脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)時(shí)間選通處理技術(shù)

（北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

引言

激光測(cè)距是一種非接觸式的距離測(cè)量技術(shù)，它利用光子飛行時(shí)間來計(jì)算目標(biāo)距離[1]。激光測(cè)距法可分為脈沖激光測(cè)距法、相位激光測(cè)距法和干涉測(cè)距法[2-4]。干涉測(cè)距法對(duì)外界環(huán)境以及測(cè)距設(shè)備的要求較高并且抗干擾能力弱，一般只在特定場(chǎng)合使用。相位激光測(cè)距裝置成本高、測(cè)量速度慢、需要合作目標(biāo)輔助測(cè)量。脈沖激光測(cè)距法量程大、測(cè)距速度較快并且無需合作目標(biāo)。對(duì)于導(dǎo)彈等高速相向運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，脈沖式激光測(cè)距的調(diào)制頻率通常在幾十赫茲，導(dǎo)致距離刷新頻率較低，造成測(cè)距滯后[5]。因此在保證測(cè)距系統(tǒng)性能的前提下，高重頻脈沖激光測(cè)距技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與常用的測(cè)距技術(shù)相比，高重頻脈沖激光測(cè)距技術(shù)具有測(cè)距滯后小、能夠?qū)δ繕?biāo)的工作波段及工作體制進(jìn)行探測(cè)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)光源相干性要求低等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)、航空航天、大地測(cè)量、建筑測(cè)量和機(jī)器人等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。目前，各種用途對(duì)高重頻脈沖激光測(cè)距準(zhǔn)確度的要求越來越高，如何能可靠、準(zhǔn)確地探測(cè)目標(biāo)漫反射返回的衰減和畸變的激光脈沖回波信號(hào)是一個(gè)關(guān)鍵問題[8]。

常用的脈沖激光測(cè)距方法包括全數(shù)字激光測(cè)距、激光多周期測(cè)距、基于自動(dòng)增益控制技術(shù)的脈沖激光測(cè)距等[9-11]。隨著自動(dòng)增益控制技術(shù)的發(fā)展，研究者越來越多地將自動(dòng)增益控制技術(shù)應(yīng)用于脈沖激光回波處理。芬蘭奧魯大學(xué)研究人員采用衰減器結(jié)合幅度探測(cè)手段對(duì)接收機(jī)進(jìn)行自動(dòng)增益控制，有效提高了近程測(cè)距精度[12]，但是缺乏對(duì)背景光噪聲變化的適應(yīng)能力。在分析了脈沖激光測(cè)距回波接收系統(tǒng)增益控制手段及范圍的基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所郭穎等人提出了一種基于回波幅度和噪聲探測(cè)的自動(dòng)增益控制方案，有效提升自動(dòng)增益調(diào)節(jié)對(duì)背景光噪聲變化的適應(yīng)能力，但是該方法測(cè)距量程較短[13]。中國(guó)科學(xué)院大學(xué)程鵬飛提出大動(dòng)態(tài)范圍高精度激光測(cè)距技術(shù)，不但動(dòng)態(tài)范圍大，而且精度較高，但是未對(duì)誤識(shí)別率進(jìn)行有效抑制[14]。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外用于高重頻脈沖激光測(cè)距回波處理方法在回波信號(hào)識(shí)別方面還有待改進(jìn)。為了剔除高重頻脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)中的干擾脈沖信號(hào)，以免造成信號(hào)誤識(shí)別，帶來粗大誤差，本論文研究實(shí)施了一種脈沖回波信號(hào)的時(shí)間波門選通處理方法。

1 激光測(cè)距原理與系統(tǒng)

脈沖激光測(cè)距原理是利用速度、時(shí)間和路程之間的關(guān)系，即激光脈沖從發(fā)射到經(jīng)被測(cè)物體反射回來所用的總時(shí)間的一半再乘以激光的傳播速度，得出被測(cè)目標(biāo)距離[15]。假定被測(cè)目標(biāo)距離為S，則

