低空慢速小目标探测与定位技术研究

李 菠，孟立凡，李 晶，刘春美，黄广炎

（1.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

低空慢速小目标探测与定位技术研究

李 菠1，孟立凡1，李 晶1，刘春美2，黄广炎3

（1.中北大学 电子测试技术国防科技重点实验室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081）

城市大型集会、活动中安保工作的一大主要任务是防止恐怖分子利用航模等低空慢速小型飞行器进行破坏活动，由于城市环境的复杂性以及低空慢速小目标（以下简称“低慢小”）的特殊性，像雷达等传统的探测方法很难准确探测定位。针对这一难题，设计基于激光探测技术的低慢小探测与定位系统。系统包含激光脉冲发射、雪崩光电二极管偏置、弱光信号处理和计时电路等主要结构。利用标准时基发生器对计时电路进行验证，采用线性拟合方法使时间测量的精度达到10-10量级。经过试验测试，该系统能够在近距离范围内对低慢小进行快速定位，0~100m距离范围内测距误差为±0.6m；0~60m高度范围内测高误差为±0.6m；0~35km/h速度范围内测速误差为±1.3km/h。

低慢小目标；城市环境；激光探测技术；微弱光电信号处理

0 引 言

低空慢速小目标（以下简称“低慢小”），是指具有低空飞行、飞行速度慢、不易被侦测发现等特征的小型航空器和空飘物的统称[1]。

目前见到的低慢小主要包括航空模型、航天模型、热气飞艇、热气球等。低慢小由于体积小、操作简单、飞行高度低、地物遮挡多，空军和雷达设备无法覆盖，防范处置低慢小的干扰破坏，已成为重大安保活动的世界性难题，突出表现为管控难、侦测难、处置难[2-3]。

对于低慢小目标的探测，国内外运用了各种技术手段。航天科工集团采用光电探测技术对低慢小目标进行探测，主要利用红外自动搜索技术对低慢小进行自动搜索，再利用智能图像处理和高精度转台控制技术实现对目标的自动跟踪，同时利用激光测距仪可对目标进行实时定位。日本Alsok公司，开发出了“音频指纹”探测技术，该技术通过对无人机螺旋桨的旋转声音进行探测。美国SRC公司开发的探测低慢小目标的新技术，能够在保持雷达脉冲发射频率和多普勒分辨率的情况下发现小目标，该技术是以隔行扫描的方式向不同方向发送雷达脉冲，并以复杂的方式处理信号。

针对以上情况，本文研究一种适用于城市环境等人口密集、建筑物多、电磁环境复杂场所的低慢小探测与定位系统，利用激光探测技术对低慢小的方位、高度、速度等参数进行测量。

1 系统理论分析

由于系统的工作环境复杂，加上低慢小的特殊性，其造成的多普勒效应不明显，传统雷达对低慢小目标的探测效果并不好，存在低空探测盲区大，回波小且弱，容易与气象干扰、杂波干扰或鸟群相混淆等缺点[4]。相比雷达探测，激光探测可以利用激光脉冲持续时间短、瞬时功率大、抗干扰强的特点对低慢小进行准确地探测定位。

低慢小探测与定位系统几何模型如图1所示。点O为探测原点，P1、P2为低慢小飞行轨迹中的两位置点。探测具体实现过程：当低慢小目标位于P1点时，激光器发射装置发射单次脉冲信号，同时启动定时器开始计时，脉冲到达目标后反射折回，被光电接收器接收，同时关闭定时器，微处理器（MCU）读取定时器计数值，得出脉冲往返时间。当目标到达P2位置时，测量装置绕O点转动，进行第二次测量。根据两次的测量结果，进行数学运算，得出目标参数。

图1 低慢小探测与定位系统几何模型

1）斜距测量

式中：l1、l2——发射点O与P1、P2位置之间的直线距离；

n——标准大气条件下传输介质对激光的平均折射率；

c0——真空光速；

Δt1、Δt2——激光脉冲从发射点 O发出到达P1、P2位置后折射返回发射点O经过的时间。

2）速度测量

在三角形OP1P2中根据余弦定理有：

其中θ的测量是通过间接测量探测装置上角速度传感器转过的弧长S实现的：

由于探测装置转过角度θ的时间Δt较短，可以近似将目标经过P1P2的平均速度等于目标的瞬时速度：

3）高度测量

其中α1、α2分别为激光束1和激光束2与水平面的夹角，通过三轴加速度计来测量。

4）俯仰角测量

式中：φ——目标飞行方向的俯仰角；

Δh——P1P2与水平面的高度差，即Δh=h1-h2。

2 系统结构设计

系统采用飞行时间法（TOF）[5]实现斜距测量，系统硬件结构框图如图2所示。由图可见，系统由激光发射电路、光电转换电路、前置放大电路、放大整形电路、时间测量单元和角度测量单元等组成。其工作原理为：由微处理器（MCU）发出触发信号作为计时开始信号并驱动激光发射模块产生窄脉冲激光；弱光处理电路将光电转换电路接收到的弱光信号进行放大、滤波后送入时间测量电路作为计时停止信号；同时，角度测量电路测出转角和水平角；微处理器将测量数据运算处理后用液晶显示。

