脈沖壓縮在激光測(cè)距中的應(yīng)用

摘 要： 脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距是目前主要的激光測(cè)距方法，但是在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，容易因回波信號(hào)湮沒于噪聲中而失效。針對(duì)微弱回波信號(hào)的提取難題，提出了脈沖壓縮式激光測(cè)距法。通過(guò)發(fā)射線性調(diào)頻的脈沖激光，接收時(shí)采用脈沖壓縮技術(shù)提高脈沖峰值功率，改善信噪比，從而獲得湮沒于噪聲中的回波信號(hào)。該方法對(duì)于提高測(cè)距距離和降低激光功率具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。建立了激光測(cè)距中脈沖壓縮方法的數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)典型高斯白噪聲環(huán)境進(jìn)行了仿真，分析了脈沖壓縮參數(shù)對(duì)測(cè)距的影響，設(shè)計(jì)了線性調(diào)頻的激光信號(hào)源并基于FPGA實(shí)現(xiàn)了脈沖壓縮信號(hào)處理。

關(guān)鍵詞： 激光測(cè)距； 脈沖壓縮； 噪聲環(huán)境仿真； 回波信號(hào)提取

中圖分類號(hào)： TN219?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）11?0059?04

Abstract： The pulse laser range?finding and phase laser range?finding are the main methods of laser range?finding presently， but they may lose efficiency easily in complex noise environment due to oblivion of echo signal covered in the noise. Since the weak echo signal is difficult to extract， the pulse compression laser range?finding method is proposed. The pulse laser of linear frequency modulation is emitted， and received with pulse compression technology to increase the pulse peak power， improve the signal?to?noise ratio， and obtain the echo signal covered in noise. The method has important research significance and application value to improve the range?finding distance and reduce the laser power. The mathematical model of pulse compression method in laser range?finding was established. The typical Gaussian white noise environment was simulated. The influence of pulse compression parameters on the laser range?finding is analyzed. The laser signal source of linear frequency modulation was designed， and the pulse compression signal processing was realized based on FPGA.

Keywords： laser range?finding； pulse compression； noise environment simulation； echo signal extraction

0 引 言

激光具有方向性好，波長(zhǎng)單一等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于各類測(cè)量技術(shù)中。與傳統(tǒng)測(cè)距方法相比，激光測(cè)距精度高，抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，因而在軍事、航空、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

目前激光測(cè)距主要有脈沖式激光測(cè)距和相位式激光測(cè)距[1]。脈沖式激光測(cè)距的原理是利用脈沖激光器對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，激光遇到目標(biāo)后反射回測(cè)距儀，只要測(cè)出激光脈沖從發(fā)射到返回測(cè)距儀的時(shí)間，即可算出目標(biāo)與測(cè)距儀之間的距離。而相位式激光測(cè)距的原理則是通過(guò)測(cè)量相位延遲量間接測(cè)量激光在被測(cè)物體與測(cè)距機(jī)之間傳播的時(shí)間，從而計(jì)算出兩者之間的距離。脈沖式激光測(cè)距法可以達(dá)到很高的瞬時(shí)功率，具有很大的測(cè)量范圍，但是測(cè)量精度比較低。而相位式激光測(cè)距法可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，但是測(cè)量范圍有限。在復(fù)雜噪聲環(huán)境下，兩者都會(huì)存在很大的測(cè)量誤差，甚至完全湮沒在噪聲中，無(wú)法獲得距離信息。為了在復(fù)雜的噪聲環(huán)境中，仍然能夠獲得較精確的測(cè)量結(jié)果，本文提出將脈沖壓縮技術(shù)運(yùn)用到激光測(cè)距中，從而獲得有效的回波信號(hào)。

1 脈沖壓縮激光測(cè)距

1.1 脈沖壓縮的數(shù)學(xué)模型

脈沖壓縮效果如圖3所示，20 μs，其中20 MHz，10 MHz。從式（9）可以看出，匹配濾波器的輸出脈沖寬度（頂點(diǎn)下-4 dB處的寬度）近似為調(diào)頻信號(hào)頻譜寬度的倒數(shù)，相當(dāng)于調(diào)頻信號(hào)脈沖寬度的輸出脈沖幅度相比于調(diào)頻信號(hào)脈沖幅度增大倍，即輸出脈沖的峰值功率[2?3]比調(diào)頻信號(hào)的峰值功率增大倍。

正是因?yàn)榫€性調(diào)頻信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后，它的峰值功率能夠增大倍，所以即使在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，特別是強(qiáng)噪聲環(huán)境中，當(dāng)回波信號(hào)完全湮沒在噪聲中，經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后依然能夠獲得有效的脈沖信號(hào)。

1.2 復(fù)雜噪聲環(huán)境下的仿真

線性調(diào)頻信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾性，即使在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，經(jīng)過(guò)脈沖壓縮之后也能獲得脈沖信號(hào)。用高斯白噪聲模擬環(huán)境噪聲，線性調(diào)頻信號(hào)參數(shù)為：此時(shí)脈沖壓縮比為如圖4所示，當(dāng)信噪比時(shí)，輸入的線性調(diào)頻信號(hào)完全湮沒在背景噪聲中，如果采用脈沖式測(cè)距法或相位式測(cè)距法，則難以得到所需的距離信息，而采用脈沖壓縮法，通過(guò)匹配濾波處理，依舊可以獲得有效的回波脈沖。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真，當(dāng)信噪比時(shí)，能夠獲得脈沖信號(hào)。隨著信噪比變小，獲得準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)的概率不斷降低。當(dāng)時(shí)，只有約50%的可能獲得準(zhǔn)確的脈沖信號(hào)。

