CN113933852B - 基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置及方法，属于遥感测距信号领域，本发明使用光波电波双模式混沌信号发生器同时产生混沌光波发射信号和混沌电波发射信号，通过光波电波双模式混沌信号发射天线同时发射出去，经过目标物体反射后，采用与发射天线相同的接收天线同时接收光波电波双模式回波信号。最后对接收到的回波信号进行提取处理，然后在FPGA上实现回波信号与参考信号互相关计算，最可得到目标物体的距离信息。本发明显著提高了混沌对抗复杂天气和电磁串扰的性能，可极大克服了普通混沌激光测距对雨、烟、雾工况的实际抗干扰性能。
Description
技术领域
本发明提出一种基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置及方法，属于遥感测距信号领域。
技术背景
激光雷达(LiDAR,light detection and ranging)，是以激光束来探测定位目标的遥感装置或系统。其工作原理是向目标发射探测信号，然后将从目标反射的回波信号与发射信号进行比较，经适当处理后,得到目标位置和速度等的有关信息。激光雷达可以得到高精度的目标三维坐标，探测精度可达厘米乃至毫米量级，可进一步地获取目标的轮廓等信息，极大降低对目标的漏判、误判概率。但是通常的激光雷达对工作环境的要求很高，如雨、烟、雾等常见天气，都会直接影响激光雷达的实际工作表现。因为雨、烟、雾会极大地增加大气衰减，使常用的激光束的传导距离大受影响，直至彻底无法工作。
另一方面，特殊的光混沌激光因为其具有的超过GHz的宽频谱、类噪声等独特属性，已在保密通信、光纤传感和雷达测距等领域有初步应用。特别的，与随机噪声不同，混沌激光信号来自于确定的非线性光学系统，其独特波形具有很好的自相关鲁棒特性。基于混沌激光的测距方案具有很好的抗干扰性能，且提供了很高的测距分辨率。但是，就目前的研究进展而言，用于测距的混沌激光从空间分布而言，其对工作环境要求依然很高，雨、烟、雾等都会直接影响混沌激光测距的实际工作表现，使光束的传导距离严重受限，直至无法工作。因此，如何发展一种具有很好抗雨、烟、雾干扰的新型混沌测距方案，对于提高激光测距的实际抗干扰性能，提高装置的多工况的工作稳定性具有重要意义。
发明内容
基于以上分析，本发明提出了一种基于宽带混沌相关法的光波和电波的双模抗干扰测距装置及方法，通过设置系统信号发射参数，接收方式，和信号处理方法，实现当干扰信号强度为回波信号的20倍时，相关定位峰依然清晰可见，信号依然能够被识别，从而显著提高了混沌对抗复杂天气和电磁串扰的性能，可极大克服了普通混沌激光测距对雨、烟、雾工况的实际抗干扰性能。
本发明采用的技术方案为：一种基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，包括光电双模混沌信号发射单元、发射天线、接收天线、光电双模回波信号处理单元。
所述光电双模混沌信号发射单元包括超宽带混沌激光源、隔离器、第一功率分配器、第二功率分配器、第一延迟调节器、长焦准直镜、第一线性探测器、第一微波本征源以及混频器；
所述超宽带混沌激光源产生的混沌光波信号经过隔离器隔离掉光学干扰后经第一功率分配器分为两路：一路经第一延时调制器进行延时调节和长焦准直镜准直后经62.5um多模光纤注入发射天线，所述延时调制器用于延时调节(考虑到光路和电路的延迟差别，设定第一延时调制器时延参数为235纳秒；)以使光信号和电信号同步进入发射天线；另一路经第二功率分配器后又分为两路：一路经第一线性探测器将混沌光波信号高保真地转换为混沌基波后进入混频器，第一微波本征源发射的微波信号在混频器内将混沌基波信号调制成利于长距离大气传播的混频混沌电波信号后，经3.5mm同轴电缆注入发射天线部分；另一路进入光电双模回波信号处理单元作为参考信号。
所述发射天线包括主反射器和副反射器，所述主反射器由镜面反射器和网状面反射器组成，其中镜面反射器用于发射混沌光波信号，网状面反射器用于发射混沌电波信号，镜面反射器和网状面反射器处于共同的抛物面上，该抛物面满足抛物面标准方程x2+y2-z*a2＝0，其中x，y，z为抛物面在xyz直角坐标系中的坐标值，a为焦距；在本实验中，镜面反射器的虚焦点F1＝a2/2优化为0.4m，且铝制网状面反射器的网状面孔直径为5mm；所述副反射器的虚焦点和主反射器的焦点重叠，可有效降低聚焦的像差。接收天线与发射天线的参数完全相同。
