多脈沖激光測(cè)距信號(hào)的數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)研究*

申　華　王壽增　高彥偉　張　鑫　孫　峰

(華中光電技術(shù)研究所武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室　武漢　430223)

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多脈沖激光測(cè)距信號(hào)的數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)研究*

申華王壽增高彥偉張?chǎng)螌O峰

(華中光電技術(shù)研究所武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室武漢430223)

摘要針對(duì)激光測(cè)距中回波信號(hào)信噪比低、難以提取的困難，論文分析了多脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)疊加技術(shù)和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于信噪比的提升作用，并對(duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比15組脈沖激光測(cè)距，采用30組脈沖激光測(cè)距時(shí)，回波信號(hào)信噪比增加了1.38倍，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)處理后，回波信號(hào)信噪比增加了3.07倍。這表明，多脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)疊加和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，均可以提升激光測(cè)距回波信號(hào)的信噪比。

關(guān)鍵詞多脈沖激光測(cè)距; 數(shù)字信號(hào)處理; 相關(guān)檢測(cè); 信噪比

Class NumberTN247

1引言

激光測(cè)距中回波信號(hào)的有效提取對(duì)提升激光測(cè)距設(shè)備的測(cè)距能力至關(guān)重要。但常規(guī)的光電探測(cè)器接收激光脈沖信號(hào)時(shí)，信噪比受限于光電探測(cè)元件的噪聲以及背景光的干擾?；夭ㄐ盘?hào)微弱時(shí)，往往淹沒在噪聲之中[1]。所以，需要尋找合適的信號(hào)檢測(cè)方法來提高信噪比。傳統(tǒng)的模擬激光脈沖測(cè)距機(jī)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)主要是利用電壓比較法，它的原理是設(shè)定一個(gè)門限電壓，把它與獲得的回波電壓相比較，若回波電壓大于門限電壓，判定為目標(biāo)，若回波電壓小于門限電壓，則沒有目標(biāo)[2]。與電壓比較法不同，多脈沖體制的激光測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)接收多個(gè)探測(cè)回波，有利于信號(hào)積累，再結(jié)合信號(hào)處理方法，可以有效提高信噪比[3]。同時(shí)，利用多脈沖激光測(cè)距時(shí)激光回波信號(hào)之間的相關(guān)特性，采用相關(guān)檢測(cè)的方法，也能夠極大地提高激光測(cè)距微弱回波信號(hào)的檢測(cè)能力[4]。

2基本原理

2.1多脈沖疊加處理

激光回波信號(hào)可以表示為時(shí)間的函數(shù)：

X(t)=S(t)+N(t)

(1)

其中，S(t)表示有用信號(hào)，N(t)表示噪聲。當(dāng)m個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行疊加時(shí)，式(1)可以寫成：

(2)

激光測(cè)距中，信噪比可以定義為[5]

(3)

其中：ε{}表示期望運(yùn)算符。

因?yàn)榧す饣夭ㄐ盘?hào)為確定性信號(hào)，所以信號(hào)疊加后的強(qiáng)度可認(rèn)為是直接相加的結(jié)果[6]，即為mS(t)，故測(cè)距回波信號(hào)疊加后的信噪比可以表示為

(4)

將式(4)分母展開得到：

(5)

由于各次隨機(jī)過程是相互獨(dú)立的，噪聲來自于相同的樣本集， 所以式(5)中第一項(xiàng)可以表示為mε{N2(t)}，第二項(xiàng)為零[7]，故式(4)可以表示為

(6)

2.2信號(hào)相關(guān)檢測(cè)

相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用信號(hào)的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過相關(guān)運(yùn)算，提高信噪比，從而檢測(cè)出信號(hào)的一種技術(shù)。

相關(guān)檢測(cè)原理可以表示如圖1。

圖1　脈沖信號(hào)相關(guān)運(yùn)算示意圖

假設(shè)原始信號(hào)X(t)，Y(t)由有用信號(hào)S(t)和噪聲N(t)組成：

X(t)=S1(t)+N1(t)

Y(t)=S2(t)+N2(t)

(7)

X(t)和Y(t)的相關(guān)輸出：

(8)

將式(7)代入式(8)得到：

+N1(t)S2(t+τ)+N1(t)N2(t+τ))dt

(9)

在測(cè)距回波信號(hào)中，信號(hào)與噪聲互不相關(guān)，噪聲與噪聲在時(shí)間上也不相關(guān)[8]，故式(9)可以表示為

(10)

所以有：Rxy(τ)?RS1S2(τ)，這表明，經(jīng)相關(guān)處理后，保留了目標(biāo)信號(hào)，抑制了噪聲[9]。

因?yàn)閄(t)和Y(t)是對(duì)激光測(cè)距回波信號(hào)進(jìn)行AD采樣后的有限長(zhǎng)離散數(shù)字信號(hào)序列，可以表示為：X(t)={x(0),x(1),x(2)，…，x(k)}，Y(t)={y(0),y(1),y(2)，…，y(k)}。所以相關(guān)輸出可以表示為[10]

