CN104111450A - 一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统，通过对本振信号和回波信号进行多次相干和共轭相关处理，消除了激光信号频率及相位抖动所引入的误差，还消除了目标的径向速度对微多普勒测量的影响，提高了对目标微运动引起的相位差的测量精确度，同时降低了微多普勒信息提取的难度，完全在时域进行信号处理，没有频域的转换，大大降低了运算量；本发明还提供了一种利用双脉冲激光信号来实现目标微多普勒特征的系统，通过采用分束镜对激光信号进行分束，采用光电探测器对激光信号进行相干处理，采用DSP处理模块进行共轭相关处理，通过简单器件的组合实现了高精度目标微多普勒特征的测量，该系统具有结构简单，容易实现的特点。

Description

一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统。

背景技术

一个目标或其组成部分的机械振动或转动会对雷达回波信号产生附加频率调制，导致在目标的多普勒频率两侧产生边带，这种频率调制称为微多普勒效应。

目标的微多普勒特性反映了目标的电磁散射特性、几何结构和运动特征，为雷达目标特征提取和目标识别提供了新的途径。多普勒现象对工作频率敏感，而相干激光雷达工作频率高，相对于微波雷达探测微多普勒信息具有明显的优势。

为了分析随时间变化的微多普勒信息，传统的傅里叶变换已经不再适用，一种有效的分析时变频率的方法称为时频分析，但该种方法存在几个缺点，首先，时频分析运算量比较大，很难保证系统的实时性；其次，在进行时频分析时，目标的径向运动所引入多普勒频移将会对微多普勒的提取造成极大的影响，有时调制边带甚至淹没在径向速度引起的多普勒频移中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法及系统，在时域对双脉冲激光信号进行处理，实现目标的微小速度的测量，同时能够消除激光器频率及相位的不稳定对测量结果的影响以及目标径向运动所引入的多普勒的影响，提高了测量精度，并且降低了运算量。保证了实时测量的要求。

本发明的一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法，包括如下步骤：

步骤1、产生双脉冲激光信号并将其分成两束；

步骤2、对所述双脉冲激光信号进行调制，得到附带中频频率信息的双脉冲激光信号，将经过调制的双脉冲激光信号分成两束，将其中一束与步骤1产生的其中一束双脉冲激光信号进行相干，得到包含有中频调制相位的中频本地参考信号I；将经过调制的双脉冲激光信号的另一束作为探测信号向目标发射；

步骤3、将从目标反射的双脉冲回波信号与步骤1产生的另一束双脉冲激光信号进行相干处理，得到包含有中频调制相位、目标径向运动引起的相位以及目标微速度引起的相位的中频双脉冲回波信号I；

步骤4、首先，将步骤2得到的中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；

然后，将步骤3中得到的中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；

最后，将所述中频本地参考信号II和所述中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到只包含有目标微运动引起的附加相位的双脉冲回波信号III；

步骤5、根据所述步骤4得到所述双脉冲回波信号III提取目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差；

最后根据所述目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率，由此完成目标微多普勒特征的探测。

所述目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差为：

其中，p代表产生的双脉冲激光信号中各个脉冲对的序号；f_PRF为脉冲对的重复频率；ΔＴ是脉冲对中前后两个脉冲的时间间隔；Ａ表示光电探测器的接收面面积；I(x,y)为回波信号的强度分布，V(x,y)代表目标微动速度的空间分布，是前一个脉冲对应的目标微运动速度，是后一个脉冲对应的目标微运动速度；

当把目标看作点目标时，忽略信号回波强度及目标速度的空间分布，则目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差进一步化简为：

其中，ω_T表示目标微运动的频率。

当目标的微运动速度为余弦函数时，则目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差为：

目标的瞬时微多普勒速度为对应的微多普勒频率为

本发明的一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的系统，该系统包括主动激光器、从动激光器、第一分束镜、第二分束镜和第三分束镜，第一光电探测器和第二光电探测器、光学收发开关、望远镜、第一带通滤波器和第二带通滤波器以及DSP处理模块；

