袁博資,許鵬程,方宇耀,張兆海,王茂華,雷倩睿

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

0 引 言

自1960年被發(fā)明以來,激光一直深受科學(xué)界的青睞,在工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、民生等方面被廣泛應(yīng)用,其重要地位不可替代。

激光雷達(dá)作為激光的當(dāng)前應(yīng)用之一,其發(fā)展前期主要應(yīng)用于目標(biāo)測(cè)距與跟蹤、空間探測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)等方面。21世紀(jì)以來,激光雷達(dá)小型化、輕量化及性能優(yōu)化的進(jìn)程迅速,應(yīng)用場(chǎng)景也逐漸向商用領(lǐng)域延伸,如:車載激光雷達(dá),三維點(diǎn)云成像雷達(dá)等。特別是車載激光雷達(dá),諸多知名車企,都在大力發(fā)展高階輔助駕駛與智能駕駛,裝配激光雷達(dá)必不可少。

激光雷達(dá)之所以成為熱門的傳感器,主要因?yàn)槠湎啾瘸Ｒ?guī)雷達(dá)具備以下優(yōu)勢(shì):

(1) 激光光束發(fā)散角小,探測(cè)角度分辨率高。

(2) 具備調(diào)Q功能的激光器,其發(fā)射峰值功率高,發(fā)射脈沖窄,探測(cè)距離遠(yuǎn)(相比非調(diào)Q激光雷達(dá))且距離分辨率高。

(3) 目前電磁頻譜緊張,激光雷達(dá)工作于光波波段,應(yīng)用過程不會(huì)受到其他無線電設(shè)備干擾,如常規(guī)雷達(dá)信號(hào)、無線通信信號(hào)等。

然而,激光雷達(dá)的缺點(diǎn)同樣不可忽視:

(1) 價(jià)格昂貴。以車載雷達(dá)為例,激光雷達(dá)價(jià)格遠(yuǎn)高于毫米波雷達(dá)。

(2) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜。性能較好的激光雷達(dá)需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)等,難以進(jìn)一步減小其體積與質(zhì)量。

(3) 作用距離短。激光波長(zhǎng)與大氣分子和大氣氣溶膠直徑相近,易被大氣吸收與散射,即便在大氣能見度較高的情況下,激光仍存在較大的衰減。

(4) 抗惡劣天氣能力弱。如,霧、霾、雨、雪、沙塵等天氣條件,使激光衰減過快,大大降低了其作用距離。

本文主要研究改進(jìn)激光雷達(dá)系統(tǒng)、發(fā)射信號(hào)形式以及激光雷達(dá)信號(hào)處理方法,使激光雷達(dá)能更好地發(fā)揮效能,揚(yáng)長(zhǎng)避短,降低成本。

1 激光雷達(dá)信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)信號(hào)調(diào)制主要包括:激光強(qiáng)度調(diào)制、激光脈沖位置調(diào)制、相位調(diào)制(基于偽隨機(jī)碼)、激光線性調(diào)頻信號(hào)等。

激光脈沖位置調(diào)制信號(hào)能獲得較好的匹配濾波結(jié)果,但需要較多的脈沖數(shù)以保證匹配濾波效果。在此情況下,該信號(hào)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)能力下降。

相位調(diào)制信號(hào)、激光線性調(diào)頻信號(hào)、調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)屬于相干探測(cè)激光雷達(dá)的信號(hào)體制,雖具備優(yōu)秀的探測(cè)性能,但價(jià)格較高,目前應(yīng)用較少。

1.1 基于巴克碼調(diào)制的發(fā)射信號(hào)

本文主要采用巴克碼調(diào)制發(fā)射信號(hào),其實(shí)際信號(hào)形式為脈沖位置調(diào)制與脈沖寬度調(diào)制2種方式的結(jié)合,巴克碼調(diào)制的激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào)能有效地利用其較好的脈沖壓縮性能,以達(dá)到提高接收信號(hào)信噪比、提高目標(biāo)探測(cè)距離分辨率的效果。

巴克碼是20世紀(jì)50年代初,R.H.巴克提出的一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組。

