【doc】脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术研究

【doc】脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术研究 脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术 研究 第28卷第4期 2007年4月 兵工 ACTAARMAMENTARII Vo1.28NO.4 Apr.2007 脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术研究 桑会平,邓甲昊,胡秀娟 (北京理工大学机电工程学院,北京100081) 摘要:回波检测是脉冲激光引信工作的关键环节之一.其基本的数字检测方法是对微弱脉冲 信号多点采样并求和后利用信号的相关性和噪声的非相关性来提高输出信噪比.在分析了多脉冲 积累特点的基础上,研究了单脉冲积累方法,提出了复合积累方法.探讨了诸积累方法的优缺点, 并进行了仿真,仿真结果与理论分析相吻合.最后给出了复合积累方法的原理框图和软件流程图. 关键词:信息处理技术;激光引信;激光脉冲;微弱信号检测;相干积累;数字信号处理 中图分类号:TJ439.2文献标志码:A文章编号:1000—1093(2007)04.0420—05 StudyonDigitalDetectionTechniqueofWeakEcho SignalsinPulseLaserFuzes SANGHui—ping,DENGJia-hao,HUXiu—juan (SchoolofMechatronicsEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,Chi na) Abstract:Thedetectionofechosignalsisanimportanttechniqueinpulselaserfuzes.Thebasic methodofdigitaldetectionofweaksignalsisthat,throughmultipointsamplingandsumming,the outputSNRisimprovedbymakingcorrelationbetweenechosignalandtransmittingsignalaccording totheautocorrelationtheory.Onthebasisofanalyzingmultiple— pulseaccumulationmethod,thesin— glepulseaccumulationmethodwasstudied,moreoverthemultiplexaccumulationmethodwasputfor— ward.Thedifferencesofaboveaccumulationmethodswerediscussedandthesimulationswerecarried out.Theresultofsimulationconsistswiththeoreticanalyzing.Theblockdiagramandflowchartwere givenintheend. Keywords:informationprocessing;laserfuze;pulselaser;detectionofweaksignal;coherentaccu— mulation;digitalsignalprocessing 0引言 激光不受外界电磁场和静电感应的影响,没有 无线电体制中的电子干扰问题.激光光束的方向性 非常强,几乎没有旁瓣,束散角非常小,因而具有很 好的空间方位选择性.鉴于这些优点,激光在武器 系统中的应用日益广泛.脉冲激光引信利用脉冲持 续时间短(一般为纳秒量级至微秒量级),能量在时 间上相对集中,瞬时功率大的特点,可实现较远距离 收稿日期:2005—10—31 基金项目:国家部委预研项目(40201070304) 的测量.与连续波体制相比脉冲体制具有结构简 单,易于实现等优点,因此更具有工程实用价值.本 文所研究的脉冲激光引信的作用是实时测量发射脉 冲和目标反射回波脉冲的时间差,然后根据光速计 算出距离,达到合适的距离时发出起爆信号引爆战 斗部.因此,回波测量是脉冲激光引信工作的一个 关键环节. 传统的脉冲回波检测采用模拟方式直接进行阈 值比较.