張鵬飛，潘靜巖，張 濤，李 麗，董光焰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

·激光應(yīng)用技術(shù)·

相干激光雷達(dá)探測目標(biāo)研究

張鵬飛，潘靜巖，張 濤，李 麗，董光焰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

介紹了相干激光雷達(dá)對目標(biāo)探測的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和現(xiàn)狀,闡述了基于相干探測技術(shù)構(gòu)建的激光雷達(dá)的主要組成,并給出了整個(gè)系統(tǒng)的工作流程。文中基于1.5 μm光纖光學(xué)技術(shù)搭建了相干激光雷達(dá)系統(tǒng)。通過搭建的系統(tǒng)進(jìn)行了外場試驗(yàn),獲得了外場目標(biāo)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(yàn)證明了相干激光雷達(dá)系統(tǒng)可以在目標(biāo)自動偵察識別方面發(fā)揮重要作用。

相干探測;激光雷達(dá);微多普勒

1 引 言

激光相干探測技術(shù)比直接探測具有更高的探測靈敏度,同時(shí)其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)可以發(fā)展成多種獨(dú)特的激光雷達(dá)系統(tǒng),比如激光相干通訊雷達(dá)、激光相干多普勒測風(fēng)雷達(dá)[1]、測振激光雷達(dá)[2]等。相干激光雷達(dá)是激光技術(shù)、相干探測技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)綜合技術(shù)產(chǎn)物。它既可以實(shí)現(xiàn)直接探測激光雷達(dá)的功能,獲取測量目標(biāo)的方位、距離、強(qiáng)度等空間信息,又利用相干探測的技術(shù)特點(diǎn),獲得目標(biāo)的速度、微多普勒等特征信息。相干激光雷達(dá)向目標(biāo)空域發(fā)射激光,根據(jù)激光回波的時(shí)域信息獲取目標(biāo)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(biāo)的運(yùn)動和微多普勒特性等本征特征。相干激光雷達(dá)有效融合這些信息,使得其在目標(biāo)探測和自動識別方面具有巨大前景。

相干激光雷達(dá)這些優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)引起了美國、瑞典、日本等多個(gè)國外研究機(jī)構(gòu)的興趣,并取得了一些成果。美國空軍研究工作實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory)研制了一套2 μm波長的激光相干雷達(dá)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(yàn),對不同距離上不同的目標(biāo)進(jìn)行了探測,試驗(yàn)的目標(biāo)包括:M2 Bradley,M60坦克,T-72蘇式坦克,美式和蘇式裝甲運(yùn)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(shè)計(jì)了一套激光相干測振雷達(dá)并用于外場試驗(yàn),在China Lake試驗(yàn)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(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套相干激光雷達(dá)系統(tǒng),并對一定距離上的目標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)簡介

激光相干雷達(dá)系統(tǒng)由相干激光發(fā)射部分、光學(xué)系統(tǒng)部分、接收處理部分組成。相干激光發(fā)射機(jī)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(xué)系統(tǒng)包括掃描系統(tǒng)和光學(xué)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(dá)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(shí)也是通訊工業(yè)廣泛使用的技術(shù)。激光種子源采用的是光纖單頻激光器,經(jīng)過分?jǐn)?shù)比98∶2的光纖分束后,強(qiáng)分束光輸出光進(jìn)入一個(gè)光纖調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制,弱分束光作為本振光輸出到光混頻單元。進(jìn)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(xué)系統(tǒng)、收發(fā)開關(guān)和擴(kuò)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(biāo),從空間目標(biāo)反射的激光信號由掃描控制器進(jìn)行光信號的收集,收集的光信號經(jīng)光束擴(kuò)束系統(tǒng)、光開關(guān)后,由接收光學(xué)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(yīng)的電信號,電信號經(jīng)過放大到合適的強(qiáng)度后,送往信號處理單元進(jìn)行處理。

