調(diào)頻連續(xù)波激光引信問題研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u17136調(diào)頻連續(xù)波激光引信問題研究的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述 115131.1調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)發(fā)展概況 155531.2調(diào)頻連續(xù)波激光引信回波信號(hào)特性的研究現(xiàn)狀 2133541.3調(diào)頻連續(xù)波激光引信抗懸浮粒子干擾的研究現(xiàn)狀 310110參考文獻(xiàn) 51.1調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)發(fā)展概況調(diào)頻連續(xù)波式的激光探測(cè)技術(shù)將無(wú)線電調(diào)頻測(cè)距技術(shù)的準(zhǔn)確度高、發(fā)射功率低等特點(diǎn)與激光受電磁干擾影響低的特點(diǎn)相結(jié)合[3]，能夠十分有效地解決無(wú)線電體制中抗電磁干擾能力差的問題[12]，并且也可以借助激光載波更大的調(diào)頻帶寬以獲得更高的距離分辨力[13]。因此近年來(lái)，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)加大了載波調(diào)制連續(xù)波（FMCW）激光探測(cè)體制的研究力度。國(guó)外最早將載波調(diào)制連續(xù)波激光技術(shù)用于激光測(cè)距和激光雷達(dá)領(lǐng)域[14-21]。1994年，德國(guó)科學(xué)家首次采用激光二極管研制了用于近距離精確測(cè)量的相干調(diào)頻連續(xù)波激光測(cè)距雷達(dá)，該實(shí)驗(yàn)率先證明了調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)技術(shù)的探測(cè)準(zhǔn)確度滿足高精度的近感探測(cè)的要求[22]。2000年，Bazing等人根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波原理，采用鋸齒波調(diào)頻，發(fā)射功率為3dBm，波長(zhǎng)為670nm的激光器，在測(cè)距距離2米至40米范圍內(nèi)達(dá)到了5l厘米的測(cè)距精度[23]。美國(guó)軍方驗(yàn)證了將調(diào)頻連續(xù)波的調(diào)制技術(shù)與激光雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的可實(shí)施性，并在1996年研制了調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)[23]。美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室建立和改進(jìn)了“火池”激光雷達(dá)系統(tǒng)，研制了線性調(diào)頻寬帶波形發(fā)生器及寬帶激光接收器和信號(hào)處理器，可獲得目標(biāo)的距離/多普勒?qǐng)D像[24]。美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室為了滿足引信、立體成像、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域?qū)す饫走_(dá)高精度的測(cè)距要求，對(duì)基于調(diào)頻連續(xù)波體制的激光雷達(dá)進(jìn)行了研究[25]。FMCW激光探測(cè)在引信中的應(yīng)用研究剛剛起步，美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室和另兩個(gè)科研院所合作，進(jìn)行了FMCW激光引信的理論與應(yīng)用研究，共同研發(fā)出了載波調(diào)制連續(xù)波激光引信原理樣機(jī)。與脈沖體制的激光引信相比，該引信具有距離分辨率高、較大的系統(tǒng)信噪比等優(yōu)點(diǎn)[26,27]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開展了對(duì)載波調(diào)制連續(xù)波激光探測(cè)技術(shù)的研究。2009年裝備指揮技術(shù)學(xué)院的趙繼廣等人設(shè)計(jì)了FMCW激光探測(cè)系統(tǒng)，搭建了激光探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)射和接收部分，發(fā)射端采用功率20mw的激光器，發(fā)射的信號(hào)波長(zhǎng)為635nm，并采用調(diào)制帶寬為50MHz，調(diào)制周期10ms的鋸齒波進(jìn)行調(diào)頻，并且對(duì)激光系統(tǒng)進(jìn)行了距離識(shí)別測(cè)試與距離分辨力測(cè)試，該探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)距范圍3米，測(cè)距精度可達(dá)1厘米[28]。2009年裝備指揮學(xué)院的鄧棟等人研究了調(diào)頻連續(xù)波激光引信的發(fā)射功率對(duì)回波信號(hào)的信噪比、探測(cè)距離、測(cè)距精度與虛警概率的影響，文中指出增大發(fā)射功率可以增大探測(cè)距離與測(cè)距精度[29]。