低空慢速小目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)研究

李 菠，孟立凡，李 晶，劉春美，黃廣炎

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

低空慢速小目標(biāo)探測(cè)與定位技術(shù)研究

李 菠1，孟立凡1，李 晶1，劉春美2，黃廣炎3

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

城市大型集會(huì)、活動(dòng)中安保工作的一大主要任務(wù)是防止恐怖分子利用航模等低空慢速小型飛行器進(jìn)行破壞活動(dòng)，由于城市環(huán)境的復(fù)雜性以及低空慢速小目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“低慢小”）的特殊性，像雷達(dá)等傳統(tǒng)的探測(cè)方法很難準(zhǔn)確探測(cè)定位。針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)基于激光探測(cè)技術(shù)的低慢小探測(cè)與定位系統(tǒng)。系統(tǒng)包含激光脈沖發(fā)射、雪崩光電二極管偏置、弱光信號(hào)處理和計(jì)時(shí)電路等主要結(jié)構(gòu)。利用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基發(fā)生器對(duì)計(jì)時(shí)電路進(jìn)行驗(yàn)證，采用線性擬合方法使時(shí)間測(cè)量的精度達(dá)到10-10量級(jí)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠在近距離范圍內(nèi)對(duì)低慢小進(jìn)行快速定位，0~100m距離范圍內(nèi)測(cè)距誤差為±0.6m；0~60m高度范圍內(nèi)測(cè)高誤差為±0.6m；0~35km/h速度范圍內(nèi)測(cè)速誤差為±1.3km/h。

低慢小目標(biāo)；城市環(huán)境；激光探測(cè)技術(shù)；微弱光電信號(hào)處理

0 引 言

低空慢速小目標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱“低慢小”），是指具有低空飛行、飛行速度慢、不易被偵測(cè)發(fā)現(xiàn)等特征的小型航空器和空飄物的統(tǒng)稱[1]。

目前見到的低慢小主要包括航空模型、航天模型、熱氣飛艇、熱氣球等。低慢小由于體積小、操作簡(jiǎn)單、飛行高度低、地物遮擋多，空軍和雷達(dá)設(shè)備無(wú)法覆蓋，防范處置低慢小的干擾破壞，已成為重大安?；顒?dòng)的世界性難題，突出表現(xiàn)為管控難、偵測(cè)難、處置難[2-3]。

對(duì)于低慢小目標(biāo)的探測(cè)，國(guó)內(nèi)外運(yùn)用了各種技術(shù)手段。航天科工集團(tuán)采用光電探測(cè)技術(shù)對(duì)低慢小目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，主要利用紅外自動(dòng)搜索技術(shù)對(duì)低慢小進(jìn)行自動(dòng)搜索，再利用智能圖像處理和高精度轉(zhuǎn)臺(tái)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，同時(shí)利用激光測(cè)距儀可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。日本Alsok公司，開發(fā)出了“音頻指紋”探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)聲音進(jìn)行探測(cè)。美國(guó)SRC公司開發(fā)的探測(cè)低慢小目標(biāo)的新技術(shù)，能夠在保持雷達(dá)脈沖發(fā)射頻率和多普勒分辨率的情況下發(fā)現(xiàn)小目標(biāo)，該技術(shù)是以隔行掃描的方式向不同方向發(fā)送雷達(dá)脈沖，并以復(fù)雜的方式處理信號(hào)。

針對(duì)以上情況，本文研究一種適用于城市環(huán)境等人口密集、建筑物多、電磁環(huán)境復(fù)雜場(chǎng)所的低慢小探測(cè)與定位系統(tǒng)，利用激光探測(cè)技術(shù)對(duì)低慢小的方位、高度、速度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1 系統(tǒng)理論分析

