一種基于遺傳算法的相參積累外差探測方法與流程

本發明涉及外差探測領域,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：

激光外差探測中，當目標回波信號微弱時，可以通過脈沖相參積累的方式增強信噪比，即發射一系列脈沖串，然后在相同距離門處對回波脈沖進行疊加積累。當積累脈沖個數為N時，理論上相參積累可以將信噪比提高N倍。但相參積累技術的實現基礎是回波脈沖串必須是相干的。在實際應用中，多種因素可以導致脈沖具有隨機的初相位，例如在發射部分，調Q開關的時間抖動，可以產生隨機初相位，從而導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一般是通過閾值比較或距離門的方式。當用閾值比較時，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相位。當用距離門接收回波時，門的開啟時間也存在抖動，也將產生隨機相位。總的來說，為了實現相參積累，脈沖外差系統的發射和接收部分的隨機相位都需要消除。

如圖1所示，目前可用于脈沖隨機初相位消除的技術主要是數字相干接收技術，這種技術只能消除發射過程中產生的隨機相位，如調Q開關抖動產生的隨機相位。圖中f_L為穩定本振源的頻率，f_c為穩定的中頻振蕩頻率，f_d為多普勒頻率，為調Q開關產生的第m個脈沖的隨機相位。在這種方法中，穩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。該脈沖含有相應發射脈沖的隨機初相位經過ADC采集后，兩路信號再與相同的數字相干振蕩器進行相位檢波，數字相干振蕩器輸出頻率為f_c的信號。經過相位檢波和數字相位相減后，輸出的信號中隨機相位被消除。具體實施方案如圖1所示。

從圖1中數字相干接收技術的原理可以看出，實際上該技術是兩路信號同時存在，即一路含有隨機相位的參考信號和一路回波信號。因此在實用中該技術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相位信息的采樣脈沖進行相干；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相位和信號相位，這樣的結構增加了探測系統的復雜程度，需要冗余的光學和電子器件，也導致了系統的調試困難。從圖1也可以看出，系統中對發射脈沖和回波脈沖的處理過程類似。因此對相關電子器件的一致性、穩定性和精確度有很高的要求，而這增加了系統的實現難度。另外，從圖1中也可以看出，這種方法只能消除在發射部分產生的隨機初相位，因為對發射脈沖的取樣只含有發射部分的隨機初相位，而對于接收部分的隨機相位，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。

技術實現要素：

針對上述現有技術中存在的不足，本發明的目的在于提供一種結構簡單，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相位，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機相位的各個積累脈沖的采樣離散數據序列；

步驟二：根據積累脈沖的隨機相位，對不同脈沖序列移位不同步數；

步驟三：將各脈沖移位后的序列求和。

優選地，采用遺傳算法確定各脈沖采樣序列的移位步數，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機相位的各個積累脈沖的采樣離散數據序列；

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

步驟三：進入遺傳算法g＝g_max；

步驟四：若迭代數g等于預設的最大值g_max，則輸出適應度最大的基因個體；

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

步驟五：根據上一代種群眾各個個體的適應度，選擇出個體，并確保適應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進行雜交；

步驟七；對雜交后的個體以概率p_m進行基因變異；

步驟八：從而產生新一代種群，重復以上過程，直到迭代數g等于預設的最大值g_max，最后輸出適應度最大的個體。

由于上述技術方案的相參積累是通過搜索算法，以信噪比為評價函數，自動進行相參積累，可以省略復雜的隨機相位測量過程，從而減少了系統中相應的光路和電路部分，使得相參積累系統的實施更簡單、更經濟和更可靠，同時具有很強的實用性，采用本發明技術方案的外差探測系統其與現有技術的系統對比，可以看出本發明可以較大幅度地簡化系統，且可以同時消除發射過程中隨機相位和接收過程中的隨機相位

附圖說明

圖1是現有技術數字相干接收消除隨機相位系統原理圖；

圖2是采用本發明的外差系統示意圖；

圖3是本發明的采樣數據移位實現隨機相位消除原理示意圖；

圖4是本發明的遺傳算法確定移位步數流程圖；

圖5是脈沖中隨機初相位未消除時積累結果仿真示意圖；

圖6是本發明方法積累結果仿真示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由權利要求限定和覆蓋的多種不同方式實施。

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

本發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形式其中f_h是外差信號頻率，為第m脈沖的隨機相位。因此該信號經過ADC后的離散序列為其中t₀為初始時間，k為采樣的數據的序號，若設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次采樣數據和第k+1次采樣數據間存在相位差Δφ＝2πf_hΔt＝2π/c。以此類推，在數據i_m(k)和i_m(k+l_m)之間(l_m為整數)，應該存在相位差φ＝l_mΔφ。基于這個特點，若將各脈沖的序列移位不同的步數然后積累，積累結果為當l_m滿足時，[.]_int表示取整到最近的整數，各個脈沖的隨機相位可以被消除。假設各個序列的移位步數為l₁＝3，l₂＝1，l₃＝0，…，l_m＝2，上述移位消除隨機相位的原理如附圖3所示。

從可知，只有當各脈沖的隨機相位已知時，才能確定序列的移位步數l_m。而為了測量或存儲數字相干接收技術必須對發射脈沖進行采樣，將隨機相位存儲在采樣脈沖中。而這正是導致其系統復雜的原因。本發明采用基于遺傳算法的搜索算法自動確定移位步數。

如圖3并結合圖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原理實現相參積累外差探測，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機相位的各個積累脈沖的采樣離散數據序列；

步驟二：根據積累脈沖的隨機相位，對不同脈沖序列移位不同步數；

步驟三：將各脈沖移位后的序列求和。

進一步的，采用遺傳算法確定各脈沖采樣序列的移位步數，步驟如下：

步驟一：首先獲得含有隨機相位的各個積累脈沖的采樣離散數據序列；

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

步驟三：進入遺傳算法g＝g_max；

步驟四：若迭代數g等于預設的最大值g_max，則輸出適應度最大的基因個體；

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

步驟五：根據上一代種群眾各個個體的適應度，選擇出個體，并確保適應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進行雜交；

步驟七；對雜交后的個體以概率p_m進行基因變異；

步驟八：從而產生新一代種群，重復以上過程，直到迭代數g等于預設的最大值g_max，最后輸出適應度最大的個體。

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

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

以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。