基于线性调频脉冲压缩的激光相干探测技术研究

张鹏飞,潘静岩,范杰平

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

1 引 言

脉冲激光相干探测技术具有探测灵敏度高,具备同时对目标的测距和测速的能力,在激光测风、飞行器测量、激光成像和制导方面的应用越来越广泛[1]。脉冲相干激光雷达探测目标时,希望对被测目标有高的测速精度和测距精度,但是在实际应用中,单频率脉冲系统无法同时实现对目标进行高精度的距离测量和速度测量。固定载频脉冲信号的时间宽度τ和信号的带宽B满足以下关系:

τB≈1

单频率激光雷达脉冲的时间宽度τ与带宽反比,速度分辨率取决于频率分辨率,而频率分辨率由时间宽度决定。脉冲的时宽越大脉冲能量越大,雷达的作用距离就越远,但脉冲时宽越大则带宽B就越小,导致测距分辨率就变差。因此,在单脉冲激光雷达测量中距离分辨率和速度分辨率间有着耦合矛盾。

为了解决这个矛盾,可以通过相干地结合多个短激光脉冲,就有可能增加信号的时间,从而提高多普勒分辨率[2]。这种方法虽然有效但对激光脉冲发射要求较高,且确定激光脉冲间的相位关系非常复杂,因此在实际应用中实现非常困难。

另外一种方法就是采用宽脉冲发射和脉冲压缩信号处理的方式来实现。对于相干激光雷达,其方式就是激雷达采用较宽的发射脉冲,在宽脉冲内附加某种调制,扩展信号的频带,从而获得大时宽带宽积脉冲信号,相应地在激光接收处理端,通过一个压缩网络将接收到的宽脉冲压缩成窄脉冲。采用宽脉冲能够增加激光发射能量,从而在保证测速分辨率的前提下增加作用距离同时通过脉冲压缩处理又保证测距分辨率要求,解耦激光雷达的高精度测量矛盾。

2 线性调频与脉冲压缩

发射大时宽带宽积脉冲信号是脉冲压缩的前提,调制是在宽脉冲情况下,增大信号带宽的典型途径。调制一般分为幅度调制和相位调制。幅度调制会降低发射信号的平均功率,不能最大程度应用激光的效能,因此我们采用相位调制。

常用的相位调制信号有四类:线性调频(LFM)脉冲信号、非线性调频(NLFM)脉冲信号、频率编码脉冲信号和相位编码脉冲信号。前三种均通过频率调制实现非线性相位调制,相位编码是通过不同的码型调制来实现,四种方式都能获得大带宽,但信号处理的负责程度和脉冲的压缩比不同。

线性调频信号较易产生,因此是研究最早应用最广的脉压信号。这种信号的突出优点是对多普勒频移不敏感,即使回波信号带有较大频移,匹配滤波器仍能起到脉冲压缩的作用[3]。

线性调频脉冲信号的表达式为:

如果用复数表达有:

x(t)=ejπβt2/τ=ejθ(t)0≤t≤τ

则该波形的瞬时频率是相位函数的微分:

线性调频信号的波形x(t)可以表示为图1所示,当β为正时,脉冲为正调频；当β为负时,脉冲为负调频。线性调频脉冲的时宽带宽积就是βτ。

图1 线性调频信号的波形

脉冲压缩的实质是匹配滤波,匹配滤波是接收机滤波器的频率响应与发射信号波形相匹配,从而获得最大的输出信噪比。为了确保这种匹配关系,根据发射信号波形,通过时间翻转及对复波形取共轭,从而获得匹配滤波器的响应特性。设发射信号为x(t),那么匹配滤波器的响应函数为:

h(t)=αx*(tm-t)

其中，α是匹配滤器的增益;tm为输出最大信噪比时刻。使信噪比最大化的时刻tm可以是任意的,但是为了使h(t)具有因果性,应该满足tm>τ。对于线性调频信号来说需要引入与线性调频信号相反的时延,同时它的相频特性应该与调制信号共轭,使压缩后的信号具有线性相位。对于线性时不变系统,如果输入信号序列x(n),匹配滤波器的响应序列h(n)是以n为周期的序列。则其匹配滤器压缩输出y(n)为:

y(n)=x(n)⊗h(n)

根据卷积定理,时域的卷积运算对应于频域的乘积运算,因此脉冲压缩除了在时域实现外,还可以在频域通过正反傅里叶变化的方法来实现,并且频域压缩降低了计算量。

实际测量过程中,由于激光雷达的回波信号存在噪声和多普勒频移。当噪声存在不能忽略的时候,则测量的结果存在误差。对于线性调频脉冲压缩波形的雷达来说,其测距精度可以表示为[4]

其中,E是雷达回波信号的能量；N0是接收带宽中噪声在每赫兹上的功率；B是带宽；c是光速。从上式可以看出,测量精度与信噪比的开方具有正比关系。同时多普勒频移同样会对脉冲压缩的结果产生影响,多普勒频移过大时,会导致脉冲压缩匹配损失甚至匹配失败。图2基于MATLAB对有噪声和多普勒频移条件下脉冲压缩输出的信号仿真结果。