所述光电双模回波信号处理单元包括电放大器、光放大器、第二线性探测器、第二微波本征源、混频器、第三线性度探测器、第二延迟调节器、FPGA；接收天线将接收到的混沌电波回波信号通过3.5mm同轴电缆注入光电双模回波信号处理单元中的电放大器进行放大处理后，然后将第二微波本征源发射的微波信号与放大后的混沌电波回波信号通过混频器解调后还原为基频混沌电波信号；同时，接收天线将接收到的光波混沌回波信号通过62.5um多模光纤注入光电双模回波信号处理单元中的光放大器进行放大处理，经第二线性探测器将光信号转换为电信号，并经过第二延迟调节器进行时间延迟调节(第二延迟调节器的延时参数根据具体目标远近进行调节)；最后，两组接收信号同时进入FPGA中融合，并与第三线性探测器探测到的参考信号进行相关计算分析，得到目标的距离准确值。
本发明还提供一种基于上述装置的抗干扰测距方法，包括以下步骤：
S1光电双模混沌信号发生器产生的波长为1550nm左右的混沌光波信号和波长在0.03m-0.3m之间的混沌电波信号经发射天线照射到目标上；
S2经过目标物体反射后，在接收端通过接收天线接收回波信号；
S3光对回波信号进行放大处理，与参考信号做互相关计算(基于FPGA的实时互相关运算器，罗玉平，林森，赵建华，《微型机与应用》，2002年第4期)，得到目标的距离信息；具体如下：
假设混沌电波发射信号x1，对应回波信号为y1＝x1γ,其中γ为微波域的吸收率；混沌光波发射的信号为x2，对应的回波信号为y2＝x2η，其中η为光波域的吸收率，则回波信号Y为：
Y＝y1+y2＝x1γ+x2η
其中回波信号y1和y2均为混沌信号。如果信号传播路径的光吸收率η太大，则可通过提高电波发射信号x1的发射功率来获得足够强度的回波信号强度Y。光电双模回波信号处理单元收到目标反射的回波信号Y后，通过放大处理，再与参考信号进行对比获得延迟时间，进而得到目标的位置距离信息。
本发明使用光波电波双模式混沌信号发生器同时产生混沌光波发射信号和混沌电波发射信号，通过光波电波双模式混沌信号发射天线同时发射出去，经过目标物体反射后，采用与发射天线相同的接收天线同时接收光波电波双模式回波信号。最后对接收到的回波信号进行提取处理，然后在FPGA上实现回波信号与参考信号互相关计算，最可得到目标物体的距离信息。
发明优点：
1.光电双模混合的抗干扰机制，能够同时发射微波域的混沌电波信号和红外光波域的混沌光波信号，可显著增强测距的抗干扰性能；
2.稳定简洁的宽带光混沌超宽带信号源；超宽带信号谱范围，从而具有很好的抗干扰性能；
3.可以拓展为多微波频段方案：利用激光混沌的极大带宽，可以使用L波段，S波段，C波段，X波段等不同的微波辐射天线，实现在从L波段到X波段乃至更多波段的多波段方案，进一步增强方案的抗干扰性能；
4.也可以拓展为多波段光方案，通过将方案中单模激光器替换为多模激光器，可以便捷的升级为多光波混沌测距。
附图说明
图1基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置结构组成图；
图2 1550nm波段的光波和毫米波段的电波的大气吸收率；
图3混沌信号的时间序列；
图4混沌信号的自相关轨迹图；
图5光波电波双模式混沌信号发射天线：(a)侧/俯视图，(b)正视图；
图6混沌信号的抗串扰性能测试，当存在不同强度的其他宽谱信号串扰时，回波信号与参考信号的互相关轨迹图：(a)串扰信号和回波信号强度相等的情况；(b)干扰信号强度为回波信号强度的5倍；(c)串扰信号强度为回波信号强度的10倍；(d)串扰信号强度达到回波信号的20倍；
图7本发明的光电波双模方案对云雾干扰的抗干扰性能测试：(a)无干扰下的混沌回波信号与参考信号的相关轨迹图；(b)有云雾干扰衰减10dB情况下的混沌回波光信号与参考信号的相关轨迹图；(c)有云雾干扰衰减100dB情况下，混沌回波光信号与参考信号的相关轨迹图；(d)无云雾干扰的光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图；(e)有云雾干扰衰减10dB情况下的光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图；(f)有云雾干扰衰减100dB情况下的光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图；
