熊文龍，陳念江，眭曉林，劉 波，顏?zhàn)雍?/p>

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

·激光應(yīng)用技術(shù)·

脈沖壓縮技術(shù)在相干激光探測(cè)中的應(yīng)用

熊文龍，陳念江，眭曉林，劉 波，顏?zhàn)雍?/p>

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

針對(duì)寬脈沖相干激光雷達(dá)信號(hào)處理遇到測(cè)距精度差的問(wèn)題，將脈沖壓縮算法引入到相干激光雷達(dá)信號(hào)處理中。文章首先對(duì)脈沖壓縮相干激光雷達(dá)測(cè)距原理和精度進(jìn)行理論分析，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該理論正確性。仿真結(jié)果表明采用脈沖壓縮的信號(hào)處理方法可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距，并且可以提高測(cè)距距離和測(cè)距精度，為以后相干激光雷達(dá)測(cè)距提高作用距離與測(cè)距精度提供了重要的理論依據(jù)。

相干激光雷達(dá)；脈沖壓縮算法；信號(hào)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(dá)發(fā)射源成為可能，此后的幾十年發(fā)展中，相干探測(cè)技術(shù)被運(yùn)用到激光雷達(dá)中，相干探測(cè)技術(shù)相比直接探測(cè)具有更高的靈敏度［1］。

相干激光雷達(dá)的總體設(shè)計(jì)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(hào)的形式密切相關(guān)的。目前可選用的信號(hào)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(dá)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(dá)雖然能夠遠(yuǎn)距離測(cè)距，但是由于信號(hào)帶寬太小，導(dǎo)致測(cè)距精度并不理想。然而通過(guò)脈沖壓縮信號(hào)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(diǎn)是具有良好的距離分辨率和徑向速度分辨率；另外因?yàn)樗l(fā)射的寬脈沖線性調(diào)頻信號(hào)既有較大的時(shí)寬，又有較大的帶寬，因此它的作用距離較遠(yuǎn)，測(cè)距精度都較高。本文主要針對(duì)相干激光雷達(dá)信號(hào)采用脈沖壓縮算法的方式進(jìn)行研究。

2 脈沖壓縮相干雷達(dá)信號(hào)處理原理

圖1是脈沖壓縮相干激光雷達(dá)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(guò)脈沖放大器后，再經(jīng)過(guò)聲光調(diào)頻器生成調(diào)頻脈沖光，脈沖光直接通過(guò)發(fā)射鏡頭發(fā)射出去，照射到目標(biāo)上，回波通過(guò)鏡頭接收之后在探測(cè)器上與本振光進(jìn)行混頻，然后通過(guò)放大器，到信號(hào)處理系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中包含了脈沖壓縮算法和信號(hào)提取兩部分。整個(gè)信號(hào)處理的過(guò)程可以分為相干探測(cè)［3－5］、脈沖壓縮兩個(gè)部分。

圖1 脈沖壓縮相干激光雷達(dá)系統(tǒng)圖

2.1 相干探測(cè)部分

單頻激光器發(fā)出的脈沖光可以表示為：

目標(biāo)回波復(fù)信號(hào)可以表達(dá)為：

其復(fù)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(cè)器輸出信號(hào)，H（W）是匹配濾波器的頻譜，探測(cè)器輸出信號(hào)st（t）經(jīng)過(guò)正交解調(diào)［6－7］處理得到I信號(hào)和Q信號(hào)，I信號(hào)和Q信號(hào)得到基帶信號(hào)；H（w）是根據(jù)基帶信號(hào)的頻譜得到的。

圖2 正交解調(diào)脈沖壓縮原理圖

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

零中頻基帶可以表示信號(hào)：

零中頻基帶信號(hào)復(fù)頻譜為：

其中：其幅頻特性為：

其相頻特性為：

圖3 信號(hào)頻譜

圖3是零中頻基帶信號(hào)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(gè)頻帶之外幅度下降越快，信號(hào)能量主要集中在此頻帶范圍內(nèi)。當(dāng)D＞＞1時(shí)，信號(hào)相頻可以近似表示為：

