脈沖激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡的信號(hào)處理研究

摘要：與一般測(cè)距方法相比，激光測(cè)距具有操作方便、精度高和晝夜可用等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了廣泛應(yīng)用。本文首先介紹了脈沖激光測(cè)距的基本原理，然后分析了激光測(cè)距中用到采樣、濾波和相關(guān)檢測(cè)等數(shù)字信號(hào)處理方法，最后給出了激光回波信號(hào)的實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，該處理手段能快速、有效地提取出激光回波信號(hào)。

關(guān)鍵詞：激光測(cè)距 數(shù)字信號(hào)處理 濾波 相關(guān)檢測(cè)

中國分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2015）02-0000-00

Abstract： Compared with general method of range finder， the laser range finder has a lot of advantages such as easy to operate， available day and night， high precision， etc and has been widely used. Firstly， the principle of the laser range finding telescope was introduced. Secondly， the digital signal processing methods of laser echo such as sampling， filltering and correlation detection were analyzed. Experiments show that this method can pick up the signal from noise quickly and effectively.

Keywords： laser ranging；digital signal processing；filtering；correlation detection

激光測(cè)距是指利用射向目標(biāo)的激光脈沖或連續(xù)波激光束測(cè)量目標(biāo)的距離，它是激光技術(shù)在軍事上最早和最成熟的應(yīng)用，自1961年美國休斯飛機(jī)公司研制成功世界上第一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)以來，激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展迅速[1]。激光測(cè)距用途廣泛，在大地勘測(cè)、遠(yuǎn)距離目標(biāo)成像、衛(wèi)星軌道跟蹤、高速公路預(yù)警、軍事目標(biāo)測(cè)距與指示、激光雷達(dá)等許多方面都需要利用激光測(cè)距技術(shù)獲得精確的距離、位置、位移等信息。采用脈寬1～10ns的激光脈沖和納秒時(shí)間分辨電路，在幾百公里的衛(wèi)星軌道上，就可以實(shí)現(xiàn)米、甚至厘米量級(jí)的測(cè)距精度[1]。星載的激光測(cè)距系統(tǒng)可測(cè)量一些重要的地理現(xiàn)象，如地極運(yùn)動(dòng)、地球板塊漂移等，并能對(duì)其他行星實(shí)施測(cè)繪，如月球、火星等[2～5]。

1 脈沖激光測(cè)距的原理

1.1 激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡的分類

根據(jù)測(cè)距方法的不同，激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡可分為脈沖法激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡和連續(xù)波激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡兩類[6]。

（1）脈沖法測(cè)距是激光技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域中的最早應(yīng)用。激光的發(fā)散角小，激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，瞬時(shí)功率極大，因而可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程。脈沖激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡多數(shù)情況下不使用合作目標(biāo)，它是利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)激光脈沖的漫反射獲得發(fā)射信號(hào)來實(shí)現(xiàn)測(cè)距。脈沖半導(dǎo)體激光測(cè)距具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、可靠性高、價(jià)格低等特點(diǎn)，但其測(cè)量精度很難達(dá)到優(yōu)于1m的精度（受采樣頻率的限制）。

（2）連續(xù)波測(cè)距采用相位法測(cè)距，一般有多波長方法和頻率調(diào)制法兩種，但因其平均發(fā)射功率較低，測(cè)距能力比相應(yīng)的脈沖激光測(cè)距機(jī)差很多（對(duì)非合作目標(biāo)，最大測(cè)程1-3Km），而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但精度高（2mm），往往應(yīng)用于合作目標(biāo)測(cè)距，如導(dǎo)彈初始段測(cè)距及跟蹤、大地測(cè)量等。

1.2 基本原理

在激光測(cè)距中，使用測(cè)量目標(biāo)反射回來的信號(hào)作為終止信號(hào)，利用高速數(shù)據(jù)采集的方法記錄激光脈沖的回波波形，通過對(duì)所記錄的波形進(jìn)行分析得出時(shí)間間隔。實(shí)際測(cè)量中，由下式計(jì)算實(shí)際的測(cè)量距離R：

