脉冲压缩及相参积累在激光雷达中的应用

2022-09-22张涛,幸涛,潘璠

激光与红外 2022年8期

张涛,幸涛,潘璠

(1.中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南郑州 450047；2.空军装备部驻郑州地区军代室,河南郑州 451150)

1 引言

现代微波雷达中,采用宽脉宽的脉冲压缩信号波形,宽脉宽使得雷达可以获得较远的作用距离,脉冲压缩信号可以提高雷达的距离分辨率,通过采用脉冲压缩技术,有效解决了雷达作用距离与雷达距离分辨率之间的矛盾,在现代雷达上得到了广泛的应用。此外,现代雷达普遍采用相参积累技术,相参积累同时利用目标回波信号的幅度和相位信息,进行回波信号的同相叠加,可以获得高的积累增益,从而能够有效提高雷达对微弱目标的探测性能。传统的激光脉冲测距雷达采用高峰值功率窄脉冲对目标进行距离测量,采用单个脉冲对目标进行探测,由于脉冲之间相位不具有相参性,因此不能进行有效的相参积累。由于激光雷达脉内未进行调制,因此激光雷达距离分辨率取决于发射的窄脉冲宽度,目前激光雷达的脉冲宽度为10～20 ns,而想要进一步减小脉冲宽度工程实现难度较大[1],因此,若能够将微波雷达中的脉冲压缩技术应用于激光雷达中,则可以有效解决激光雷达的作用距离和距离分辨率问题。激光雷达的高发射峰值功率易于被敌方激光告警设备捕获,采用低发射峰值功率会影响激光雷达的作用距离,将微波雷达中的相参积累技术应用于激光雷达中,则在同样的作用距离条件下,可有效降低激光雷达的发射峰值功率,实现激光雷达的低截获性能,有效提高激光雷达的对抗能力[2-5]。

为有效提升传统激光脉冲测距雷达的性能,采用线性调频信号对激光脉冲信号进行脉内调制,采用相参积累技术对激光雷达回波信号进行积累,搭建了一套激光雷达实验系统,采集目标回波数据并对实测数据进行分析。

2 理论分析

线性调频脉冲压缩信号的脉冲宽度为Tp,信号带宽为B,则线性调频脉冲信号可以表示为:

u(t)=rect(t/Tp)exp(jπkt2)

(1)

其中,rect(·)为矩形脉冲信号,线性调频信号斜率k=B/Tp。

对公式(1)进行傅里叶变换得到线性调频信号频谱:

(2)

其中,c(u)和s(u)为菲涅尔积分。

根据菲涅尔积分的性质,当时宽带宽积BTp1时,线性调频信号的幅频特性近似为矩形,信号带宽为B。

脉冲宽度为Tp的传统脉冲基带信号可以表示为:

(3)

其信号频谱为:

S(f)=Tpsinc(fTp)

(4)

根据sinc函数的性质,传统脉冲基带信号的信号带宽为1/Tp。

激光雷达的距离分辨率可以表示为

ΔR=c/2B

(5)

其中,c为光速。

根据公式(5),激光雷达的距离分辨率取决于发射基带信号的信号带宽,因此,在同样的脉冲宽度下,由于线性调频信号的时宽带宽积大于1,采用线性调频信号的激光雷达可以获得较高的距离分辨率。

3 实验系统

激光雷达实验系统主要包括激光种子源、脉冲激光功率放大器、声光移频器、波形产生器、光学收发系统和扫描控制、光电探测及信号处理等部分。其中,波形产生器产生脉内调制信号波形的产生,光电探测完成本振光与目标后向散射光的混频,信号处理对光电探测输出的中频信号进行数字正交解调、数字脉压及相参积累处理。激光雷达实验系统原理框图如图1所示。

图1 激光雷达实验系统原理框图

激光雷达实验系统激光种子源采用光纤单频激光器,光纤激光器经过光纤分束器后,一路作为本振光送入光电探测器,一路送入声光移频器,信号波形产生器在声光移频器中完成对激光信号的调制,调制后的激光信号送激光功率放大器进行光放大,形成高能量的激光脉冲,高能激光脉冲经发射光束控制,在扫描控制系统的控制下,经发射天线将激光脉冲信号投射到空间某一目标上,目标对入射的激光信号进行反射,反射的目标回波光信号由光学接收天线接收,经光学接收系统传输到光电探测单元,本振光与目标回波光回波信号在光电探测单元内进行混频,混频后经光电探测器转换为电信号,电信号放大后通过AD采样转换为数字信号,然后经数字正交解调、脉冲压缩及相参脉冲积累,解算出目标的距离及径向速度参数,从而完成对目标的探测。

信号波形产生器产生的信号波形为线性调频信号,线性调频信号是微波雷达中最常用的脉冲压缩信号,具有良好的脉冲压缩性能及分辨能力,线性调频信号的突出优点是匹配滤波器对回波信号的多普勒频移不敏感,本文基于DDS芯片,制作信号波形产生板卡,板卡输出的线性调频信号作为对激光脉冲进行调制的脉冲压缩信号。