巴克碼是一個(gè)非周期序列,目前已找到9組,并且已證明在長(zhǎng)度小于12 100的范圍內(nèi)不存在其他長(zhǎng)度的巴克碼。已知的巴克碼包括:[1 1],[-1 1],[1 1 -1],[1 1 -1 1],[1 1 1 -1],[1 1 1 -1 1],[1 1 1 -1 -1 1 -1],[1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 -1 1 -1],[1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1]。

以上每組巴克碼共有4組同構(gòu)碼,即原碼、反碼、反序碼、反補(bǔ)碼:

原碼:[1 1 1 -1];

反碼:[-1 -1 -1 1];

反序碼:[-1 1 1 1];

反補(bǔ)碼:[1 -1 -1 -1]。

巴克碼最初應(yīng)用于脈沖壓縮雷達(dá),作為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)中二相編碼信號(hào)的一種。本課題中,擬對(duì)非相干探測(cè)激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行基于巴克碼的調(diào)制,利用巴克碼的脈沖壓縮性質(zhì),對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行一定的信號(hào)處理,提高非相干探測(cè)激光雷達(dá)的探測(cè)性能。

激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào)st(t)表示如下:

(1)

式中:A為發(fā)射激光信號(hào)幅值。

圖1為13位巴克碼信號(hào)仿真圖(碼元寬度100 ns,“0”“1”調(diào)制)。

圖1 13位巴克碼信號(hào)仿真圖

1.2 激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)已設(shè)計(jì)改進(jìn)的激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào),需對(duì)激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì),以達(dá)到整體適配的效果。

1.2.1 發(fā)射分系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)發(fā)射如圖1所示的調(diào)制激光信號(hào),當(dāng)前碼元為“1”時(shí),激光器工作發(fā)出固定強(qiáng)度的激光,時(shí)長(zhǎng)為既定的碼元寬度;當(dāng)前碼元為“0”時(shí),激光器停止工作,時(shí)長(zhǎng)為碼元寬度。

若使用單個(gè)激光器實(shí)現(xiàn)如圖1所示激光信號(hào)發(fā)射,則要求該激光器的脈沖重復(fù)周期小于100 ns(觀察圖1中900～1 300 ns時(shí)間段內(nèi)信號(hào)),即脈沖重復(fù)頻率最低為10 MHz,這無疑增加了激光器的成本。為實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射信號(hào)調(diào)制,同時(shí)兼顧降低成本,本項(xiàng)目擬采用多臺(tái)激光交替出光實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)制。圖2所示為2臺(tái)激光器交替出光的發(fā)射系統(tǒng),2臺(tái)激光機(jī)由統(tǒng)一的編碼及控制系統(tǒng)控制,控制每臺(tái)激光器出光時(shí)機(jī)及持續(xù)時(shí)間,則可實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)調(diào)制。圖3、圖4分別為激光器1、激光器2所發(fā)射信號(hào),兩信號(hào)疊加即可得到如圖1所示信號(hào)。若采用4激光雷達(dá)方案,如圖5,每臺(tái)激光器的重頻可不做要求。

圖2 雙激光器發(fā)射系統(tǒng)

圖3 激光器1發(fā)射信號(hào)

圖4 激光器2發(fā)射信號(hào)

圖5 4激光器發(fā)射系統(tǒng)

1.2.2 接收系統(tǒng)

激光信號(hào)調(diào)制并發(fā)射后,在大氣中傳輸并照射到目標(biāo),經(jīng)目標(biāo)反射至接收系統(tǒng),本課題接收系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 接收系統(tǒng)

與激光回波信號(hào)一同到達(dá)接收系統(tǒng)的還有背景光干擾,濾光片等光學(xué)系統(tǒng)可將大部分背景光干擾濾除,激光回波信號(hào)與剩余的背景光干擾信號(hào)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),電信號(hào)再由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)最終送入數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)處理。

2 回波與噪聲建模與仿真

2.1 激光雷達(dá)方程

激光雷達(dá)距離方程與常規(guī)雷達(dá)距離方程推導(dǎo)過程相似。脈沖激光雷達(dá)基本方程主要從能量角度描述了激光雷達(dá)信號(hào)從發(fā)射到接收過程中,光電探測(cè)器所接收回波功率與激光雷達(dá)發(fā)射功率、光束散角、光學(xué)系統(tǒng)透過率、接收視場(chǎng)等性能參數(shù)的關(guān)系,同時(shí)需考慮傳輸介質(zhì)的衰減以及目標(biāo)反射率、目標(biāo)有效反射截面積等因素[1]。