图2 基于MATLAB的脉冲压缩输出仿真结果

3 瓶颈问题分析

线性调频脉冲压缩激光相干探测技术可以借鉴微波线性调频脉冲压缩技术,但也存在以下需要解决的瓶颈问题:

1)线性调频激光脉冲的产生

要实现激光相干探测技术就需要激光源有较高的频率稳定性和窄线宽,线性调频又需要对激光的频率进行较大范围的调制。激光的线性调频主要采用腔长调制的方式,通过将激光腔镜换成PZT反射镜,通过改变PZT电压来改变腔长。或者在激光腔内放置一块FM切割的电光晶体,通过晶体折射率改变等效于谐振腔长的变化。腔长调制的方式可以产生非常宽的调制带宽,但是无法同时提供外差探测的单频本振光。

为了同时提供本振光和同源的线性调频信号,可以通过腔外调制的方式,腔外线性调频是主要采用声光器件来实现的。声光调制器由声光介质和压电换能器构成。声光移频器主要采用正常布喇格衍射模式,驱动射频信号加载于压电换能器上,激发相同频率的超声波耦合入声光介质,入射光子与声子在介质中交换能量产生极化波,激发光辐射形成衍射光。声光调制器主要通过衍射的方式来实现移频,由于不同频率的衍射光的方向和衍射效率不同,因此声光调制器的频率调制带宽较小,且不同频率的调制效率也不同。对于声光调制器的频率调制带宽较小的问题需要新的晶体材料或者新的调制方式来解决。

由于激光调制效率的不同会导致线性调频脉冲幅度出现起伏,通常激光调制脉冲功率较小,需要进行脉冲放大后发射,由于激光脉冲放大器的工作特点,输出的脉冲不是平顶脉冲,通常为高斯型脉冲。脉冲形状的变化对压缩效率会产生影响。

为了解决这个问题可以通过预先补偿的方式,比如电调制信号不采用常规的矩形脉冲,采用反高斯的方式从而保证发射脉冲各频率幅度信号的一致性。利用MATLAB软件模拟发射信号为反高斯形状并进行压缩验证,反高斯波形和压缩的仿真结果如图3所示。左图中模拟的反高斯信号频率点最大和最小功率相差4.3 dB,右图反高斯信号压缩的结果与矩形信号压缩信号相比,副瓣有所抬升,经过高斯型的脉冲放大后,会保证脉冲信号各频率幅值接近矩形脉冲。

2)多普勒频移的影响

由于光学波长很短,很小的多普勒也会造成很大的多普勒,根据上述的仿真结果当多普勒频率较大时会导致脉冲压缩匹配效率的降低甚至无法实现压缩。对于波长为1.5 μm的体制带宽为200 MHz的激光,当速度为38.75 m/s时,多普勒为50 MHz,多普勒频移为1/4倍信号带宽时,即脉冲压缩为波形的3/4,此时脉冲压缩匹配损失为1.25 dB。

线性调频信号的测距和测速是耦合的,即速度影响目标距离的测量,所以想精确测距,必须测量出速度。通常微波领域采用MTD来获得动目标的多普勒[5],前提是目标不存在多普勒模糊,也就是说,目标的多普勒不能超过脉冲重复频率。对于激光相干脉冲压缩来说,发射脉冲的重复频率为10 kHz,可表示的速度范围为0.0077 m/s。当目标多普勒为50 MHz。此时目标的多普勒是重频的5000倍,也就是说目标的多普勒可能会重复5000次,MTD无法对目标进行测速。为了实现对目标的多普勒测量,可以通过顺序发射正负调频斜率来获得目标的准确距离和径向速度。

图3 反高斯补偿信号及脉冲压缩的结果

4 试验验证

为了验证线性调频的调制性能和测量方式的可行性,我们搭建了线性调频脉冲压缩试验系统。系统采用的激光种子源线宽为3 kHz,线性调频组件的中频为200 MHz,调制信号通过脉冲放大后发射向目标,采用高速数字信号采集仪实现对目标回波的采集和数字化,利用MATLAB软件对回波信号的脉冲压缩算法验证。线性调频频带带宽范围结果如图4所示。

图4(b)测量的目标压缩结果,图中为第一个主高峰是由发射信号泄露直接耦合到接收通道后处理的信号结果,由于信号泄露基本在光学天线部分,此位置正好可认为目标测距时的距离起点,图中第二个高峰为目标回波压缩的信号,目标的距离信息通过目标位置与起始位置的距离差来获得。通过试验验证了技术方案的可行性,为下一步系统的优化奠定了基础。

图4 线性调频频带测量结果和目标

5 结 语

本文针对线性调频脉冲压缩技术进行了分析和仿真,并针对脉冲压缩激光相干探测技术的相关问题进行的分析,并搭建了试验环境实现了算法验证。作为采用脉冲相干探测技术的激光雷达来说,汲取微波领域的相关研究成果和思想,结合激光雷达的技术特点,实现对目标的同时高精度的测距和测速还有许多技术问题需要研究。