式中：t為測(cè)得的激光脈沖往返經(jīng)過的時(shí)間；c為光速，約為3×1 08m/s。

常規(guī)高重頻脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理和控制模塊、高重頻脈沖激光器、接收望遠(yuǎn)鏡、光電接收與轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、計(jì)時(shí)模塊組成。數(shù)據(jù)處理和控制模塊產(chǎn)生并輸出脈沖對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生脈沖激光輸出；接收望遠(yuǎn)鏡將脈沖回波信號(hào)進(jìn)行收集；光電接收與轉(zhuǎn)換模塊將收集的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；調(diào)理模塊將回波電信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、時(shí)刻判別處理；計(jì)時(shí)模塊計(jì)算調(diào)制脈沖和脈沖回波信號(hào)之間的時(shí)間?；夭ㄐ盘?hào)中不僅包含脈沖回波信號(hào)，還包含傳播過程中引入的各種干擾信號(hào)，如激光瑞利散射、背景光等造成的干擾信號(hào)，如圖2所示。干擾信號(hào)容易被系統(tǒng)誤認(rèn)為脈沖回波信號(hào)，造成系統(tǒng)的粗大誤差。

圖1 常規(guī)高重頻脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)Fig.1 Conventional high repetition rate pulse laser ranging system

圖2 干擾信號(hào)Fig.2 Jamming signal

2 脈沖回波信號(hào)調(diào)理模塊

脈沖回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后需要進(jìn)行專門調(diào)理，調(diào)理模塊包括帶通濾波器、數(shù)字自動(dòng)增益調(diào)節(jié)（automatic gain control，AGC）模塊、高速比較器模塊，如圖3所示。帶通濾波電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖回波信號(hào)濾波；數(shù)字AGC 模塊實(shí)現(xiàn)脈沖回波信號(hào)幅值穩(wěn)定在一定范圍；高速比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖回波信號(hào)整形。

圖3 調(diào)理模塊Fig.3 Conditioning module

為了降低系統(tǒng)的誤識(shí)別率，提升峰值采集值的精確度，特別采用具有回波信號(hào)時(shí)間選通處理技術(shù)的數(shù)字AGC 模塊，如圖4所示。設(shè)計(jì)測(cè)量距離500 m～5 000 m，脈沖回波信號(hào)強(qiáng)度為2 mV～2 000 mV的調(diào)理模塊系統(tǒng)，系統(tǒng)由可變?cè)鲆婵刂撇糠?、峰值采集部分和時(shí)間選通部分組成。

采用FPGA 控制數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)對(duì)可變?cè)鲆娣糯箅娐罚╲ariable gain amplifier，VGA）的程序控制。為了使VGA 滿足系統(tǒng)80 dB 回波強(qiáng)度的變化范圍，采用兩級(jí)可變?cè)鲆孢\(yùn)放AD603。FPGA 通過SPI 控制數(shù)字電位器的分壓比，實(shí)現(xiàn)對(duì)VGA的增益控制。增益表達(dá)式為

圖4 采用時(shí)間選通的數(shù)字AGC 模塊Fig.4 Digital AGC module with time-gating

峰值采集電路，由高速峰值保持電路和高速AD 采集電路組成。峰值采集電路將脈沖回波信號(hào)峰值保持并通過AD 采集，完成幅值調(diào)節(jié)。峰值保持電路能夠檢測(cè)和保持快速窄脈沖峰值，但峰值采集輸出結(jié)果既受信號(hào)峰值影響又受起始相位影響，造成信號(hào)峰值采集出現(xiàn)誤差。不同起始相位、相同幅值下峰值保持值的輸出如圖5所示。

圖5 不同起始相位、相同幅值下的峰值保持值Fig.5 Peak holding value under different starting phases and same amplitude

從圖5可以看出，由于脈沖回波信號(hào)起始相位不同，造成峰值保持值的衰減程度不同，使得相同幅值的脈沖回波信號(hào)采集的幅值不同，影響自動(dòng)增益調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性。