設(shè)激光雷達(dá)發(fā)射功率為Pt,天線將激光能量進(jìn)行各向同性輻射,在距離雷達(dá)R處的激光功率密度為:

(2)

實(shí)際應(yīng)用中,人們不會(huì)使用各向同性天線,普遍使用功率增益為Gt的定向天線,則式(2)更新為:

(3)

此時(shí),距離雷達(dá)R處的目標(biāo)反射信號(hào)功率為:

(4)

式中:σ為激光目標(biāo)截面積,是衡量目標(biāo)發(fā)射能力的尺度。

目標(biāo)反射激光信號(hào)至激光雷達(dá)接收設(shè)備處的功率密度為:

(5)

此時(shí),接收到的回波功率為:

(6)

式中:Ae為接收天線有效孔徑面積,Ae與光學(xué)天線直徑D有關(guān),關(guān)系為:

(7)

若考慮激光在大氣中傳輸衰減與激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的通過率,則激光雷達(dá)接收回波信號(hào)功率為:

(8)

式中:ηsys為光學(xué)系統(tǒng)透過率;ηa為激光大氣單程傳輸系數(shù)。

發(fā)射天線增益Gt與激光發(fā)射光束的束散角θt有關(guān),有:

(9)

進(jìn)一步細(xì)化激光目標(biāo)截面積σ:

(10)

式中:G為目標(biāo)反射方向增益;Ωr為目標(biāo)散射立體角;ρ為目標(biāo)發(fā)射系數(shù);Ao為激光照射目標(biāo)面積。

圖7為目標(biāo)回波接收功率圖,描述目標(biāo)回波接收功率與目標(biāo)距離之間的關(guān)系。仿真條件:激光雷達(dá)發(fā)射功率Pt為200 mW,激光束散角為0.1 mrad,光學(xué)孔徑(直徑)為4 mm,目標(biāo)發(fā)射率為0.6,目標(biāo)散射立體角為2π,大氣透過率為0.9,光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.98。

圖7 接收功率仿真圖

圖8為激光雷達(dá)最大探測(cè)距離曲線圖,描述激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)最大距離與激光發(fā)射功率之間的關(guān)系。仿真條件:光學(xué)接收機(jī)最小探測(cè)功率為5×10-9W,激光束散角為0.1 mrad,光學(xué)孔徑(直徑)為4 mm,目標(biāo)發(fā)射率為0.6,目標(biāo)散射立體角為2π,大氣透過率為0.9,光學(xué)系統(tǒng)透過率為0.98。

圖8 最大探測(cè)距離仿真圖

2.2 激光信號(hào)大氣衰減

激光在大氣中傳播,不可避免地受到大氣的影響——散射與吸收等,從而導(dǎo)致激光信號(hào)從發(fā)射到接收的功率進(jìn)一步削弱。在2.1節(jié)已經(jīng)提到激光大氣單程傳輸系數(shù)(式(8)),然而激光的大氣衰減問題較為復(fù)雜,將于本節(jié)詳細(xì)討論[2-3]。

計(jì)算激光大氣傳輸衰減時(shí)的主要變量包括能見度VM(單位:km)、降雨/雪強(qiáng)度J(單位:mm/h)、傳輸距離R(單位:km)、衰減系數(shù)μ(λ)(單位:km-1)或α(λ)(單位:dB/km)、透過率T(λ)等。

能見度是反映氣象光學(xué)視程的一個(gè)指標(biāo),一般規(guī)定為白天人眼能發(fā)現(xiàn)(目標(biāo)的視在對(duì)比度2%時(shí))以地平線為背景且視角大于30′的黑色目標(biāo)的最大距離。實(shí)際運(yùn)用中可以利用地圖和GPS定位系統(tǒng),借助典型地物估算能見度。

在均勻大氣中,透過率T(λ)、衰減系數(shù)μ(λ)、傳輸距離R之間的關(guān)系為:

(11)

式中:P0、PR分別代表衰減前和衰減后的激光功率。

有時(shí)也將衰減系數(shù)定義為1 km大氣對(duì)光信號(hào)功率的衰減值,記為α(λ),它與μ(λ)的關(guān)系為:

(12)

