提高脉冲激光测距能力的方法探讨

龙源期刊网提高脉冲激光测距能力的方法探讨作者：张灏烨来源：《中国科技纵横》2016年第12期【摘要】由于激光具有高亮度和方向性、单色性好等特点，因此激光测距技术在国防和民用领域中正发挥着越来越重的作用，如何有效提升测距能力已成为研究的热点。本文根据影响测距能力的主要因素分析，结合机载远程激光测距系统面临的技术难点，提出了提高激光测距系统测程的技术途径，对机载激光测距机研制和性能提升具有一定的参考价值。【关键词】激光测距单光子多脉冲相关检测激光测距具有方向性好、测距精度高、抗干扰能力强等优点，它能迅速、准确地获得目标的距离数据，对提高防空、海上作战，中近程精确打击及攻击武器的命中精度方面起关键作用。然而，由于大气环境的制约和国内激光测距技术发展水平的限制，对非合作目标的作用距离一般为数百米至数十千米。因此，虽然激光测距技术具有很多优点，但在国内机载雷达装备中仍处于辅助地位。这主要受限于目前作用距离较短，无法较好的满足作战使用要求。而随着新一代防空、防天、反导武器系统和作战体系的发展，作战对象由对地攻击战斗机和近程导弹扩展到对远程奔袭作战飞机、巡航导弹、远程弹道导弹和空间轨道目标。作为远程目标预警探测、监视、跟踪、识别传感器系统重要组成部分的激光测距机，其探测距离也需延伸至数百公里，这无疑对激光测距机提出了严峻的挑战。因此，通过分析影响激光测距距离的因素来研究可有效提高激光测程的方法十分必要。1国内外现状1961年美国就成功的研制了世界上最早的红宝石激光测距系统，1969年美国又首次将激光测距系统应用于坦克火控系统。自上世纪80年代以来，激光测距的发展趋势为：①人眼安全；②小型化、标准化和固体组件化；③与其它光电仪器集成化；④研制远程激光测距机[1]，其中，提高测距距离是重要趋势之一。美国在90年代开始大力研究由红外搜索/跟踪（IRST）和激光雷达组成的主动/被动相结台的光电预警探测传感器系统。其“眼镜蛇球”（CobraBall）预警机（RC-135C）加装了测距能力达400km以上的YAG激光测距机，并于1998年服役。由美国林肯实验室和海军空战中心为其战区导弹防御系统研制的“门警”系统（Gatekeeper）也采用了IRST加激光测距系统的体制，其激光测距机采用Nd：YAG激光泵浦的KTP光参量振荡器（OPO）作辐射源，工作波长1.57μm，脉冲能量600mJ，脉宽10ns，探测器为InGaAsAPD，作用距离100～1000km。国内在激光测距技术上起步较晚，兵器209所、航天8358所等研究院所也已成功研制出应用于各种装备平台的激光测距机，但在工程可靠性和远程测距方面与国外装备仍有不小差距。龙源期刊网影响测程的主要因素分析对远距离小目标激光脉冲回波接收功率方程为：从测距方程可以看出，影响激光测距能力的主要因素有激光器性能（脉冲能量、脉宽等）、束散角、接收口径、系统发射接收光学效率及回波信号处理能力等。3提高测程可采用的方法从影响测距能力的因素来看，可提高测距距离的方法有：（1）提高激光光源脉冲功率。随着半导体泵浦固体激光器的日益成熟，由于其具有总效率高、寿命长、能量损耗较低、热负载较少、频率和输出功率稳定性高等优点，已逐步取代了传统的氙灯泵浦激光器，相同的尺寸和功耗下，脉冲输出功率有了一定提高。虽然半导体泵浦固体激光器的转换效率可达20%以上（传统灯泵激光转换效率约5%左右），但受机载使用时空间尺寸及重量的限制，追求高能量高重频激光输出时，仍要面临散热问题，通过提高脉冲功率对测距提升作用有限。（2）加大接收光学系统口径。加大光学系统接收口径无疑可以增加激光回波接收率，从而提高作用距离，但测距机的体积、重量也会随之增加，而这往往会受到设备装机条件的限制，所以只能根据实际应用平台条件适当增大接收口径，不能对测程提升带来质的飞跃。（3）提高探测器灵敏度。通常测距系统采用工作于线性模式的雪崩光电二极管（APD）作为接收探测器。Si-APD和InGsAs-APD响应度一般为0.5～0.7（μA·μW-1），APD暗噪声水平随温度升高而增加[3]，因此采用制冷型APD可有效降低探测器暗噪声，从而提高测距距离，但APD的最小可探测功率一般为nW量级，一般无法达到上百甚至数百公里测距距离的灵敏度要求。近年来盖革模式的单光子探测器发展迅速，因其具有单个光子级的探测灵敏度，是未来远程激光测距机传感器应用的重要方向。在盖革模式下的雪崩光电二极管（SPAD）的工作电压稍高于击穿电压，这时反向电压的增大会导致反向电流的急剧增大。只有在盖革模式下，雪崩因子M才能大到足以捕捉单个光子，这样的灵敏度是线性探测器所难以达到的，因此可以获得比线性测距系统更远的作用距离。但目前单光子激光测距技术仍处于研制阶段，发展还不是很成熟。它对激光器的重频、线宽等提出了更高的要求，同时由于其超高的灵敏度，在激光发射时光学器件上产生的散射光、闪烁效应等，即使是很少量的光，其强度就足以使探测器致盲甚至损坏[2]，所以光学系统的杂散光处理以及实际使用中的温度控制、偏置电压的控制等工程化问题还有待进一步发展和解决。