这种方式仅适用于回波信号较强(SNR> 第4期脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术研究421 5)的情况[.当回波信号很弱,甚至低于噪声时, 直接阈值比较方式无法进行检测.现代数字信号处 理理论和电子技术的高速发展为微弱信号检测数字 化提供了理论基础和工程手段.采用数字的方法可 以进一步提高微弱信号检测能力[]. 1微弱脉冲信号检测技术在脉冲激光引信 中的应用 微弱信号检测技术的主要任务是提高信噪比, 从而能在强噪声中检测出有用的微弱目标回波信 号.提高信噪比对于激光引信的探测有着重要的意 义.激光引信探测距离_4] R=(1) 式中:R为探测距离;P为激光器发射功率;P为 激光探测器接收功率;r为发射光学系统总效率;r 为接收光学系统总效率;P为目标反射率;A为接 收器有效通光面积;r为大气透过率;a为探测方 向与朗伯面法线夹角. 微弱信号检测的作用是降低最小可检测接收功 率P.从(1)式可看出:发射功率P一定时,P的 降低可以提高探测距离R;探测距离R一定时,P 的降低可以降低对发射功率P的要求. 若被检测信号是频域信号(如正弦波),利用相 关接收进行频域窄带化是一种有效手段.但是,脉 冲信号的频率成分十分丰富,没有正弦信号所具有 的明显的时频对应关系,此时不能用锁相放大器等 频域方法处理.故淹没于噪声中的快速变化的微弱 脉冲信号的检测,须在信号出现的时间内将时间分 成若干时间间隔,然后对这些时间间隔的信号进行 测量.并加以累加_5J. 2多脉冲相干积累方法 多脉冲相干积累方法的基本原理是对多个脉冲 采样.将其结果依据脉冲的相对位置对应相加,最常 采用的是线性累加方法_6J. 设被测信号为z(f)=s(f)+(f).其中:s(f) 是有用脉冲信号,其幅度为A;(t)为零均值高斯 白噪声,有效值(均方根值)为,为各态遍历平稳随 机过程.共作N个脉冲相干积累,每个脉冲采样 M点,采样间隔为?f,则第i=0,1,…,N一1个脉 冲的第i=0,1,…,M一1个采样值为 z(t+j&t)=s(t+J?f)+(t+J?f).(2) 式中:t为第i个脉冲的采样起始时刻,相干积累要 求其为定值,即不同脉冲的采样起始时刻相同.(2) 式简记为 z=+.(3) 将每个脉冲的M点采样值经模数转换后存贮 在存贮器中.与上一个脉冲的M点采样值对应相 加,N个脉冲全部采样完成后,第J点的累加和为 —N1N,1 N ?z巧=?s+?巧.(4)=0i=0i:0 根据相干性,对于确定性脉冲信号s(t),N次 N一1 累加后的幅度会增加N倍,故?s=NA.而噪声 的幅度是随机的,累加的过程不是简单的相加,只能 I-,N一1,91 从统计的角度分析.记;=EI【?)I,则有一i:0一 矗=E[(0J+1+…+(N一1))]= ,N1,广N一2N一11 E【?)+2EI??nij幻I.(5) 根据高斯白噪声的性质可知f和f(i?是 互不相关的,故(5)式右边的第2项为零.则 ,N1 ;=E(?2)=Na.(6)i=0 故(3)式为 N .——— - — 1 ., ?xi)=NA+?Na.(7)i=0 定义输入信噪比为SNR=,可知经多脉冲 相干积累后的输出信噪比为 SNRo::SNR.(8) ?』 可见输出信噪比提高了?N倍,用上述模型对 多脉冲相干积累信噪比改善情况进行计算机仿真得 出的结果如图1所示. 图1(a)为噪声淹没下的信号,此时已看不出脉 冲信号的形状,图1(b)(C)(d)(e)是分别经N=10, 50,100,1000次相干积累后的结果,可以看出,随着 积累次数N的增加,信噪比逐渐提高. 通过前面的分析和仿真结果可知多脉冲相干积 累方法可以有效地提高信噪比.受相干性的要求, 多脉冲积累必须确定信号的相对起始位置,故需要 有同步信号的控制.此外,积累时间也需考虑.如 某种典型的激光器脉冲重复率为10kHz,若进行 1000个脉冲积累则需10S的时间,远远不能满足激 光引信的实时性要求. 3单脉冲积累方法 单脉冲积累方法是对一个脉冲周期内的采样值 422兵工第28卷 1 一 1 一 粤 1 一 } 一 警 一 采样点 (a)淹没在噪声中的信号(SNR=0dB) (a)Signalsubmergedbynoises(SNR=0dB) 采样点 fb1N=10 采样点 (c)N=50 采样点 fd1N=100 采样点 (e)N=1000 图i多脉冲相干积累法信噪比改善情况 Fig.1Signal—to-noiseperformanceimprovedbymultiple pulsecoherentaccumulation 累加,等效于用一个滑动滤波器对信号作滤波处理. 