零中頻基帶信號(hào)復(fù)頻譜將匹配濾波器沖擊響應(yīng)函數(shù)h（t）的頻譜函數(shù)H（w）相乘，然后經(jīng)過(guò)IFFT可以得到目標(biāo)的距離信息。設(shè)匹配濾波器頻率特性為H（w），那么根據(jù)匹配條件應(yīng)滿足下式關(guān)系：

匹配濾波器輸出信號(hào)為：

其中，Δw＝2πB，D＝BT，稱為壓縮比。取實(shí)部信號(hào)：

由（15）可以得知匹配濾波器輸出信號(hào)包絡(luò)是一個(gè)sin c函數(shù)，其最大值所對(duì)應(yīng)得時(shí)間t＝τ＋td，td是匹配濾波器的物理延時(shí)，理想情況下為0。因此，我們可以準(zhǔn)確得到這樣就輕松得到目標(biāo)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(guò)脈沖壓縮之后信號(hào)的幅值增加了倍，則SNR增加D倍。由雷達(dá)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(hào)帶寬都比較小，近似認(rèn)為1／T（T為脈寬），而經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后，其脈寬會(huì)急劇縮小，其脈寬約為T／D。因此，可以得知，脈沖壓縮后信號(hào)帶寬會(huì)增加D倍。經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后信噪比（SNR）增加了D，通過(guò)脈沖壓縮之后，其精度會(huì)倍。由此可以看出測(cè)距精度將會(huì)增加倍。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證脈沖壓縮算法在相干激光雷達(dá)信號(hào)處理中的理論是否可行，采用MATLAB進(jìn)行兩組仿真實(shí)驗(yàn)，分別是為了驗(yàn)證脈沖壓縮信號(hào)處理方式可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距和驗(yàn)證采用脈沖壓縮信號(hào)處理方式可以明顯提高SNR，進(jìn)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(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證脈沖壓縮信號(hào)處理方式能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)距。

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

圖4 模擬發(fā)射Chirp信號(hào)圖

圖5 模擬目標(biāo)回波信號(hào)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(duì)脈沖壓縮相干激光雷達(dá)信號(hào)處理問(wèn)題進(jìn)行仿真，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)距仿真結(jié)果

表2表明脈沖壓縮算法對(duì)運(yùn)用在相干激光雷達(dá)中確實(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)距。

第二組仿真實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證采用脈沖壓縮算法處理相干激光雷達(dá)信號(hào)可以提高信噪比，進(jìn)而提高作用距離和測(cè)距精度。根據(jù)第三節(jié)的精度分析描述，本組實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)不同脈寬，不同調(diào)制帶寬進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比在不同時(shí)寬和不同調(diào)制帶寬下，其SNR提高倍數(shù)，其結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)距精度仿真結(jié)果

由表3可以看出，采用大時(shí)寬脈沖和大調(diào)制帶寬時(shí)，其SNR更高，精度更好，這表明采用大時(shí)寬脈沖和大調(diào)制帶寬可以提高作用距離和測(cè)距精度。但在時(shí)間運(yùn)用中脈沖時(shí)寬不可能無(wú)限大，應(yīng)該考慮目標(biāo)回波的時(shí)間，調(diào)制帶寬也不可能無(wú)限大。一般而言激光脈沖時(shí)寬最大能夠在微秒量級(jí)；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(duì)硬件要求也會(huì)比較高，造價(jià)比較昂貴。

5 結(jié) 論

首先通過(guò)對(duì)脈沖壓縮算法處理相干激光雷達(dá)信號(hào)的理論進(jìn)行了分析，得到脈沖壓縮輸出和距離的表達(dá)式，并且分析了其作用距離與測(cè)距精度和無(wú)脈沖壓縮的作用距離和測(cè)距精度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)得到采用脈沖壓縮算法處理相干激光雷達(dá)信號(hào)可以準(zhǔn)確的得到距離信號(hào)，提高作用距離和測(cè)距精度的結(jié)論。為相干激光雷達(dá)信號(hào)處理方法得到了新的理論依據(jù)；為將來(lái)脈沖壓縮相干激光雷達(dá)運(yùn)用于遠(yuǎn)程預(yù)警、遠(yuǎn)程跟蹤、導(dǎo)彈防御、精確制導(dǎo)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(cè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)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(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MATLAB仿真［M］.朱國(guó)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(hào)處理。E-mail：378389165＠qq.com

2013-12-10