信號處理系統(tǒng)首先將采樣到的信號,按照時(shí)間序列分成多個(gè)距離門,然后對所有距離門單元進(jìn)行頻譜分析并找出頻率峰值。由于光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)接收目標(biāo)反射激光的同時(shí),其光學(xué)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(qiáng)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(biāo)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(diǎn)和多普勒頻率,垂直軸為頻率的強(qiáng)度。根據(jù)主波和回波在時(shí)間序列的間隔信息即時(shí)域信息,根據(jù)激光飛行時(shí)間的方法得到目標(biāo)的距離。根據(jù)得到的目標(biāo)距離和目標(biāo)的頻率峰值強(qiáng)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(biāo)的反射率,對目標(biāo)位置距離門的多普勒頻譜進(jìn)行分析處理得到目標(biāo)的微多普勒信息。

圖2 激光雷達(dá)回波圖

脈沖相干激光雷達(dá)探測目標(biāo)時(shí),希望目標(biāo)的時(shí)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(dá)單個(gè)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(gè)短激光脈沖,從而增加參與處理的信號時(shí)間,改善目標(biāo)的多普勒分辨率,同時(shí)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(shí)現(xiàn)不同空間位置上目標(biāo)相關(guān)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(biāo)的空間特征和頻率特征,從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的探測識別。

3 實(shí)驗(yàn)測量

基于上述相干激光雷達(dá)系統(tǒng),結(jié)合前文所述的技術(shù)特點(diǎn),對探測目標(biāo)進(jìn)行時(shí)域和頻域兩個(gè)方面分析實(shí)驗(yàn)。因此實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分:①對目標(biāo)進(jìn)行空間關(guān)系測量;②對目標(biāo)的振動進(jìn)行測量。

3.1 目標(biāo)空間關(guān)系測量實(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)中伺服系統(tǒng)設(shè)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(dá)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(dá)試驗(yàn)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(dá)掃描場景和掃描圖像

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看,相干激光雷達(dá)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(biāo),基本達(dá)到試驗(yàn)的目的。但由于光學(xué)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(biāo)成像的精細(xì)度還不夠,無法分清目標(biāo)的細(xì)節(jié),這需要在以后的研究中逐步提高。

3.2 目標(biāo)振動測量實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證相干激光雷達(dá)系統(tǒng)對目標(biāo)振動產(chǎn)生的微多普勒信息的測量效果,實(shí)驗(yàn)中選取了汽車作為目標(biāo)進(jìn)行測量,主要測量汽車引擎產(chǎn)生的振動。相干激光雷達(dá)對汽車表面目標(biāo)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(jìn)行頻域的多普勒分析。

實(shí)驗(yàn)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(shí)-頻分析的方法[5]。實(shí)驗(yàn)中采用了普通的大客車作為測量目標(biāo),其引擎處于汽車尾部,相干激光雷達(dá)通過掃描光束照射汽車尾部不同的部位。實(shí)驗(yàn)中獲得的大客車尾部不同部位振動產(chǎn)生的微多普勒時(shí)頻分布如圖4所示。

圖4 大客車不同部位的微多普勒時(shí)頻分布圖

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

圖5 小汽車回波的微多普勒時(shí)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(shí)頻圖稍有差別。從大客車與小汽車的引擎的微多普勒時(shí)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(biāo)分類的特征。通過掃描可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)目標(biāo)的振動特征圖,根據(jù)這些特征圖,可以分辨真假測量目標(biāo),區(qū)分坦克、汽車等不同類型目標(biāo)。

4 結(jié) 論

基于光纖光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一套相干激光雷達(dá)系統(tǒng),并進(jìn)行了相關(guān)的測量實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明了相干激光雷達(dá)可以有效實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)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(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動目標(biāo)探測。下一步研究激光相干陣列探測方法,逐步建模目標(biāo)振動特征庫,為實(shí)現(xiàn)相干激光雷達(dá)探測識別系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

[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(fēng)雷達(dá)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(xué)勤,董艷群,原帥，等,激光雷達(dá)微多普勒效應(yīng)的仿真研究[J].激光技術(shù),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(dá)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