针对高超音速目标的多脉冲变频激光雷达设计与实现.pdf
《针对高超音速目标的多脉冲变频激光雷达设计与实现.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《针对高超音速目标的多脉冲变频激光雷达设计与实现.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、ElectronicandHicalSystemsMar.20232023年0 3 月No.1系电光第1期统针对高超音速目标的多脉冲变频激光雷达设计与实现邓全,王治中,张弛,陈南亦,程战涛中国电子科技集团公司第二十七研究所,郑州450 0 47摘要:随着高超音速武器的使用,防御系统对火控激光雷达的远程探测能力提出了更高要求。多脉冲激光雷达是当前远程探测的主要手段。受激光器散热条件限制,目前多脉冲激光雷达最高工作频率约为2 0 Hz,无法满足防御系统近程工作要求;而单脉冲激光雷达最高重频虽然可达50 Hz,但是对微弱信号的远程探测能力相对有限。文章结合激光雷达多脉冲、单脉冲测距技术的各自优势,提
2、出了“多脉冲+单脉冲”自动变频复合测距的设计思路,并成功研制了一款多脉冲变频激光雷达。试验数据表明:该款多脉冲激光雷达探测距离是单脉冲测距体制的1.42 倍,取得了较好的试验结果。同时,通过自动变频控制措施,该款激光雷达能够满足防御系统近程高重频、高数据率(50 Hz)的要求。文章的研究成果对于推广多脉冲激光雷达具有较高的应用价值。关键词:激光雷达;多脉冲;变频;设计;实现中图分类号:TN958.98文献标识码:AThe Design and Implementation for Multi-pulsed and Frequency-conversionLidar for Hypersonic
3、 TargetsDENG Quan,WANG Zhi-zhong,ZHANG Chi,CHEN Nan-yi,CHENG Zhan-tao(The 27th Research Institute of China Electronics TechnologyGroup Corporation,Zhengzhou 450047,China)Abstract:With the use of hypersonic weapons,defense systems put forward higher requirements on the long-range detection capability
4、 of LIDAR.Multi-pulsed LIDAR is the main means of remote detection at present.Limited by the heat dissipation condition of the laser,the current maximum operating frequency of the multi-pulse LIDAR is 20 Hz,which cannot meet the short-range operating requirements of the defense system.Al-though the
5、maximum repetition rate of single-pulsed LIDAR can reach 50 Hz,its remote detection ability forweak signals is relatively limited.In this paper,combining the advantages of multi-pulsed and single-pulsedranging technology of LIDAR,the design idea of multi-pulsed+single-pulsed automatic frequency-conv
6、er-sion compound ranging is put forward,and a multi-pulsed frequency-conversion LIDAR is developed successful-ly.The experimental data show that the detection range of this LIDAR is 1.42 times that of the single-pulsedranging system,and the experimental results are better.With automatic frequency co
7、ntrol,the LIDAR can meetthe defense systems short-range requirements of high repetition frequency and high data rate(50 Hz).The re-search results of this paper have high application value for popularizing multi-pulsed LIDAR.Key words:LIDAR;Multi-Pulsed;Frequency-conversion;Design;Implementation1引言在2
8、 0 2 2 年度俄乌战争中,俄方首次使用了Kh47M2“匕首”高超音速武器(5倍音速)。高超音速武器的特点是速度更快、射程更远、杀伤力更强、探测截面积更小。它的使用对各国防御系统远程探测能力提出了更高要求。火控激光雷达作者简介:邓全(19 8 0 一),男,硕士研究生,高级工程师,研究方向:激光雷达、激光测距技术及其应用。第1期系电光统是防御系统的重要组成部分,主要获取被测目标的距离信息。传统的单脉冲激光雷达为了提高探测距离,一般采取提高激光功率、减小激光发散角、增大接收口径和采用高灵敏度探测器等措施。这些措施是有效的,但容易受到整机功耗、体积、重量、系统跟踪精度等因素的限制当前,基于直接探