主动激光器分别向从动激光器和第二分光棱镜发射双脉冲激光信号；

所述从动激光器接收主动激光器发射的双脉冲激光信号，并对其进行所述的调制处理，然后将经调制的双激光脉冲信号发射至所述第一分光棱镜的分光面；第一分光棱镜将所述调制后的双激光脉冲信号一部分透射至所述光学收发开关，另一部分反射至所述第二分光棱镜；

第二分光棱镜将从主动激光器接收的双脉冲激光信号进行分束，其中一束反射至第一光电探测器，将另一束透射至第三分束镜；同时，第二分光棱镜将从第一分光棱镜接收的经调制的双脉冲激光信号透射至所述第一光电探测器；所述第一光电探测器将所述双脉冲激光信号和经调制后的双脉冲激光信号在其接收面相干后形成的中频本地参考信号I发送给所述第一带通滤波器；

光学收发开关将接收到的经调制的双激光脉冲信号发送给望远镜，望远镜再将双脉冲激光信号向目标发射，后又接收从目标反射的双脉冲回波信号，最后再将双脉冲回波信号送至光学收发开关，光学收发开关将双脉冲回波信号发给第三分束镜；

所述第三分束镜将从第二分束镜接收的双脉冲激光信号反射至第二光电探测器，同时，将从光学收发开关接收的双脉冲回波信号透射至第二光电探测器；

所述第二光电探测器将所述未经调制的双脉冲激光信号与双脉冲回波信号在其接收面相干后形成的中频双脉冲回波信号I发送给所述第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器和第二带通滤波器分别对接收到的中频本地参考信号I和中频双脉冲回波信号I滤除杂波后发给DSP处理模块；

所述DSP处理模块将中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到只包含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；所述DSP处理模块将中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；最后将中频本地参考信号II与中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到双脉冲回波信号III；根据中频双脉冲回波信号III中由目标微运动引起的前、后两脉冲的相位差，最后得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率。

本发明具有如下有益效果：

本发明利用双脉冲激光信号来实现目标微多普勒特征的测量，通过对本振信号和回波信号进行多次相干和共轭相关处理，不仅消除了激光信号频率及相位抖动所引入的误差，而且消除了目标的径向速度对微多普勒测量的影响，提高了对目标微运动引起的相位差的测量精确度，同时降低了微多普勒信息提取的难度，在对信号的处理过程中，完全在时域进行，没有频域的转换，大大降低了运算量；

本发明的一种利用双脉冲激光信号来实现目标微多普勒特征的系统，通过采用分束镜对激光信号进行分束，采用光电探测器对激光信号进行相干处理，采用DSP处理模块进行共轭相关处理，通过简单器件的组合实现了高精度目标微多普勒特征的测量，该系统具有结构简单，容易实现的特点。

附图说明

图1为本发明的双脉冲激光雷达测量微多普勒的系统框图。

图2为本发明的双脉冲激光信号的具体波形。

其中，31－第一分光棱镜；32－第二分光棱镜；33－第三分光棱镜。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法，包括如下步骤：

步骤1、产生双脉冲激光信号并将其分成两束；

步骤2、对双脉冲激光信号进行调制，得到附带中频频率信息的双脉冲激光信号，将经过调制的双脉冲激光信号分成两束，将其中一束与步骤1产生的其中一束双脉冲激光信号进行相干，得到包含有中频调制相位的中频本地参考信号I；将经过调制的双脉冲激光信号的另一束作为探测信号向目标发射；

步骤3、将从目标反射的双脉冲回波信号与步骤1产生的另一束双脉冲激光信号进行相干处理，得到包含有中频调制相位、目标径向运动引起的相位以及目标微速度引起的相位的中频双脉冲回波信号I；

步骤4、首先，将步骤2得到的中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；

然后，将步骤3中得到的中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；

最后，将中频本地参考信号II和中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到只包含有目标微运动引起的附加相位的双脉冲回波信号III；

步骤5、根据步骤4得到双脉冲回波信号III得到目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差，再根据步骤该相位差得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率。