時(shí)間選通模塊不僅可降低誤識(shí)別率，還提升了峰值采集結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體措施是通過高速模擬開關(guān)芯片將有效信號(hào)時(shí)間窗之外的信號(hào)排除，只允許時(shí)間窗內(nèi)的信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。設(shè)測(cè)距機(jī)的最近及最遠(yuǎn)測(cè)距距離分別為L(zhǎng)min和Lmax，則：其中有效時(shí)間窗的起始時(shí)刻t1和結(jié)束時(shí)刻t2分別為

式中：c為光速，t1和t2從激光出光時(shí)刻起計(jì)時(shí)，在本文所述系統(tǒng)中Lmin=500 m，Lmax=5 000 m，代入上式可得t1=3.33 μs，t2=33.33 μs。從時(shí) 間 窗 開 始，AD 以2 μs 采集一次數(shù)據(jù)的速度采集峰值保持值15次，并計(jì)算最大值，確保每次采集到真實(shí)的峰值，提高自動(dòng)增益的精確度。時(shí)間選通控制信號(hào)由FPGA 根據(jù)激光調(diào)制脈沖產(chǎn)生。時(shí)間選通模塊實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 時(shí)間選通模塊實(shí)物圖Fig.6 Physical diagram of time-gated module

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

峰值保持電路在不同起始相位、相同幅值脈沖回波信號(hào)下，AD 在時(shí)間波門內(nèi)的峰值保持信號(hào)如圖7所示。

圖7 時(shí)間波門內(nèi)不同位置、相同幅值的峰值A(chǔ)D 采集值Fig.7 Peak AD values of different positions and same amplitude in time gate

從圖7可以看出，時(shí)間波門內(nèi)采集15次峰值保持值并求取最大值，有效解決起始相位不同、幅值相同的脈沖回波信號(hào)引起峰值采集值不同的問題，相比常規(guī)峰值采集值的方法，該條件下所計(jì)算的峰值采集值，精度提高12.6%。

改變脈沖回波信號(hào)的幅值后，回波脈沖信號(hào)波形如圖8所示，輸入2 mV 脈沖回波信號(hào)如圖8（a）所示；輸入500 mV 脈沖回波信號(hào)如圖8（b）所示；輸入1 V 脈沖回波信號(hào)如圖8（c）所示；輸入2 V 脈沖回波信號(hào)如圖8（d）所示。

圖8 經(jīng)過調(diào)理模塊后的回波信號(hào)Fig.8 Echo signal after conditioning module

從圖8可以看出，采用時(shí)間選通處理技術(shù)后，調(diào)理模塊系統(tǒng)能夠?qū)? mV～ 2 000 mV范圍內(nèi)不同幅值的脈沖回波信號(hào)調(diào)節(jié)到1 V，很好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增益控制功能。

圖9 采用波門開關(guān)的波形圖Fig.9 Oscillogram with gate switch

為了驗(yàn)證系統(tǒng)低誤識(shí)別率，在時(shí)間波門3.33 μs～33.33 μs范圍以外設(shè)置一個(gè)高頻脈沖信號(hào)如圖9所示。單周期波門信號(hào)及其效果如圖9（a）所示；多周期波門信號(hào)及其效果如圖9（b）所示。

從圖9可以看出，采用時(shí)間選通處理技術(shù)后，調(diào)理模塊系統(tǒng)能夠?qū)⒏哳l干擾信號(hào)有效濾除，有效地降低了系統(tǒng)的誤識(shí)別率。

4 結(jié)論

高重頻脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)擁有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，其特點(diǎn)是重復(fù)頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)光源相干性要求低、測(cè)量速度快，但是目前針對(duì)高重頻脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)誤識(shí)別率低、峰值采集值精確度低等問題缺少有效方案。論文針對(duì)性地研究了高重頻脈沖激光測(cè)距回波信號(hào)時(shí)間選通處理技術(shù)，并搭建高重頻脈沖激光測(cè)距調(diào)理模塊系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，峰值保持電路輸出信號(hào)的精度提高12.6%左右，回波信號(hào)中干擾脈沖信號(hào)被有效剔除。