脉冲压缩技术在相干激光探测中的应用

熊文龙，陈念江，眭晓林，刘 波，颜子恒

（固体激光技术重点实验室，北京100015）

·激光应用技术·

脉冲压缩技术在相干激光探测中的应用

熊文龙，陈念江，眭晓林，刘 波，颜子恒

（固体激光技术重点实验室，北京100015）

针对宽脉冲相干激光雷达信号处理遇到测距精度差的问题，将脉冲压缩算法引入到相干激光雷达信号处理中。文章首先对脉冲压缩相干激光雷达测距原理和精度进行理论分析，通过仿真实验验证该理论正确性。仿真结果表明采用脉冲压缩的信号处理方法可以实现测距，并且可以提高测距距离和测距精度，为以后相干激光雷达测距提高作用距离与测距精度提供了重要的理论依据。

相干激光雷达；脉冲压缩算法；信号处理；匹配滤波

1 引 言

1960年激光器的发明使相干光作为雷达发射源成为可能，此后的几十年发展中，相干探测技术被运用到激光雷达中，相干探测技术相比直接探测具有更高的灵敏度［1］。

相干激光雷达的总体设计首先要考虑的重要内容之一就是体制的选择，而体制的选择是和信号的形式密切相关的。目前可选用的信号形式主要有单脉冲、连续波、脉冲压缩、调频连续波等［2］。

调频连续波相干激光雷达作用距离一般为几公里，作用距离比较短。宽脉冲相干激光雷达虽然能够远距离测距，但是由于信号带宽太小，导致测距精度并不理想。然而通过脉冲压缩信号处理方式可以明显提高作用距离和精度。脉冲压缩算法的优点是具有良好的距离分辨率和径向速度分辨率；另外因为所发射的宽脉冲线性调频信号既有较大的时宽，又有较大的带宽，因此它的作用距离较远，测距精度都较高。本文主要针对相干激光雷达信号采用脉冲压缩算法的方式进行研究。

2 脉冲压缩相干雷达信号处理原理

图1是脉冲压缩相干激光雷达系统原理框图。激光器发射两束光，一束是连续的本振光，另外一束是通过脉冲放大器后，再经过声光调频器生成调频脉冲光，脉冲光直接通过发射镜头发射出去，照射到目标上，回波通过镜头接收之后在探测器上与本振光进行混频，然后通过放大器，到信号处理系统，在这个系统中包含了脉冲压缩算法和信号提取两部分。整个信号处理的过程可以分为相干探测［3－5］、脉冲压缩两个部分。

图1 脉冲压缩相干激光雷达系统图

2.1 相干探测部分

单频激光器发出的脉冲光可以表示为：

目标回波复信号可以表达为：

其复频谱为：

2.2 脉冲压缩

图2是正交解调脉冲压缩算法原理框图，其中st（t）是探测器输出信号，H（W）是匹配滤波器的频谱，探测器输出信号st（t）经过正交解调［6－7］处理得到I信号和Q信号，I信号和Q信号得到基带信号；H（w）是根据基带信号的频谱得到的。

图2 正交解调脉冲压缩原理图

st（t）实部分别与cos（w0t）和sin（w0t）相乘通过低通滤波器后得到基带信号u（t）。考虑到τ非常小，去除含有τ2的项，两路信号经过低通滤波器后得到I信号和Q信号：

零中频基带可以表示信号：

零中频基带信号复频谱为：

其中：其幅频特性为：

其相频特性为：

图3 信号频谱

图3是零中频基带信号频谱图，从上面的理论分析，D＝TB值越大，则幅频特性在（w0－Δw／2）到（w0＋Δw／2）之间越平坦，在这个频带之外幅度下降越快，信号能量主要集中在此频带范围内。当D＞＞1时，信号相频可以近似表示为：

零中频基带信号复频谱将匹配滤波器冲击响应函数h（t）的频谱函数H（w）相乘，然后经过IFFT可以得到目标的距离信息。设匹配滤波器频率特性为H（w），那么根据匹配条件应满足下式关系：

匹配滤波器输出信号为：

其中，Δw＝2πB，D＝BT，称为压缩比。取实部信号：

由（15）可以得知匹配滤波器输出信号包络是一个sin c函数，其最大值所对应得时间t＝τ＋td，td是匹配滤波器的物理延时，理想情况下为0。因此，我们可以准确得到这样就轻松得到目标距离信息。

3 作用距离和精度分析

由（3）和（15）可以看出，经过脉冲压缩之后信号的幅值增加了倍，则SNR增加D倍。由雷达方程可以得知，作用距离R∝，这就意味着作用距离增加了。

宽脉冲的信号带宽都比较小，近似认为1／T（T为脉宽），而经过脉冲压缩后，其脉宽会急剧缩小，其脉宽约为T／D。因此，可以得知，脉冲压缩后信号带宽会增加D倍。经过脉冲压缩后信噪比（SNR）增加了D，通过脉冲压缩之后，其精度会倍。由此可以看出测距精度将会增加倍。

