一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法

本发明属于激光探测领域，具体涉及一种基于窄脉宽激光技术、脉宽比较与频域分析的抗烟尘干扰探测方法。

背景技术：

1、激光具有高相干性、高定位精度、响应速度快、抗电磁干扰等优点，广泛应用于探测领域。其中，脉冲激光具有瞬时功率高、方向性好、抗干扰能力强、控制精度高、测距误差小等优势，因此广泛应用于激光探测，弥补了无线电探测在精度低、抗电磁干扰能力差、分辨率低、瞬时功率低等方面的不足。

2、尽管激光探测在精度、抗干扰能力和分辨率方面具有显著优势，但其应用仍面临一些挑战，其中一个主要问题是激光探测易受烟尘干扰。在实际应用中，烟雾、尘埃和其他微小颗粒物会导致激光信号的散射和衰减，影响探测的准确性和稳定性。尤其在工业环境和野外应用中，空气中的悬浮颗粒物会显著降低激光探测的有效距离和精度。为了解决这一问题，研究人员正在探索多种技术手段，如使用更高功率的激光源、优化探测算法、结合多传感器数据融合等，以提高激光探测在复杂环境中的性能和可靠性。

3、激光探测技术是利用激光作为探测信号，通过发射和接收激光束来获取目标物体信息的技术，主要包括以下六个步骤：激光发射、激光传输、目标反射、信号接收、信号处理、目标识别数据输出。在激光传输过程中，如果探测区域内存在烟尘干扰，烟尘颗粒会导致激光信号的散射和衰减，使接收到的信号中混入烟尘干扰的后向散射信号。如果此时环境中没有实际目标，但烟尘后向散射信号与目标信号相似，会导致激光探测的误识别，降低探测的正确率；如果环境中存在实际目标，接收信号将是目标信号和烟尘干扰信号的混合，甚至可能被烟尘干扰信号覆盖，从而导致激光探测无法识别目标，进一步降低探测的准确性。

4、现有的激光探测抗烟尘的方法主要有：利用线阵探测器结合多特征信息融合的目标识别算法，提高抗干扰能力；建立脉冲激光在烟雾中的探测回波模型，通过分析不同脉宽的回波特性提取目标信号；基于回波包络走势判别方法识别目标特征信息；利用脉宽调制技术产生不同脉宽激光，根据接收脉冲宽度的幅值比区分目标和干扰信号；从探测体制、硬件电路和信号处理方法三个角度归纳抗干扰方法，包括双波长探测、复合探测、高功率发射、窄脉宽发射、偏振探测、多重门限、小波变换等。

5、窄脉宽激光技术能够连续发出脉宽在5至20纳秒范围内的激光，具有高分辨率测量、高峰值功率应用和利用非线性效应的显著优势，被广泛应用于激光雷达、材料加工和超快光学等领域。仿真研究表明，由于烟尘的展宽特性，激光在照射烟尘和目标后会产生不同脉宽的回波，理论上具有抗烟尘干扰的潜力。然而，由于技术复杂性和设备成本高等挑战，针对窄脉宽激光的抗干扰方法研究仍不充分。

6、窄脉宽激光技术能够连续发出脉宽在5至20纳秒范围内的脉冲激光，这种技术在高分辨率测量、高峰值功率应用和利用非线性效应方面展现出显著优势。由于其独特的特性，窄脉宽激光技术被广泛应用于激光雷达、材料加工和超快光学等领域，在激光雷达中，窄脉宽激光能够提供更高的测距精度和更好的目标分辨能力。

7、仿真和实测研究表明，由于烟尘的展宽特性，激光在照射烟尘、目标或目标与烟尘混合环境后会产生不同脉宽和不同形态的回波。烟尘对激光脉冲的展宽效应使回波信号在时间域上具有明显的区别，从而为抗烟尘干扰提供了理论基础。此外，目标和烟尘对脉冲回波的频域影响程度不同，导致频域分布存在特性差异，利用这些特征，为抗烟尘干扰的目标识别提供了可能性。

