用于微动特征提取相干激光雷达若干关键技术研究

用于微动特征提取的相干激光雷达若干关键技术研究【摘要】雷达目标微动特征的提取与识别是当前目标探测与识别领域的新兴研究方向。

本文介绍利用相干激光雷达提取目标微动特征的基本原理，分析实现相干激光雷达远距离微多普勒探测的技术瓶颈，并针对激光源相干性、空间匹配、激光雷达波形设计、抑制大气湍流影响、目标的捕获与跟瞄等问题提出相应的解决途径。

【关键词】微动；微多普勒；激光雷达；技术瓶颈；解决途径1.概述微动[1-4]，指目标或目标组成部分在径向相对雷达的小幅（相对于目标与雷达的径向距离）非匀速运动或运动分量。

雷达目标微动特征提取与识别[5]是目前一个新兴的研究领域，它是运动学与雷达信号处理的交叉结合，技术涉及运动建模、时频分析、变采样滤波、雷达成像理论和技术等。

目前，在军事领域，目标微动特性在弹道导弹防御体系中已经发挥了很大的作用。

运动特征是导弹目标识别所依据的主要特征之一，弹道导弹的振动、自旋、进动和章动都属于微动范畴，可望为导弹目标识别难题提供新的解决手段。

对于空中和地面目标如飞机或地面车辆，基于目标微动的目标识别也具有明显的优势，对于不同的引擎和转动部件，微多普勒频移是独一无二的，经处理后与目标特征库进行对比，由自动目标识别算法就可以确定目标的身份。

基于振动微多普勒频移的目标识别算法具有不受方位角限制、超视距、适用于非合作目标的识别等优点。

地面目标的运动，如行人手臂和腿部的摆动、车辆表面的振动、车轮和履带的转动以及天线罩的转动都属于微动源。

这些微动特性为监测和识别地面目标提供了一种有效的途径，而且对于已经识别出的地面目标来说，还可以利用精细的微多普勒幅度和频率差异进行精确身份辨别。

在现代高度自动化的战争中，微多普勒目标识别还具有非常大的发展前景和空间。

我们知道，多普勒现象对工作频率很敏感，而相干激光雷达工作频率1013 ～1015 hz ，因而激光雷达相对于微波雷达探测微多普勒信息具有明显的优势。

随着单频激光技术特别是全固态单频激光技术的发展，使微多普勒探测的发展更加迅速。

另外由于激光雷达具有分辨率高、抗干扰能力强、体积和重量都比微波雷达小等优点，所以在高精度、实时探测低频、低振幅微多普勒效应的研究中存在着巨大的发展空间。

国外对于激光微多普勒效应的分析和研究较早，并已经取得初步成果[6-7]。

国内研究起步较晚，在此领域研究较为深入的是北京理工大学赵长明团队，他们搭建了试验系统验证了相干激光提取微多普勒的可行性[8]。

在实验系统中，以单块单频激光器为光源，用外差探测的方式观测到在不同目标特征下的微多普勒信息，并通过一系列基于激光雷达的算法进行多普勒信息提取，从而达到探测和识别目标表面微动状态的目的。

2.相干激光雷达提取目标微动特征的基本原理基于相干体制的激光雷达与微波雷达提取微多普勒特征的基本原理是一致的，在径向距离上半个波长的变化就会引起回波信号360°的相位改变，由于多普勒频移可以反映相位函数随时间的变化情况，因此，可以通过回波信号的多普勒频移来探测和识别目标表面的振动状态。

因为激光雷达的工作频率高于微波雷达4～5数量级，目标微动引起的多普勒频率更显著，需要识别细节特征的相干时间更短。

换句话说，激光雷达能够轻易看到微波雷达看不到的细微特征。

微多普勒特征提取激光雷达的工作原理非常简单，是根据目标运动造成的多普勒频移f d 来测量目标径向速度v 。

多普勒激光雷达采用相干探测方式，也称之为光外差探测。

相干探测原理如图1所示。

后向散射光与本振光同时投射到光电探测器表面，产生相干叠加（即混频），然后输出差频为f s - f 的射频电信号和直流分量，再经过中频放大器和鉴频器，最后获得所需的多普勒频移f d =f s - f。

