[发明专利]一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器

说明书

本发明一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，属于机电信号处理以及激光雷达技术领域。本发明利用一种特殊的声光调制器双通光路，成功构造旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号，仿真出高速运动拥有旋翼的军事目标，如直升机的激光雷达回波信号。进一步，通过集成超外差探测光路成功检测出所构造的信号。对高速运动拥有旋翼的军事目标，如直升机进行准确识别能实现敌友分别以避免战场误伤。当前研究人员虽然给出激光雷达回波多普勒及微多普勒频移信号的理论公式，却尚未在实验室中构造这样的激光回波信号。本发明提出一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，能有效构造这样的激光回波信号，并与检测光路集成在一起，成功实现检测。

技术领域

本发明涉及一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，属于机电信号处理以及激光雷达技术领域。

背景技术

对高速运动拥有旋翼的军事目标(如直升机)的准确识别能实现敌友分别以避免战场误伤。当前研究人员对于高速运动带旋翼的军事目标的激光雷达识别，做了很多理论工作，给出激光雷达回波多普勒及微多普勒频移信号的理论公式，然而如何在实验室中构造这样的激光回波信号，从而为进一步的准确检测和信号分析提供依据，目前还没有有效方法。本发明提出一种旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号仿真器，能有效构造这样的激光回波信号，并与检测光路集成在一起，方便对该信号的检测。

这里以直升机作为应用实例，首先探讨旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号特征。飞行中的直升飞机，整体高速平动之外还会存在旋翼的转动。直升机的平动速度一般为60m/s，旋翼转速一般为每分钟300到400转，旋翼直径一般10米左右。整体平动会使主动探测的激光雷达回波信号产生多普勒频移，称为体多普勒频移；转动会在体多普勒频移的基础上对激光雷达回波信号产生附加的频率调制，美国海军研究实验室的Victor C.Chen将这种现象称为微多普勒效应，这里可以参考如下文献1：

1.Chen,V.C.Lipps,R.D.Time frequency signatures of micro-Dopplerphenomenon for feature extraction.Proc.SPIE 4056,220–226(2000)。

下面介绍旋翼激光多普勒及微多普勒复合信号的理论公式。

对于旋翼转动所带来的微多普频移可以将转动线速度投影到激光雷达视线上，简化为正弦运动。对旋翼目标点的转动，根据激光探测旋翼目标点转动在y方向投影分量的几何关系，设目标O的整体平动速度v，转动半径为d，转动频率fm，旋转的欧拉角为(φ，θ，ψ)，D_t表示任意时刻物体的转幅，R₀表示旋翼目标点与激光雷达之间的初始距离。转动在y方向投影分量的状态可表示为公式(1)：

D_t＝d sin(2πf_mt) (1)

根据激光雷达探测转动目标的几何关系图，激光雷达与转动目标点之间的矢量距离可以表示为公式(2)

将公式(2)的矢量形式处理成标量形式，并利用欧拉角来计算相关几何量，代入公式(2)的标量形式中，则任意时刻激光雷达与转动目标点之间的距离可以表示为公式(3)：

化简公式(3)后可得公式(4)：

R_t＝R₀-D_tsinθsinφ (4)

把(1)代入(4)，并考虑到转动目标点的平动，可得任意时刻激光雷达与目标之间的距离为公式(5)：

R(t)＝R₀+vt-d sinθsinφsin(2πf_mt) (5)