本发明的方法具体步骤如下：

1、采用主动激光器产生激光双脉冲信号M_o(t，p，q)：

其中，如图2所示，p代表脉冲对的序号；q代表脉冲对中前、后两个脉冲序号，取值分别为0和1；C(t)是脉冲包络函数；ω_MO是主动激光器产生激光的频率；代表激光双脉冲信号中前后两个脉冲各自的初始相位；f_PRF为脉冲对重复频率；Δ_T是脉冲对中前后两个脉冲的时间间隔；

将主动激光器产生的激光双脉冲信号分为两束；

2、将主动激光器产生的其中一束双脉冲激光信号送入从动激光器进行调制，产生附带中频调制相位的激光双脉冲信号，表示为：

其中，ω_IF是引入的中频频移；是由于从动激光器的调制，新引入的中频调制相位；另外，该步骤产生的激光双脉冲信号还包含有双脉冲各自的初始相位

将从动激光器出射的激光双脉冲信号进行分束，一束直接进入光电探测器，转化为电信号，另一部分作为信号光进行探测。进入光电探测器的信号与直接从主动激光器出射的未经调制的激光双脉冲信号进行相干，得到中频频段的本地参考信号：

经过相干处理后，消除了激光双脉冲信号中由主动激光器产生的初始相位不再对测量结果产生影响，但两脉冲中仍包含有中频调制相位

从动激光器出来的激光脉冲信号，大部分作为信号光，作用于目标，然后再次对回波信号进行接收，得到回波信号表示为：

其中，

${\tilde{S}}_{\mathrm{IS}}=C\left(t\right)\exp (-j({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MO}}+{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{IF}})(\frac{p}{f_{\mathrm{PRF}}}+\mathrm{q\ΔT}+2\frac{R_0}{c}))\·\underset{A}{\∫}I(x,y)\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\ΔT}}{\mathrm{\λ}}V(x,y)V(t-\frac{p}{f_{\mathrm{PRF}}}-\mathrm{q\ΔT}-\frac{R_0}{c})\right)\mathrm{dA}$

，上述表达式中，积分项为目标的微运动所引入的附加相位，I(x,y)为回波信号的强度分布，V(x,y)代表目标微动速度的空间分布，V(t)是目标微动速度的时间分布；由于目标的微运动，每一组脉冲对中前、后两个脉冲所附加的相位不同，这样便产生固定的相位差，该相位差即体现目标的微运动特征。另外，从回波信号的表达式中可以看到，回波信号中还包含有双脉冲各自的初始相位以及中频调制相位另外，还包括由目标的径向运动引起的附加相位。

3、为将回波信号下变频到中频波段，同时消除初始相位的影响，将回波信号与主动激光器出射的未经调制的双脉冲激光信号进行相干处理，得到相干后的回波信号表示为：

由于回波信号中仍包含有中频调制相位、目标径向运动引起的相位以及目标微运动引起的相位，因此，考虑将中频调制相位和目标径向运动引起的相位消除掉。

4、①.将步骤2中得到的中频本地参考信号中的两个脉冲进行共轭相关处理，即M(t,p,0)·M^*(t,p,1)，得到含有中频调制相位差的中频本地参考信号；

②.由于目标的径向运动会导致脉冲对中前、后两个脉冲引入附加相位，且附加相位是完全相同的，因此将步骤3中得到的中频回波信号中的两个脉冲进行共轭相关处理，即S(t,p,0,R₀)·S^*(t,p,1,R₀)，可消除径向运动引起的附加相位，得到只包含中频调制相位差和目标微运动引起的相位差的中频回波信号；

③.经过①和②的处理，①和②的回波信号中均包含中频调制相位，因此将①得到的含有中频调制相位差的中频本地参考信号和②得到的包含中频调制相位差和目标微运动引起的相位差的中频回波信号进行共轭相关处理，即[M(t，p,0)M^*(t，p，1)][S(t，p，0，R₀)S^*(t，p，1，R₀)]，可消除中频调制相位差，得到只包含有目标微运动引起的相位差的回波信号。