由于系統(tǒng)的工作環(huán)境復(fù)雜，加上低慢小的特殊性，其造成的多普勒效應(yīng)不明顯，傳統(tǒng)雷達(dá)對(duì)低慢小目標(biāo)的探測(cè)效果并不好，存在低空探測(cè)盲區(qū)大，回波小且弱，容易與氣象干擾、雜波干擾或鳥群相混淆等缺點(diǎn)[4]。相比雷達(dá)探測(cè)，激光探測(cè)可以利用激光脈沖持續(xù)時(shí)間短、瞬時(shí)功率大、抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)對(duì)低慢小進(jìn)行準(zhǔn)確地探測(cè)定位。

低慢小探測(cè)與定位系統(tǒng)幾何模型如圖1所示。點(diǎn)O為探測(cè)原點(diǎn)，P1、P2為低慢小飛行軌跡中的兩位置點(diǎn)。探測(cè)具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：當(dāng)?shù)吐∧繕?biāo)位于P1點(diǎn)時(shí)，激光器發(fā)射裝置發(fā)射單次脈沖信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，脈沖到達(dá)目標(biāo)后反射折回，被光電接收器接收，同時(shí)關(guān)閉定時(shí)器，微處理器（MCU）讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值，得出脈沖往返時(shí)間。當(dāng)目標(biāo)到達(dá)P2位置時(shí)，測(cè)量裝置繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行第二次測(cè)量。根據(jù)兩次的測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，得出目標(biāo)參數(shù)。

圖1 低慢小探測(cè)與定位系統(tǒng)幾何模型

1）斜距測(cè)量

式中：l1、l2——發(fā)射點(diǎn)O與P1、P2位置之間的直線距離；

n——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下傳輸介質(zhì)對(duì)激光的平均折射率；

c0——真空光速；

Δt1、Δt2——激光脈沖從發(fā)射點(diǎn) O發(fā)出到達(dá)P1、P2位置后折射返回發(fā)射點(diǎn)O經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

2）速度測(cè)量

在三角形OP1P2中根據(jù)余弦定理有：

其中θ的測(cè)量是通過(guò)間接測(cè)量探測(cè)裝置上角速度傳感器轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)S實(shí)現(xiàn)的：

由于探測(cè)裝置轉(zhuǎn)過(guò)角度θ的時(shí)間Δt較短，可以近似將目標(biāo)經(jīng)過(guò)P1P2的平均速度等于目標(biāo)的瞬時(shí)速度：

3）高度測(cè)量

其中α1、α2分別為激光束1和激光束2與水平面的夾角，通過(guò)三軸加速度計(jì)來(lái)測(cè)量。

4）俯仰角測(cè)量

式中：φ——目標(biāo)飛行方向的俯仰角；

Δh——P1P2與水平面的高度差，即Δh=h1-h2。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛行時(shí)間法（TOF）[5]實(shí)現(xiàn)斜距測(cè)量，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。由圖可見，系統(tǒng)由激光發(fā)射電路、光電轉(zhuǎn)換電路、前置放大電路、放大整形電路、時(shí)間測(cè)量單元和角度測(cè)量單元等組成。其工作原理為：由微處理器（MCU）發(fā)出觸發(fā)信號(hào)作為計(jì)時(shí)開始信號(hào)并驅(qū)動(dòng)激光發(fā)射模塊產(chǎn)生窄脈沖激光；弱光處理電路將光電轉(zhuǎn)換電路接收到的弱光信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后送入時(shí)間測(cè)量電路作為計(jì)時(shí)停止信號(hào)；同時(shí)，角度測(cè)量電路測(cè)出轉(zhuǎn)角和水平角；微處理器將測(cè)量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理后用液晶顯示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 激光發(fā)射電路

激光器選用SPLLL90，它體積小，功耗低，采用大光腔高功率激光結(jié)構(gòu)[6]。光束直徑為2μm×200μm，具有小于20V的低電壓驅(qū)動(dòng)以及小于30ns的高速操作時(shí)間，非常適用于激光測(cè)距應(yīng)用。激光發(fā)射驅(qū)動(dòng)器選用EL7104，最大可達(dá)到10 A的驅(qū)動(dòng)輸出[7]，具有響應(yīng)時(shí)間快、低輸出阻抗、高抗干擾能力、能耗低、驅(qū)動(dòng)電壓低的優(yōu)點(diǎn)。激光發(fā)射單元結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 激光發(fā)射電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 光電轉(zhuǎn)換電路