其实质也是利用信号的相关性和噪声的非相关性提 高输出信噪比.归一化的滤波器表达式如下: ):'(9) IU,县匕. 设厂为采样频率,r为脉冲宽度,则为脉冲 的采样点数.滤波器的长度有三种可能的选择:L< r厂s;L=r厂;L>r厂s.取r厂s=20,分别取L=10, 20,40,经仿真得出滤波器对单个理想脉冲信号的处 理结果如图2所示. 从图2(b),(C),(d)可看出,理想脉冲信号通过 滤波器后其幅度主要部分提高了.图2(b)幅度最 低,这是因为当L<r时信号不能全部进入滤波 器,其输入信息未被充分利用.图2(d),L>时 输出信号的宽度最宽,存在信息的冗余.图2(c), L=r厂时的滤波器为匹配滤波,其输出三角波顶点 处的幅度最大,这是输入信号完全进入滤波器时的 输出情况,其输入信息可被充分利用,且不存在冗 余,这是较为理想的情况. 1.0 之 0.5 O 2O 之 1O O 4O 之 2O 粤 O 4O 之 2O O 2004006008001000 采样点 (a)理想脉冲信号 (a)Normalizedidealpulsesignal 2004006008001000 采样点 fb)L=10 2004006008001000 采样点 fc1=2O 2004006008001000 采样点 fd1L-MO 图2不同宽度滤波器对理想脉冲信号的处理结果 Fig.2Theresultsofidealpulsesignalprocessedbyfilter withdifferentbandwidth 由于脉冲激光引信微弱回波数字检测通常采用 阈值比较法,所关6-的是信号的幅度而不是信号的 形状.故波形的改变不影响检测. 单脉冲积累通常选择L:r厂,由于采用阈值比 较,故分析其最大信噪比即可.设输入信号的模型 和多脉冲积累相同,则滤波后输出的三角波顶点处 信噪比最大,即 LLL ?x(t)=?s(t)+?(,)=+.= 1=1=1 (10) 可见最大输出信噪比提高了L倍,结果与多脉冲 积累是相似的.当L=N时2种积累方法的处理 效果相同.这是因为,对于理想脉冲信号,多个脉冲 的采样和一个脉冲内的多点采样,其采样值是相同 的. 一 般激光脉冲回波形状,其前后沿都不是很陡, 近似为钟形脉冲.图3是文献[7]中实测的激光脉 冲回波波形. 根据傅立叶分析可知,理想矩形脉冲可看作是 由许多谐波成分叠加而成.在矩形脉冲从发射到接 收的信号传输过程中,通道的低通特性会将一些高 第4期脉冲激光引信微弱回波信号数字检测技术研究423> 乓 图3实测激光脉冲回波形状 Fig.3Actualmeasuredshapeoflaserpulseecho 频成分滤掉,使实际接收到的脉冲前后沿变缓,近似 成为钟形.由于传输通道的复杂性,用准确的解析 式表达实际的脉冲形状是因难的.本文用图4所示 的半个周期正弦波来近似表示实际脉冲. D 图4激光脉冲回波信号 Fig.4Laserpulseecho 信号的表达式为s(t)=AsinI27tt}=,二r Asin【rttI.信号完全进入滤波器时的输出为单脉,Z- 冲积累最大信噪比输出时刻,则当L足够大时有 工T工,, ?s()=?Asin【詈)三L--=1'=1' fAsin(1d:LA,(11)rJ0,7【 故半个周期正弦波经过单脉冲积累后输出的最大信 噪比提高了鱼,/L倍.可见,脉冲形状的改变会影 响输出信噪比的结果.但是,脉冲形状的改变不会 改变信噪比提高的趋势,即L越大输出信噪比提高 越明显.为分析方便本文采用理想脉冲,实际应用 时只需有足够的余量即可. 当信号淹没在噪声中时,用计算机仿真得出的 宽度为1tts的理想脉冲信号单脉冲积累结果如图5 所示. 图5(a)为噪声淹没下的信号,图5(b)(c)(d) (e)是经L=10,50,100,1000次积累后的结果,可 以看出,随着单脉冲积累次数L的增加,信噪比逐 渐提高. 1 1?匝 0 一 l 1 1?匝 0 一 l 粤 1 l娅 1 粤 1 0200400600800l000 采样点 (a)淹没在噪声中的信号(sNR=0dB) (a)Signalsubmergedbynoises(SNR=0dB) 0200400600800l000 采样点 (b)L=IO 采样点 (c)L=50 采样点 fd)L=100 采样点 (e)L=1000 图5单脉冲积累法信噪比改善情况 Fig5Signal—to—noiseperformanceimprovedby singlepulseaccumulation 相对于多脉冲积累,单脉冲积累的处理时间要 短的多.