李瑞锋,刘 波,颜子恒,王佳龙,霍陈思

(固体激光技术重点实验室,北京 100015)

1 引 言

激光雷达自身的光束窄、波长短,因此分辨率高、隐蔽性好、抗有源干扰能力强,在火控制导、多普勒测速、远程测距等方面已经得到广泛的军事应用。传统激光雷达采取直接探测(非相干探测)的方式对激光的回波信号接收从而得到回波信息。相干激光雷达采用光外差(相干探测)接收的方式对激光的回波信号与本振光混频后经光电探测器响应输出,探测灵敏度可比传统的直探型激光雷达提高两三个数量级[1]。国内应用相干激光雷达技术实现远程测距的相关研究起步较晚,2002年,哈尔滨工业大学采用可调谐电光调Q射频激励波导CO2激光器发射脉冲激光,对回波激光信号采取相干接收和频谱分析,实现了1.6 km处大楼的测距[2]。随着雷达系统小型化的发展,2018年,根据相关文献报道,中国电子科技集团公司第27研究所采用全光纤化的雷达系统设计,在海拔3300 m、大气能见度100 km、脉冲能量20 μJ的条件下,实现了85.59 km的大目标(山体)测量[3]。

在相干激光雷达的外差接收系统中,由于中频的选择输出一般较高,从而可以避免低频附近的噪声干扰,传统的采样方案都是直接用高采样率的ADC进行采集[2-3],数据量大,难以满足实时性的要求。本文以相干激光雷达测距为背景,提出了一种下变频的数据采集方案,将激光雷达回波外差输出信号的频率搬移至低频处理,并采用梳状滤波器(CIC)、半带滤波器(HB)组成多级采样率转换来实现滤波和抽取,最终对数据分段求均值,根据峰值找出回波信号的时间位置信息。

2 原 理

2.1 相干激光雷达原理

相干激光雷达的一般接收系统结构原理如图1所示。

图1 相干激光雷达的接收系统结构

相干激光探测指的是采用两个光波之间的非线性混合,通常将目标返回的激光回波弱信号经接收镜头会聚后,与发射激光经分束器产生的本地激光(光LO)在准直合束器中合束后,由光电探测器进行光电转换响应输出的一种探测方法。

由于光电探测器的平方律特性,对混合后的高频部分响应困难,所以,响应输出的结果等于激光回波信号与本振光的频率差值。设激光的回波信号光和本振光分别为[4]:

Esig(τ)=Asigcos(2πfsigτ+ψsig)

(1)

ELO(τ)=ALOcos(2πfLOτ+ψLO)

(2)

式中,Esig(τ)和ELO(τ),Asig和ALO,fsig和fLO,ψsig和ψLO分别为回波光信号和本振光信号的电场、振幅、频率和相位。设光电探测器的响应输出的电流为i(t),由光电探测器的平方律特性,响应回波信号与本振信号的叠加场,得到输出电流:

i(t)=K(Asigcos(2πfsigτ+ψsig)+

ALOcos(2πfLOτ+ψLO))2

(3)

将式(3)展开可得:

+ψLO)+AsigALO[cos[2π(fsig+fLO)τ+

(ψLO+ψsig)+cos[2π(fsig-fLO)τ+

(ψLO-ψsig)]]}

(4)

式(4)中,fsig+fLO的频率可达上THz,光电探测器无法对如此高的光频信号响应,所以仅响应差频信号,可得:

(5)

由式(5)可知,所以经过光电探测器输出的信息,仅仅含有直流分量和差频fsig-fLO部分,经电容隔直后,探测器输出的信号只含差频部分。

2.2 过采样

对于雷达的回波弱信号,往往需要考虑尽可能地提高回波信号的信噪比,从而在噪声中提取出回波信号位置。过采样是指大于奈奎斯特频率(采样频率为被采样信号最高频率的2倍)进行采样,它通过提高多样率减小量化噪声,提高ADC的量化信噪比,从而提高ADC的量化有效分辨率[5]。根据公式(6),式中d为ADC转换器的转换位数,β为M倍过采样率下的等效位宽。即采样率每增加一倍,分辨率约增加0.5位。根据公式(7),式中,n代表采样位数,每增加1 bit位宽,量化信噪比增加约6 dB。

(6)

SNR=(6.02n+1.76)dB

(7)

2.3 梳状滤波器

CIC(梳状)滤波器结构简单,无需乘法器,仅由加法器、积分器、寄存器构成,在实现高速滤波的同时,又能实现高速采样率变换,非常适合在高采样率条件下工作。CIC滤波器的设计需要充分考虑幅频特性,根据公式(8):

(8)

