脉冲激光回波信号的数字化检测技术

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇脉冲激光回波信号的数字化检测技术范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：为了提高激光雷达的测距威力，文章提出了一种脉冲激光回波信号的数字化检测方法，采用高速AD器件将回波通道进行数字化转换，利用超低阈值对回波数据进行一次固定阈值检测，然后对回波脉冲数据进行二次动态阈值检测，并对二次检测结果采用先跟踪再检测技术，降低虚警率，提高弱小目标检测正确性及检测概率。

关键词：激光测距；数字化检测；脉冲激光回波信号；激光雷达

中图分类号：TN958 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）03-0120-03

测距激光雷达是一种用途最广的激光雷达，普遍应用于工业、交通、建筑等民用领域，同时在火控、导航、侦查探测、跟踪测量、防空预警等军事领域广泛应用。当前，由于远程精确打击和导弹防御在现代化战争中占据着主体地位，激光雷达的测距威力成为制约其应用扩展的一个重要方面，展开提高激光测距威力研究有着十分重要的意义。

一、提高测距威力方法分析

激光雷达测距方程为：

（1）

其中：为激光发射峰值功率，为发射光学透过率，为接收光学透过率，接收光学面积，目标反射截面积，目标反射率，大气双程透过率，激光束散角，探测系统的灵敏度。

由雷达测距方程可以看出，提高激光测距威力的方法有：增大激光发射峰值功率、提高发射接收光学透过率、增大接收光学口径、减小激光束散角、提高探测系统灵敏度等措施。由于激光转换效率很低，提高激光发射功率，会导致系统的功耗、体积显著增加，并对冷却系统的散热性能提出苛刻要求。目前，激光雷达光学透过率可以达到80%以上，通过提高光学透过率来增强测距威力的难度很大且效果有限。增大接收光学面积，可以有效提高激光测距威力，但会导致系统体积和重量的成倍增加，同时引入大量的背景光噪声。激光束散角必须与系统跟踪精度相匹配，如果减小激光束散角，就必须提高系统跟踪精度，技术难度大、成本高。探测系统灵敏度受探测器灵敏度、回波检测技术等的制约，探测器灵敏度与器件的工艺水平有关，提高探测器灵敏度的难度很大。随着数字技术飞速发展，研发低信噪比下回波信号的数字化检测方法，可以有效提高探测系统的灵敏度，并且具有成本低、适用性强等优点。

目前，国内常规测距激光雷达的回波检测处理方法为固定阈值检测法，即将回波脉冲信号与设定阈值进行比对，低于设定阈值的回波脉冲被剔除，高于设定阈值的回波脉冲信号被保留。通常测量量程（20km）内保留的回波脉冲一般不多于10个，然而由于固定阈值检测法的工作环境适应能力很差，无法自动适应天气、环境及亮暗背景等的变化，如果阈值设置过低就会出现工作环境好的情况下可正常测距，工作环境变差时会出现虚警，甚至无法正常测距。这就要求阈值设置不能太低，传统激光测距雷达的回波阈值为1.2V左右，这就导致低于1.2V的有效回波信号被丢失，大大降低了设备的测距能力。

数字化检测处理技术通过高速AD器件将回波通道进行数字化转换，并对回波通道进行带通数字滤波处理，然后利用超低阈值对回波通道进行一次固定阈值检测，该检测保留了通道中几乎所有的回波脉冲，并记录下这些脉冲的位置、波形、脉宽、幅度、幅度排名等有效信息。采用恒虚警方法对回波脉冲进行二次动态阈值检测，依据设备的虚警率要求、被测目标状态与数据处理能力，从一次检测结果中选取幅度排名靠前的回波脉冲，该动态阈值检测具有很强的环境适应能力，可依据通道的噪声情况实时自动调整二次检测阈值的高低。对二次检测结果采用先跟踪再检测技术，降低虚警率，提高目标检测正确性及对弱小目标的检测概率。

二、数字化检测方法

由于目标回波具有闪烁性、时间相关性以及回波幅度随距离增加急剧下降等特点。借鉴微波雷达等处理方法，对目标回波脉冲先进行多目标离散跟踪，分析并跟踪所有可能的目标运动轨迹，再对这些目标运动轨迹进行智能检测判断，提取出真实目标回波。

数字化检测处理软件主要包括：超低阈值回波脉冲检测（一次检测）、动态阈值回波脉冲检测（二次检测）、相关匹配处理（多目标离散跟踪）、目标智能检测确认处理、目标距离解算与修正等几个部分。

超低阈值回波脉冲检测是回波脉冲的一次检测，完成回波通道数据预处理，将回波通道数据转化为包含有位置、波形、脉宽、幅度、幅度排名等有效信息的回波脉冲数据。超低阈值回波脉冲检测的检测阈值设置为100mV左右，并采用全数字化方式检测处理，便于根据设备状态进行调整。经过此次检测，在测量量程范围内可获得大约200～500个回波脉冲数据，基本保证了目标回波脉冲不丢失。