1.3 參數(shù)選擇對(duì)測(cè)距的影響

使用脈沖壓縮法，線性調(diào)頻信號(hào)的參數(shù)選擇對(duì)測(cè)距結(jié)果主要有以下幾方面的影響：

（1） 調(diào)頻信號(hào)壓縮比（即時(shí)間帶寬積），直接影響信號(hào)的抗噪聲能力。時(shí)間帶寬積越大，脈沖壓縮信號(hào)峰值功率與回波有效信號(hào)峰值功率比也就越大，從噪聲中提取出有效回波信號(hào)的能力也就越強(qiáng)。

（2） 距離分辨率其中為對(duì)調(diào)頻信號(hào)采樣的采樣頻率。例如，當(dāng)采樣頻率時(shí)，分辨率為0.75 m；當(dāng)采樣頻率時(shí)，分辨率為0.3 m。

（3） 脈沖壓縮程序設(shè)定的測(cè)距范圍其中是脈沖壓縮程序設(shè)定的可處理的最大數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。當(dāng)采樣頻率一定時(shí)，可以通過(guò)增加總的采樣數(shù)據(jù)數(shù)目提高系統(tǒng)的測(cè)距范圍。受到硬件條件的限制，脈沖壓縮程序能夠處理的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是有限的。

2 信號(hào)源及FPGA程序設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)源設(shè)計(jì)

鈮酸鋰（LiNbO3）晶體具有良好的光電效應(yīng)，較低的半波電壓以及較高的響應(yīng)速度。如圖5所示，調(diào)頻信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生60～80 MHz的線性調(diào)頻信號(hào)，通過(guò)增益控制后，利用鈮酸鋰的光電效應(yīng)就可以控制由分布式反饋激光器（簡(jiǎn)稱DFB激光器）發(fā)射的激光通過(guò)鈮酸鋰晶體之后的輸出光功率，從而獲得激光線性調(diào)頻信號(hào)。

2.2 FPGA程序設(shè)計(jì)

由第1節(jié)的脈沖壓縮推導(dǎo)過(guò)程可知，要實(shí)現(xiàn)線性調(diào)頻信號(hào)的脈沖壓縮，主要有三步：對(duì)輸入的線性調(diào)頻信號(hào)的傅里葉變換，與匹配函數(shù)作乘法運(yùn)算以及最后對(duì)輸出信號(hào)作傅里葉逆變換。傅里葉變換結(jié)構(gòu)采用“兵乓式”操作，采用兩塊雙口RAM，就像兩個(gè)乒乓板，數(shù)據(jù)就如同乒乓球，每經(jīng)過(guò)一次攔網(wǎng)就相當(dāng)于進(jìn)行一次蝶形運(yùn)算，每拍打一次就相當(dāng)于進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的寫入和讀出。由于傅里葉變換和逆變換是順序進(jìn)行的，在時(shí)間上沒有重復(fù)性，而且運(yùn)算過(guò)程相似，可以用一個(gè)模塊依次完成。

脈沖壓縮的程序框圖如圖6所示，回波數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)采樣后存入RAM_A中，然后通過(guò)蝶形運(yùn)算模塊分別從RAM_A和旋轉(zhuǎn)因子ROM中讀取回波數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)因子，運(yùn)算后存入RAM_B中，這樣就完成了一次蝶形運(yùn)算。如此循環(huán)直到收到結(jié)束信號(hào)，完成離散傅里葉變換，如式（4）所示。然后通過(guò)乘法器將傅里葉變換后的數(shù)據(jù)與匹配系數(shù)ROM中存儲(chǔ)的匹配系數(shù)作乘積運(yùn)算，完成匹配運(yùn)算過(guò)程，如式（7）所示。之后重復(fù)前面蝶形運(yùn)算的過(guò)程，進(jìn)行離散傅里葉逆變換。不同的是旋轉(zhuǎn)因子要取共軛，蝶形運(yùn)算結(jié)果乘以0.5，這樣就完成了式（8）的過(guò)程，最后輸出脈沖壓縮波形。

將的線性調(diào)頻信號(hào)與帶有的噪聲信號(hào)和線性調(diào)頻信號(hào)的混合信號(hào)導(dǎo)入FPGA中，經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過(guò)FPGA程序處理之后，原本完全湮沒于噪聲中的回波信號(hào)被成功提取出來(lái)。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述仿真分析可知，線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)可以極大地提高回波信號(hào)的峰值功率，特別是在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，使得原本已經(jīng)被噪聲湮沒的回波信號(hào)在經(jīng)過(guò)脈沖壓縮技術(shù)處理后，能夠重新獲得有效的脈沖信號(hào)?；贔PGA可以很好地實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮過(guò)程。

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