最终得到由目标微运动引起的相位差：

由于脉冲宽度τ非常短，可以认为在时间τ内相位为一常量，因此可以忽略时间积分项，对于R₀/c，相对于p/f_PRF低几个数量级，同样可以忽略，将相位差化简为：

对上一步中的进一步进行化简，将目标设置为点目标，不再考虑信号回波强度及目标速度的空间分布，化简过程中，得到表达式为：

此时，已经获得了目标的微动速度与相位差之间的关系，假设目标的微动速度为一余弦函数，目标微运动的频率为ω_T，代入上式获得对应的具体关系表达式

目标的瞬时微多普勒速度就可以表示为：对应的微多普勒频率为：

本发明还提供了一种实现上述方法的利用双脉冲探测目标微多普勒特征的系统，如图1所示，该系统包括主动激光器、从动激光器、第一、第二和第三分束镜，第一和第二光电探测器、光学收发开关、望远镜、第一、第二带通滤波器以及DSP处理模块；

从动激光器置于主动激光器的一个激光出射光路中，第一分束镜置于从动激光器的激光出射光路中，光学收发开关位于第一分束镜的透射光路中，望远镜位于光学收发开关的发射光路中；第二分束镜同时位于主动激光器的另一条激光出射光路以及第一分束镜的反射光路中，第三分束镜位于光学收发开关的出射光路和第二分束镜的透射光路的交点处；第一光电探测器位于第二分束镜的出射光路中，第二光电探测器位于第三分束镜的出射光路中；第一带通滤波器与第一光电探测器的输出端连接；第二带通滤波器与第二光电探测器的输出端连接；两个带通滤波器的输出端均与DSP处理模块相连；

主动激光器分别向从动激光器和第二分光棱镜发射双脉冲激光信号；

从动激光器接收主动激光器发射的双脉冲激光信号，并对其进行的调制处理，然后将经调制的双激光脉冲信号发射至第一分光棱镜的分光面；第一分光棱镜将调制后的双激光脉冲信号一部分透射至光学收发开关，另一部分反射至第二分光棱镜；

第二分光棱镜将从主动激光器接收的双脉冲激光信号进行分束，其中一束反射至第一光电探测器，将另一束透射至第三分束镜；同时，第二分光棱镜将从第一分光棱镜接收的经调制的双脉冲激光信号透射至第一光电探测器；第一光电探测器将双脉冲激光信号和经调制后的双脉冲激光信号在其接收面相干后形成的中频本地参考信号I发送给第一带通滤波器；

光学收发开关将接收到的经调制的双激光脉冲信号发送给望远镜，望远镜再将双脉冲激光信号向目标发射，后又接收从目标反射的双脉冲回波信号，最后再将双脉冲回波信号送至光学收发开关，光学收发开关将双脉冲回波信号发给第三分束镜；

第三分束镜将从第二分束镜接收的双脉冲激光信号反射至第二光电探测器，同时，将从光学收发开关接收的双脉冲回波信号透射至第二光电探测器；

第二光电探测器将未经调制的双脉冲激光信号与双脉冲回波信号在其接收面相干后形成的中频双脉冲回波信号I发送给第二带通滤波器；

第一带通滤波器和第二带通滤波器分别对接收到的中频本地参考信号I和中频双脉冲回波信号I滤除杂波后发给DSP处理模块；

DSP处理模块将中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到只包含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；DSP处理模块将中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；最后将中频本地参考信号II与中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到双脉冲回波信号III；根据双脉冲回波信号III中由目标微运动引起的前、后两脉冲的相位差，最后得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、产生双脉冲激光信号并将其分成两束；

步骤2、对所述双脉冲激光信号进行调制，得到附带中频频率信息的双脉冲激光信号，将经过调制的双脉冲激光信号分成两束，将其中一束与步骤1产生的其中一束双脉冲激光信号进行相干，得到包含有中频调制相位的中频本地参考信号I；将经过调制的双脉冲激光信号的另一束作为探测信号向目标发射；