接下来是通过时-频分析方法—短时傅里叶变换stft来分析微多普勒频率随时间变化的情况，得到信号的时频图像，通过信号的时频图像，可以很好地得到目标的运动速度、振动频率及振幅等一系列特征。

图1 相干探测的原理3.实现相干激光雷达远距离微多普勒探测的技术瓶颈分析虽然相干激光雷达在微动特征提取的固有优势和实验结果令人振奋，但在实际应用，尤其是远距离探测，相干激光雷达存在以下技术瓶颈：（1）空间匹配虽然光学相干探测是公认的具有量子极限探测本领的体制，探测灵敏度高于直探方式2～3数量级。

但是为了实现目标散射/ 反射回波信号的充分利用，必须保持本振光与信号光的空间匹配（相位、振幅和偏振匹配）[9]，提高外差效率和探测器光敏面处电流微元的互相关性，而这是首要难题。

在以往的试验系统里采用玻璃镜片实现两束光空间准直的方法被证明是不可靠的。

近年来，随着光通信技术的飞速发展，国内多采用带尾纤的光电二极管作为光电探测器，并且采用单模光纤干涉仪加偏振控制器[10]，或者用单模光纤干涉仪加偏振分极检测来改善本振光与信号光的空间匹配，实现最佳混频来提高信噪比。

这种全光纤激光雷达在一定程度上弱化了调整光学系统的难题。

但如何将空间光低损、稳定地耦合进直径仅有7μm的单模光纤中仍是一个非常棘手的问题。

（2）激光源的稳定性微多普勒激光雷达要想在实际应用中发挥作用，必须要解决远距离精确探测的问题。

而其中重要的因素就是激光器线宽的影响。

线宽的加宽主要由激光器内部自发辐射导致的噪音造成。

传输距离越长，噪声的影响越大。

理论分析可知，窄线宽且探测距离短的激光雷达多普勒测量误差较小。

随着探测距离的延长，当探测距离延长到相干长度的量级时，探测到的光电流谱线宽度实际上只决定于激光器的输出线宽，而不是探测距离的长短。

减小探测距离和压窄激光器输出的激光线宽均可以起到减小系统误差的目的。

但是由于khz 量级的线宽对于激光器而言已经是非常优秀的频率特性，并且片面的压窄线宽还会影响单频激光器输出功率。

减小目标和激光雷达的距离可以减小系统误差，却失去了远距离探测的意义。

（3）大气湍流的影响湍流是指大气中局部温度、压力的随机变化而带来的折射率的随机变化。

折射率的变化表现为两种形式：①由于地面温度的影响，大气中温度随高度会有梯度出现，于是折射率也出现一个梯度；②折射率随位置和时间作迅速的变化，变化的频谱可达数百赫兹，变化的空间尺度可能小到毫米量级，变化的强度与天气状况和地面状况有一定的相关关系。

由于湍流大气中折射率的随机不均匀分布，当激光通过它时，就会在不均匀元上产生散射，从而对原来稳定传播的激光束产生扰动。

即使在弱湍流下，折射率的改变很小，但由于存在大量的不均匀元，以致在一定距离之外，积累效应就十分显著，包括光束漂移、光束扩展、到达角起伏、大气闪烁等。

针对大气湍流的影响，常规的方法有：1）扩大发射光束的发散角以克服光束漂移带来的问题，当发散角大于漂移角时，探测器总能落入接收光斑内，但代价是接收的能量大大减小；2）用高功率发射器来补偿由于激光束发散和激光闪烁所造成的损失。