(11)

因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)有限，式(11)中x(n)和y(n+m)在采樣點(diǎn)以外的信號(hào)值可以通過補(bǔ)0來處理。X(t)和Y(t)分別為參考信號(hào)和回波信號(hào)，由于激光測(cè)距中發(fā)射信號(hào)和回波信號(hào)具有相關(guān)性，而且同一激光器對(duì)不同目標(biāo)測(cè)距的回波信號(hào)之間也具有相關(guān)性，所以參考信號(hào)可以選擇激光發(fā)射信號(hào)或者激光器對(duì)另一個(gè)目標(biāo)測(cè)距的回波信號(hào)。

3實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)1550nm半導(dǎo)體激光器，激光器輸出能量2μJ，發(fā)散角小于2mrad。對(duì)2km以外的目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閱未渭す獍l(fā)射能量很小，回波信號(hào)極弱，故采用多次激光回波疊加的多脈沖測(cè)距方法。實(shí)驗(yàn)中采用高速AD芯片對(duì)單次測(cè)距回波信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣速率為30MHZ，單次測(cè)距采樣900個(gè)點(diǎn)，采樣數(shù)據(jù)送入DSP中進(jìn)行處理。令100次激光回波疊加作為一組，總共對(duì)目標(biāo)發(fā)射30組的激光。假設(shè)得到的30組激光回波數(shù)據(jù)存放在數(shù)組data[30][900]中，設(shè)前15組數(shù)據(jù)之和為A，后15組數(shù)據(jù)之和為B。則：

由于原始信號(hào)信噪比較高的情況下，通過直接探測(cè)的辦法更加簡(jiǎn)單，所以本文主要比較原始信號(hào)信噪比較低時(shí)，多脈沖疊加與相關(guān)檢測(cè)方法對(duì)原始信號(hào)信噪比的增強(qiáng)能力。

用激光器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距，對(duì)激光器回波信號(hào)進(jìn)行采樣得到的A和B的信號(hào)圖如圖2。

圖2　A和B信號(hào)圖

將前15組數(shù)據(jù)和后15組數(shù)據(jù)疊加，得到A+B的信號(hào)圖如圖3。

圖3　回波信號(hào)前15組和后15組數(shù)據(jù)之和

本實(shí)驗(yàn)選取激光器對(duì)另一目標(biāo)測(cè)距的回波信號(hào)作為參考信號(hào)X(t)，為避免運(yùn)算量過大，對(duì)X(t)中的噪聲進(jìn)行置0處理。將信號(hào)A作為相關(guān)運(yùn)算的回波信號(hào)Y(t)，對(duì)X(t)和Y(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。參考信號(hào)X(t)的波形圖以及X(t)和Y(t)的相關(guān)Rxy(τ)的波形圖如圖4。

對(duì)比上述信號(hào)A、B、A+B和Rxy(τ)的信噪比如下：

SNRA=11.40dB,SNRB=11.36dB,

SNRA+B=12.82dB,SNRR(τ)=16.28dB

圖4　X(t)和Rxy(τ)信號(hào)圖

4結(jié)語

本文對(duì)激光測(cè)距的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后比較了多組回波信號(hào)疊加技術(shù)和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)對(duì)于原始信號(hào)信噪比的提升作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)比15組脈沖激光測(cè)距，采用30組脈沖激光測(cè)距時(shí)，回波信號(hào)信噪比增加了1.38倍，采用數(shù)字相關(guān)檢測(cè)技術(shù)處理后，回波信號(hào)信噪比增加了3.07倍。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過對(duì)多脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)疊加和技術(shù)相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，提升激光測(cè)距機(jī)的測(cè)距能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月17日,修回日期：2016年3月6日

作者簡(jiǎn)介：申華，男，碩士，助理工程師，研究方向：激光信號(hào)處理。

中圖分類號(hào)TN247

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.038

Digital Correlation Detection of Multi-pulse Laser Ranging

SHEN HuaWANG ShouzengGAO YanweiZHANG XinSUN Feng

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan430223)

AbstractAs the SNR of laser ranging echo signal is low and difficult to recognize, this paper analyzes the SNR enhancement by multi-pulse accumulation and correlation detection and conducts experiments later. The experiments result shows that when comparing with echo signal SNR of 15 groups pulsed laser ranging, the echo signal SNR of 30 groups pulsed laser ranging increased it to 1.38 times, and when using digital correlation detection process, the echo signal SNR increased to 3.07 times. This indicates that the multi-pulse laser ranging and correlation detection technology can both enhance the SNR of laser ranging echo signal.

Key Wordsmulti-pulse laser ranging, digital signal processing, correlation detection, SNR