基于CPLD的脈沖激光探測(cè)裝置信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

劉晨峰

摘要：本文介紹了基于CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）的四象限脈沖激光探測(cè)裝置的系統(tǒng)組成和工作原理，給出了信號(hào)處理電路框圖，提出了抗云霧干擾與目標(biāo)判斷方法。文中給出了目標(biāo)識(shí)別算法，并進(jìn)行了程序仿真。對(duì)工程樣機(jī)進(jìn)行了目標(biāo)測(cè)試和抗霧干擾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，激光探測(cè)裝置能夠作出正確判斷，滿足功能需求。

關(guān)鍵詞：激光探測(cè);信號(hào)處理;電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）02-0168-03

0 引言

脈沖激光具有方向性好、瞬時(shí)功率大、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步，激光探測(cè)裝置的信號(hào)處理向更高速發(fā)展。目前通用的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）雖然功能強(qiáng)大，資源豐富，但系統(tǒng)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。FPGA和CPLD具有體積小、集成度高、速度快和通過軟件編程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用功能的特點(diǎn)，但FPGA配置電路更復(fù)雜。結(jié)合應(yīng)用要求，采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）進(jìn)行激光探測(cè)裝置的信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-3]。

1 探測(cè)原理與系統(tǒng)工作原理

1.1 激光探測(cè)作用距離

激光探測(cè)裝置接收機(jī)接收到的功率可按下式計(jì)算：

（1）

由于要求的作用距離較近，大氣傳輸衰減可以忽略不計(jì)，。當(dāng)光束截面完全落在目標(biāo)上時(shí)，目標(biāo)的有效面積為：

（2）

得到激光探測(cè)裝置的作用距離為：

（3）

由上式可見，作用距離不僅與發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有關(guān)，還與目標(biāo)特性有關(guān)[4]。

1.2 系統(tǒng)組成

研制的激光探測(cè)裝置由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)、信號(hào)處理電路和電源電路等組成，系統(tǒng)組成和原理框圖如圖1所示。激光發(fā)射機(jī)由驅(qū)動(dòng)電路、砷化鎵激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成。激光接收機(jī)由接收光學(xué)系統(tǒng)、硅光電探測(cè)模塊、放大電路和比較電路組成。信號(hào)處理電路由信號(hào)處理器和高速邏輯電路組成。

1.3 工作原理

系統(tǒng)采用四象限分時(shí)輪詢、距離門截止選擇模式。四象限形成360°覆蓋區(qū)。激光發(fā)射機(jī)與激光接收機(jī)相隔一定基線距離，窄激光束和接收視場(chǎng)交叉形成重疊區(qū)域，如圖2、3所示[5]。只有當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域時(shí)，接收機(jī)才能探測(cè)到目標(biāo)反射回波。

系統(tǒng)開機(jī)后，信號(hào)處理電路產(chǎn)生基準(zhǔn)時(shí)序，由時(shí)序電路分發(fā)至四路激光發(fā)射機(jī)，驅(qū)動(dòng)激光器輪流發(fā)射激光脈沖。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)根據(jù)方向分布要求將光脈沖均勻發(fā)散至周圍空間。若脈沖激光碰到目標(biāo)，發(fā)生漫反射，有一部分反射激光被對(duì)應(yīng)接收機(jī)接收。光探測(cè)模塊將光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大及比較電路處理后，送入信號(hào)處理電路。

2 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)處理電路由時(shí)序產(chǎn)生電路、目標(biāo)識(shí)別與抗干擾電路、啟動(dòng)判決電路組成。系統(tǒng)采用一片高性能CPLD作為核心器件，配置一定外圍功能電路來完成信號(hào)處理功能。

2.1 時(shí)序產(chǎn)生電路

工作時(shí)序由CPLD產(chǎn)生。開機(jī)后，四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出至激光發(fā)射機(jī)的對(duì)應(yīng)象限，對(duì)于某一象限激光發(fā)射周期為T，相鄰兩個(gè)象限激光發(fā)射信號(hào)間隔T/4。在一個(gè)周期內(nèi)完成一次輪詢。激光探測(cè)裝置發(fā)射時(shí)序如圖4所示。

激光器產(chǎn)生的激光束有較大的束散角，光學(xué)系統(tǒng)將激光束準(zhǔn)直后，再進(jìn)行擴(kuò)束成扇形光束，激光發(fā)射機(jī)的近場(chǎng)光斑圖見圖5。使橫向視野角大于90°，縱向視場(chǎng)角小于1°。同時(shí)接收視場(chǎng)角被設(shè)計(jì)成窄光路，視野角大于90°。