总之，通过使用制冷型APD器件或盖革模式的单光子器件，提高接收探测器的灵敏度，是未来测距传感器应用的趋势，也是提升测距距离的有效措施之一。龙源期刊网（4）压缩激光脉冲束散角。作用距离R反比于（θt）1/2，因此采用激光扩束光路压缩束散角的措施效果突出，但束散角越小，对系统跟踪瞄准精度的要求随之增加，因此受限于光电系统跟瞄精度。（5）激光发射接收光学效率。一般机载测距机采用红外、激光共孔径设计，激光发射接收光学效率受限于系统设计参数及目前光学元件的镀膜水平，效率一般在0.5～0.7，改善的余地不大。（6）回波信号处理提高信噪比，进而降低最小可检测信噪比。上述前五种方式受限于实际应用中体积、重量要求、激光器研制水平、探测器性能及受系统跟瞄精度和准测率的约束。一般激光测距机使用极窄的激光脉冲，发射脉冲宽度仅为几ns，经大气传输展宽后的回波脉冲的宽度也只有二、三十ns，而且激光回波信号很弱，容易淹没在强噪声中，因此，激光回波信号的检测成了一个关键的问题。传统阈值比较法检测激光回波信号，它将激光回波信号与阈值相比较，如果回波信号的幅值大于阈值，那么该信号为目标，否则为噪声。这种测距方法只能工作在大信噪比的条件下，一般信噪比在10以上，影响激光测距机的作用距离和测量精度。而通过信号叠加和波形匹配数字滤波，以及多帧目标信号相关检测等回波信号处理方式，从信噪比上提高信号提取能力，潜力大，可大幅度提高测距能力。多脉冲累加能明显提高信噪比，这种信号积累算法是应用于雷达信号检测和处理的经典算法，在微波雷达领域该技术已经成熟，并得到广泛应用。随着高重频半导体泵浦固体激光器和高速A/D采样、DSP等数字信号处理技术的发展，多脉冲技术已成功应用于远程激光测距机中。如前文中提到的“门警”系统中，最早应用了多脉冲激光测距技术，采用每组3个脉冲，脉冲间隔8ms。多脉冲测距技术实现的基础是激光器的发射方式，不同于常规单脉冲激光测距，它每次发射一串脉冲间隔为几百μs的脉冲，并通过对接收的脉冲串激光回波信号进行相关处理后得到目标距离[4]。目标激光回波的时间相关性主要取决于相邻脉冲的间隔，相邻脉冲信号的时间相关性从相邻两个激光脉冲回波信号相对发射信号（主波）的时间差△t来确定：△t=2v×tp/c式中，v为目标相对测量点的视线距离变化速度；tp为相邻两激光脉冲时间间隔；c为光速。对于飞行速度为2Ma的目标来说：tp取300μs，则由上式得出△t=1.36ns，远小于激光信号宽度（一般10ns以上），可有效地实现对回波信号的相关处理，如对数字采样信号进行迭加和根据多次回波迭加后的波形特征进行波形匹配滤波，可以将信噪比提高数倍。龙源期刊网）信号迭加。把脉冲回波信号按照周期进行同步迭加，利用信号的相关性和噪声的不相关特性，抑制噪声，提高信噪比。迭加后的信噪比为：，式中，为单脉冲激光测距的信噪比，n为累积次数，由此可见，经过n次累积后的信噪比为单个脉冲回波信噪比的倍。2）波形匹配数字滤波。将信号迭加处理后，进一步采用波形匹配滤波，将与标准波形差异大的噪声滤掉。式中，Bk（iτ0）为自相关函数，σ为噪声均方根噪声值。对于多脉冲测距系统，由于原始噪声脉宽比多个回波信号迭加后的脉宽小得多，而采样频率周期与电路响应时间相近，因此，上式第二项相对第一项小得多，可以忽略，所以滤波后的噪声均方值可以认为等于。3）多帧目标信号相关检测。在对单帧（一个脉冲串目标信号为一帧）脉冲串信号进行相关处理的基础上，进一步采用多帧目标信号相关处理来剔除假目标，降低检测阈值和提高检测概率。多帧目标信号相关检测，是将当前检测出的目标信号的特征参数与目标链中存储的潜在目标的特征参数进行比较的过程。若当前预选目标与目标链中的某一潜在目标特征参数之差小于允许门限，则认为两者是匹配的，属于同一目标。通常以最小可探测功率来衡量激光测距机的探测能力，使用上述理论分析，多脉冲测距相比单脉冲测距，最小可探测功率可增加1个数量级以上，因此可在不增加系统体积重量等前提下，显著提升测距距离。而高速AD和DSP器件发展，也为多脉冲测距技术的实际应用提供了硬件实现基础。图1为多脉冲激光测距系统原理图，采用数字信号处理器（DSP）+现场可编程逻辑门阵列（FPGA）的结构，处理能力强大，可满足多脉冲激光测距的实时要求。4结语本文针对影响测距能力的主要因素进行了分析，对各种提高测程的方法进行了探讨，重点对从提高回波信号处理能力方面提升测程的方法进行了梳理。随着电子技术不断发展和工艺生产技术提升，远程激光测距技术将越来越成熟。在未来现代化战争或局部战争中，远程激光测距技术在精确制导、光电预警、综合火控、目标探测跟踪等方面将发挥越来越重要的作用。参考文献：[1]许中园，孙胜利，陆卫.基于单光子技术的激光测距系统几个问题的讨论.激光与红外，2008（38）：531-534.龙源期刊网[2]于彦梅.激光测距机及发展趋势.情报指挥控制系统与仿真技术，2002（8）：19-21.[3]谭显裕.脉冲激光测距仪雪崩光电探测器最佳工作状态和接收灵敏度研究.光电子技术，2001，21（2）：129-137.[4]钟声远，李松山.脉冲串激光测距技术研究.激光与红外，2006（36）：797-799.龙源期刊网