动态阈值回波脉冲检测是回波脉冲的二次检测处理，采用恒虚警处理方法对回波脉冲数据进行二次检测，依据设备的虚警率要求、被测目标状态与数据处理能力等条件，从一次检测结果中提取幅度排名靠前的预定个数回波脉冲，这就将复杂的检测阈值自适应调整问题转化为简单的预定脉冲个数设置问题，实现了回波脉冲阈值实时自动适应通道噪声变化的能力。该动态阈值检测具有很强的环境适应能力，能够自动适应天气、环境、亮暗背景及设备状态等的变化，提高了设备的整体性能。针对目前所内激光测距产品，二次检测预定脉冲个数常设置为80个，对应二次回波阈值约为150～250mV，这可能会丢失部分目标回波脉冲信息，但保证了设备的虚警率及数据处理能力，与传统处理方式的固定阈值1.2V相比，有大幅提升。

相关匹配处理是依据目标回波具有时间相关性而干扰脉冲不具备时间相关性而设计的。首先对二次检测的回波脉冲数据进行存贮，对连续多帧回波脉冲数据依据目标运动特性（速度与加速度）进行匹配相关处理，检索可能的目标运动轨迹，并对所有运动轨迹进行跟踪，记录所有轨迹点的回波脉冲幅度、幅度排名、距离、速度等信息。

目标智能检测确认是指对相关匹配处理所跟踪到的所有运动轨迹进行分析处理，提取出真实目标的运动轨迹。目标智能检测确认以回波率为主要判据，当运动轨迹的回波率高于预设回波率时，确认为目标运动轨迹。当存在多个目标运动轨迹满足回波率要求时，综合轨迹回波率、轨迹点的脉冲宽度、脉冲幅度、幅度排名等信息，进行目标智能选取。回波脉冲幅度排名可以有效反映当前通道的信噪比情况，当轨迹点的回波幅度排名较高时可自动降低回波率判据预设值，实现目标的快速确认。当轨迹点的回波幅度排名较低时可自动提高回波率判据，防止虚假目标的出现。激光近程后向散射是一种常见激光测距干扰问题，它会导致近程测距异常，采用远近回波差异控制技术，对近程目标采用高回波脉冲幅度限制，既不会影响测距威力，同时可以抑制激光近程后向散射干扰。由于数字化接收处理保留了回波脉冲位置、脉宽、波形、幅度、幅度排名等有效信息，这就为目标智能选取与确认算法的实现提供有力支持，在提高测距威力的同时，有效增强了设备的整体性能及工作环境适应性。

距离解算与修正是将目标脉冲的位置信息进行光速修正、系统误差修正等处理，转化为目标距离数据。由于数字接收处理技术保留了目标回波脉冲的波形数据，便于采用幅度恒比法、能量恒比法和波形微分法等处理方法来提高距离测量精度，实测结果表明，静态目标距离测量精度由传统处理方式的3米提高到0.5米，测距精度大幅提高。

三、试验情况

2010年3月，新型数字接收机参加了某型号设备的靶场检飞试验，试验现场使用新型数字接收机替换其中一台设备的终端与接收分机，进行测距威力对比测试，测距威力平均由原处理方式的12.6km提高到15.5km，提高测距威力超过20%，且工作性能稳定。

图1、图2为2010年3月检飞试验中使用新型数字接收机测量得到的某一航次的试验数据，此次测得的目标最远距离为16.3km。

图1 回波脉冲分布图 图2 目标脉冲幅度与距离关系图

图1为多帧的回波脉冲分布图，横轴为距离值（量化为m），纵轴为帧序号，如图可以清晰的看到目标的运动轨迹。图2为目标回波脉冲幅度与距离的关系，目标距离增加时回波幅度呈明显下降趋势，目标距离增加100m，回波幅度平均下降约37mV，目标回波信号具有明显的闪烁现象。

2010年9月，使用了新型数据接收处理技术的该型号设备的三台激光测距机，在基地进行靶场检飞试验，三台激光测距设备的最远稳定测量距离分别为：1号激光测距机15.8km、2号激光测距机18.2km、3号激光测距机15.7km，检飞试验一次性通过，与指标要求的12km相比，保留了超过30%的测距威力余量。

四、结论

近几年，随着高采样率高带宽A/D器件的出现和大规模高性能数字集成电路的飞速发展，数字接收处理技术逐渐受到国内各激光测距设备研制单位和其他科研院校的关注与重视。我们开发的数字接收处理技术已在多个型号产品中投入使用，经验证是一种功能全面、性能稳定的激光回波信号处理技术，该技术在提高激光测距威力的同时，大大改善了测距精度、环境适应性和设备可靠性等整机性能。

参考文献

[1] 夏桂芬，赵保军，韩月秋．激光雷达的双门限检测技术研究[J]．激光与红外，2005，35（7）.

[2] 章正宇，眭晓林．激光测距弱信号数字相关检测技术的研究和仿真[J]．中国激光，2002，29（7）.

[3] 熊辉丰．激光雷达[M]．北京：宇航出版社，1994.

[4] 张小红．机载激光雷达测量技术理论与方法[M]．武汉大学出版社，2007.

作者简介：吴淦华（1980-），男，安徽黄山人，中国电子科技集团公司第二十七研究所工程师，研究方向：激光雷达信号处理。