相干激光雷达探测目标研究

张鹏飞，潘静岩，张 涛，李 丽，董光焰

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

·激光应用技术·

相干激光雷达探测目标研究

张鹏飞，潘静岩，张 涛，李 丽，董光焰

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

介绍了相干激光雷达对目标探测的技术优点和现状,阐述了基于相干探测技术构建的激光雷达的主要组成,并给出了整个系统的工作流程。文中基于1.5 μm光纤光学技术搭建了相干激光雷达系统。通过搭建的系统进行了外场试验,获得了外场目标的成像图和不同汽车引擎振动产生的微多普勒谱特征图。通过试验证明了相干激光雷达系统可以在目标自动侦察识别方面发挥重要作用。

相干探测;激光雷达;微多普勒

1 引 言

激光相干探测技术比直接探测具有更高的探测灵敏度,同时其独特的技术特点可以发展成多种独特的激光雷达系统,比如激光相干通讯雷达、激光相干多普勒测风雷达[1]、测振激光雷达[2]等。相干激光雷达是激光技术、相干探测技术、数字信号处理技术综合技术产物。它既可以实现直接探测激光雷达的功能,获取测量目标的方位、距离、强度等空间信息,又利用相干探测的技术特点,获得目标的速度、微多普勒等特征信息。相干激光雷达向目标空域发射激光,根据激光回波的时域信息获取目标的距离、尺度等结构特征；根据激光回波的频域信息获取目标的运动和微多普勒特性等本征特征。相干激光雷达有效融合这些信息,使得其在目标探测和自动识别方面具有巨大前景。

相干激光雷达这些优点已经引起了美国、瑞典、日本等多个国外研究机构的兴趣,并取得了一些成果。美国空军研究工作实验室(Air Force Research Laboratory)研制了一套2 μm波长的激光相干雷达系统。该系统在1998年7月间,参与了北约(NATO)组织的美国陆军主办的外场试验,对不同距离上不同的目标进行了探测,试验的目标包括:M2 Bradley,M60坦克,T-72苏式坦克,美式和苏式装甲运兵车[3]。瑞典防御研究局(Swedish Defence Research Agency)采用了激光相干探测体制设计了一套激光相干测振雷达并用于外场试验,在China Lake试验场,探测到距离1.3 km军用车辆产生的振动[4]。文中基于1.5 μm光纤光学技术设计了一套相干激光雷达系统,并对一定距离上的目标进行了试验验证。

2 系统简介

激光相干雷达系统由相干激光发射部分、光学系统部分、接收处理部分组成。相干激光发射机包括高稳定度的种子激光器、调制器、脉冲激光放大器。光学系统包括扫描系统和光学收发系统。激光接收处理部分包括光混频、光电探测与放大、信号处理单元。系统构成原理框图如图1所示。

图1 相干激光雷达原理框图

本系统采用了使用1.5 μm波长光纤激光,这是人眼安全选择的波长,同时也是通讯工业广泛使用的技术。激光种子源采用的是光纤单频激光器,经过分数比98∶2的光纤分束后,强分束光输出光进入一个光纤调制器进行调制,弱分束光作为本振光输出到光混频单元。进入光纤调制器的光形成一系列脉冲信号,这些脉冲信号经过激光放大器功率放大后,形成高能量的激光脉冲。高能激光脉冲经发射光学系统、收发开关和扩束系统后,由扫描控制系统控制激光投射向某一空间目标,从空间目标反射的激光信号由扫描控制器进行光信号的收集,收集的光信号经光束扩束系统、光开关后,由接收光学系统传输到光混频单元。接收的回波信号和本振光信号经过混频后被光电探测器转换成相应的电信号,电信号经过放大到合适的强度后,送往信号处理单元进行处理。

信号处理系统首先将采样到的信号,按照时间序列分成多个距离门,然后对所有距离门单元进行频谱分析并找出频率峰值。由于光学收发系统接收目标反射激光的同时,其光学元件表面反射的激光也被接收,此激光反射信号作为距离探测的起始位置,且其信号强度最大；因此通过比较所有距离门峰值,找出最大的频率峰值距离门即为主波信号所在的位置。频率峰值第二大的位置为目标信号的位置,如图2所示。图2中水平轴分别为信号的采样序列点和多普勒频率,垂直轴为频率的强度。根据主波和回波在时间序列的间隔信息即时域信息,根据激光飞行时间的方法得到目标的距离。根据得到的目标距离和目标的频率峰值强度结合激光发射功率、系统灵敏度等参数可以反演出目标的反射率,对目标位置距离门的多普勒频谱进行分析处理得到目标的微多普勒信息。

