低空慢速小目標探測與定位技術研究

李 菠，孟立凡，李 晶，劉春美，黃廣炎

（1.中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081）

低空慢速小目標探測與定位技術研究

李 菠1，孟立凡1，李 晶1，劉春美2，黃廣炎3

（1.中北大學 電子測試技術國防科技重點實驗室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081）

城市大型集會、活動中安保工作的一大主要任務是防止恐怖分子利用航模等低空慢速小型飛行器進行破壞活動，由于城市環境的復雜性以及低空慢速小目標（以下簡稱“低慢小”）的特殊性，像雷達等傳統的探測方法很難準確探測定位。針對這一難題，設計基于激光探測技術的低慢小探測與定位系統。系統包含激光脈沖發射、雪崩光電二極管偏置、弱光信號處理和計時電路等主要結構。利用標準時基發生器對計時電路進行驗證，采用線性擬合方法使時間測量的精度達到10-10量級。經過試驗測試，該系統能夠在近距離范圍內對低慢小進行快速定位，0~100m距離范圍內測距誤差為±0.6m；0~60m高度范圍內測高誤差為±0.6m；0~35km/h速度范圍內測速誤差為±1.3km/h。

低慢小目標；城市環境；激光探測技術；微弱光電信號處理

0 引 言

低空慢速小目標（以下簡稱“低慢小”），是指具有低空飛行、飛行速度慢、不易被偵測發現等特征的小型航空器和空飄物的統稱[1]。

目前見到的低慢小主要包括航空模型、航天模型、熱氣飛艇、熱氣球等。低慢小由于體積小、操作簡單、飛行高度低、地物遮擋多，空軍和雷達設備無法覆蓋，防范處置低慢小的干擾破壞，已成為重大安保活動的世界性難題，突出表現為管控難、偵測難、處置難[2-3]。

對于低慢小目標的探測，國內外運用了各種技術手段。航天科工集團采用光電探測技術對低慢小目標進行探測，主要利用紅外自動搜索技術對低慢小進行自動搜索，再利用智能圖像處理和高精度轉臺控制技術實現對目標的自動跟蹤，同時利用激光測距儀可對目標進行實時定位。日本Alsok公司，開發出了“音頻指紋”探測技術，該技術通過對無人機螺旋槳的旋轉聲音進行探測。美國SRC公司開發的探測低慢小目標的新技術，能夠在保持雷達脈沖發射頻率和多普勒分辨率的情況下發現小目標，該技術是以隔行掃描的方式向不同方向發送雷達脈沖，并以復雜的方式處理信號。

針對以上情況，本文研究一種適用于城市環境等人口密集、建筑物多、電磁環境復雜場所的低慢小探測與定位系統，利用激光探測技術對低慢小的方位、高度、速度等參數進行測量。

1 系統理論分析

由于系統的工作環境復雜，加上低慢小的特殊性，其造成的多普勒效應不明顯，傳統雷達對低慢小目標的探測效果并不好，存在低空探測盲區大，回波小且弱，容易與氣象干擾、雜波干擾或鳥群相混淆等缺點[4]。相比雷達探測，激光探測可以利用激光脈沖持續時間短、瞬時功率大、抗干擾強的特點對低慢小進行準確地探測定位。

低慢小探測與定位系統幾何模型如圖1所示。點O為探測原點，P1、P2為低慢小飛行軌跡中的兩位置點。探測具體實現過程：當低慢小目標位于P1點時，激光器發射裝置發射單次脈沖信號，同時啟動定時器開始計時，脈沖到達目標后反射折回，被光電接收器接收，同時關閉定時器，微處理器（MCU）讀取定時器計數值，得出脈沖往返時間。當目標到達P2位置時，測量裝置繞O點轉動，進行第二次測量。根據兩次的測量結果，進行數學運算，得出目標參數。

圖1 低慢小探測與定位系統幾何模型

1）斜距測量

式中：l1、l2——發射點O與P1、P2位置之間的直線距離；

n——標準大氣條件下傳輸介質對激光的平均折射率；

c0——真空光速；

Δt1、Δt2——激光脈沖從發射點 O發出到達P1、P2位置后折射返回發射點O經過的時間。

2）速度測量

在三角形OP1P2中根據余弦定理有：

其中θ的測量是通過間接測量探測裝置上角速度傳感器轉過的弧長S實現的：

由于探測裝置轉過角度θ的時間Δt較短，可以近似將目標經過P1P2的平均速度等于目標的瞬時速度：

3）高度測量

其中α1、α2分別為激光束1和激光束2與水平面的夾角，通過三軸加速度計來測量。

4）俯仰角測量

式中：φ——目標飛行方向的俯仰角；

Δh——P1P2與水平面的高度差，即Δh=h1-h2。

2 系統結構設計

系統采用飛行時間法（TOF）[5]實現斜距測量，系統硬件結構框圖如圖2所示。由圖可見，系統由激光發射電路、光電轉換電路、前置放大電路、放大整形電路、時間測量單元和角度測量單元等組成。其工作原理為：由微處理器（MCU）發出觸發信號作為計時開始信號并驅動激光發射模塊產生窄脈沖激光；弱光處理電路將光電轉換電路接收到的弱光信號進行放大、濾波后送入時間測量電路作為計時停止信號；同時，角度測量電路測出轉角和水平角；微處理器將測量數據運算處理后用液晶顯示。