图8光电波双模方案对电磁干扰的抗干扰性能：(a)在无干扰的情况下，探测信号为纯混沌电波信号时，回波信号与参考信号的相关轨迹图；(b)在电磁干扰信号比回波信号强10dB情况下的纯混沌电波回波信号与参考信号的相关轨迹图；(c)在电磁干扰信号比回波信号强100dB情况下的纯混沌电波信号与参考信号的相关轨迹图；(d)在无干扰的情况下，光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图；(e)在电磁干扰比回波信号强10dB情况下，光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图；(f)在电磁干扰比回波信号强100dB情况下，光电混合回波信号与参考信号的相关轨迹图。
具体实施方式
为使本方案的优点和技术方案更加清晰，下面结合附图对本发明做详细介绍。
图1为本发明实施例提供的基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置结构组成图，所述装置包括以下四个模块：
模块一：光电双模混沌信号发射单元。该发射单元用于同时产生混沌光波信号和混沌电波信号。产生步骤及原理如下：
首先使用光学注入的1550nm半导体激光器来产生混沌种子波形，所述的半导体激光器的混沌动态可通过以下偏微分耦合方程组来描述：
其中，κcav1和κcav2表示外腔1和外腔2的反馈强度，τcav1和τcav2为外腔1和外腔2往返时间对应的延迟时间，β为线宽增强因子。G(t)＝g(N(t)-N0)/(1+εE(t)2)为增益系数，其中g为微分增益系数，ε为增益饱和系数，N0为透明载流子数。ω0是半导体激光器的角频率，γp是光子损失率。γp＝1/τp，其中τp为光子寿命。τL为半导体激光器腔内往返时间，F(t)为自发发射噪声，J为注入载流子率，τN为载流子寿命。通过τRO＝2π(gE2/τp)-1/2可估计激光器的弛豫振荡周期。具体地，参数可设置为:β＝4,ω0＝1.216×e15rad/s,τp＝4.2ps,τL＝8.5ps,τN＝1.6ns,g＝2×104s-1,F(t)＝0,N0＝1.25×108,ε＝1×10-7。另外，将J设为1.6Jth，τRO≈0.2ns，τcav1固定为3.2ns，κcav1＝0.04。κcav2和τcav2随考虑因素的不同而变化。
本发明采用光波电波双模式的原因如下：电波束的发散角大，利用电波测距的优势主要是传的远，搜索能力强。但其缺点显而易见，容易被相干波干扰，尤其是在复杂环境容易被经典电磁波干扰，精度不是很高。而激光发散角小，优势在于方向准、精度高和角分辨率高，抗电磁干扰能力强，并且定向性很强，但其容易被大气的云雾以及红外光干扰。由此可见，电波信号和激光信号之间存在着互补性。因此在发射端和接收端采用光波电波双模式混合的抗干扰机制，克服了对光波信号或电波信号其中一种信号的干扰，即实现了抗复杂电磁干扰以及云雾等环境干扰，提高抗干扰性能。另外，所采用的发射信号均为混沌状态的信号，由于混沌激光信号是确定性无周期信号，其具有非常高分辨率、明确的相关性曲线、安全检测的可能性、拦截低的可能性以及高电磁兼容性的优点，很好的克服了传统测距串扰问题。
图2给出了混沌光波发射信号以及混沌电波发射信号波长范围的选取依据。从图中可以看出，位于1550nm的光波和0.03m-0.3m的电波大气吸收率极其低，这就意味着该波段对云雾来说几乎是透明的，从而采用波长位于其中的光波和电波能有效提高在高空中对云雾的抗干扰能力，增加在高空中的测距精度。
图3为κcav2＝0.05和τcav2＝3.12ns时得到的混沌状态的时间序列。这种状态的混沌时间序列具有平滑平坦的频谱和复杂的吸引子，因此其具有测距应用所需的良好的相关特性。该状态的混沌时间序列的自相关轨迹如图4所示，可以清楚地看到一个没有明显旁瓣的狭窄的尖刺。
模块二：光波电波双模式混沌信号发射天线。通过该发射天线可同时发射混沌光波发射信号和混沌电波发射信号。
