),入射光子與聲子在介質(zhì)中交換能量產(chǎn)生極化波,激發(fā)光輻射形成衍射光。聲光調(diào)制器主要通過衍射的方式來實(shí)現(xiàn)移頻,由于不同頻率的衍射光的方向和衍射效率不同,因此聲光調(diào)制器的頻率調(diào)制帶寬較小,且不同頻率的調(diào)制效率也不同。對(duì)于聲光調(diào)制器的頻率調(diào)制帶寬較小的問題需要新的晶體材料或者新的調(diào)制方式來解決。

由于激光調(diào)制效率的不同會(huì)導(dǎo)致線性調(diào)頻脈沖幅度出現(xiàn)起伏,通常激光調(diào)制脈沖功率較小,需要進(jìn)行脈沖放大后發(fā)射,由于激光脈沖放大器的工作特點(diǎn),輸出的脈沖不是平頂脈沖,通常為高斯型脈沖。脈沖形狀的變化對(duì)壓縮效率會(huì)產(chǎn)生影響。

為了解決這個(gè)問題可以通過預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞?比如電調(diào)制信號(hào)不采用常規(guī)的矩形脈沖,采用反高斯的方式從而保證發(fā)射脈沖各頻率幅度信號(hào)的一致性。利用MATLAB軟件模擬發(fā)射信號(hào)為反高斯形狀并進(jìn)行壓縮驗(yàn)證,反高斯波形和壓縮的仿真結(jié)果如圖3所示。左圖中模擬的反高斯信號(hào)頻率點(diǎn)最大和最小功率相差4.3 dB,右圖反高斯信號(hào)壓縮的結(jié)果與矩形信號(hào)壓縮信號(hào)相比,副瓣有所抬升,經(jīng)過高斯型的脈沖放大后,會(huì)保證脈沖信號(hào)各頻率幅值接近矩形脈沖。

2)多普勒頻移的影響

由于光學(xué)波長很短,很小的多普勒也會(huì)造成很大的多普勒,根據(jù)上述的仿真結(jié)果當(dāng)多普勒頻率較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致脈沖壓縮匹配效率的降低甚至無法實(shí)現(xiàn)壓縮。對(duì)于波長為1.5 μm的體制帶寬為200 MHz的激光,當(dāng)速度為38.75 m/s時(shí),多普勒為50 MHz,多普勒頻移為1/4倍信號(hào)帶寬時(shí),即脈沖壓縮為波形的3/4,此時(shí)脈沖壓縮匹配損失為1.25 dB。

線性調(diào)頻信號(hào)的測(cè)距和測(cè)速是耦合的,即速度影響目標(biāo)距離的測(cè)量,所以想精確測(cè)距,必須測(cè)量出速度。通常微波領(lǐng)域采用MTD來獲得動(dòng)目標(biāo)的多普勒[5],前提是目標(biāo)不存在多普勒模糊,也就是說,目標(biāo)的多普勒不能超過脈沖重復(fù)頻率。對(duì)于激光相干脈沖壓縮來說,發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率為10 kHz,可表示的速度范圍為0.0077 m/s。當(dāng)目標(biāo)多普勒為50 MHz。此時(shí)目標(biāo)的多普勒是重頻的5000倍,也就是說目標(biāo)的多普勒可能會(huì)重復(fù)5000次,MTD無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)速。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的多普勒測(cè)量,可以通過順序發(fā)射正負(fù)調(diào)頻斜率來獲得目標(biāo)的準(zhǔn)確距離和徑向速度。

圖3 反高斯補(bǔ)償信號(hào)及脈沖壓縮的結(jié)果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證線性調(diào)頻的調(diào)制性能和測(cè)量方式的可行性,我們搭建了線性調(diào)頻脈沖壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用的激光種子源線寬為3 kHz,線性調(diào)頻組件的中頻為200 MHz,調(diào)制信號(hào)通過脈沖放大后發(fā)射向目標(biāo),采用高速數(shù)字信號(hào)采集儀實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)回波的采集和數(shù)字化,利用MATLAB軟件對(duì)回波信號(hào)的脈沖壓縮算法驗(yàn)證。線性調(diào)頻頻帶帶寬范圍結(jié)果如圖4所示。

圖4(b)測(cè)量的目標(biāo)壓縮結(jié)果,圖中為第一個(gè)主高峰是由發(fā)射信號(hào)泄露直接耦合到接收通道后處理的信號(hào)結(jié)果,由于信號(hào)泄露基本在光學(xué)天線部分,此位置正好可認(rèn)為目標(biāo)測(cè)距時(shí)的距離起點(diǎn),圖中第二個(gè)高峰為目標(biāo)回波壓縮的信號(hào),目標(biāo)的距離信息通過目標(biāo)位置與起始位置的距離差來獲得。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性,為下一步系統(tǒng)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖4 線性調(diào)頻頻帶測(cè)量結(jié)果和目標(biāo)

5 結(jié) 語

本文針對(duì)線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)進(jìn)行了分析和仿真,并針對(duì)脈沖壓縮激光相干探測(cè)技術(shù)的相關(guān)問題進(jìn)行的分析,并搭建了試驗(yàn)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了算法驗(yàn)證。作為采用脈沖相干探測(cè)技術(shù)的激光雷達(dá)來說,汲取微波領(lǐng)域的相關(guān)研究成果和思想,結(jié)合激光雷達(dá)的技術(shù)特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的同時(shí)高精度的測(cè)距和測(cè)速還有許多技術(shù)問題需要研究。