图2 系统硬件结构框图

2.1 激光发射电路

激光器选用SPLLL90，它体积小，功耗低，采用大光腔高功率激光结构[6]。光束直径为2μm×200μm，具有小于20V的低电压驱动以及小于30ns的高速操作时间，非常适用于激光测距应用。激光发射驱动器选用EL7104，最大可达到10 A的驱动输出[7]，具有响应时间快、低输出阻抗、高抗干扰能力、能耗低、驱动电压低的优点。激光发射单元结构框图如图3所示。

图3 激光发射电路结构框图

2.2 光电转换电路

光电转换电路结构框图如图4所示。雪崩光电二极管（APD）相比其他的光电器件，具有量子效率高、响应速度快和线性工作范围大等优点。目前，以APD作为光电探测器件的弱光信号接收放大技术广泛应用于激光测距系统中[8]。

图4 光电转换电路结构框图

由于激光脉冲经目标漫反射后的回波信号微弱，因此需要通过增大反向偏置电压提高APD内部增益。低噪声APD偏置电路采用555振荡器组成方波发生器，控制三极管导通截止。采用二极管、电感和电容级联作为电荷泵升压[9]。为降低环境温度对APD的影响，提高系统稳定性，将直流偏置电压选为200V，此时，APD的内部增益M=20dB。

2.3 弱光信号处理单元

系统回波信号十分微弱，需要前置放大电路对信号进行低噪声放大处理。为提高系统信噪比，电路采用两片AD603顺序级联。AD603具有自动增益控制（AGC）功能，能够得到一个幅值稳定的信号，提高系统的可靠性。

脉冲信号经放大电路后需高速比较器将其与阈值电压比较后转化为TTL电平。MAX913作为高速精准TTL比较器，准确触发时间测量电路中的计数器，增加时刻鉴别准确度来提高精度和稳定性。

2.4 时间测量单元

为保证时间测量精度，时间测量电路中采用高精度计时芯片TDC-GP2，该芯片具有体积小、功耗低和自校准的特点，理论时间分辨率为65ps[10]。

系统选用微控制器STM32F103RCT驱动TDCGP2，将计时芯片产生的标准时间信号输入测量。系统使用TDC-GP2的测量范围为0~1000ns，在测量范围内选取10个标准时间参考点，每个参考点测量200次后取平均值，测量结果见表1。由表1可见0~ 1000ns内的测量误差约为-1ns，这是由于电源纹波和计时芯片的压摆率较低所致。测量结果表明，测量电路0~1000ns内具有较高的稳定性和可靠性。在优化硬件系统来降低噪声的基础上，采用软件校准的方法修正数据。用函数Tc=0.99983Tave+0.88342修正后的数据列于表2。由表2可见经过修正后的数据误差可控制在±0.2ns内，满足系统要求。

表1 时间测量数据

表2 修正后的时间数据

3 测试结果与误差分析

实验测试平台是以STM32F103RCT作为系统微处理器配合外围电路构成测试系统，包含激光发射器SPLLL90及其驱动器EL7104，光电转换器APD及其偏置电路，由AD620构成的自动增益控制放大器，MAX913构成的时刻鉴别电路，TDC-GP2高精度计时电路和LCD显示屏。实验选用DJI-Innovations的phantom 3无人机作为低慢小进行结果测试。同时选用爱德克斯Multifunction Laser Range Finder对目标斜距、高度、速度进行测量，测量数据作为参考值与系统测量数据进行对比分析。

3.1 斜距测量结果

实验斜距数据如表3所示。测量值线性拟合后的结果如图5所示，线性拟合方程为y=1.00019x+ 0.15011。根据计算得出线性相关系数为0.99984。系统测距误差结果如图6所示。根据实测的对比结果，系统与爱德克斯Multifunction Laser Range Finder的测距最大误差为0.6m，随着测量距离的增大，测量误差在±0.6m之间呈随机分布。

图5 斜距测量值线性拟合结果

图6 斜距测量误差分布

表3 测量斜距值

3.2 高度测量结果

实验高度数据如表4所示。测量值线性拟合后的结果如图7所示，线性拟合方程为y=1.023 16x-0.11742，根据计算得出线性相关系数为0.99442。系统测高误差结果如图8所示。根据实测的对比结果，该系统与爱德克斯Multifunction Laser Range Finder的测高最大误差为0.595 96 m，随着测量距离的增大，测量误差在±0.6m之间呈随机分布。

3.3 速度测量结果

实验速度数据如表5所示。测量值线性拟合后的结果如图9所示，线性拟合方程为y=0.9555x+0.85021，根据计算得出线性相关系数为0.99317。系统测速误差结果如图10所示。根据实测的对比结果，该系统与爱德克斯Multifunction Laser Range Finder的测速最大误差为1.22km/h，随着测量距离的增大，测量误差在±1.3km/h之间呈随机分布。