2009年哈爾濱工業(yè)大學(xué)的多位研究人員對(duì)調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)功率增大的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，熊智鵬提出了一種采用發(fā)射源“種子光”調(diào)制與光纖混合放大的大功率調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了平均功率10W,峰值功率17W的調(diào)制激光發(fā)射端原理樣機(jī)[30-33]。2011年中科院上海技物所的于嘯等人對(duì)調(diào)頻連續(xù)波激光雷達(dá)中的測(cè)距測(cè)速分辨率和誤差等問題展開了分析與研究，經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的測(cè)速精度與厘米級(jí)的測(cè)距精度[34]。由上述可見，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)均開展了調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)的研究并取得了豐碩的研究成果，不僅指出了該體制在功率利用、信號(hào)處理等方面的優(yōu)勢(shì)，并將這些關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用在了近炸引信領(lǐng)域。然而在激光引信的工作過程中，環(huán)境中的云、霧、霾、沙塵、硝煙等懸浮粒子會(huì)對(duì)激光引信光束造成光路衰減和波形畸變等影響，進(jìn)而影響激光引信的正常使用。因此近年來(lái)針對(duì)激光引信在低能見度環(huán)境中目標(biāo)探測(cè)的問題，國(guó)內(nèi)外的研究者也開展了多項(xiàng)回波信號(hào)分析。1.2調(diào)頻連續(xù)波激光引信回波信號(hào)特性的研究現(xiàn)狀國(guó)外的眾多研究者針對(duì)激光引信分別在氣溶膠、煙霧、云雨、液體等多個(gè)環(huán)境中的回波信號(hào)進(jìn)行了研究[35-41]，研究表明近距離的懸浮粒子將會(huì)嚴(yán)重干擾回波信號(hào)，除此之外，在懸浮粒子濃度較小的環(huán)境中，回波信號(hào)中既存在干擾信號(hào)也存在目標(biāo)回波信號(hào)，當(dāng)懸浮粒子濃度較大時(shí)，回波信號(hào)中只含有干擾信號(hào)[42]。2004年中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院與北京理工大學(xué)提出了一種脈沖體制的激光引信回波信號(hào)仿真技術(shù)，該技術(shù)采用蒙特卡洛概率統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算受懸浮粒子干擾的散射信號(hào)的能量[43]。2006年，空空導(dǎo)彈研究院的王廣生等人研究了激光引信在云霧環(huán)境中后向散射的特征，并提出了散射信號(hào)的數(shù)學(xué)模型[44]。2011年，LiuKai研究了連續(xù)波體制的激光信號(hào)回波特性，提出了基于Mie氏散射的激光后向散射干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后根據(jù)粒子分布函數(shù)仿真出的包含干擾信號(hào)和目標(biāo)回波信號(hào)的混合信號(hào)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在干擾環(huán)境與凈空環(huán)境中的回波信號(hào)時(shí)域波形僅存在幅度上的區(qū)別，該現(xiàn)象與仿真結(jié)果一致，該方式表示連續(xù)波體制的激光具有比脈沖體制激光更強(qiáng)的抗云霧懸浮粒子干擾的能力[45]。在此基礎(chǔ)上，2015年北京理工大學(xué)陳惠敏等人分析了調(diào)頻連續(xù)波激光引信在云霧環(huán)境中的回波信號(hào)特性，建立了基于蒙特卡洛的仿真模型，并依據(jù)仿真結(jié)果分析云霧粒子的濃度對(duì)調(diào)頻連續(xù)波激光引信回波信號(hào)的影響[46,47]。由上述內(nèi)容可知，目前國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)調(diào)頻連續(xù)波激光在懸浮粒子干擾環(huán)境中的傳輸特性和目標(biāo)回波特性做了大量的工作，這有助于開展調(diào)頻連續(xù)波體制激光引信的抗干擾技術(shù)的研究。由于起步較晚并且大部分的抗干擾技術(shù)都集中在脈沖式的激光引信中，近年來(lái)眾多研究者逐漸借鑒脈沖式的激光引信的抗干擾方式到調(diào)頻連續(xù)波體制的激光引信中來(lái)。1.3調(diào)頻連續(xù)波激光引信抗懸浮粒子干擾的研究現(xiàn)狀2015年，美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部聯(lián)合克拉克森大學(xué)研究了利用調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)在渾濁的水中進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的研究。