基于目标波形模型的多脉冲激光雷达目标信号模拟

多脉冲激光雷达发射数个至数百个高重频激光照射目标,利用多脉冲回波累加实现信号积累。多脉冲激光目标检测性能的验证需要基于目标回波波形模型的动态目标信号模拟。脉冲激光目标回波波形可以由激光发射、信道传播、目标反射等环节之间的卷积传递关系加以建模。文中首先通过建立各环节的数学描述得到了回波波形的连续卷积模型。接着,针对积分解析模型不利于工程实现的问题,基于发射脉冲距离分辨单元提出了离散算法实现特定外形目标激光回波波形序列的直接计算。结合远程飞机目标的回波信号仿真,指出了回波波形与目标特性的内在联系,并通过实验进行了可信性验证。最后,应用文中模型及方法给出了多脉冲激光雷达动态目标模拟器的研制实现,为开展多脉冲激光目标检测研究提供必要的验证测试条件。     

低信噪比下机载多脉冲激光雷达姿态不敏感性特征提取研究

针对纳秒量级脉宽机载多脉冲激光照射目标的回波波形,提出几何分割比这一目标姿态不敏感特征,给出了特征提取算法,可用于与激光目标运动状态结合开展目标检测与跟踪。首先,基于激光目标波形数学模型分析目标波形与目标特征的关系,指出激光目标的几何分割比特征具备姿态不敏感特性。接着,结合目标特征提取对目标波形和噪声不失真分离的要求,提出在小波域利用对称小波基进行改进Donoho阈值降噪处理,在时域利用小波重构信号阈值获取目标波形序列,再由一阶二阶差分计算检测目标波形峰值点,进而提取激光目标散射中心及几何分割比等特征。最后,通过仿真实验验证算法在低信噪比下提取激光目标特征信息的有效性。在与机载多脉冲激光目标模拟器联试实验中,利用文中算法提取激光目标特征结合目标的运动状态信息,开展多帧相关匹配检测,多脉冲激光目标检测的可靠性明显提高。     

低信噪比下机载平台多脉冲激光测距机目标回波降噪算法

针对远距离飞机目标,机载多脉冲激光测距机通常采用数字化处理体制,影响其测距精度的因素包括发射激光脉冲宽度的距离分辨率、大气传播及目标反射特性造成的波形展宽、回波信号接收处理通道的非线性相频特性等。数字化采样率、回波信号降噪、目标峰值点位置估计等数字化处理过程引起较大的目标距离定位误差。提出了基于经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）和重构的回波降噪方法,首先对脉冲激光目标回波波形进行建模,然后分析了现有数字化回波降噪算法的性能及其对定位精度的影响。实验结果表明,所提方法可以准确提取目标峰值点位置,改善激光测距机的目标定位精度。     

地面目标激光回波特征实验研究

对地观测激光扫描成像直接利用激光回波信息生成目标的灰度像，进行目标分类识别，因此，需要研究并建立激光回波特征与地面目标特征之间的关系模型。运用对地观测激光成像原理试验系统的实验结果分析了地面目标的脉冲激光回波的功率与波形等主要特征，探讨了目标后向散射率特性。通过机载信息获取与数据处理得到了由激光回波生成的局部区域灰度像，并且与被动红外成像结果的比较初步得到了地面目标与其激光回波特征之间的关系，从而为地面目标的激光三维成像与分类识别提供了部分技术支持。     

步进调频宽带雷达距离扩展目标频域检测算法

论文研究高斯杂波背景下步进调频宽带雷达的距离扩展目标检测问题。根据步进调频宽带雷达目标高分辨距离像的特点,提出一种基于回波功率谱的距离扩展目标频域检测算法。该算法无需对目标抽取形成1维距离像,直接利用目标高分辨距离像功率谱与杂波功率谱的差异,在频域实现了距离扩展目标回波能量的积累。推导了算法的检验统计量,给出了虚警概率的表达式。最后通过Monte-Carlo仿真验证了算法的检测性能。仿真结果表明该文的目标检测算法较目标抽取后的检测算法在检测性能上有明显提高,同时其检测性能也优于同条件下基于视频积累的距离扩展目标检测算法,并且具有良好的鲁棒性和工程可实现性。     

