本發(fā)明涉及外差探測領(lǐng)域,尤其是一種基于遺傳算法的相參積累外差探測方法。

背景技術(shù)：

激光外差探測中，當(dāng)目標(biāo)回波信號微弱時，可以通過脈沖相參積累的方式增強(qiáng)信噪比，即發(fā)射一系列脈沖串，然后在相同距離門處對回波脈沖進(jìn)行疊加積累。當(dāng)積累脈沖個數(shù)為N時，理論上相參積累可以將信噪比提高N倍。但相參積累技術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)是回波脈沖串必須是相干的。在實際應(yīng)用中，多種因素可以導(dǎo)致脈沖具有隨機(jī)的初相位，例如在發(fā)射部分，調(diào)Q開關(guān)的時間抖動，可以產(chǎn)生隨機(jī)初相位，從而導(dǎo)致各積累脈沖是非相干的。另外因為判斷一個回波脈沖的到達(dá)一般是通過閾值比較或距離門的方式。當(dāng)用閾值比較時，因為回波脈沖的上升沿存在一定程度的抖動，會給回波脈沖附加隨機(jī)相位。當(dāng)用距離門接收回波時，門的開啟時間也存在抖動，也將產(chǎn)生隨機(jī)相位?？偟膩碚f，為了實現(xiàn)相參積累，脈沖外差系統(tǒng)的發(fā)射和接收部分的隨機(jī)相位都需要消除。

如圖1所示，目前可用于脈沖隨機(jī)初相位消除的技術(shù)主要是數(shù)字相干接收技術(shù)，這種技術(shù)只能消除發(fā)射過程中產(chǎn)生的隨機(jī)相位，如調(diào)Q開關(guān)抖動產(chǎn)生的隨機(jī)相位。圖中f_L為穩(wěn)定本振源的頻率，f_c為穩(wěn)定的中頻振蕩頻率，f_d為多普勒頻率，為調(diào)Q開關(guān)產(chǎn)生的第m個脈沖的隨機(jī)相位。在這種方法中，穩(wěn)定本振源與回波信號輸入到接收混頻器，輸出頻率為f_c+f_d的回波中頻信號，同時還與發(fā)射脈沖輸入到參考混頻器，輸出一個頻率為f_c鎖定脈沖。該脈沖含有相應(yīng)發(fā)射脈沖的隨機(jī)初相位經(jīng)過ADC采集后，兩路信號再與相同的數(shù)字相干振蕩器進(jìn)行相位檢波，數(shù)字相干振蕩器輸出頻率為f_c的信號。經(jīng)過相位檢波和數(shù)字相位相減后，輸出的信號中隨機(jī)相位被消除。具體實施方案如圖1所示。

從圖1中數(shù)字相干接收技術(shù)的原理可以看出，實際上該技術(shù)是兩路信號同時存在，即一路含有隨機(jī)相位的參考信號和一路回波信號。因此在實用中該技術(shù)必須存在兩路光路和兩路相位檢波。兩路光路為：一路用于本振源與含有隨機(jī)相位信息的采樣脈沖進(jìn)行相干；另一路用于本振源與回波脈沖相干。兩路相位檢波用于檢測隨機(jī)相位和信號相位，這樣的結(jié)構(gòu)增加了探測系統(tǒng)的復(fù)雜程度，需要冗余的光學(xué)和電子器件，也導(dǎo)致了系統(tǒng)的調(diào)試?yán)щy。從圖1也可以看出，系統(tǒng)中對發(fā)射脈沖和回波脈沖的處理過程類似。因此對相關(guān)電子器件的一致性、穩(wěn)定性和精確度有很高的要求，而這增加了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。另外，從圖1中也可以看出，這種方法只能消除在發(fā)射部分產(chǎn)生的隨機(jī)初相位，因為對發(fā)射脈沖的取樣只含有發(fā)射部分的隨機(jī)初相位，而對于接收部分的隨機(jī)相位，這種方法沒有作用。

因此，對于上述問題有必要提出一種基于遺傳算法的相參積累外差探測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，更可靠的基于遺傳算法的相參積累外差探測方法。