理論和實(shí)驗(yàn)表明,1.06 μm激光的大氣傳輸衰減主要是由氣溶膠的吸收和散射引起的,且氣溶膠散射系數(shù)一般是氣溶膠吸收系數(shù)的10倍左右。大氣分子吸收和散射對(duì)1.06 μm激光的影響很小,在實(shí)際計(jì)算過程中可忽略。1.06 μm激光的衰減系數(shù)為:

(13)

式中:q是與地面的大氣能見度VM有關(guān)的參數(shù),一般情況下q取1.3,VM小于6 km時(shí),q可通過下式計(jì)算:

(14)

式中:q是與地面的大氣能見度VM有關(guān)的參數(shù),可通過下式計(jì)算:

(15)

利用式(15)對(duì)q值進(jìn)行計(jì)算,可得到q值與大氣能見度VM的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 q值仿真曲線

進(jìn)一步,結(jié)合式(13)與式(15),可計(jì)算一般氣候條件下的大氣衰減系數(shù),大氣衰減系數(shù)曲線如圖10所示。

圖10 衰減系數(shù)仿真曲線

根據(jù)計(jì)算出的不同能見度下的大氣衰減系數(shù),取能見度分別為:0.2 km、0.5 km、1 km、3 km、6 km,得到對(duì)應(yīng)的大氣衰減系數(shù)分別為:19.56、7.824、2.818、0.761、0.278。將計(jì)算出的大氣衰減系數(shù)代入式(11)可求得激光傳輸?shù)拇髿馔高^率,圖11為不同能見度情況下大氣透過率與激光傳輸距離之間關(guān)系曲線。

圖11 不同天氣條件大氣衰減系數(shù)

2.3 背景光與噪聲干擾

激光雷達(dá)接收目標(biāo)回波信號(hào)的同時(shí),還被動(dòng)接收了背景光干擾信號(hào),此外還需考慮探測(cè)噪聲和各類放大器噪聲,這些干擾與噪聲都是影響激光雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的因素。

探測(cè)器噪聲主要由信號(hào)光散粒噪聲、背景光散粒噪聲、暗電流噪聲和熱噪聲等組成,各類放大器噪聲主要體現(xiàn)為熱噪聲[4]。

探測(cè)器的噪聲等效功率如下式所示:

(16)

式中:ec為元電荷常數(shù);B為接收機(jī)帶寬;Ids為探測(cè)器表面暗電流;Idb為探測(cè)器體暗電流;Ib為背景照度電流;Is為信號(hào)電流;M為探測(cè)器倍增因子;F為探測(cè)器的額外噪聲常數(shù);i為探測(cè)器電流響應(yīng)度。

Is和Ib可由下式計(jì)算:

Is=iPr

(17)

(18)

式中:ρ為背景平均反射率;hsun為背景輻射照度;Tr為接收系統(tǒng)的光學(xué)傳輸效率;ra為接收機(jī)的光學(xué)孔徑;θfov為接收機(jī)視場(chǎng);Δλ為光學(xué)濾波帶寬。

放大器的噪聲等效功率為:

(19)

式中:k為玻耳茲曼常數(shù);T為絕對(duì)溫度;N為噪聲因子;RL為負(fù)載電阻。

進(jìn)而可求得接收機(jī)的總噪聲等效功率:

(20)

接收機(jī)噪聲一般屬于高斯加性噪聲,其噪聲方差即為Ptotal的平方,其接收機(jī)輸出的回波信號(hào)功率可為:

(21)

3 仿真與分析

激光雷達(dá)工作過程為:系統(tǒng)生成信號(hào)并發(fā)射,在大氣中傳輸一定距離,照射目標(biāo)并反射,目標(biāo)回波信號(hào)在大氣中傳輸同樣距離后,被接收系統(tǒng)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)、數(shù)字信號(hào),最后進(jìn)行處理。

所以激光雷達(dá)信號(hào)建模需主要考慮以下幾個(gè)方面:(1)激光雷達(dá)信號(hào)形式,(2)激光雷達(dá)方程,(3)激光大氣衰減,(4)激光雷達(dá)接收系統(tǒng)噪聲等。表1列出了激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)以及典型值,在仿真過程主要以典型值代入進(jìn)行計(jì)算[5]。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)

