1、1激光微多普勒目标识别研究进展摘要：激光雷达中的微多普勒效应是近年来一个新的技术研究热点。微动目标电磁散射回波中包含的精细微多普勒特征是微动目标独一无二的特征，这在目标探测和识别方面具有独特的优势。本文首先介绍了微多普勒的概念及目标微多普勒特征识别的重要意义。然后从微多普勒理论、微动目标特征的提取方法和微多普勒目标识别系统方面综述了国内外研究发展进程，并详细分析了基于迈克尔逊干涉仪技术的振动目标探测系统及光纤耦合微多普勒目标识别系统的工作机理。最后对微多普勒目标探测与识别技术进行展望。 Abstract： The micro-doppler effect in lidar is a new t
2、echnology research spot in recent years. The exquisite micro-doppler features in the micro electromagnetic scattering target are the unique features of the micro goal. It has unique advantages in target detection and recognition. This article firstly introduces the concept and goal of micro-doppler
3、and the significance of micro-doppler characteristics identification. Then the research progress at home and abroad are reviewed from the theory of micro-doppler， the extraction method of micro target features and the recognition system of micro-doppler target. The vibration target detection system
4、of 2Michelson interferometer technology and the working mechanism of the optical fiber coupling micro-doppler target recognition system are analyzed in detail. Finally， the micro-doppler target detection and recognition technology are expounded. 关键词：激光雷达；微多普勒；微动目标；目标识别系统 Key words： lidar；micro-doppl
5、er；micro-motion object；target recognition system 中图分类号：TN958.98 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）03-0208-03 0 引言 当代社会是一个信息化、资源化、目标化集成于一体的社会，广泛应用于地理勘探、生物监测、情报探索等诸多领域的目标识别技术已不能满足现代高科技的要求。尤其在高技术战争中，由于目标识别能力有限， “自相残杀”现象尤其严重1。但雷达具备战机中的微多普勒特征提取能力，通过对微动目标的探测和识别可以更精确地分辨出合作目标与非合作目标。 微动目标电磁散射回波中包含精细的微多普勒特征信息，这些微动特
6、征在目标探测和识别方面具有独特的优势，被视为目标独一无二的特征2。雷达向目标发射电磁波，电磁波与目标物体相互作用产生回波，回波中产生信号的一些特征改变了表征目标的一些信息。当目标以恒定的速度运动时，回波信号的载波会发生偏移，亦即多普勒效应。当目标存在相对于雷达的径向运动时，目标或是目标的组成部分还存在相对于3雷达的小幅运动分量，这种现象就是所谓的微动。目标除了质心的平动以外，还会存在振动、旋转、翻滚以外的微动，从而会引起雷达回波信号的频率调制，产生额外的旁?n 信号，从而使雷达接收的回波频谱展宽，亦即所谓的微多普勒效应3。由于频率调制过程的本质是回波相位的变化，因此微多普勒效应的研究重点是回波
7、相位信息的连续考察。 运动特征提取在空间目标探测和识别领域的地位日益突出。通过激光雷达目标的微多普勒效应可以掌握目标的整体运动信息、目标所属状态及其姿态的细微变化，并探测、辨识和分类识别目标类型。近年来对激光微多普勒目标识别技术的研究与探索已成为一个新的技术热点3。 1 微多普勒国内外研究现状 1.1 国外研究现状 国外对微多普勒的研究起步较早，微多普勒概念最早由美国海军研究实验室的 V.C.Chen 著名学者提出，并将微多普勒现象从激光雷达领域引入到了微波雷达领域。随后，根据研究结果给出了单一旋转的微多普勒模型并详细推导了公式，证明微多普勒频率是目标微动线速度在径向雷达方向上的多普勒频率的投