圖2 系統硬件結構框圖

2.1 激光發射電路

激光器選用SPLLL90，它體積小，功耗低，采用大光腔高功率激光結構[6]。光束直徑為2μm×200μm，具有小于20V的低電壓驅動以及小于30ns的高速操作時間，非常適用于激光測距應用。激光發射驅動器選用EL7104，最大可達到10 A的驅動輸出[7]，具有響應時間快、低輸出阻抗、高抗干擾能力、能耗低、驅動電壓低的優點。激光發射單元結構框圖如圖3所示。

圖3 激光發射電路結構框圖

2.2 光電轉換電路

光電轉換電路結構框圖如圖4所示。雪崩光電二極管（APD）相比其他的光電器件，具有量子效率高、響應速度快和線性工作范圍大等優點。目前，以APD作為光電探測器件的弱光信號接收放大技術廣泛應用于激光測距系統中[8]。

圖4 光電轉換電路結構框圖

由于激光脈沖經目標漫反射后的回波信號微弱，因此需要通過增大反向偏置電壓提高APD內部增益。低噪聲APD偏置電路采用555振蕩器組成方波發生器，控制三極管導通截止。采用二極管、電感和電容級聯作為電荷泵升壓[9]。為降低環境溫度對APD的影響，提高系統穩定性，將直流偏置電壓選為200V，此時，APD的內部增益M=20dB。

2.3 弱光信號處理單元

系統回波信號十分微弱，需要前置放大電路對信號進行低噪聲放大處理。為提高系統信噪比，電路采用兩片AD603順序級聯。AD603具有自動增益控制（AGC）功能，能夠得到一個幅值穩定的信號，提高系統的可靠性。

脈沖信號經放大電路后需高速比較器將其與閾值電壓比較后轉化為TTL電平。MAX913作為高速精準TTL比較器，準確觸發時間測量電路中的計數器，增加時刻鑒別準確度來提高精度和穩定性。

2.4 時間測量單元

為保證時間測量精度，時間測量電路中采用高精度計時芯片TDC-GP2，該芯片具有體積小、功耗低和自校準的特點，理論時間分辨率為65ps[10]。

系統選用微控制器STM32F103RCT驅動TDCGP2，將計時芯片產生的標準時間信號輸入測量。系統使用TDC-GP2的測量范圍為0~1000ns，在測量范圍內選取10個標準時間參考點，每個參考點測量200次后取平均值，測量結果見表1。由表1可見0~ 1000ns內的測量誤差約為-1ns，這是由于電源紋波和計時芯片的壓擺率較低所致。測量結果表明，測量電路0~1000ns內具有較高的穩定性和可靠性。在優化硬件系統來降低噪聲的基礎上，采用軟件校準的方法修正數據。用函數Tc=0.99983Tave+0.88342修正后的數據列于表2。由表2可見經過修正后的數據誤差可控制在±0.2ns內，滿足系統要求。

表1 時間測量數據

表2 修正后的時間數據

3 測試結果與誤差分析

實驗測試平臺是以STM32F103RCT作為系統微處理器配合外圍電路構成測試系統，包含激光發射器SPLLL90及其驅動器EL7104，光電轉換器APD及其偏置電路，由AD620構成的自動增益控制放大器，MAX913構成的時刻鑒別電路，TDC-GP2高精度計時電路和LCD顯示屏。實驗選用DJI-Innovations的phantom 3無人機作為低慢小進行結果測試。同時選用愛德克斯Multifunction Laser Range Finder對目標斜距、高度、速度進行測量，測量數據作為參考值與系統測量數據進行對比分析。

3.1 斜距測量結果

實驗斜距數據如表3所示。測量值線性擬合后的結果如圖5所示，線性擬合方程為y=1.00019x+ 0.15011。根據計算得出線性相關系數為0.99984。系統測距誤差結果如圖6所示。根據實測的對比結果，系統與愛德克斯Multifunction Laser Range Finder的測距最大誤差為0.6m，隨著測量距離的增大，測量誤差在±0.6m之間呈隨機分布。

圖5 斜距測量值線性擬合結果

圖6 斜距測量誤差分布

表3 測量斜距值

3.2 高度測量結果

實驗高度數據如表4所示。測量值線性擬合后的結果如圖7所示，線性擬合方程為y=1.023 16x-0.11742，根據計算得出線性相關系數為0.99442。系統測高誤差結果如圖8所示。根據實測的對比結果，該系統與愛德克斯Multifunction Laser Range Finder的測高最大誤差為0.595 96 m，隨著測量距離的增大，測量誤差在±0.6m之間呈隨機分布。

3.3 速度測量結果

實驗速度數據如表5所示。測量值線性擬合后的結果如圖9所示，線性擬合方程為y=0.9555x+0.85021，根據計算得出線性相關系數為0.99317。系統測速誤差結果如圖10所示。根據實測的對比結果，該系統與愛德克斯Multifunction Laser Range Finder的測速最大誤差為1.22km/h，隨著測量距離的增大，測量誤差在±1.3km/h之間呈隨機分布。