图5是光波电波双模式混沌信号发射天线示意图，(a)为该装置的俯/侧视图，(b)为该装置的正视图。该装置由主反射器和副反射器组成，其中主反射器由抛物镜面反射器与网状面反射器组成，镜面反射器和网状面反射器处于共同的抛物面上，该抛物面满足抛物面标准方程x2+y2-z*a2＝0，其中x，y，z为抛物面在xyz直角坐标系中的坐标值，a为焦距；在本实验中，主镜面的虚焦点F1＝a2/2优化为0.4m，且铝制网状面孔直径为5mm，从而有利于光电信号的综合准直。镜面反射器用于反射光波，网状面反射器用于反射电波，同时使用网状面还有助于减少风荷载。副反射器为旋转双曲面，旋转双曲面有两焦点：一个焦点F1(称为虚焦点)与主反射器焦点F重合；另一个焦点F2(称为实焦点)，副反射器就放置于实焦点F2处。抛物面发射天线用于把来自信号源的光信号和电信号，经发射天线的副反射面和主反射面两次反射后，最终以平面波(也就是平行线)的方式沿天线主轴指向的方向辐射出去。
模块三：光波电波双模式混沌信号接收天线。光波电波双模式信号接收天线与发射天线相同。发射信号经过目标物体反射后，采用光波电波双模式混沌信号接收天线同时接收光波电波双模式回波信号。需要引入一个高精度的延迟调制器以使接收光信号和电信号同步，在本装置中，考虑到实际使用环境的变化情况，延迟差别需要可调节，在实验中优化设定为35纳秒。
模块四：光电双模回波信号处理单元。通过该处理单元可对接收到的回波信号进行提取处理，采用FPGA与参考信号做互相关计算可得到目标物体的位置距离信息。其中FPGA可采用型号Altera cyclone VI ep4ce10f17c8，其性能参数如下：逻辑块数392，宏单元数6272，总比特数270Kbit，输入输出电源电压3.3V，运行频率最大值为472.5MHz。
具体地，光电双模回波信号处理单元如图1所示，该单元与接收天线相连，用于处理混沌光波回波信号和混沌电波回波信号。将接收到的混沌电波回波信号通过电放大器的放大处理后，使用混频器得到原始频率的混沌电波信号。同样对接收到的混沌电波回波信号经过光放大器放大处理后，采用线性探测器(APD,HIAD-1000，带宽2.5GHz)将光信号转换为电信号。通过光电双模回波信号处理单元，得到了混沌光波发射信号和混沌电波发射信号对应的两组回波信号，两组信号的叠加信号比传统单波信号更强，包含更加准确的目标信息。
针对本发明提出的基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，进行了多组相关的实验验证，在多种干扰情况下，最终都获得了极好的测量结果。
实验的参数和方案描述段：半导体激光器的参数温度25.00摄氏度,偏置电流30.0mA；准确发射波长是1553.16nm；被注入激光器的参数：温度20.35摄氏度,偏置电流17.66mA；发射波长是1553.6nm，注入强度约为10％；其中光谱测量使用了光栅光谱分析仪(AQ6317C)，光信号时域特征测量使用了4GH带宽的光电探测器，并用了高速数字存储示波器(DSO9404A，带宽4GHz，采样率20GS/s)来记录分析混沌波形。
图6给出了所提出的混沌系统在面对同类混沌串扰时的抗干扰性能，噪声信号为其他类似的混沌信号。从中可以看出，同类信号强度和回波信号强度相等时，相关峰值达到了0.7左右，回波信号能很容易地被识别出，甚至当串扰信号为回波信号的20倍时，虽然相关峰值降低至0.05左右，信号可以基本被识别。说明本发明方案的混沌雷达测距具有良好的天然抗干扰性能，但是可以预期，当串扰信号为回波信号的100倍时，系统将不能工作。
为了验证电波测距与光波测距之间的互补性，分别进行了在有云雾干扰环境下和电磁干扰环境下的实验。图7为有云雾干扰的实验结果，其中(a)、(b)、(c)是以纯光波混沌信号为探测信号。可以看出，以光波混沌信号探测时，随着云雾导致的光信号衰减的增强，参考信号与回波信号的相关峰几乎消失，探测结果明显较差。(d)、(e)、(f)是光电混合回波信号的探测情况，从中可以看出，尽管云干扰信号衰减增强，但衰减主要是导致光信号的衰减，对于混沌混合电波部分，依然可以透过，这就导致参考信号与回波信号的相关峰仍然明显，从而能比较稳定的工作，。由此可见，光电双模混沌测距方案对于混沌测距在对云雾干扰方面有了显著的提升。
图8在有强电磁干扰环境下的测量结果。其中，(a)、(b)、(c)的探测信号为纯电混沌信号。从结果可以看出，随着电磁干扰的增强，测量相关定位效果迅速变差。说明存在强电磁干扰的环境中，一般的电混沌探测将逐渐无法工作。(d)、(e)、(f)是本发明方案的探测结果，随着电磁干扰的增强，回波信号与参考信号的相关峰值保持明显。甚至电磁干扰增强至100dB时，参考信号与回波信号的相关图中的峰值依旧可见，从而证明了本发明在复杂的电磁干扰环境下的强抗干扰性。
Claims (8)