基于对称小波降噪及非对称高斯拟合的激光目标定位

针对数字体制机载多脉冲激光测距机信号处理算法引入测距误差的问题,提出减少脉冲激光回波波形失真的降噪算法以及改善激光测距精度的校正措施,可用于脉冲激光目标的精确定位。结合数字体制多脉冲激光目标检测过程分析数字信号处理算法引入的测距误差,指出信号采样率限制了目标定位的距离分辨率,低通滤波环节的非线性相频特性是造成波形失真、峰值点偏移的主要因素。然后,针对这些问题给出了改善多脉冲激光目标定位精度的具体算法:基于对称小波基实施回波信号小波分解,利用改进Donoho阈值处理小波系数,用以减小重构目标波形峰值点位置的偏移;采用差分组合函数搜索目标回波的峰值点,基于非对称高斯脉冲模型进行高采样率拟合,对峰值点位置加以校正,改善定位的精确性。通过仿真选取合适的小波基,对比不同算法信噪比改善及峰值点定位的性能。在室外高塔开展消光比激光测距实验,结果显示信噪比为1.5的激光目标定位精度小于2m,验证了多脉冲激光目标精确定位算法的性能。     

跟踪信息辅助的扩展目标检测

雷达带宽增加带来的回波信息增量,能够更准确地辅助环境感知并获取目标信息。但是,雷达带宽的提高通常会造成目标回波在距离维的扩展,进而造成目标回波能量的分散,使单个距离单元的回波信噪比下降,不利于目标的远距离探测。此时,通过融合连续多个距离单元的回波进行检测能够提升目标探测性能。为了更充分地利用目标回波信息设计融合检测器,文中结合认知探测的思想,利用跟踪状态下的目标先验信息设计了跟踪信息辅助的扩展目标检测算法。本算法首先基于扩展目标的跟踪信息预测目标位置及其回波在各距离单元的分布,再基于预测信息设计融合检测器,以此实现从跟踪到检测的闭环,更充分地挖掘和利用了历史目标回波信息。实验表明：所设计的跟踪信息辅助的扩展目标检测算法相较于传统扩展目标检测算法,能够提升目标检测性能,推远雷达对目标的有效跟踪距离。     

动目标检测与速度估计仿真研究

介绍了雷达信号处理技术中的脉冲压缩、动目标检测、脉冲多普勒处理和恒虚警检测技术,并对雷达发射波形、目标回波、动目标检测进行了Matlab仿真。对脉冲回波信号进行脉冲压缩与动目标显示得到动目标脉压信号。利用动目标显示和脉冲多普勒处理实现脉压信号的动目标检测,并得到脉冲多普勒数据块。在数据块的距离维上进行恒虚警检测,检测动目标的距离,然后提取对应距离门的多普勒数据,检测动目标的速度。通过仿真建立了雷达信号处理的基本框架,为雷达系统建模及其仿真的深入研究提供了仿真支持。     

基于一维距离像的目标识别方法

基于飞机目标高分辨一线距离像,给出了一种目标识别方法。首先,在研究了高分辨距离像的相关匹配算法后,给出了在单极化条件下的五种飞机目标回波的识别结果;而后,基于全极化高分辨雷达,提出了一种利用目标极化信息一维距离像的综合识别方法。实验结果表明,该方法具有高的识别率和强的抗干扰能力。     

一种机载脉冲激光雷达回波模拟设备

传统的激光雷达测距机信号处理能力的评估需要激光器、光学系统和探测器等设备的配合,为简化该评估方法,研制了一种机载脉冲激光雷达回波模拟设备。通过分析脉冲激光雷达回波特性,建立了回波数学模型,指出了衡量测距性能的关键参数。以模型为理论依据,以距离、信噪比等参数为输入,采用软件算法生成波形数据并存储于PC机,通过硬件电路将波形数据处理输出,形成模拟激光回波。实验证明,该设备可模拟目标最远40 km,信噪比最小为2的回波,其中,目标距离模拟误差在0.95‰内,信噪比平均模拟误差为13.3％,该设备工作稳定可靠,满足使用要求,极大地简化了激光雷达测距机信号处理能力的性能测试。     

基于激光动态探测机理的目标回波特性

针对激光近程全向动态探测问题,基于激光动态扫描探测机理,在激光近场探测理论基础上,推导出基于激光动态探测机理的目标回波轮廓波形方程,分别从理论推导和实验分析两方面入手,研究了目标回波特性影响机理。结果表明:随着发射功率的增加,回波信号幅值提升幅度较大,脉宽压缩；随着激光发射脉宽的增加,回波信号幅值呈现快速下降,且脉宽展宽；随着光束发散角的提高,回波幅值缓慢降低且脉宽展宽；随着目标距离的增加,回波信号幅值迅速降低且脉宽展宽。     