表4 高度測量數據

表5 速度測試數據

圖7 高度測量值線性擬合結果

圖8 系統測高誤差結果

圖9 速度測量值線性擬合結果

圖10 系統測速誤差結果

3.4 誤差分析

線性擬合方程的截距不為零，說明系統存在固定延遲誤差，通過軟件補償方式減小該誤差。隨機誤差主要由時刻鑒別抖動誤差、閾值鑒別芯片輸出抖動誤差和時間間隔測量誤差組成[11]，是影響系統性能的關鍵因素。隨機誤差決定系統的單次測量精度。

3.4.1 時間間隔測量誤差

由于時間間隔測量電路的分辨率有限，不可避免地會引入計時誤差。假設激光脈沖可以相同概率發生在0～T（時鐘周期）之間，則由時間間隔引入的均方根距離誤差為

其中f為計時器的頻率。

將時間間隔測量分辨率ΔT帶入式（9），得到時間間隔引起的量化誤差為

將TDC-GP2的時間測量精度分辨率65ps代入式（10）可得：

式中：σstart——激光開始信號引起的量化誤差；

σstop——激光結束信號引起的量化誤差。

3.4.2 閾值鑒別芯片的輸出抖動誤差

脈沖信號經放大電路后需高速比較器將其與閾值電壓比較后轉化為TTL電平。MAX913作為高速精準TTL比較器，其輸出抖動誤差約為50 ps，由此產生測距誤差的標準誤差為

3.4.3 時刻鑒別抖動誤差

時刻鑒別抖動誤差由接收的脈沖信號經放大電路后疊加噪聲所致。在采用閾值比較方式進行時刻鑒別時，疊加在脈沖上升沿的噪聲會導致比較閾值的時間發生變化而產生抖動[12]。使用三角法[13]表示時刻鑒別誤差為

式中：σV（t）——噪聲電平；

V（t）——比較器輸入電壓；

tp——鑒別時刻。

對于Gauss型激光脈沖，式（13）可表示為

式中：σ3——前沿鑒別抖動誤差的標準誤差[14]；

tr——激光回波脈沖信號上升時間。

由式（14）可知，脈沖上升時間越短，信噪比越高，時差鑒別誤差越小。若回波信號的上升時間為10 ns，系統信噪比SNR=50 dB，則回波信號的前沿鑒別誤差σ3=0.612m。

綜合以上誤差可得單次測距誤差為

4 結束語

本文采用激光探測技術初步研究城市環境下低慢小目標的探測與定位，獲得以下結果：1）0~100m距離范圍的測距誤差為±0.6 m；2）0~60 m高度范圍的測高誤差為±0.6m；3）0~35 km/h速度范圍的測速誤差為±1.3km/h。

本文中的弱光信號處理單元和精密時間測量電路，相比常見的弱光信號處理采用高速運放和電荷靈敏器件搭建電路，以及微小時間采用脈沖計數法、模數轉換法和現場可編程門陣列（FPGA）差分延遲線法等測量方式，具有硬件結構簡單、抗干擾能力強、移植性強的特點。本研究對解決低慢小目標探測與定位這一技術難題有一定的參考價值。

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（編輯：李剛）

Research on detecting and locating technology of LSS-UAV

LI Bo1，MENG Lifan1，LI Jing1，LIU Chunmei2，HUANG Guangyan3
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.The First Research Institute of Ministry of Public Security，Beijing 100048，China；3.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

How to put an end to the terrorist’s destructive activities with the help of LSS-UAV，such as a model aircraft，more efficiency is the key point of our security task at the urban large gatherings or large-scale events.The traditional detection methods such as radar are very difficult to detect and locate the target accurately，due to the complexity of urban environment and the particularity of low altitude、slow speed、small Unmanned Aerial Vehicle（LSS-UAV in abbreviate）. This paper studies LSS-UAV detection and positioning system based on laser detection technology. The main structures of the system include the laser pulse emission，the avalanche photodiode bias，the weak light signal processing，the timing circuit and so on.A standard base generator has been used to verify the timing circuit，and adopt the linear fitting method to make the accuracy of time measurement for 10-10.Experiments prove that the system is able to locate LSSUAV accurately.In the range of 0-100 m distance，ranging measurement error is±0.6 m；In the range of 0-60 m height，height measurement error is±0.6 m；in the range of 0-35 km/h speed，velocity measurement error is±1.3km/h.

LSS-UAV；urban environment；laser detection technology；weak photo-electricity signal processing

A

：1674-5124（2016）12-0064-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.014

2016-02-20；

：2016-04-10

公安部預研項目（2015JZYYY01）

李 菠（1990-），男，山東蒙陰縣人，碩士研究生，專業方向為測試計量技術及儀器。

劉春美（1970-），女，山東萊州市人，副研究員，碩士生導師，博士，研究方向為新型毀傷理論與安全防護技術、社會公共安全、傳感器技術。