但对A/D转换器的速度要求较高.如对 于宽度为1s的脉冲作L=1000的积累则要求 A/D转换器的速度为1GHz,这导致数据处理的运 算量也很大. 4复合积累方法 复合积累法是将单脉冲积累法和多脉冲积累法 相结合,即先作单个脉冲内的积累然后再进行多个 脉冲的积累.充分地利用了两种积累方法的优点, 具有较高的工程应用价值.图6是其工程实现的原 理框图.微弱激光脉冲回波信号经低噪前置放大后 图6复合积累法的原理框图 Fig,6Blockdiagramofmultiplexaccumulationmethod 424兵工第28卷 由A/D转换器转换为数字信号,在控制器的控制下 完成单脉冲积累和多脉冲积累. 复合积累的时序控制和数据运算可采用高性能 FPGA器件完成,其中两次积累过程的软件流程图 如图7所示. 图7复合积累法数据处理流程 Fig.7Flowprocesschartofmultiplexaccumulationmethod 图7中内循环实现单脉冲积累,积累长度为L. 外循环实现多脉冲积累,脉冲积累个数为N.处理 的结果输出在(i)(i=0…L一1)中.处理后信噪 比最大提高瓜倍. 5结论 多脉冲积累法是较为经典的微弱脉冲信号检测 方法.经过分析和仿真可知,单脉冲积累法同样也可 以提高信噪比.复合积累法充分利用了两种积累方 法的优点,具有较高的工程实用价值,对定距精度和 实时性要求高的激光引信尤为突出. 参考文献(References) [1]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):661—665. ZHANGZheng-yu,SUIXiao-lin.Faintsignaldigitalcorrelation detectionoflaserrangingstudyandsimulation[J].ChineseJour— nalofLasers,2002,29(7):661—665.(inChinese) [2]PiepmeierJR,GasiewskiAJ.Digitalcorrelationmicrowavepo一 [arimetry:analysisanddemonstration[J].IEEETransactionson GeosclenceandRemoteSensing,2001,39(11):2392—2410. [3]HoppeB,MeuthH,EngelsM,PetersR.Designofdigitalcorre一 [ationsystemsforlow—intensityprecisionphotonspectroscopic measurements[J].IEEEProcCircuilsDevicesSyst,2001,148 (5):267—271. [4]明峰.脉冲激光引信探测技术及其工程实现[D].北京:北京理 工大学.2002. MINGFeng.Probingtechniqueofpulselaserfuzeandengineer— ingimplemention[D].Beijing:BeijingInstituteofTechnology, 2002.(inChinese) [5]陈佳圭.微弱信号检测[M].北京:中央广播电视大学出版社, 1987:127—146. CHENJia—gui.Detectionofweaksignals[M].Beijing.Central Radio&TVUniversityPress,1987:127—128.(inChinese) [6]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2004:226 — 238. GAOJin—zhan.Detectionofweaksignals[M].Beijing:Tsinghua UniversityPress,2004:226—238.(inChinese) [7]LinCS.Modulationsoflasersignalsbywaterwavesobservedby aboxcarintegrator[J].IEEETransactionsonGeoscienceandRe moteSensing,2000,38(1):198—204.