在2.1節(jié)與2.2節(jié)中,已較詳細(xì)討論了激光雷達(dá)方程與激光的大氣衰減問題,本節(jié)將結(jié)合表1中所列激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù),對(duì)目標(biāo)回波功率進(jìn)一步細(xì)化研究。

當(dāng)激光雷達(dá)發(fā)射功率Pt為200 mW,目標(biāo)發(fā)射率為0.6,目標(biāo)散射立體角為2π時(shí)。并討論一般大氣條件下取能見度分別為:0.2 km、0.5 km、1 km、3 km、6 km的情況,此時(shí)計(jì)算出的大氣衰減系數(shù)分別為:19.56、7.824、2.818、0.761、0.278(單位km-1)。目標(biāo)回波接收功率曲線如圖12所示。

圖12 目標(biāo)回波接收功率曲線

若發(fā)射信號(hào)選擇“0”“1”調(diào)制的13位巴克碼,發(fā)射信號(hào)的脈沖重復(fù)周期為10 μs(脈沖重復(fù)頻率100 kHz),目標(biāo)與雷達(dá)距離為50 m,能見度分別為0.2 km、6 km情況下,目標(biāo)回波接收功率分別為:1.33×10-9W、9.15×10-9W。在此條件下回波信號(hào)時(shí)域仿真圖如圖13、14所示。

圖13 目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)域仿真(能見度0.2 km)

圖14 目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)域仿真(能見度6 km)

激光雷達(dá)系統(tǒng)噪聲為加性噪聲,根據(jù)求得的不同仿真條件下的信噪比,可將激光雷達(dá)接收時(shí)域信號(hào)圖繪制如圖15、16所示。

圖15 接收信號(hào)時(shí)域仿真(發(fā)射功率2 W,SNR=0.6 dB)

如圖15所示,當(dāng)回波信號(hào)信噪比較低時(shí),目標(biāo)回波信號(hào)無法分辨;隨著回波信號(hào)信噪比升高,如圖16所示,目標(biāo)可被檢測(cè),但距離分辨率較低。

圖16 接收信號(hào)時(shí)域仿真(發(fā)射功率8 W,SNR=6.6 dB)

若將圖15所示回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字脈沖壓縮處理,脈沖壓縮結(jié)果如圖17所示,目標(biāo)回波信號(hào)相對(duì)電平與距離分辨率提高明顯。

圖17 接收信號(hào)脈壓結(jié)果

為檢驗(yàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)在特定條件下的檢測(cè)性能,設(shè)計(jì)10 000次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn),以普通矩形波信號(hào)非相干激光雷達(dá)做對(duì)比,其檢測(cè)某同一目標(biāo)的檢測(cè)概率曲線如圖18所示。在信噪比較低時(shí),約-10～-15 dB區(qū)間內(nèi),2種激光雷達(dá)檢測(cè)概率都較低,低于10%,此時(shí)矩形波信號(hào)非相干激光雷達(dá)探測(cè)概率略高于本文研究系統(tǒng)。當(dāng)信噪比高于-10 dB時(shí),本文涉及系統(tǒng)的探測(cè)性能提升迅速,其探測(cè)概率明顯高于矩形波信號(hào)非相干激光雷達(dá);在信噪比約為3 dB時(shí),本文研究系統(tǒng)檢測(cè)概率接近100%,探測(cè)性能較好。

圖18 檢測(cè)概率曲線

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了巴克碼調(diào)制的非相干探測(cè)激光雷達(dá)發(fā)射信號(hào),并依此設(shè)計(jì)改進(jìn)了適用于該信號(hào)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。綜合考慮激光雷達(dá)距離方程、大氣衰減、背景光干擾以及噪聲等因素后,對(duì)雷達(dá)接收信號(hào)進(jìn)行建模仿真,進(jìn)而對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮處理與恒虛警檢測(cè)。

相比矩形波發(fā)射信號(hào),本文所設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)系統(tǒng)與發(fā)射信號(hào)經(jīng)數(shù)字脈沖壓縮處理后,其信噪比提高明顯,有利于改善激光雷達(dá)在低反射率目標(biāo)與大氣能見度低等情形下信噪比過低的問題。

后續(xù)可在本雷達(dá)系統(tǒng)建模仿真基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)與參數(shù)估計(jì)算法實(shí)驗(yàn),以期進(jìn)一步提高本激光雷達(dá)系統(tǒng)性能。