2.2 抗干擾算法

激光回波在接收機(jī)內(nèi)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、放大和比較，形成TTL電平信號(hào)，進(jìn)入CPLD，在CPLD內(nèi)完成目標(biāo)識(shí)別和抗干擾算法。采用距離門選通技術(shù)，只接收落在距離門內(nèi)的回波信號(hào)，排除作用距離之外的信號(hào)。同時(shí)設(shè)置干擾門，識(shí)別可能出現(xiàn)的干擾信號(hào)，如圖6所示[6]。

自然界的云霧、煙霧是由密集的懸浮粒子組成的。因?yàn)榱Ｗ拥膸缀纬叽缗c激光波長(zhǎng)相當(dāng)，所以會(huì)對(duì)激光波束形成漫反射，形成回波干擾。除發(fā)射激光窄脈沖、濾光片光譜濾波、拉大發(fā)射接收基線等硬件上采取的措施，利用抗干擾算法來排除云霧等環(huán)繞型干擾。

因?yàn)榧す馓綔y(cè)裝置探測(cè)法向圓周方向的目標(biāo)，目標(biāo)是外形確定的物體。目標(biāo)只可能出現(xiàn)在單一象限或者緊鄰的兩個(gè)象限內(nèi)，不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在相對(duì)象限或所有象限內(nèi)。當(dāng)裝置處于云霧等懸浮粒子存在的環(huán)境時(shí)，如果回波高于閾值，所有象限都有回波信號(hào)產(chǎn)生。利用該差別實(shí)現(xiàn)裝置的抗干擾功能：當(dāng)單一象限或者緊鄰兩個(gè)象限有識(shí)別到目標(biāo)時(shí)，判決該探測(cè)周期有識(shí)別到目標(biāo);當(dāng)相對(duì)象限或全部象限均有識(shí)別到目標(biāo)時(shí)，判決該探測(cè)周期為干擾。

2.3 啟動(dòng)判決

激光探測(cè)裝置通過對(duì)脈沖回波信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)判決。在用抗干擾算法排除掉環(huán)繞型干擾后，對(duì)有效距離內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)量累積。當(dāng)累積數(shù)量達(dá)到啟動(dòng)閾值條件時(shí)，則判決為目標(biāo)，立即給出啟動(dòng)信號(hào)。若未達(dá)到啟動(dòng)閾值條件，下一周期目標(biāo)不再出現(xiàn)，則計(jì)數(shù)清零。

3 仿真及試驗(yàn)

3.1 程序仿真

利用QuartusII9.0軟件驗(yàn)證不同情況下結(jié)果是否正確。ins是激光使能信號(hào)，laser1～laser4是4象限發(fā)射激光基準(zhǔn)信號(hào)，echo是脈沖回波信號(hào)，num是累積計(jì)數(shù)器。經(jīng)仿真，當(dāng)有一個(gè)或緊鄰兩個(gè)象限出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)回波信號(hào)，經(jīng)過累積后輸出啟動(dòng)信號(hào)startup，而當(dāng)有相對(duì)象限或所有象限都出現(xiàn)連續(xù)多個(gè)回波信號(hào)時(shí)，沒有啟動(dòng)信號(hào)輸出，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，如圖7所示。

3.2 抗干擾試驗(yàn)

在光學(xué)暗室，用工業(yè)加濕器模擬霧環(huán)境，對(duì)激光探測(cè)裝置進(jìn)行抗霧干擾試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該激光探測(cè)裝置在能見度50m～200m下，能對(duì)模擬目標(biāo)進(jìn)行正確識(shí)別;在該環(huán)境無目標(biāo)時(shí)沒有虛警產(chǎn)生。霧未對(duì)激光探測(cè)裝置造成干擾。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于CPLD技術(shù)的四象限幾何光路視場(chǎng)交叉模式激光探測(cè)裝置，重點(diǎn)進(jìn)行了抗干擾設(shè)計(jì)，在分析干擾源與目標(biāo)特征的基礎(chǔ)上采取了相應(yīng)措施，完成了工程樣機(jī)的試制并通過了抗霧干擾試驗(yàn)。該裝置硬件構(gòu)成簡(jiǎn)單，有效地實(shí)現(xiàn)了電路系統(tǒng)小型化、低功耗，提高了電路的可靠性，具有良好的應(yīng)用前景。

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Signal Processing Circuit Design of Pulse Laser Detecting Device Based on CPLD

LIU Chen-feng

（China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute， Shijiazhuang Hebei? 050051）

Abstract：This paper introduces the system structure and working principle of the four-quadrant pulse laser detection device， gives the block diagram of the signal processing circuit， and proposes the anti-cloud interference and target judgment method. In this paper，the target recognition algorithm is given， the program is simulated， and the engineering prototype is completed. The target test and anti-fog interference test are carried out on the engieering prototype. The test results show that the laser detection device can make accurate judgments and meet functional requirements.

Key words：laser detection; signal processing; circuit design