光電轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。雪崩光電二極管（APD）相比其他的光電器件，具有量子效率高、響應(yīng)速度快和線性工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)。目前，以APD作為光電探測(cè)器件的弱光信號(hào)接收放大技術(shù)廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距系統(tǒng)中[8]。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)框圖

由于激光脈沖經(jīng)目標(biāo)漫反射后的回波信號(hào)微弱，因此需要通過(guò)增大反向偏置電壓提高APD內(nèi)部增益。低噪聲APD偏置電路采用555振蕩器組成方波發(fā)生器，控制三極管導(dǎo)通截止。采用二極管、電感和電容級(jí)聯(lián)作為電荷泵升壓[9]。為降低環(huán)境溫度對(duì)APD的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，將直流偏置電壓選為200V，此時(shí)，APD的內(nèi)部增益M=20dB。

2.3 弱光信號(hào)處理單元

系統(tǒng)回波信號(hào)十分微弱，需要前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大處理。為提高系統(tǒng)信噪比，電路采用兩片AD603順序級(jí)聯(lián)。AD603具有自動(dòng)增益控制（AGC）功能，能夠得到一個(gè)幅值穩(wěn)定的信號(hào)，提高系統(tǒng)的可靠性。

脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路后需高速比較器將其與閾值電壓比較后轉(zhuǎn)化為TTL電平。MAX913作為高速精準(zhǔn)TTL比較器，準(zhǔn)確觸發(fā)時(shí)間測(cè)量電路中的計(jì)數(shù)器，增加時(shí)刻鑒別準(zhǔn)確度來(lái)提高精度和穩(wěn)定性。

2.4 時(shí)間測(cè)量單元

為保證時(shí)間測(cè)量精度，時(shí)間測(cè)量電路中采用高精度計(jì)時(shí)芯片TDC-GP2，該芯片具有體積小、功耗低和自校準(zhǔn)的特點(diǎn)，理論時(shí)間分辨率為65ps[10]。

系統(tǒng)選用微控制器STM32F103RCT驅(qū)動(dòng)TDCGP2，將計(jì)時(shí)芯片產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)輸入測(cè)量。系統(tǒng)使用TDC-GP2的測(cè)量范圍為0~1000ns，在測(cè)量范圍內(nèi)選取10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間參考點(diǎn)，每個(gè)參考點(diǎn)測(cè)量200次后取平均值，測(cè)量結(jié)果見表1。由表1可見0~ 1000ns內(nèi)的測(cè)量誤差約為-1ns，這是由于電源紋波和計(jì)時(shí)芯片的壓擺率較低所致。測(cè)量結(jié)果表明，測(cè)量電路0~1000ns內(nèi)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。在優(yōu)化硬件系統(tǒng)來(lái)降低噪聲的基礎(chǔ)上，采用軟件校準(zhǔn)的方法修正數(shù)據(jù)。用函數(shù)Tc=0.99983Tave+0.88342修正后的數(shù)據(jù)列于表2。由表2可見經(jīng)過(guò)修正后的數(shù)據(jù)誤差可控制在±0.2ns內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。

表1 時(shí)間測(cè)量數(shù)據(jù)

表2 修正后的時(shí)間數(shù)據(jù)

3 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)是以STM32F103RCT作為系統(tǒng)微處理器配合外圍電路構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，包含激光發(fā)射器SPLLL90及其驅(qū)動(dòng)器EL7104，光電轉(zhuǎn)換器APD及其偏置電路，由AD620構(gòu)成的自動(dòng)增益控制放大器，MAX913構(gòu)成的時(shí)刻鑒別電路，TDC-GP2高精度計(jì)時(shí)電路和LCD顯示屏。實(shí)驗(yàn)選用DJI-Innovations的phantom 3無(wú)人機(jī)作為低慢小進(jìn)行結(jié)果測(cè)試。同時(shí)選用愛(ài)德克斯Multifunction Laser Range Finder對(duì)目標(biāo)斜距、高度、速度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)作為參考值與系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 斜距測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)斜距數(shù)據(jù)如表3所示。測(cè)量值線性擬合后的結(jié)果如圖5所示，線性擬合方程為y=1.00019x+ 0.15011。根據(jù)計(jì)算得出線性相關(guān)系數(shù)為0.99984。系統(tǒng)測(cè)距誤差結(jié)果如圖6所示。根據(jù)實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果，系統(tǒng)與愛(ài)德克斯Multifunction Laser Range Finder的測(cè)距最大誤差為0.6m，隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量誤差在±0.6m之間呈隨機(jī)分布。

