機載激光多脈沖展寬識別運動目標和地面背景

徐 強，王海晏，王 芳，楊海燕

(空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038)

1 引言

激光因其具有高單色性、高方向性、高亮度性及較好的相關性等特點，已在測距、成像、探測等方面得到廣泛應用，是為現代戰爭提供精確化信息處理的重要技術手段之一。其中脈沖激光的特點有:一是激光發射角小，能量在空間相對集中;二是激光脈沖持續時間很短，能在時間上相對集中，因而瞬時功率很大(可達兆瓦級以上)。脈沖激光探測已成為激光應用的主要方面之一。隨著機載激光設備的發展，多脈沖累積探測技術的運用可以滿足遠程探測與測距。通過探測器接收端的數字信號處理器對多個回波進行累加平均等信號處理，提高信噪比，降低最小可檢測信噪比，進而增加最大測程，同時，將淹沒在噪聲中的弱信號檢測出來。

由于光束在傳播過程中與介質粒子、障礙物或運動目標接觸而發生色散、移位等現象［1］，造成了回波在時間上的擴展，從而產生脈沖展寬。文獻［2］中考慮到云的多次散射作用，利用脈沖展寬的寬度不同來區分目標和云，增強目標的識別能力。但傳輸脈沖信號的展寬會引起信噪比下降，誤碼率升高，甚至導致信號不能分辨，并由此對通信速率和通信距離形成限制。

目前運動目標與地面背景識別問題大多采用視頻處理技術解決，主要方法有光流法、幀間差分法、背景差分法等［3］。其中，光流法硬件要求高，難以實現對目標實時監檢測;幀間差分法往往提取的目標比較粗糙，比實際的運動目標輪廓要大;背景差分法對背景建模和背景更新要求較高。

綜上，本文將多脈沖累積技術與脈沖展寬特性相結合，對運動目標進行探測，由于目標速度的存在改變了光軸與目標表面夾角而造成回波延時，從而通過與基準脈沖的相關度不同，將其從地面背景區分出來。仿真結果表明該方法可以保證信噪比，將信號從噪聲中檢測出來，并有效識別目標與背景。

2 激光多脈沖累積探測

由空氣中介質粒子、地面障礙物等導致的低信噪比環境中，如何提高激光探測的信噪比，降低目標檢測的虛警概率，是激光探測要解決的技術難題之一。

多脈沖探測［4］是在一個工作周期內發射一串光脈沖，每一次探測、處理的過程都由一個相對較大的系統時鐘控制，保持發射、接收的同步性。隨著激光器技術的發展，目前半導體激光器和固體激光器都可以達到較高的重復頻率，同時，高速信號采集和處理電路技術飛速發展，為多脈沖接收的后續高速數據處理提供了可能。激光多脈沖探測原理框圖如圖1所示。

圖1 激光多脈沖探測原理框圖

設激光帶噪聲的回波信號［5］為yi(t)=s(t)+ni(t)，噪聲信號為ni(t)，累積平均前強度信噪比為RS，N=s(t)/Vn，其中，噪聲強度 Vn=，為噪聲的均方根。

進行多脈沖累積平均:

激光回波信號s(t)為確定性信號，噪聲ni(t)是均值為零的高斯白噪聲，不同時刻的值相互獨立、互不相關。則根據其性質可得N個脈沖累積平均后，噪聲功率為:

噪聲強度為:

則強度信噪比為:

由此可得，多脈沖累加平均信噪比改善滿足槡N的關系，脈沖個數越多，信噪比改善越大。

3 多脈沖展寬識別

3.1 多脈沖技術對運動目標的特性

圖2為激光多脈沖探測示意圖，假設目標的橫向尺寸為d，激光脈沖的重復周期為T，脈寬為τ。目標相對激光探測器的運動速度為v。速度v的存在使目標表面與載機光軸產生一定的夾角，當激光光束相對目標傾角變化時，光斑內各點到光源處高低差發生變化，造成回波延時，從而產生了脈沖展寬的現象［6］。

圖2 激光多脈沖探測示意圖

載機從空中向下對運動目標進行探測，由于脈沖周期較短，在多個激光脈沖周期內，目標的尺寸大小與橫向位移對回波延時作用較小，而平行于光束方向的速度，使目標遠離或靠近激光探測器作用較為明顯，進而影響了脈沖展寬程度。因此，相鄰脈沖往返時間差可近似為Δτ=2· v平行· t/c，即為脈沖的展寬，t為脈沖發射時發射機與目標位置間的傳輸時間，則回波脈沖串的脈寬相對發射脈沖變為 τ'= τ+Δτ。

3.2 脈沖展寬相關度判別

為了驗證運動目標的脈沖展寬特性，此處忽略云層和空氣中介質粒子對激光的散射作用，并將地面背景看成朗伯體，即反射亮度是常數，在各個方向上相等。

假設一個周期內觸發三個激光脈沖，即基準脈沖分別為a、b、c，照射到地面背景后反射回波分別為a1、b1、c1，照射到運動目標后反射回波分別為a2、b2、c2，如圖 3 所示。