但对半导体激光器来说，功率提高，调制带宽就会降低，目前来说，提高功率在技术上是有限的。

（4）目标的捕获与跟瞄相比雷达等传感器来说，激光的视场角很小，很难在较大空域内搜索和捕获到目标，须有引导信息。

4.相应解决途径的研究4.1激光源相干性问题的研究首先，跳出具体技术细节，从更高层面上横向比较微波雷达和激光雷达的技术发展脉络，有助于我们找到正确的解决途径。

事实上，可以将激光雷达看作微波雷达的频段高端，雷达工作频率是从最初的短波逐步向上扩展到p波段、l、c、x、ku、ka波段、乃至w波段。

工作体制也是从最初的磁控管振荡简单脉冲非相参，后来经由准相参，最终发展到全相参体制，全相参系统中，发射机采用主振-放大链式结构，使得更为复杂的信号调制方式成为可能，雷达信号从仅能提取幅度信息，扩展到时间、频率、相位、乃至时-频域进行全面分析。

随着全相参体制的出现，雷达品种也日益繁多起来，脉冲压缩、动目标检测、相控阵、合成孔径/逆合成孔径、数字阵列、多输入多输出等等新技术、新体制层出不穷。

可以断言，上述发展历程将会在激光频段上亦步亦趋的复现，而目前，激光雷达处在由非相参向全相参过渡的关键时段，我们可以借鉴微波雷达的技术思路解决相似的技术难题。

下面简单整理一下这一阶段出现的相参处理技术。

由于磁控管固有的特点，其发射脉冲的初相是随机的，而且由于调频效应，发射脉冲间的频率和脉内的频率也是变化的，所以磁控管雷达系统若不作相参处理，其接收回波是非相参的。

为了使系统具有多普勒相参功能，采用的方法主要有四种：发射注入式锁相、接收注入式锁相、模拟中频相参接收和数字相参接收等。

发射注入式锁相是较早出现的一种，注入锁相磁控管系统由于受到锁定振荡器相位噪声、磁控管振荡器频率不稳和锁相系统本身锁相不稳等因素的影响，性能不高，可靠性低，实现成本高。

接收注入式锁相是在接收端将发射样本中频脉冲（通常称主波）注入至中频相参振荡器，用于同步相参振荡器，锁相同步后的相参振荡器输出可视为发射脉冲振荡的延续，应用最为广泛。

其缺点是锁相后相参振荡器频率不稳、锁相误差较大，由于锁相脉冲只在瞬间有效，锁相后其会慢慢漂移，导致定相精度随距离增加而降低，远区定相精度差，在动目标雷达中其改善因子一般只能达到10 db～25 db 左右。

同时由于受模拟电路随温度变化等固有缺点的影响，稳定性差。

模拟中频相参接收在原理上和注入式相参接收相似，其区别在于利用声表面波（ saw）器件暂存发射样本中频脉冲，saw存贮相关卷积器作为中央处理单元在中频段进行复共轭相关处理，消除或减小发射系统的不稳定对改善因子的限制。

优点是模拟信号处理速度快，成本低，缺点是saw 器件本身的非理想因素限制了雷达改善因子的进一步提高，运算精度不高，灵活性差，对于发射脉冲较宽的系统实现有一定的难度。

数字相参接收在原理上和模拟中频相参接收相似，利用ad对发射脉冲样本进行取样，然后用该取样值和回波信号进行相关或卷积，实现相位校正，达到消除随机初相的目的，在许多文献中也称其为dsu （数字稳定单元）技术。

这种方法对改善因子的限制可达30 db。

上述相参技术是伴随着电路基础技术的发展次第出现的，随着数字技术的高度发展，我们今天解决激光雷达相参性可以直接选取数字相参实现，但是采用该技术的前提需要一个稳定的本振信号。

对于远距离提取微多普勒信号的相干激光雷达来说，其对稳定本振的要求是这样的：要在光波往返雷达与目标的时间范围内，本振光线宽要在khz以下，例如，要提取10km处目标的多普勒信号，要求67μs时间段内测量激光的线宽要小于1khz。

获得足够相干时间长度的稳定本振方案有两种：一是种子源本身稳定性能够达到要求，主振荡器输出激光经分束镜后，部分激光（因为相干探测对回波光和本振光的准直度提出了非常苛刻的要求，要求两束光平行且重合的照射在探测器光敏面上，光学系统的调整和维持非常困难，这也是限制相干激光探测应用的主要瓶颈。