8、影。同时，V.C.Chen 教授理论推导出了四种常见的微动模型：振动、旋转、翻滚和锥旋，并分别比较了这四种微动模型理论计算和实际仿真的微多普勒特征，通过计算结果和仿真的结果一致性验证了理论公式推导的正确性。 1.2 国内研究现状 国内对微多普勒的研究起步比较晚，2006 年国防科技大学的陈行勇教授推广了微动的概念，对微多普勒特征进行了分类和总结分析，并提4出了基于微多普勒的点目标和线性转动目标参数估计方法，基于多普勒谱的目标参数估计方法，基于微多普勒滤波的分辨方法等3，并对弹道导弹中防御系统进行分析。国防科技大学研究所的张翼等人，研究了人体运动模型的雷达回波，分析出了详细的人体各部分回波多普勒
9、频移表达式，展示了人体回波多普勒频率调制跟人体结构和运动参数间的关联。利用时频分析方法提取了微多普勒特征，并结合仿真实验和实测数据，进行了验证和对比。 1.3 激光雷达微多普勒目标识别系统进展 Hao Ling 教授开发的一套可调谐宽带实验雷达平台频率介于4GHz8GHz 之间，探测模式为零差频 I/Q 双通道，并利用该雷达对微多普勒现象进行了深入细致的研究。烟台大学光电信息技术重点实验室对激光微多普勒现象的研究已持续了七年，在研究过程中，实验室利用微多普勒效应构建了在光波段探测目标的数学模型，并开发出相应的实验系统，用以辅助实验研究。其中烟台大学工程实训中心的江飞虹、王学勤、原帅等人基于 M
10、ichelson 动态干涉技术建立了一套激光微多普勒效应探测实验系统，研究并分析单频振动目标和复合振动目标的微多普勒特征。该系统可以探测到振动目标的微多普勒效应达微米量级，从而为应用激光雷达探测微多普勒效应奠定基础。该系统结构原理图如图 1 所示。 系统工作原理为：激光束经过用来去除高次杂散光的干扰空间滤波器，其由短焦距透镜和小孔组成。滤波后的激光束经中心分束器后，一部分光束传播到与传动平台运动方向垂直的参考臂方向，被固定的参考5反射器反射；而经过中心分束器透射过来的光束经目标反射器反射。被参考反射器反射的光束和目标反射器反射的光束经过中心分束器后，在探测器视轴方向的一定范围内形成干涉场。其中
11、探测器前是一个由透镜和小孔组成的角度分辨系统。当传动平台前后运动的时候，两束光的相位差会随着时间变化而变化，从而导致干涉场按一定的频率发生明暗变化。振动反射器在与传动平台同步运动的过程中会产生微小的振动分量，有可能对变化的干涉场产生额外的频率调制。由测量臂的位移量引起的变化干涉场通过探测器转化为与干涉场同频率变化的光电信号。参考臂运动时，可以对目标振动信号进行有效提取。 由于微动模型不仅仅局限于振动，随着旋转、翻滚、摇摆等微动模型的推广及光纤技术的发展，基于迈克尔逊干涉仪技术的微多普勒探测系统已经不能满足更多目标的微多普勒特征的探测和识别。孙洋、张俊建立了一套 1550 nm 激光相干雷达探测
12、系统，有效地探测运动目标的微多普勒信息，且联合应用多尺度分析方法和短时时-频分析方法有效地提取了运动目标的微振动信息。随后董晶硕士建立了一套 200mm 口径全光纤激光雷达相干探测系统，对由目标振动引起的微多普勒效应和旋转引起的微多普勒效应进行实验研究。 该系统结构原理图如图 2 所示。 系统工作过程为：激光二极管抽运的单块非平面环形腔 Nd：YAG 激光器输出 1064nm 的激光频率，其稳定度高，输出激光功率可达上百毫瓦，单频激光器的输出经声光（AOM）调制器频移调制，经自聚焦透镜耦合进入光纤传输，被光纤分束器分为两部分。其中一部分经过望远镜扩束照6射到扬声器由低频信号发生器控制的发声单元
13、上。另外一部分光照射到做往复匀速运动的电动平移台上。由发声单元与平移台反射回来的信号光汇聚到望远镜上，通过光纤耦合器进行耦合。然后再与参考光通过光纤耦合器耦合到一根光纤中，连接到带有 FC 标准接头的高速光电探测器上，并在探测器光敏面上相干。由探测器输出的电信号经过调制与数/模（A/D）采集及软件处理后即可实时地观测到微多普勒信号。 由于采用光纤传输使得整套系统装置结构紧凑，光路易于调节，并且利于器件的集成化，大大提高了光路系统的抗干扰能力、减少了光能量的损失。因此，该实验平台能够较好的提取目标的微多普勒特征，为目标的探测、识别和分类奠定了基础。 2 激光微多普勒雷达识别技术展望 复杂微动目标
14、的模型建立和特征提取：当前的微动模型主要是基于理想点散射目标的振动和旋转等简单微动形式，应该在这个基础上再开展非理想点散射目标的复杂微动模型建立和特征提取问题的研究，逐步将识别对象从简单的点、线目标向复杂微动目标方面推进。 微动目标雷达特征分析：微动导致的雷达信号调制包括时域、频域、极化域、RCS 调制，目前国内外研究人员主要集中致力于研究微动目标回波信号的瞬时频率特征，对于其他几个调制特征却很少有研究。 多分量微多普勒信号的处理：现有时频分析技术对交叉项的抑制并不能满足精确提取目标微动参数的要求，尤其是在低信噪比条件下，参数提取的准确性和鲁棒性较差，必须研究性能更稳定的微多普勒信号处理方法，来提高多微动目标分辨率。 7多视角化微动特征的提取：现有微动特征提取方法只能在雷达视线方向上的微动特征进行提取，而没有考虑目标运动姿态对微动特征提取的影响，为消除运动姿态对参数提取的影响，需要研究多视角化微动特征提取方法。 参考文献： 1曲东才，史贤俊，董文洪.雷达敌我识别系统现状发展及启示J.现代防御技术，2004，32（3）：64-68. 2王学勤.激光雷达微多普勒效应的仿真研究J.山东：烟台大学，2007-8. 3陈学勇.微动目标雷达特征提取技术研究D.湖北：国防科学与技术大学，2012-4.