图2 激光雷达回波图

脉冲相干激光雷达探测目标时,希望目标的时域特征和频域特征都有一定的分辨精度,但是通常相干激光雷达单个脉冲对多普勒速度分辨率和距离分辨率乘积受限于下面式子：

对于波长1.5 μm系统,其乘积就是17.9 m2/s,如果其多普勒速度精度要求0.1 m/s,其距离精度就比较差。为了保证信号多普勒分辨率和信号的空间分辨率都满足一定要求,系统相干地结合多个短激光脉冲,从而增加参与处理的信号时间,改善目标的多普勒分辨率,同时短脉冲可以保留着好的距离分辨率。

信号处理系统通过对扫描控制系统的控制,实现不同空间位置上目标相关信息获取。经过对扫描视场内所有空间位置信息的探测,信号处理系统通过信息融合可以获得目标的空间特征和频率特征,从而实现对目标的探测识别。

3 实验测量

基于上述相干激光雷达系统,结合前文所述的技术特点,对探测目标进行时域和频域两个方面分析实验。因此实验分为两个部分:①对目标进行空间关系测量;②对目标的振动进行测量。

3.1 目标空间关系测量实验

本系统采用的扫描装置是二维扫描振镜,系统在扫描模式上采用“之”字型的扫描方式,完成全部待测区域的扫描。实验中伺服系统设置的扫描视场为8°×1.2°,扫描角度的间隔为0.2°。相干激光雷达信号处理部分,将测量结果形成三维角度距离图像。相干激光雷达试验系统测量的场景和测量结果如图3所示。

图3 相干激光雷达扫描场景和扫描图像

从实验结果上看,相干激光雷达给出了初步的测量结果,在通过扫描图像可以基本区分测量的目标,基本达到试验的目的。但由于光学系统的束散角和扫描间隔较大,系统的距离分辨率还不够高,因此系统对目标成像的精细度还不够,无法分清目标的细节,这需要在以后的研究中逐步提高。

3.2 目标振动测量实验

为了验证相干激光雷达系统对目标振动产生的微多普勒信息的测量效果,实验中选取了汽车作为目标进行测量,主要测量汽车引擎产生的振动。相干激光雷达对汽车表面目标部位发射激光脉冲,信号处理系统对获得的激光回波进行频域的多普勒分析。

实验中汽车引擎为怠速状态,为了较好地提取激光回波中所包含的微多普勒特征,对汽车引擎部位反射的激光回波信号采用时-频分析的方法[5]。实验中采用了普通的大客车作为测量目标,其引擎处于汽车尾部,相干激光雷达通过扫描光束照射汽车尾部不同的部位。实验中获得的大客车尾部不同部位振动产生的微多普勒时频分布如图4所示。

图4 大客车不同部位的微多普勒时频分布图

同时为了验证对不同目标测量效果,试验对普通的小汽车引擎表面也进行了测量,小汽车引擎振动产生的微多普勒时频分布如图5所示。

图5 小汽车回波的微多普勒时频分布图

从图4和图5中可以看出汽车引擎振动产生的微多普勒频谱都具有一定的宽度,汽车引擎面不同部位回波的微多普勒时频图稍有差别。从大客车与小汽车的引擎的微多普勒时频分布图可以看出,其振动频率有非常大的区别,这些区别可以作为目标分类的特征。通过扫描可以实现整个目标的振动特征图,根据这些特征图,可以分辨真假测量目标,区分坦克、汽车等不同类型目标。

4 结 论

基于光纤光学技术设计了一套相干激光雷达系统,并进行了相关的测量实验。经过实验证明了相干激光雷达可以有效实现对目标探测识别。目前系统采用了扫描加单元探测的体制,因此无法实现快速运动目标探测。下一步研究激光相干阵列探测方法,逐步建模目标振动特征库,为实现相干激光雷达探测识别系统奠定基础。

[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,张鹏飞,潘静岩，等.相干激光测风雷达信号处理系统研究[J].激光与红外,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) 王学勤,董艳群,原帅，等,激光雷达微多普勒效应的仿真研究[J].激光技术,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

张鹏飞(1982-),男，硕士，主要从事激光雷达方面的研究。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