对于不同M长度的CIC滤波器,会有不同的幅频响应特性。如图2所示,对于单级的CIC滤波器,随着长度的增加,第一旁瓣电平相对于主瓣电平的差值几乎是13.46 dB,滤波效果较差,并且通带的衰减却随之增大,所以M的设置也不是越大越好,如果我们的信号在低频,会使感兴趣的通带信号也随之衰减。在工程中,为了使其具有更好的幅频特性,考虑把单级的滤波器通过级联的方式来增加第一旁瓣的衰减,从而可以过滤高频的噪声。如图3所示,使用长度为5的单级CIC通过5级级联后,第一旁瓣电平衰减达到了约60 dB。

图2 不同长度的单级CIC幅频特性

图3 不同长度的5级CIC幅频特性

2.4 半带滤波器

图4 不同阶的HB幅频响应

3 设计方案

3.1 系统结构设计描述

本文针对相干激光雷达测距的应用背景,单频激光种子源分成两路,一路本振光直接进入准直合束器；另外一路经过声光调制器对其进行斩波、固定频率的调制后进入激光放大器,将其功率放大后照射到待测目标。回波信号经过外差接收后由光电探测器输出差频(400 MHz),重频较小(20 kHz),若直接对回波信号采集,工程上往往需要5～10倍差频的ADC芯片,且重频周期较长,需要采集的数据量非常大,较采用下变频方案信噪比较低,不利于后续数据处理判断出回波信号位置。

本文设计了如图5的下变频系统结构。对混频电信号进行三级信号放大后得到i(τ),然后通过二功分器,将其分成相同的两路电信号i1(τ)和i2(τ),i1(τ)与DA数模转换器生成的cos(2πfτ)(其中f=400 MHz)在混频器中混频后通过模拟滤波器,可以滤除高频部分2f,生成I路信号I(τ)；同理,i2(τ)与DA数模转换器生成的-sin(2πfτ)在混频器中混频后通过模拟滤波器可以滤除高频部分2f,生成Q路信号Q(τ)。此时,I路和Q路中感兴趣的中心频率为0频,带宽为3.33 MHz,分别对IQ两路信号采用1.6G的16 bitADC进行过采样,根据公式(6),较直接使用相同的ADC对400 MHz信号采样,采样位数可增加约3.45位,根据公式(7),信噪比相当于增加约21 dB。

将IQ两路数字信号送入数字处理单元,由于CIC滤波器结构简单,无需乘法运算,非常适合作为在高速抽取系统中的第一级抽取单元。在数字处理单元中设计出的多级CIC滤波器可以削弱模拟低通滤波器未能消除的旁瓣噪声,并且实现M=4倍的数据抽取。经过长度为9的5级CIC滤波器后,采样率fs=1.6 GHz变为fs/4=800 MHz。再将IQ两路数字信号通过HB滤波器,HB虽然需要乘法运算,但也只有FIR滤波器运算量的一半,实现2倍抽取,采样率降为fs/8=200 MHz,且HB幅频响应的旁瓣相比CIC滤波器更小,能进一步提高信噪比。本文的雷达回波信号带宽只有3.33 MHz,通带较窄,对于单级的HB滤波器,难以满足滤波特性,所以增加最后一级FIR(有限脉冲响应)滤波器可以采用较少的抽头得到更高的信噪比。

图5 下变频系统结构

在数据处理部分,得到IQ两路信号的数据率分别为200×16 Mbps,较采用相同的ADC数据率减小了8倍,对回波数据I+jQ分段,以60个数据为一段求均值,每一个均值代表300 ns的时间位置分辨率,比较求均值后的幅度值从而判断出回波信号的位置。

3.2 仿真和实验结果

本实验采用脉冲式激光测距,用Matlab分析该技术方案的原理可行性,以0时刻开始在测距点向被测目标发射重频周期为20 kHz、脉宽300 ns的激光脉冲,激光脉冲发射到目标后一小部分激光反射到测距点经光外差方式接收,由光电探测器响应输出,如图6所示。按照本文的下变频结构中,经模拟低通滤波器后采用1.6 GHz的16 bitADC采样得到IQ两路数字信号,如图7所示。

图6 雷达回波信号

图7 I/Q信号

IQ两路再经过多级采样率转换模块实现数据抽取,如图8所示。经过下变频和抽取后,回波信号为载波的包络,将图3的时域波形在信号处局部放大,如图9所示。

图8 抽取后IQ信号的模

图9 IQ信号的局部放大

图10 仿真脉冲测距结果

4 结 语

本文以相干激光雷达脉冲测距为背景,提出了一种提高信噪比、减小数据率的信号采集和处理方案。该方案将光外差信号经光电探测器混频后输出的电信号频率搬至0频过采样,并采用CIC滤波器、HB滤波器和FIR滤波器实现数据的滤波和抽取,通过分段求均值查找幅度值,判断出回波信号的时间位置,可以有效地在高信噪下实现低数据率的脉冲测距。