圖3 發射脈沖與不同回波脈沖時序波形圖

根據公式計算及已有的理論分析［7－8］得知，激光脈沖打在地面背景后，回波在光程差上沒有明顯變化，周期與探測器的基準脈沖基本保持一致，且接收概率較為平穩，通過累積平均后波形脈寬與基準脈沖相關程度高。而運動目標的速度改變了光程差，造成回波延時或提前，使脈寬發生了變化，且由于一個周期內探測器的接收角和光斑區域一定，接收概率隨著目標運動速度的增加而下降，通過累計平均后波形脈寬與基準脈沖相關程度較低。

根據協方差公式:

及相關系數公式:

可得回波脈沖的協方差:

在此基礎上計算相關系數，比較每串回波脈沖的自相關性與互相關性，就可以區分地面背景與運動目標。

4 仿真結果與分析

4.1 多脈沖累積探測仿真實驗

進行激光多脈沖探測的模擬仿真分為四部分［9］:發射激光脈沖模塊，接收回波信號模塊，噪聲擾動和脈沖疊加模塊，疊加結果顯示模塊。

實際系統中采樣可以看作y(t)與δ(t－iT)相卷積的結果，即:

式中，T為脈沖周期。數字式平均結果為:

系統的沖擊響應函數為:

進而得其頻域響應函數為:

相應的幅頻特性為:

上式實為帶通窗口濾波器，N值越大，濾波器的帶寬越窄，濾除的噪聲越多，因而累積平均次數越多，信噪比提高越大。

仿真實驗中產生周期為50ns，寬度為5ns，幅度為0.5V的脈沖串信號，加入均方根為0.3V的高斯白噪聲，再對脈沖串信號進行累加平均。圖4(a)～圖4(d)依次為帶噪聲的一串脈沖信號波形、進行10次、25次、50次累積平均后的波形。可看出，累積平均后噪聲減小，淹沒在噪聲中的信號出現，且累積平均脈沖個數及次數越多噪聲越小，信噪比越大，仿真結果與理論分析一致。

圖4 多脈沖累積平均與信噪比關系圖

4.2 脈沖展寬目標識別實驗

在實驗一的基礎上，利用脈沖展寬進行目標識別模擬實驗，激光波長為1.064 μm，發射機與接收機距地面目標5 km，目標速度v為100 km/h，其中v平行為80 km/h，v垂直為 60 km/h，發射機 0.1s 內連續發射2000個周期脈沖，此處觀察接收到的第800個地面背景回波脈沖與運動目標回波脈沖(也可觀察其他回波)。隨著脈沖周期增多，接收概率下降，為方便比較對振幅進行歸一化處理后分別如圖5所示。

圖5 觀察的第800個地面背景回波與運動目標回波

經過觀察與計算，運動目標回波脈沖相對基準脈沖產生了4 ～5 ns的展寬，且延時1.6 ～1.8 μs。分別設基準脈沖、地面背景回波、運動目標回波為序列X(t)、Y(t)、Z(t)，再取各序列中第 300、500、800 個脈沖分別為 xi，yi，zi(i=1，2，3)，根據式(6)～ (13)，可得各回波序列間脈寬相關系數，如表1所示。

表1 各回波序列間脈寬相關系數

根據表1數據可見仿真結果與理論分析較為符合，可以有效檢測出運動目標回波。

在實際目標探測過程中，根據計算相鄰回波脈寬相關系數，并設定合適的閾值篩選，便可以區分出地面背景與運動目標的相應回波，再根據回波延時與脈沖展寬程度，反推確定目標運動速度。

5 結束語

多脈沖累積平均探測與脈沖展寬特性已分別被研究與應用，本文將二者的特點相結合，采用多脈沖展寬特性識別運動目標與地面背景，不僅提高了接收信號的信噪比，同時根據脈沖展寬程度與基準脈沖的相關度判別出運動目標。仿真結果表明該方法可有效識別運動目標與地面背景，為實際應用提供了一定的理論基礎。

經過理論分析與仿真，仍有兩個問題有待研究:一是目標運動速度對于回波的展寬及接收概率的影響，根據公式計算得知運動速度越大，展寬越明顯，但當速度超過一定的閾值，目標將很快超出激光光斑區域而造成丟失現象;二是探測距離對于回波展寬及接收概率的影響，過遠可能會降低探測精度，過近造成展寬不明顯，同時本文為方便討論與計算，忽略云層、介質顆粒等對于光束的影響，而在實際探測中這些因素都會降低探測距離與精度。綜上，如何確定目標合適的運動的速度與探測距離，將精度與展寬效果最大化，提高探測器性能，將是下一步研究的重點。

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