9、测体制的远程激光雷达有两个发展方向:一是采用盖革模式APD接收的微脉冲单光子激光测距技术;二是采用线性模式APD接收的多脉冲激光测距技术。单光子测距因探测器灵敏度极高(约10 12 量级),能够显著提高远程探测距离,但其受白天背景光干扰、暗计数噪声等影响严重,制约了装备的工程化应用。而多脉冲激光测距技术相对成熟,是现阶段远程探测的主要方向 2 但是,多脉冲激光雷达因激光器散热、驱动电流稳定性等问题,工作频率不能太高,无法满足防御系统近程高重频、高数据率的工作要求;而单脉冲激光雷达最高重频虽然可达50 Hz,但是对微弱信号的远程探测能力相对有限。本文针对防御高超音速目标的现实需求,结合多脉冲、单
10、脉冲测距技术的各自优势,提出了“多脉冲+单脉冲”自动变频复合测距的设计思路,并成功研制了一款多脉冲变频激光雷达。试验数据表明:该款激光雷达既能发挥多脉冲体制对远程微弱信号探测的技术优势,又能兼顾防御系统近程高重频、高数据率的要求。2多脉冲激光雷达理论基础2.1多脉冲信号相关处理的条件多脉冲激光雷达的系统组成与传统单脉冲激光雷达基本相同,主要不同在于激光发射方式和回波接收处理方式 。常规的单脉冲测距技术是每次发射单个激光脉冲,并从单个回波信号直接得到目标距离,而多脉冲测距技术是每次发射一串激光脉冲(N3),并通过对接收的脉冲串激光信号进行相关处理后得到目标距离。二者信号示意图如图1所示。多脉冲激
11、光雷达的信号相关处理,就是利用信号在时间上的相关性和噪声的不相关性(随机性),通过脉冲串信号累积、波形匹配滤波和多帧信号相关检测处理等措施,有效降低最小可探测信噪比,达到提高远程探测距离的目的 3。对同一探测目标而言,相邻两个激光脉冲回波信号相对于主波信号的时间差为2Vt=t 2-t i =7(1)CP式中,V为目标相对测量点的视线距离变化速度;c为光速;T,为相邻两个激光脉冲时间间隔。当为单脉冲测距时,T,即为发射周期;当为多脉冲测距时,T,为测距周期内相邻脉冲间隔;当V为O时,目标为固定物。假设目标以5倍音速飞行,单脉冲发射,重频2 0 Hz,则t=0.567s,远远大于激光回波半脉宽(约
12、为2 0 ns),回波脉冲之间相互独立,无法实现脉冲间的信号累积;而采用T,=50 0 s的多脉冲发射,则t=5.67ns,信号相关性强,可以实现对信号的累积处理。亦即,由式(1)计算的t 是否小于激光回波半脉宽,是多脉冲信号相关处理的前提。Tx发射激光,激光回波时钟CLK计数脉冲单脉冲激光雷达测距信号示意图a发射激光激光回波Sp,Sp,Sp.信号处理Sp(b)多脉冲激光雷达测距信号示意图图1单/多脉冲激光雷达测距信号示意图2.2多脉冲激光雷达作用距离模型激光雷达的最大作用距离可以用接收机的最小可探测信号功率Pmin表达。对于远程探测中的目标均应视为点目标,点目标单脉冲激光雷达方程为总第18
13、3期邓超音速目标的多脉冲变频激光雷达设计与实现全P,n.n.pA,D24RT0Pmin(2)naxLmax式中,RLmax为单脉冲激光雷达最大测程;P,为激光发射功率;Prmin为满足准测率的最小可探测功率;nt,n.分别是发射和接收光学效率;A。为目标截面积;0,为激光束散角;p为目标反射率;D为接收机孔径;e-2uR为光源到目标的双程大气透过率,其中为激光通过大气时的气溶胶消光系数。假设同一台激光雷达分别采用多脉冲和单脉冲测距体制,得到的距离用Rm,R,表示,则:RMexp(R,-RM)(3)R,M显然,上式多脉冲条件下的PM,Pr m不能直接求得,但是这些参数最终会反映到接收信号通道中,
14、成为一个与信号强度、接收灵敏度以及回波信号处理能力密切相关的比例系数 2-3,设该系数为K,则:4tLsMnLSMtMSLtMnMnMSMnLnM(4)tMSLnMnL式中,K为距离增量系数;I,为检测阈值;I,为噪声均方值;I,/I,为阈值噪声比;I,为参与最后检测的信号峰值;I./I,为信噪比。而阈值噪声比可由式(5)求得 4-21n2/3 T (FAR)(5)式中,T为激光脉冲宽度;FAR为平均虚警概率。结合式(3)、式(4)、式(5),可得多脉冲激光雷达的最大探测距离一般表达式:Rmmx=Rm*xp兰(Rtm-Rmm)(6)3设计难点分析多脉冲激光雷达一般由发射机(激光器和激励源)、收
15、发光学、接收机、终端机等4部分组成。其中,收发光学和终端机技术相对成熟,不是设计的制约因素,设计的重点是发射机和接收机。为了实现高超音速目标的远程探测,多脉冲激光雷达需要发射机能够输出大功率、高重频的激光脉冲。当前,大功率激光器(10 MW)单脉冲工作时最高重频约为50 Hz,但探测距离相对有限;而采用多脉冲体制工作时可有效提升远程探测距离,但工作频率较低(2 0 Hz),无法满足近程末端防御系统高重频、高数据率的要求(50 Hz)。多脉冲体制下,发射机工作频率受限的主要原因是:激光器在激励源的驱动下,一个周期内需要输出一组(N3)间隔仅为数百微秒的高功率激光脉冲串。激励源储能电容的充放电时间
16、决定着驱动电流的稳定性,进而会影响激光器输出功率的稳定性。受激励源充放电时间、激光器工作温度以及散热条件的限制,大功率激光器脉冲串输出时工作频率较低。因此,多脉冲激光雷达发射机的设计难点在于:在现有技术条件下,如何既满足远程大功率激光脉冲串输出要求,又满足近程高重频(50 Hz)的工作要求?多脉冲激光雷达由于要实现脉冲串信号累积、波形数据滤波、间相关匹配等运算,传统的模拟接收机已经被数字接收机替代。数字接收机是高速AD采样技术、多脉冲累积技术、数字信号处理技术相结合的产物,可以进一步抑制通道噪声,提高信噪比,从而提高远程目标探测距离。数字接收机的使用,使得原终端机的距离解算、数据处理功能减弱。
17、数字接收机的典型架构为“AD+DSP+FPGA”,终端机的典型架构为“DSP+FP-GA”。因此,在满足数字接收机运算资源的前提下,可以将数字接收机和终端机一体化设计,以减少整机控制流、数据流的穴余消耗,也有利于减少整机装备的体积、重量及成本。此外,由于各种数据滤波算法灵活,设计中需要综合考虑运算能力、存储空间以及实时性等因素,并根据实际波形选取合适的信号处理方法 5O4设计与实现某型激光雷达要求探测距离不小于50 km,虚警率2%,目标运动速度约5Ma。显然,被测对象为高超音速目标。这就要求激光雷达在远程时第1期系电光统能够及早发现并跟踪目标,而在近程时由于目标径向速度快,需要激光雷达高重频
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 针对 高超 音速 目标 脉冲 变频 激光雷达 设计 实现
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。