技术实现思路

1、本发明的目的是基于窄脉宽激光，提供一种利用回波脉宽比较和频域谐波匹配联合分析的抗烟尘干扰探测方法，以实现红外激光在烟尘环境下对目标的准确识别。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，步骤如下：

3、步骤1、接收器接收包含多个脉冲的激光回波，设置回波判断阈值ξ1，判断第n个脉冲回波x(n)中是否存在可疑信号，若存在转入步骤2，否则对下一个脉冲回波重新执行步骤1。

4、步骤2、设置峰值检测阈值ξ2，对存在可疑信号的脉冲回波x(n)进行峰值检测，得到波峰数p，对每个峰值所在波形的半波宽度进行测量，判断是否为目标，若无目标转入步骤3，若有目标，则转入步骤6。

5、步骤3、设置频域峰值阈值γ1，通过对脉冲回波x(n)进行频谱分析得到频谱x(f)，检测频谱x(f)中的峰值，判断x(f)中是否可能存在目标特征，若存在转入步骤4；反之，则返回步骤1，进行下一个脉冲回波的检验。

6、步骤4、对脉冲回波x(n)的频域进行谐波分析，识别出基频，得到多个谐波，转入步骤5。

7、步骤5、判断谐波与波峰的匹配次数，若匹配次数n≥2，则认定回波中存在目标，转入步骤6，否则返回步骤1，进行下一个脉冲回波的检验。

8、步骤6、输出判断结果“目标”。

9、本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

10、(1)本发明引入半波宽度比较方法，可以根据时域信号快速判断是否存在目标，该方法利用烟尘的固有物理特征，相比传统的回波幅值阈值判断方法，具有更高的准确度，显著减少了因烟尘后向散射回波峰值大于阈值而导致的误识别概率。

11、(2)本发明在基频分析的基础上，提出了通过最大值筛选烟尘干扰的新方法。此方法显著减少了误识别概率，快速筛选出明显的烟尘干扰，减少判断时间，提高了系统的整体识别能力。

12、(3)本发明提出了一种谐波匹配的方法，利用烟尘环境中目标的回波在频域上的多个峰值与谐波吻合的特性，可以有效区分烟尘环境内有/无目标的存在。该方法极大地减少了误识别的概率，进一步提升了系统在复杂环境下的准确性和可靠性。

技术特征：

1.一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，采用窄脉宽激光抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，激光探测器发射脉宽为5ns～15ns的窄脉宽红外脉冲激光进行探测，步骤如下：

2.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤1中，判断第n个脉冲回波x(n)中是否存在可疑信号，具体如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤2中，设置峰值检测阈值ξ2，对存在可疑信号的脉冲回波x(n)进行峰值检测，得到波峰数p，具体如下：

4.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤2中，对每个峰值所在波形的半波宽度进行测量，判断是否为目标，具体如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤3中，设置频域峰值阈值γ1，通过对脉冲回波x(n)进行频谱分析得到频谱x(f)，检测频谱x(f)中的峰值，判断x(f)中是否可能存在目标特征，具体如下：

6.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤4中，对脉冲回波x(n)的频域进行谐波分析，识别出基频，得到多个谐波，具体如下：

7.根据权利要求1所述的一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，其特征在于，步骤5中，判断谐波与波峰的匹配次数，具体如下：

技术总结
本发明公开了一种基于窄脉宽激光的抗烟尘干扰探测方法，首先利用窄脉宽激光对探测环境进行探测并取得回波信号；接着根据接收到的回波峰值判断是否可能存在目标；若判断可能存在目标，则对回波进行半波宽度比较和谐波匹配分析，若满足其中一种条件则被认定为目标。本发明实现了较高浓度烟尘干扰下激光探测易受干扰的问题，降低了激光探测误识别的几率。本发明利用半波宽度识别比较、谐波匹配方法提高了激光在烟尘环境的探测准确率，提出的信号识别算法可针对不同浓度烟尘、不同目标进行检测，提高了对目标的识别率。

技术研发人员：查冰婷,谭钰然,郑震,李嘉琪,何芮,翁俊钖
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14