圖5 斜距測(cè)量值線性擬合結(jié)果

圖6 斜距測(cè)量誤差分布

表3 測(cè)量斜距值

3.2 高度測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)高度數(shù)據(jù)如表4所示。測(cè)量值線性擬合后的結(jié)果如圖7所示，線性擬合方程為y=1.023 16x-0.11742，根據(jù)計(jì)算得出線性相關(guān)系數(shù)為0.99442。系統(tǒng)測(cè)高誤差結(jié)果如圖8所示。根據(jù)實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果，該系統(tǒng)與愛(ài)德克斯Multifunction Laser Range Finder的測(cè)高最大誤差為0.595 96 m，隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量誤差在±0.6m之間呈隨機(jī)分布。

3.3 速度測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)速度數(shù)據(jù)如表5所示。測(cè)量值線性擬合后的結(jié)果如圖9所示，線性擬合方程為y=0.9555x+0.85021，根據(jù)計(jì)算得出線性相關(guān)系數(shù)為0.99317。系統(tǒng)測(cè)速誤差結(jié)果如圖10所示。根據(jù)實(shí)測(cè)的對(duì)比結(jié)果，該系統(tǒng)與愛(ài)德克斯Multifunction Laser Range Finder的測(cè)速最大誤差為1.22km/h，隨著測(cè)量距離的增大，測(cè)量誤差在±1.3km/h之間呈隨機(jī)分布。

表4 高度測(cè)量數(shù)據(jù)

表5 速度測(cè)試數(shù)據(jù)

圖7 高度測(cè)量值線性擬合結(jié)果

圖8 系統(tǒng)測(cè)高誤差結(jié)果

圖9 速度測(cè)量值線性擬合結(jié)果

圖10 系統(tǒng)測(cè)速誤差結(jié)果

3.4 誤差分析

線性擬合方程的截距不為零，說(shuō)明系統(tǒng)存在固定延遲誤差，通過(guò)軟件補(bǔ)償方式減小該誤差。隨機(jī)誤差主要由時(shí)刻鑒別抖動(dòng)誤差、閾值鑒別芯片輸出抖動(dòng)誤差和時(shí)間間隔測(cè)量誤差組成[11]，是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。隨機(jī)誤差決定系統(tǒng)的單次測(cè)量精度。

3.4.1 時(shí)間間隔測(cè)量誤差

由于時(shí)間間隔測(cè)量電路的分辨率有限，不可避免地會(huì)引入計(jì)時(shí)誤差。假設(shè)激光脈沖可以相同概率發(fā)生在0～T（時(shí)鐘周期）之間，則由時(shí)間間隔引入的均方根距離誤差為

其中f為計(jì)時(shí)器的頻率。

將時(shí)間間隔測(cè)量分辨率ΔT帶入式（9），得到時(shí)間間隔引起的量化誤差為

將TDC-GP2的時(shí)間測(cè)量精度分辨率65ps代入式（10）可得：

式中：σstart——激光開始信號(hào)引起的量化誤差；

σstop——激光結(jié)束信號(hào)引起的量化誤差。

3.4.2 閾值鑒別芯片的輸出抖動(dòng)誤差

脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路后需高速比較器將其與閾值電壓比較后轉(zhuǎn)化為TTL電平。MAX913作為高速精準(zhǔn)TTL比較器，其輸出抖動(dòng)誤差約為50 ps，由此產(chǎn)生測(cè)距誤差的標(biāo)準(zhǔn)誤差為