表4 高度测量数据

表5 速度测试数据

图7 高度测量值线性拟合结果

图8 系统测高误差结果

图9 速度测量值线性拟合结果

图10 系统测速误差结果

3.4 误差分析

线性拟合方程的截距不为零，说明系统存在固定延迟误差，通过软件补偿方式减小该误差。随机误差主要由时刻鉴别抖动误差、阈值鉴别芯片输出抖动误差和时间间隔测量误差组成[11]，是影响系统性能的关键因素。随机误差决定系统的单次测量精度。

3.4.1 时间间隔测量误差

由于时间间隔测量电路的分辨率有限，不可避免地会引入计时误差。假设激光脉冲可以相同概率发生在0～T（时钟周期）之间，则由时间间隔引入的均方根距离误差为

其中f为计时器的频率。

将时间间隔测量分辨率ΔT带入式（9），得到时间间隔引起的量化误差为

将TDC-GP2的时间测量精度分辨率65ps代入式（10）可得：

式中：σstart——激光开始信号引起的量化误差；

σstop——激光结束信号引起的量化误差。

3.4.2 阈值鉴别芯片的输出抖动误差

脉冲信号经放大电路后需高速比较器将其与阈值电压比较后转化为TTL电平。MAX913作为高速精准TTL比较器，其输出抖动误差约为50 ps，由此产生测距误差的标准误差为

3.4.3 时刻鉴别抖动误差

时刻鉴别抖动误差由接收的脉冲信号经放大电路后叠加噪声所致。在采用阈值比较方式进行时刻鉴别时，叠加在脉冲上升沿的噪声会导致比较阈值的时间发生变化而产生抖动[12]。使用三角法[13]表示时刻鉴别误差为

式中：σV（t）——噪声电平；

V（t）——比较器输入电压；

tp——鉴别时刻。

对于Gauss型激光脉冲，式（13）可表示为

式中：σ3——前沿鉴别抖动误差的标准误差[14]；

tr——激光回波脉冲信号上升时间。

由式（14）可知，脉冲上升时间越短，信噪比越高，时差鉴别误差越小。若回波信号的上升时间为10 ns，系统信噪比SNR=50 dB，则回波信号的前沿鉴别误差σ3=0.612m。

综合以上误差可得单次测距误差为

4 结束语

本文采用激光探测技术初步研究城市环境下低慢小目标的探测与定位，获得以下结果：1）0~100m距离范围的测距误差为±0.6 m；2）0~60 m高度范围的测高误差为±0.6m；3）0~35 km/h速度范围的测速误差为±1.3km/h。

本文中的弱光信号处理单元和精密时间测量电路，相比常见的弱光信号处理采用高速运放和电荷灵敏器件搭建电路，以及微小时间采用脉冲计数法、模数转换法和现场可编程门阵列（FPGA）差分延迟线法等测量方式，具有硬件结构简单、抗干扰能力强、移植性强的特点。本研究对解决低慢小目标探测与定位这一技术难题有一定的参考价值。

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（编辑：李刚）

Research on detecting and locating technology of LSS-UAV

LI Bo1，MENG Lifan1，LI Jing1，LIU Chunmei2，HUANG Guangyan3
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.The First Research Institute of Ministry of Public Security，Beijing 100048，China；3.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

How to put an end to the terrorist’s destructive activities with the help of LSS-UAV，such as a model aircraft，more efficiency is the key point of our security task at the urban large gatherings or large-scale events.The traditional detection methods such as radar are very difficult to detect and locate the target accurately，due to the complexity of urban environment and the particularity of low altitude、slow speed、small Unmanned Aerial Vehicle（LSS-UAV in abbreviate）. This paper studies LSS-UAV detection and positioning system based on laser detection technology. The main structures of the system include the laser pulse emission，the avalanche photodiode bias，the weak light signal processing，the timing circuit and so on.A standard base generator has been used to verify the timing circuit，and adopt the linear fitting method to make the accuracy of time measurement for 10-10.Experiments prove that the system is able to locate LSSUAV accurately.In the range of 0-100 m distance，ranging measurement error is±0.6 m；In the range of 0-60 m height，height measurement error is±0.6 m；in the range of 0-35 km/h speed，velocity measurement error is±1.3km/h.

LSS-UAV；urban environment；laser detection technology；weak photo-electricity signal processing

A

：1674-5124（2016）12-0064-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.014

2016-02-20；

：2016-04-10

公安部预研项目（2015JZYYY01）

李 菠（1990-），男，山东蒙阴县人，硕士研究生，专业方向为测试计量技术及仪器。

刘春美（1970-），女，山东莱州市人，副研究员，硕士生导师，博士，研究方向为新型毁伤理论与安全防护技术、社会公共安全、传感器技术。