扩展目标光子测距回波特性及误差研究

光子测距具有灵敏度高,探测距离远的特点,目标形状和姿态对光子测距的影响不可忽略。针对扩展平面、球面和非球面三种典型目标,建立了扩展目标光子探测回波概率分布模型,推导出不同倾斜角下混有时空分布的光子回波概率分布一般方程。实验表明,扩展平面的光子回波概率分布与数值计算结果一致。理论仿真分析了扩展目标的光子回波概率分布特性,讨论了光子测距误差与扩展目标类型和倾斜角间的变化规律。结果表明:平均回波光子数为3.9,目标处激光光斑半径为0.2m,倾斜角小于20°时不同扩展目标间的光子测距误差小于1.23mm;光子测距误差随着目标倾斜角的增大逐渐增大,且扩展平面目标测距误差受倾斜角影响最大。     

基于阵列激光波形特征识别的激光引信抗干扰方法

针对激光引信易受云雾等气溶胶环境的干扰问题,提出了一种基于阵列激光波形特征识别的抗干扰方法。根据脉冲激光在气溶胶环境的散射特性,理论分析了发射脉冲宽度以及视场角对系统在干扰环境中目标识别的影响,仿真了目标处于干扰环境中的波形时域特征,并通过实验样机对仿真结果进行实测验证。基于回波波形特征,设计了一种窄视场阵列激光回波特征数字化识别的探测系统方案,并通过虚拟样机仿真技术获取了2°分辨率的目标和云雾的回波阵列数据。数据分析结果表明,由于目标形体和云雾弥散体的物理差异,目标回波阵列的能量方差极值及均值都大于云雾,通过设定帧内回波阵列的能量方差的阈值和帧间方差累计的方法能有效提升激光引信抗干扰性能。文中的仿真和实测结果都为基于阵列激光波形识别的抗干扰方法的有效性提供了理论和实验依据。     

数字化脉冲激光引信探测系统设计与信号处理

针对以往模拟脉冲激光引信探测系统存在的测距误差较大的缺点,为进一步提高脉冲激光引信的测距精度,设计了一种数字化脉冲激光引信探测系统.该探测系统包括发射、接收和信号处理3部分,其中信号处理部分主要实现脉冲回波信号的高速实时采样与缓存、信噪比增强与时延估计.采用双通道ADC并行采样,实现了以200 MHz的等效采样频率对脉冲回波信号进行高速采样.当脉冲回波信号很微弱时,采用多脉冲相干平均算法提高了其信噪比,增强了对微弱回波信号的检测能力.通过最小二乘时延估计算法得到了回波时延,进而计算得到目标距离.测距实验结果表明:该探测系统测距精度较高,最大测距误差为0.25 m.     

主动探测回波激光脉冲时域特性

利用猫眼效应原理实施目标主动探测,能够快速、准确发现空间光学侦察设备。激光脉冲辐照不同的反射目标,产生回波经大气传输后具有不同的脉冲展宽,利用该特性可实现对不同目标的识别和定位。利用光子散射理论分析了近地面气溶胶散射效应引起的脉冲展宽,给出了影响脉冲展宽的主要因素,建立了猫眼和漫反射背景回波脉冲展宽的计算物理模型;为验证模型,设计并实施了基于飞艇平台的动态主动探测验证实验,实验结果表明:激光脉冲经过8～10 km斜程大气传输,猫眼和飞艇背景漫反射回波分别展宽了20～30 ns和90 ns,与物理模型计算值具有较好的一致性,验证了物理模型的正确性,该模型可为区分和提取猫眼回波信号提供理论依据。     

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。     

基于小波分析的脉冲激光回波信号分离方法北大核心CSCD

针对脉冲激光引信易受战场烟尘粒子后向散射回波干扰的问题,提出了一种基于小波分析的激光回波信号分离方法。通过Mie散射理论和蒙特卡洛方法,建立烟尘环境脉冲激光传输与接收理论模型,模拟含有噪声的激光回波信号。在回波信号分离过程中,首先通过基于阈值的小波去噪方法,去除激光回波信号噪声。再采用峰锐化算法提高回波信号的峰分辨率,解决波峰重叠度过高的问题。最后,对锐化后的回波信号进行连续小波变换,得到波峰峰位参数,并根据峰位值求解出最佳高斯拟合波形,得到峰强及峰宽信息。实验结果表明,利用连续小波变换求解出的回波峰位值偏差在7.9%之内,通过高斯函数拟合得到的峰宽值误差小于2.71%,峰强值误差小于1.82%。该方法通过对烟尘环境脉冲激光回波进行解析实现目标反射回波和烟尘后向散射回波的有效分离,可为实际战场环境脉冲激光引信抗烟尘干扰提供理论参考。