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引言 图 １ 点目标运动几何关系
Ｆｉｇ． １ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ Ｒｅｌａｔｉｏｎ Ｇｒａｐｈ ｏｆ Ｐｏｉｎｔ Ｔａｒｇｅｔ Ｍｏｔｉｏｎ
多普勒效应是 １９４２ 年由奥地利物理学家多
普勒（ Ｄｏｐｐｌｅｒ） 提出的，主要描述了物体辐射或反 图 １ 中目标位于 Ｃ 点，观测点位于 Ｑ 点，目
射波长因为波源和观测者间的相对运动而产生变
化的自然现象。 多普勒效应不仅适用于声波，也 标与观测点距离为 Ｒ，Ｒ 与 ｘ 轴夹角为 ϕ，Ｒ 与 ｚ
存在于光波和电磁波中，激光雷达是基于多普勒
频移来实现测速的［１－３］ 。 轴夹角为 θ，目标以 Ｃ 为原点做正弦运动，最大振
对于被测目标，如果其做匀速运动，则多普勒 幅为 ｄ。 此时目标振动状态可表示为：
频移是一个定值；如果其做变速运动，则多普勒频
移随相对速度变化而变化；但是在一些情况下，被 Ｄｔ ＝ ｄｓｉｎ（２πｆｍｔ） （１）
测目标在整体运动的同时，自身的某一部分还存
在着振动或者转动［４－７］ 。 如：空中飞行的直升机， 式中：ｔ 为时间；Ｄｔ 为 ｔ 时刻物体的振幅；ｆｍ 为振动
会存在表面机械振动和螺旋桨转动；不同的人在
行走中，躯干、手和脚会存在不同的匀速或周期性 频率；ｄ 为最大振幅。
运动。
根据几何关系可得任意时刻雷达与振动目标
对于雷达，被测目标的整体运动会使得雷达
回波产生一个固定频率的多普勒频移；被测目标 之间的距离 Ｒｔ 为
某一部分的转动和振动会在多普勒频移基础上产
生另外的频率变化。 这个附加的频率变化量相比 Ｒｔ ＝ ［（Ｒ０ｓｉｎθｃｏｓϕ） ２ ＋ （Ｒ０ｓｉｎθｓｉｎϕ － Ｄｔ） ２
于多普勒频移小很多，因此被称为微多普勒效应。
微多普勒效应由美国海军研究实验室维克多·陈 １ （２）
博士提出［８－１０］ 。 由于微多普勒效应可以反映目标
的机械运动速度、几何结构振动等特性信息，为目 ＋ （ Ｒ０ｃｏｓθ） ２］ ２
标检测和识别提供更加多元的信息［１１］ 。
化可得：
随着激光微多普勒探测技术在目标识别中应
用研究逐步深入，对构造具有较高置信度激光微 Ｒｔ ＝ Ｒ０ － Ｄｔｓｉｎθｓｉｎϕ （３）
多普勒回波场景，以验证激光微多普勒检测识别
目标的有效性，提出了十分明确迫切的需求。 本 式中：Ｒｔ 表示 ｔ 时刻目标与雷达之间的距离；Ｒ０
文提出的激光散射回波微多普勒效应物理仿真方
法，是一种以单频激光为光源，以声光调制器或可 表示零位时目标与雷达之间的距离。
控振动器为外调制源，用外差探测的方式检测回
波信号微多普勒信息，并通过一系列时频信号处 将公式（ １） 代入公式（ ３） ，并考虑目标运动速
理方法，实现对回波信号微多普勒信息的提取，从
而实现在实验室中模拟真实的微多普勒激光散射 度，可得任意时刻雷达与目标之间的距离：
回波信号的目的。 为基于激光微多普勒效应进行
目标识别的主动激光探测系统提供有效的物理实 Ｒ（ｔ） ＝ Ｒ０ ＋ ｖｔ － ｄｓｉｎθｓｉｎϕｓｉｎ（２πｆｍｔ） （４）
验验证方法。 式中：ｖ 为目标平动速度为。
１ 微多普勒效应理论建模 设激光雷达发射光波波长为 λｃ，可得运动带
来的多普勒频移和微多普勒频移：
对于光波的多普勒效应，我们可以通过光的
简化数学表达式来进行理论建模。 如图 １ 所示。 Δｆ ＝ ２ｖ － ４πｄｆｍ ｓｉｎθｓｉｎϕｃｏｓ（ ２πｆｍ ｔ） （５）
λｃ λｃ
０８
目标平动引起的多普勒频移为：
Δｆ多 ＝ ２ｖ （６）
λｃ
目标振动引起的微多普勒频移为：
Δｆ微 ＝ ４πｄｆｍ ｓｉｎθｓｉｎϕｃｏｓ（ ２πｆｍ ｔ） （７）
λｃ
由公式（６） ～ （７） 可以得到以下结论：目标的
微多普勒频移就是目标振动线速度在激光雷达视