1.一种基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：包括光电双模混沌信号发射单元、发射天线、接收天线、光电双模回波信号处理单元；
所述光电双模混沌信号发射单元包括超宽带混沌激光源、隔离器、第一功率分配器、第二功率分配器、第一延迟调节器、长焦准直镜、第一线性探测器、第一微波本征源以及混频器；
所述超宽带混沌激光源产生的混沌光波信号经过隔离器隔离掉光学干扰后经第一功率分配器分为两路：一路经第一延时调制器进行延时调节和长焦准直镜准直后经62.5um多模光纤注入发射天线，所述第一延时调制器用于延时调节，以使光信号和电信号同步进入发射天线；另一路经第二功率分配器后又分为两路：一路经第一线性探测器将混沌光波信号高保真地转换为混沌基波后进入混频器，第一微波本征源发射的微波信号在混频器内将混沌基波信号调制成利于长距离大气传播的混频混沌电波信号后，经3.5mm同轴电缆注入发射天线部分；另一路进入光电双模回波信号处理单元作为参考信号；
所述发射天线包括主反射器和副反射器，所述主反射器由镜面反射器和网状面反射器组成，其中镜面反射器用于发射混沌光波信号，网状面反射器用于发射混沌电波信号，镜面反射器和网状面反射器处于共同的抛物面上；所述副反射器的虚焦点和主反射器的焦点重叠；
接收天线与发射天线的参数完全相同；
所述光电双模回波信号处理单元包括电放大器、光放大器、第二线性探测器、第二微波本征源、混频器、第三线性度探测器、第二延迟调节器、FPGA；接收天线将接收到的混沌电波回波信号通过3.5mm同轴电缆注入光电双模回波信号处理单元中的电放大器进行放大处理后，然后将第二微波本征源发射的微波信号与放大后的混沌电波回波信号通过混频器解调后还原为基频混沌电波信号；同时，接收天线将接收到的光波混沌回波信号通过62.5um多模光纤注入光电双模回波信号处理单元中的光放大器进行放大处理，经第二线性探测器将光信号转换为电信号，并经过第二延迟调节器进行时间延迟调节；最后，两组接收信号同时进入FPGA中融合，并与第三线性探测器探测到的参考信号进行相关计算分析，得到目标的距离准确值。
2.一种根据权利要求1所述基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：设定第一延时调制器时延参数为235纳秒。
3.一种根据权利要求1所述基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：镜面反射器和网状面反射器所处的共同的抛物面满足抛物面标准方程x2+y2-z*a2＝0，其中x，y，z为抛物面在xyz直角坐标系中的坐标值，a为焦距。
4.一种根据权利要求1所述基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：镜面反射器的虚焦点F1＝a2/2为0.4m。
5.一种根据权利要求1所述基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：网状面反射器的材质为铝，网状面孔直径为5mm。
6.一种根据权利要求1所述基于宽带混沌相关法的光电双模抗干扰测距装置，其特征在于：第二延迟调节器的延时参数根据具体目标远近进行调节。
7.一种基于权利要求1所述装置的抗干扰测距方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1光电双模混沌信号发生器产生的波长为1550nm左右的混沌光波信号和波长在0.03m-0.3m之间的混沌电波信号经发射天线照射到目标上；
S2经过目标物体反射后，在接收端通过接收天线接收回波信号；
S3光对回波信号进行放大处理，与参考信号做互相关计算，得到目标的距离信息；具体如下：
假设混沌电波发射信号x1，对应回波信号为y1＝x1γ,其中γ为微波域的吸收率；混沌光波发射的信号为x2，对应的回波信号为y2＝x2η，其中η为光波域的吸收率，则回波信号Y为：
Y＝y1+y2＝x1γ+x2η
其中回波信号y1和y2均为混沌信号；光电双模回波信号处理单元收到目标反射的回波信号Y后，通过放大处理，再与参考信号进行对比获得延迟时间，进而得到目标的位置距离信息。
8.一种根据权利要求7所述的抗干扰测距方法，其特征在于：如果信号传播路径的光吸收率η太大，通过提高电波发射信号x1的发射功率来获得足够强度的回波信号强度Y。
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