一種基于遺傳算法的相參積累外差探測方法，采用采樣序列移位的方式消除隨機(jī)相位，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機(jī)相位的各個積累脈沖的采樣離散數(shù)據(jù)序列；

步驟二：根據(jù)積累脈沖的隨機(jī)相位，對不同脈沖序列移位不同步數(shù)；

步驟三：將各脈沖移位后的序列求和。

優(yōu)選地，采用遺傳算法確定各脈沖采樣序列的移位步數(shù)，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機(jī)相位的各個積累脈沖的采樣離散數(shù)據(jù)序列；

步驟二：隨機(jī)產(chǎn)生一個初始種群p₀＝[C₁,C₂,...,C_q]，種群中基因個體C_q＝[l₁，l₂，...，l_m]，其中l(wèi)₁為第一個脈沖序列的移位步數(shù)，l₂為第二個脈沖序列的移位步數(shù)，以此類推l_m為第m個脈沖序列的移位步數(shù)；

步驟三：進(jìn)入遺傳算法g＝g_max；

步驟四：若迭代數(shù)g等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，則輸出適應(yīng)度最大的基因個體；

步驟四：若迭代數(shù)g不等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，則g＝g+1，計算各個個體C_q的適應(yīng)度。即將各個脈沖采樣序列按照C_q中的移位步數(shù)進(jìn)行移位后疊加，則不同的C_q有不同的適應(yīng)度值。其中適應(yīng)度為信號的信噪比R_q；

步驟五：根據(jù)上一代種群眾各個個體的適應(yīng)度，選擇出個體，并確保適應(yīng)度大的基因個體被選擇的幾率更大；

步驟六：將選擇出的個體以概率p_c進(jìn)行雜交；

步驟七；對雜交后的個體以概率p_m進(jìn)行基因變異；

步驟八：從而產(chǎn)生新一代種群，重復(fù)以上過程，直到迭代數(shù)g等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，最后輸出適應(yīng)度最大的個體。

由于上述技術(shù)方案的相參積累是通過搜索算法，以信噪比為評價函數(shù)，自動進(jìn)行相參積累，可以省略復(fù)雜的隨機(jī)相位測量過程，從而減少了系統(tǒng)中相應(yīng)的光路和電路部分，使得相參積累系統(tǒng)的實施更簡單、更經(jīng)濟(jì)和更可靠，同時具有很強(qiáng)的實用性，采用本發(fā)明技術(shù)方案的外差探測系統(tǒng)其與現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)對比，可以看出本發(fā)明可以較大幅度地簡化系統(tǒng)，且可以同時消除發(fā)射過程中隨機(jī)相位和接收過程中的隨機(jī)相位

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)數(shù)字相干接收消除隨機(jī)相位系統(tǒng)原理圖；

圖2是采用本發(fā)明的外差系統(tǒng)示意圖；

圖3是本發(fā)明的采樣數(shù)據(jù)移位實現(xiàn)隨機(jī)相位消除原理示意圖；

圖4是本發(fā)明的遺傳算法確定移位步數(shù)流程圖；

圖5是脈沖中隨機(jī)初相位未消除時積累結(jié)果仿真示意圖；

圖6是本發(fā)明方法積累結(jié)果仿真示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

本發(fā)明的實施主要在ADC采樣積累脈沖數(shù)據(jù)后，體現(xiàn)在軟件部分。本發(fā)明的方法實施在一個通用的微控制器單元中即可實現(xiàn)。對比附圖1和附圖2可以看出，本發(fā)明極大地簡化了系統(tǒng)。

本發(fā)明的基本原理介紹如下，針對第m次外差電流信號具有余弦函數(shù)形式其中f_h是外差信號頻率，為第m脈沖的隨機(jī)相位。因此該信號經(jīng)過ADC后的離散序列為其中t₀為初始時間，k為采樣的數(shù)據(jù)的序號，若設(shè)采樣頻率為外差頻的c倍，則采樣時間間隔Δt＝1/cf_h。因此，第k次采樣數(shù)據(jù)和第k+1次采樣數(shù)據(jù)間存在相位差Δφ＝2πf_hΔt＝2π/c。以此類推，在數(shù)據(jù)i_m(k)和i_m(k+l_m)之間(l_m為整數(shù))，應(yīng)該存在相位差φ＝l_mΔφ?；谶@個特點，若將各脈沖的序列移位不同的步數(shù)然后積累，積累結(jié)果為當(dāng)l_m滿足時，[.]_int表示取整到最近的整數(shù)，各個脈沖的隨機(jī)相位可以被消除。假設(shè)各個序列的移位步數(shù)為l₁＝3，l₂＝1，l₃＝0，…，l_m＝2，上述移位消除隨機(jī)相位的原理如附圖3所示。