激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡一般由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)和電源三大部分組成，如圖2所示。下面以脈沖激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡為例進(jìn)行說明。激光發(fā)射機(jī)由脈沖激光器、光學(xué)發(fā)射及其瞄準(zhǔn)系統(tǒng)組成，作用是將高峰值功率的激光脈沖射向目標(biāo)。激光接收機(jī)由光學(xué)接收系統(tǒng)、光電探測(cè)器和放大器、接收電路和計(jì)數(shù)顯示器組成，作用是接收從目標(biāo)漫反射回來的激光脈沖回波信號(hào)并計(jì)算和顯示目標(biāo)距離。激光電源由高低壓電源組成，高壓電源用于驅(qū)動(dòng)激光器，低壓電源用在信號(hào)處理電路[7]。

2 激光回波信號(hào)處理

2.1 采樣

由于數(shù)字信號(hào)處理相對(duì)于模擬信號(hào)處理有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)激光信號(hào)的處理采用數(shù)字處理方式：將連續(xù)的模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。要使抽樣處理后的信號(hào)能夠恢復(fù)原來的模擬信號(hào)，抽樣必須滿足奈奎斯特采樣定理，具體描述如下：

設(shè)有一個(gè)頻率帶限為 的信號(hào) ，如果以不小于 的采樣速率對(duì) 進(jìn)行等間隔采樣，得到離散采樣信號(hào) （ 為采樣間隔），則原始信號(hào) 將被得到的采樣值 完全確定[8]。

從奈奎斯特定理可知，如果以不低于信號(hào)最高頻率兩倍的采樣速率對(duì)帶限信號(hào)進(jìn)行采樣，所得到的離散采樣信號(hào)值就能準(zhǔn)確地還原原始信號(hào)。

2.2 濾波

激光信號(hào)在發(fā)射和接收過程中，電路噪聲會(huì)導(dǎo)致激光回波信號(hào)的質(zhì)量下降。通常通過構(gòu)造合適的濾波器來濾除噪聲，如采用高通濾波器和低通濾波器以達(dá)到濾除噪聲的目的。

高通濾波器采用窗口均值濾低頻的辦法，窗口中心位置的值用原有數(shù)值減去窗口平均值來代替。具體運(yùn)算時(shí)先求出某區(qū)域內(nèi)的均值，然后用原序列對(duì)應(yīng)的數(shù)值減去此均值，得到一個(gè)新的數(shù)值 來替代原數(shù)值 。用公式表達(dá)如下：

2.3 相關(guān)檢測(cè)

相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域里的一個(gè)重要工具，它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號(hào)，具有較強(qiáng)的抗噪能力（噪聲的相關(guān)系數(shù)幾乎為零），廣泛應(yīng)用于圖像處理、衛(wèi)星遙控、雷達(dá)以及超聲探測(cè)、醫(yī)學(xué)和通信工程等領(lǐng)域。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

把上述信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡中，首先對(duì)采集到的數(shù)據(jù)（本文的數(shù)據(jù)由FPGA高速采集系統(tǒng)對(duì)激光回波信號(hào)采樣而來）進(jìn)行低頻濾波和高頻濾波處理，然后通過相關(guān)運(yùn)算找出信號(hào)所在的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3 （a）可知，采集到的激光回波信號(hào)，信噪比比較小，尤其是在長距離的激光回波信號(hào)的采集中，信號(hào)有可能被掩蓋在噪聲中，不利于提?。唤?jīng)過高、低通濾波器后，能有效地減弱低頻成分和高頻成分，使信號(hào)變得更為明顯，如圖3（b）所示；把濾波后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，信噪比會(huì)得到很大程度的提高，如圖3 （c）所示。經(jīng)過上述的信號(hào)處理手段，能夠有效的檢測(cè)出有用信號(hào)的位置，為設(shè)計(jì)整個(gè)激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)奠定良好的基礎(chǔ)。

為了驗(yàn)證本算法的速度，還利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真：假設(shè)FPGA采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后是1200個(gè)整形數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)經(jīng)過24M的單片機(jī)中進(jìn)行處理，上述濾波以及相關(guān)運(yùn)算的處理時(shí)間為0.183S，處理速度快。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)地分析了激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡的原理、分類及其發(fā)展方向和激光測(cè)距中常用的信號(hào)處理方法，并通過實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性，為設(shè)計(jì)商用化的手持式激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡奠定基礎(chǔ)。

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收稿日期：2014-12-15

作者簡(jiǎn)介：黃巧潔（1981一），女，廣東佛山人，研究生，講師，畢業(yè)于華南理工大學(xué)，就職于廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向?yàn)椋和ㄐ偶夹g(shù)教育與研究。