3.4.3 時(shí)刻鑒別抖動(dòng)誤差

時(shí)刻鑒別抖動(dòng)誤差由接收的脈沖信號(hào)經(jīng)放大電路后疊加噪聲所致。在采用閾值比較方式進(jìn)行時(shí)刻鑒別時(shí)，疊加在脈沖上升沿的噪聲會(huì)導(dǎo)致比較閾值的時(shí)間發(fā)生變化而產(chǎn)生抖動(dòng)[12]。使用三角法[13]表示時(shí)刻鑒別誤差為

式中：σV（t）——噪聲電平；

V（t）——比較器輸入電壓；

tp——鑒別時(shí)刻。

對(duì)于Gauss型激光脈沖，式（13）可表示為

式中：σ3——前沿鑒別抖動(dòng)誤差的標(biāo)準(zhǔn)誤差[14]；

tr——激光回波脈沖信號(hào)上升時(shí)間。

由式（14）可知，脈沖上升時(shí)間越短，信噪比越高，時(shí)差鑒別誤差越小。若回波信號(hào)的上升時(shí)間為10 ns，系統(tǒng)信噪比SNR=50 dB，則回波信號(hào)的前沿鑒別誤差σ3=0.612m。

綜合以上誤差可得單次測(cè)距誤差為

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用激光探測(cè)技術(shù)初步研究城市環(huán)境下低慢小目標(biāo)的探測(cè)與定位，獲得以下結(jié)果：1）0~100m距離范圍的測(cè)距誤差為±0.6 m；2）0~60 m高度范圍的測(cè)高誤差為±0.6m；3）0~35 km/h速度范圍的測(cè)速誤差為±1.3km/h。

本文中的弱光信號(hào)處理單元和精密時(shí)間測(cè)量電路，相比常見的弱光信號(hào)處理采用高速運(yùn)放和電荷靈敏器件搭建電路，以及微小時(shí)間采用脈沖計(jì)數(shù)法、模數(shù)轉(zhuǎn)換法和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）差分延遲線法等測(cè)量方式，具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、移植性強(qiáng)的特點(diǎn)。本研究對(duì)解決低慢小目標(biāo)探測(cè)與定位這一技術(shù)難題有一定的參考價(jià)值。

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（編輯：李剛）

Research on detecting and locating technology of LSS-UAV

LI Bo1，MENG Lifan1，LI Jing1，LIU Chunmei2，HUANG Guangyan3
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.The First Research Institute of Ministry of Public Security，Beijing 100048，China；3.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China）

How to put an end to the terrorist’s destructive activities with the help of LSS-UAV，such as a model aircraft，more efficiency is the key point of our security task at the urban large gatherings or large-scale events.The traditional detection methods such as radar are very difficult to detect and locate the target accurately，due to the complexity of urban environment and the particularity of low altitude、slow speed、small Unmanned Aerial Vehicle（LSS-UAV in abbreviate）. This paper studies LSS-UAV detection and positioning system based on laser detection technology. The main structures of the system include the laser pulse emission，the avalanche photodiode bias，the weak light signal processing，the timing circuit and so on.A standard base generator has been used to verify the timing circuit，and adopt the linear fitting method to make the accuracy of time measurement for 10-10.Experiments prove that the system is able to locate LSSUAV accurately.In the range of 0-100 m distance，ranging measurement error is±0.6 m；In the range of 0-60 m height，height measurement error is±0.6 m；in the range of 0-35 km/h speed，velocity measurement error is±1.3km/h.

LSS-UAV；urban environment；laser detection technology；weak photo-electricity signal processing

A

：1674-5124（2016）12-0064-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.014

2016-02-20；

：2016-04-10

公安部預(yù)研項(xiàng)目（2015JZYYY01）

李 菠（1990-），男，山東蒙陰縣人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。

劉春美（1970-），女，山東萊州市人，副研究員，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)樾滦蜌碚撆c安全防護(hù)技術(shù)、社會(huì)公共安全、傳感器技術(shù)。