從可知，只有當(dāng)各脈沖的隨機(jī)相位已知時，才能確定序列的移位步數(shù)l_m。而為了測量或存儲數(shù)字相干接收技術(shù)必須對發(fā)射脈沖進(jìn)行采樣，將隨機(jī)相位存儲在采樣脈沖中。而這正是導(dǎo)致其系統(tǒng)復(fù)雜的原因。本發(fā)明采用基于遺傳算法的搜索算法自動確定移位步數(shù)。

如圖3并結(jié)合圖4所示，一種基于遺傳算法的相參積累外差探測方法，采用遺傳算法確定移位步數(shù)原理實現(xiàn)相參積累外差探測，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機(jī)相位的各個積累脈沖的采樣離散數(shù)據(jù)序列；

步驟二：根據(jù)積累脈沖的隨機(jī)相位，對不同脈沖序列移位不同步數(shù)；

步驟三：將各脈沖移位后的序列求和。

進(jìn)一步的，采用遺傳算法確定各脈沖采樣序列的移位步數(shù)，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機(jī)相位的各個積累脈沖的采樣離散數(shù)據(jù)序列；

步驟二：隨機(jī)產(chǎn)生一個初始種群p₀＝[C₁,C₂,...,C_q]，種群中基因個體C_q＝[l₁，l₂，...，l_m]，其中l(wèi)₁為第一個脈沖序列的移位步數(shù)，l₂為第二個脈沖序列的移位步數(shù)，以此類推l_m為第m個脈沖序列的移位步數(shù)；

步驟三：進(jìn)入遺傳算法g＝g_max；

步驟四：若迭代數(shù)g等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，則輸出適應(yīng)度最大的基因個體；

步驟四：若迭代數(shù)g不等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，則g＝g+1，計算各個個體C_q的適應(yīng)度。即將各個脈沖采樣序列按照C_q中的移位步數(shù)進(jìn)行移位后疊加，則不同的C_q有不同的適應(yīng)度值。其中適應(yīng)度為信號的信噪比R_q；

步驟五：根據(jù)上一代種群眾各個個體的適應(yīng)度，選擇出個體，并確保適應(yīng)度大的基因個體被選擇的幾率更大；

步驟六：將選擇出的個體以概率p_c進(jìn)行雜交；

步驟七；對雜交后的個體以概率p_m進(jìn)行基因變異；

步驟八：從而產(chǎn)生新一代種群，重復(fù)以上過程，直到迭代數(shù)g等于預(yù)設(shè)的最大值g_max，最后輸出適應(yīng)度最大的個體。

本發(fā)明由于相參積累是通過搜索算法，以信噪比為評價函數(shù)，自動進(jìn)行相參積累，可以省略復(fù)雜的隨機(jī)相位測量過程，從而減少了系統(tǒng)中相應(yīng)的光路和電路部分，使得相參積累系統(tǒng)的實施更簡單、更經(jīng)濟(jì)和更可靠，同時具有很強(qiáng)的實用性；采用本發(fā)明技術(shù)方案的外差探測系統(tǒng)示意圖如附圖2所示，將其與附圖1中現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)對比，可以看出本發(fā)明可以較大幅度地簡化系統(tǒng)。且可以同時消除發(fā)射過程中隨機(jī)相位和接收過程中的隨機(jī)相位

附圖5為隨機(jī)初相位沒有消除時的脈沖積累結(jié)果的頻譜仿真結(jié)果，附圖6為應(yīng)用本發(fā)明的積累結(jié)果的頻譜仿真圖。兩個圖中積累脈沖個數(shù)都為100個，對比兩幅圖可以看出，本發(fā)明信號頻率明顯增強(qiáng)，證明本發(fā)明方法有效。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。