双脉冲激光三维微多普勒相干探测研究

Micro-doppler effect introduced in laser systems has received more and more intense interest, due to their applications in target feature extraction and recognition in laserradar system. Micro-doppler effect of an object or structures on the object reflects laser scattering characteristics, geometric structure and motion feature. People paid more attentions on the applications of Range micro-Doppler signature in past years. However, with the development of the technology of APD focal plane array and new laser source, the technology of micro-doppler laser radar detection also meets a new development. Moreover, 3-D micro-doppler imaging will gradually instead of Range micro-doppler signature and become a new hotspot.We propose to implement 3-D micro-doppler imaging with the detector array and dual pulsed laser source by the coherent detection mode. Micro-doppler imaging algorithm including joint Time-Frequency analysis is also needed for this laser radar detection technology. The new application of 3-D micro-doppler imaging will contribute a lot to explore a new system of high resolution laser radar by providing theoretical and experimental basis.

近几年来,微多普勒信息的应用已被认为是一种非常具有潜在优势的技术手段。目标的微多普勒特性反映了目标的激光散射特性、几何结构和运动特征，为雷达目标特征提取和目标识别提供了新的途径。传统微多普勒探测系统大多数采用连续激光和单点探测器，只能探测目标的一维距离向微多普勒信息，难以克服信息量有限和探测距离近的弊端，但是随着面阵传感器技术以及新型激光器技术的发展，使得微多普勒激光雷达探测技术也迎来新的发展，脉冲相干三维微多普勒成像方面的研究也逐渐成为新的热点。本申请以运动目标高分辨探测识别为应用背景，采用基于单频双脉冲激光源的相干探测体制，利用探测器阵列作为接收装置，结合时频分析算法，实现对动目标的方位向和距离向的三维微多普勒成像，克服了传统连续激光单点探测信息量有限和探测距离较近的弊端，为探索高分辨的新体制激光雷达提供了理论和实验基础。

微多普勒信息的应用已被认为是一种非常具有潜在优势的技术手段，目标的微多普勒特性反映了目标的激光散射特性、几何结构和运动特征，为雷达目标特征提取和目标识别提供了新的途径，脉冲相干三维微多普勒成像方面的研究也逐渐成为新的热点，本课题以运动目标高分辨探测识别为应用背景，对脉冲相干三维多普勒成像的各项关键技术展开了深入研究。.首先，从理论上建立了典型目标复合运动激光微多普勒瞬时频率特征数学模型，提出了一种在干扰与噪声的前提下双脉冲相干信号检测算法，仿真获得了不同复合运动下目标的时频图像，而且对微多普勒探测过程中的噪声进行了深入分析，提出了适用于微多普勒探测的微弱信号检测算法，仿真研究表明该算法可以有效地提高回波信号的信噪比，利用单频激光器，任意波信号发生器，声光调制器等实验设备搭建出了一套双脉冲激光系统实验平台，获得了双脉冲重复频率10kHz，脉宽40ns，调制频率100MHz的双脉冲激光信号。.其次，分析了探测激光光斑面积对自旋圆锥目标探测性能的影响，基于惠更斯-菲涅尔原理获得了目标回波信号的散射场模型，并进一步计算出回波信号功率谱分布半高全宽的理论值，设计并搭建了单频激光相干探测系统，证明了目标粗糙表面的散射对回波激光的调制特性，造成回波信号信噪比的降低和频谱的展宽。.最后，利用支持向量机对信号进行分类识别，判断目标的微动状态。在基于微动特性的时频谱特征的分类实验中，幅度方差的识别效果最好，幅度比值的识别效果最差，最终的分类识别率为：1）翻滚识别率：88.75%；2）进动识别率：93.1818%；3）平均识别率：90.9659%。在基于目标微多普勒频谱的分类实验中，频谱熵的识别效果最好，幅度方差的识别效果最差，最终的分类识别率为：1）翻滚识别率：98.75%；2）进动识别率：99.026%；3）平均识别率：98.888%。从以上结果可看出，基于目标时频谱以及目标微多普勒频谱所提取的特征值，能够有效地实现微动目标的特征分类。