W.Illig利用盲信號(hào)分離技術(shù)，將激光探測(cè)系統(tǒng)在水下環(huán)境中工作時(shí)接收的回波進(jìn)行盲源分離，從散射信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的混合信號(hào)中提取得到目標(biāo)回波信號(hào)。這種方式為激光引信在煙霧環(huán)境中抗干擾提供了新的思路，即目標(biāo)回波信號(hào)與散射信號(hào)之間是可分離的[48-50]。2016年張偉通過分析煙霧環(huán)境中激光回波信號(hào)的頻譜能量的分布特性，提出了一種基于頻譜歸一化閾值的目標(biāo)判定方式，通過設(shè)置閾值判定信號(hào)屬于目標(biāo)回波信號(hào)或者煙霧干擾信號(hào)。然而該算法受限于預(yù)先設(shè)置的常數(shù)閾值，因此該算法只適用于一些特定的煙霧環(huán)境[51]。然后結(jié)合自適應(yīng)濾波方法和盲源信號(hào)分離理論對(duì)干擾下的激光微弱信號(hào)進(jìn)行濾波和目標(biāo)信號(hào)拾取。先進(jìn)行基于EMD的自適應(yīng)濾波去噪，提高有用信號(hào)頻帶外的噪聲抑制能力；然后采用一種基于降噪源分離重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)激光目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)的分離,如圖所示：（1）在自適應(yīng)濾波處理后，采用主成分分析（PCA）的方法將得到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行抽樣處理，將信號(hào)降維投影到低維特征空間；（2）采用降噪源分離方法，將目標(biāo)回波信號(hào)和噪聲信號(hào)分離開來(lái);（3）基于非高斯排序法篩選出微弱信號(hào)，將噪聲成分剔除，并對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行重建，將微弱信號(hào)與噪聲信號(hào)相分離。但將該方法應(yīng)用到激光引信中必須解決算法需要大數(shù)據(jù)量而導(dǎo)致的高速率數(shù)據(jù)采集和處理實(shí)時(shí)性問題。圖1.1基于降噪源分離重構(gòu)的抗干擾算法流程圖2016年張心玥研究了基于DSP的載波調(diào)制連續(xù)波激光引信信號(hào)處理方法，利用Chirp-Z算法進(jìn)行頻譜細(xì)化以提高系統(tǒng)測(cè)距精度，在3m至13m范圍內(nèi)不同目標(biāo)的測(cè)距精度達(dá)到0.26m[52]。2017年天津大學(xué)發(fā)表提出采用多信號(hào)分類算法(MUSIC)用于提高載波調(diào)制連續(xù)波激光探測(cè)測(cè)距精度的方法[53]。2019年北京理工大學(xué)陳惠敏等人分析了調(diào)頻連續(xù)波激光探測(cè)在抗云霧粒子干擾方面的長(zhǎng)處，對(duì)探測(cè)系統(tǒng)中的各個(gè)部分進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了調(diào)頻連續(xù)波激光引信探測(cè)系統(tǒng)[54,55]。2020年楊世澤針對(duì)小尺寸的激光引信在煙霧環(huán)境中探測(cè)的特點(diǎn)提出了四路發(fā)射單路接收的處理技術(shù)，增強(qiáng)了激光引信的目標(biāo)回波信號(hào)，提高了激光引信在懸浮粒子環(huán)境中的抗干擾能力，并且針對(duì)帶寬受限制的激光引信探測(cè)精度問題，提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)距方式，提高了激光引信的測(cè)距精度[56]。綜上分析可知，調(diào)頻連續(xù)波激光引信的抗干擾技術(shù)的研究還處于起步階段，眾多的激光抗干擾研究都集中于脈沖體制的激光引信上。我們可以借鑒上述已有研究，根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波激光引信目標(biāo)回波的特殊性來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的目標(biāo)識(shí)別算法方面的抗干擾研究。目前調(diào)頻連續(xù)波激光引信還沒有在精確打擊彈藥中得到應(yīng)用，首先是對(duì)復(fù)雜噪聲進(jìn)行識(shí)別并濾除以實(shí)現(xiàn)干擾環(huán)境下微弱回波信號(hào)提取的這一關(guān)鍵技術(shù)目前還有待進(jìn)一步的研究；其次，脈沖體制和調(diào)頻連續(xù)波體制的激光近感探測(cè)技術(shù)兩者原理不同，調(diào)頻連續(xù)波激光近程探測(cè)不僅關(guān)注目標(biāo)表面的漫反射特性，也側(cè)重根據(jù)目標(biāo)回波的頻域特征信息用于目標(biāo)識(shí)別，如何深入地利用回波信號(hào)中的特征信息，是解決激光近感引信探測(cè)應(yīng)用于低能見度環(huán)境中的關(guān)鍵。參考文獻(xiàn)[1] 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