4 仿真实验

为了验证脉冲压缩算法在相干激光雷达信号处理中的理论是否可行，采用MATLAB进行两组仿真实验，分别是为了验证脉冲压缩信号处理方式可以实现测距和验证采用脉冲压缩信号处理方式可以明显提高SNR，进而增加作用距离和精度，仿真的参数如表1所示。

表1 仿真参数表

第一组仿真实验：验证脉冲压缩信号处理方式能够实现测距。

首先产生一个模拟发射的chirp信号，经过延时后当作目标回波，与本振相干并且加入噪声。然后经过脉冲压缩，得到延迟时间从而得到距离信息。图4是模拟发射的chirp信号，图5是模拟回波信号。图6是经过脉冲压缩之后的输出图。

图4 模拟发射Chirp信号图

图5 模拟目标回波信号图

图6 脉宽为15us，调制带宽为200MHz脉冲压缩输出图（含噪声）

根据公式（15）可对脉冲压缩相干激光雷达信号处理问题进行仿真，仿真实验结果如表2所示。

表2 测距仿真结果

表2表明脉冲压缩算法对运用在相干激光雷达中确实能够实现测距。

第二组仿真实验：验证采用脉冲压缩算法处理相干激光雷达信号可以提高信噪比，进而提高作用距离和测距精度。根据第三节的精度分析描述，本组实验主要是针对不同脉宽，不同调制带宽进行的仿真实验，对比在不同时宽和不同调制带宽下，其SNR提高倍数，其结果如表3所示。

表3 测距精度仿真结果

由表3可以看出，采用大时宽脉冲和大调制带宽时，其SNR更高，精度更好，这表明采用大时宽脉冲和大调制带宽可以提高作用距离和测距精度。但在时间运用中脉冲时宽不可能无限大，应该考虑目标回波的时间，调制带宽也不可能无限大。一般而言激光脉冲时宽最大能够在微秒量级；调制带宽一般在几百兆赫兹到几吉赫兹不等，另外采用大的调制带宽对硬件要求也会比较高，造价比较昂贵。

5 结 论

首先通过对脉冲压缩算法处理相干激光雷达信号的理论进行了分析，得到脉冲压缩输出和距离的表达式，并且分析了其作用距离与测距精度和无脉冲压缩的作用距离和测距精度进行了对比，结合仿真实验得到采用脉冲压缩算法处理相干激光雷达信号可以准确的得到距离信号，提高作用距离和测距精度的结论。为相干激光雷达信号处理方法得到了新的理论依据；为将来脉冲压缩相干激光雷达运用于远程预警、远程跟踪、导弹防御、精确制导等方面提供了新的理论体制。

［1］ R CHarvey.Military applications of coherent infrared radar［J］.SPIE.，1981，30D：1－11.

［2］ JDansanc，JLMeymnnette.CO2laser Doppler rangefinder with heterodyne detection and linear frequency pulse compression［J］.SPIE，1987，806：122－127.

［3］ Sui Xiaolin，Zhou Shouhuan，Chen Nianjiang.All fiber coherent Doppler lidar for space craft safe landing［C］. ICOM，2012 International Conference，2012：198－202.

［4］ Sui Xiaolin，Zhou shouhuan.Optical frequencymodulation continuous wave coherent laser radar for spacecraft safe landing vector velocitymeasurement［J］.Proc SPIE 2013，8796：879618－1－879618－6.

［5］ Sui Xiaolin，Zhou Shouhuan，Zhaohong，etal.All fiber coherent detection system far target velocitymeasurement［J］.Laser＆Infrared，2013，43（3）：256－257.（in Chinese）眭晓林，周寿桓，赵鸿，等.全光纤激光相干探测实现远距离目标测速［J］.激光与红外，2013，43（3）：256－257.

［6］ Bassem R Mahafza，Atef Z Elsherbeni.Matlab simulation for radar systems design［M］.Zhu Guo-fu，et al transl. Beijing：Publishing House of Electronic Industy，2009.（in Chinese）Bassem R Mahafza，Atef Z Elsherbeni.雷达系统设计MATLAB仿真［M］.朱国富，等译.北京：电子工业出版社，2009.

［7］ Christopher T.Allen and Sek Ken Chong.Developmentof a 1319nm Laser Radar Using Fiber Optics and RF Pulse Compression［R］.Kansas：The University of Kansas，2002.

Pulse compression technology in the app lication of the coherent laser detection

XIONGWen-long，CHEN Nian-jiang，SUIXiao-lin，LIU Bo，YAN Zi-heng
（Key laboratory of solid-state laser technology，Beijing 100015，China）

The pulse compression algorithm was introduced into the coherent laser radar signal processing，which solved the problems of poor accuracy.Firstly，the theory and accuracy of pulse compression coherent laser radar ranging are analyzed；the theory correctness is proved through the simulation results.The simulation results also show that ranging can be realized by using pulse compression signal processingmethod，and ranging distance and accuracy can be improved，it is important for the coherent laser radar ranging distance and accuracy.

coherent laser radar；pulse compression algorithm；signal processing；matching filter

TN249

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0122-04

熊文龙（1989－）男，硕士研究生，主要研究方向是信号处理。E-mail：378389165＠qq.com

2013-12-10