步骤3、将从目标反射的双脉冲回波信号与步骤1产生的另一束双脉冲激光信号进行相干处理，得到包含有中频调制相位、目标径向运动引起的相位以及目标微速度引起的相位的中频双脉冲回波信号I；

步骤4、首先，将步骤2得到的中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；

然后，将步骤3中得到的中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；

最后，将所述中频本地参考信号II和所述中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到只包含有目标微运动引起的附加相位的双脉冲回波信号III；

步骤5、根据所述步骤4得到所述双脉冲回波信号III提取目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差；

最后根据所述目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率，由此完成目标微多普勒特征的探测。

2.根据权利要求1所述的一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法，其特征在于，所述目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差为：

其中，p代表产生的双脉冲激光信号中各个脉冲对的序号；f_PRF为脉冲对的重复频率；△T是脉冲对中前后两个脉冲的时间间隔；Ａ表示光电探测器的接收面面积；I(x，y)为回波信号的强度分布，V(x,y)代表目标微动速度的空间分布，是前一个脉冲对应的目标微运动速度，是后一个脉冲对应的目标微运动速度；

当把目标看作点目标时，忽略信号回波强度及目标速度的空间分布，则目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差进一步化简为：

其中，ω_T表示目标微运动的频率。

3.根据权利要求2所述的一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的方法，其特征在于，当目标的微运动速度为余弦函数时，则目标微运动引起的双脉冲中前、后两脉冲的相位差为：

目标的瞬时微多普勒速度为对应的微多普勒频率为

4.一种利用双脉冲探测目标微多普勒特征的系统，其特征在于，该系统包括主动激光器、从动激光器、第一分束镜、第二分束镜和第三分束镜，第一光电探测器和第二光电探测器、光学收发开关、望远镜、第一带通滤波器和第二带通滤波器以及DSP处理模块；

主动激光器分别向从动激光器和第二分光棱镜发射双脉冲激光信号；

所述从动激光器接收主动激光器发射的双脉冲激光信号，并对其进行所述的调制处理，然后将经调制的双激光脉冲信号发射至所述第一分光棱镜的分光面；第一分光棱镜将所述调制后的双激光脉冲信号一部分透射至所述光学收发开关，另一部分反射至所述第二分光棱镜；

第二分光棱镜将从主动激光器接收的双脉冲激光信号进行分束，其中一束反射至第一光电探测器，将另一束透射至第三分束镜；同时，第二分光棱镜将从第一分光棱镜接收的经调制的双脉冲激光信号透射至所述第一光电探测器；所述第一光电探测器将所述双脉冲激光信号和经调制后的双脉冲激光信号在其接收面相干后形成的中频本地参考信号I发送给所述第一带通滤波器；

光学收发开关将接收到的经调制的双激光脉冲信号发送给望远镜，望远镜再将双脉冲激光信号向目标发射，后又接收从目标反射的双脉冲回波信号，最后再将双脉冲回波信号送至光学收发开关，光学收发开关将双脉冲回波信号发给第三分束镜；

所述第三分束镜将从第二分束镜接收的双脉冲激光信号反射至第二光电探测器，同时，将从光学收发开关接收的双脉冲回波信号透射至第二光电探测器；

所述第二光电探测器将所述未经调制的双脉冲激光信号与双脉冲回波信号在其接收面相干后形成的中频双脉冲回波信号I发送给所述第二带通滤波器；

所述第一带通滤波器和第二带通滤波器分别对接收到的中频本地参考信号I和中频双脉冲回波信号I滤除杂波后发给DSP处理模块；

所述DSP处理模块将中频本地参考信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到只包含有中频调制相位差的中频本地参考信号II；所述DSP处理模块将中频双脉冲回波信号I中的两个脉冲进行共轭相关处理，得到包含中频调制相位差和目标微运动引起的附加相位的中频双脉冲回波信号II；最后将中频本地参考信号II与中频双脉冲回波信号II进行共轭相关处理，得到双脉冲回波信号III；根据中频双脉冲回波信号III中由目标微运动引起的前、后两脉冲的相位差，最后得到目标的瞬时微多普勒速度和对应的微多普勒频率。