多脈沖互相關檢測法在遠距離脈沖激光測距中的應用

劉慧慧，張 澤，梁天太

(1.北京石油化工學院，光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京 102617；2.北京工業大學 機電學院，北京 100124)

隨著激光測距技術的發展，遠距離無合作目標的脈沖激光測距儀廣泛應用于工程測量、軍事勘察和水下霧天等惡劣環境下的工程測距中。在脈沖激光安全發射功率(平均功率<1 MW)的前提條件下，由于其發射能量受到限制，在惡劣環境下的回波信號幅值會因介質衰減而大幅度降低，導致出現回波信號信噪比差、探測困難等問題[1]。為了精準地探測到脈沖激光測距系統的回波信號，必須尋找到適合的微弱信號檢測方法。

目前，微弱信號的提取方法有線性法和非線性法，由于在實際應用中受到硬件等因素的限制，非線性分析法還處于理論和試驗階段。線性分析法雖然已經在工程中得到應用，但存在信號提取性能差和硬件成本較高等問題。Thiel等[2]通過仿真試驗比較了多脈沖互相關方法與傳統定比門限法的測距精度。Jutzi等[3]采用不同的物體模型仿真不同表面的測距回波，由此探究多脈沖互相關方法對于不同表面測距的回波探測能力。姜海嬌等[4]通過研究激光雷達回波信號的物理特性，在數學統計的基礎上，提出了置信概率68.2%對應的置信半區間來衡量激光雷達的測距精度的新思路。倪旭翔等[5]提出了一種基于發射脈沖串與回波脈沖串互相關的信號處理方法，并進行了仿真試驗。

本文對遠距離脈沖激光測距中的微弱回波信號進行了進一步研究，提出了一種互相關脈沖累積法，即對某時間段內的回波信號進行互相關疊加直到強度滿足閾值要求。在理論研究的基礎上，結合全站儀測距系統進行實際的遠距離測量試驗，并根據試驗結果對不同距離下的回波信號和測距能力進行分析。

1 多脈沖互相關檢測方法

多脈沖互相關法探測微弱回波信號的工作過程如圖1所示。將某時間段內的脈沖回波信號進行互相關疊加，利用噪聲的不相關性，達到增加信號強度和提高信噪比的目的。

圖1 多脈沖互相關運算圖

圖1中M為單個周期信號的采樣點數，N為脈沖個數，則對N個信號進行互相關運算后的結果為：

(1)

為了研究對信噪比的提升能力，首先計算原始信號的信噪比為：

(2)

對N個信號互相關后的結果取平均，得：

(3)

則此時信號的信噪比為：

(4)

(5)

由式5可知，在進行實際的測量時，需要對信號進行大量的加法運算，因此對硬件也提出了更高的要求，而DSP和FPGA等高速可編程邏輯器件的大量使用恰好解決了這一問題。

從上述過程可知，利用周期性信號的重復特性，使用高速A/D對某段時間內的周期性信號進行連續采樣，并利用FPGA的快速性對采樣結果按周期進行累加，處理后的信號有如下特點。

2)由于噪聲的隨機性，激光脈沖信號在測距過程中受到的干擾也不同，通過該算法不僅可以提高信噪比，還能對不同畸變的波形進行疊加，有效地復現出原信號的波形。

2 回波信號探測及分析

將上述方法用于實際微弱回波信號探測中。其中，脈沖激光測距系統中的FPGA輸出脈沖周期為10 kHz、寬度為37 ns的脈沖串，驅動半導體激光二極管發射出脈沖探測激光串，經過光纖光路衰減后，所發射激光脈沖的平均功率為1 MW。經光電轉換后的電壓信號輸入高速A/D中進行采樣，A/D的采樣速率為200 MHz，分辨率為10位(此時的回波信號可通過型號為Agilent 54642A的示波器進行觀察)。

分別對<200 m的近距離目標和>300 m的遠距離目標進行測量，通過示波器觀察回波信號特性，如圖2和圖3所示。當測量距離<200 m時，回波脈沖經過雙極性電路成形后信號的強度很強，使用傳統的閾值法即可檢測；但是當測量目標距離增大到≥300 m時，回波信號已經完全掩蓋在噪聲中，計算此時信號的信噪比為0.82，信噪比遠小于傳統閾值法可檢測的范圍(要求>5)，故無法檢測回波信號。

圖2 距離<200 m時回波信號

圖3 距離>300 m時回波信號

現將測量目標距離為305 m的A/D回波信號采集結果進行多脈沖互相關計算，輸出結果如圖4和圖5所示。

圖4 305 m互相關運算后波形圖

圖5 305 m互相關局部放大波形圖

通過上述試驗可知，當測量距離為305 m時，通過脈沖互相關算法可以將微弱信號的信噪比由0.82提升到56.14，且保留了信號波形的細節信息，從而驗證了算法的可行性；但是，隨著測量距離的增加，其探測能力的變化情況以及探測極限需要進一步的驗證。

將測量目標的距離分別提高到700 m以上和1 133 m，對其測量計算后，回波信號的波形如圖6和圖7所示。由圖6可知，當測量距離從305 m提高到700 m以上時，回波信號的噪聲明顯增加，這說明距離越遠回波信號的強度越低，信噪比更低；但是，通過脈沖互相關運算后仍然可以將信號提取出來，計算可得經互相關處理后信號的信噪比為45.64；當測量距離提高至1 133 m時，回波信號已經很微弱，回波信號的信噪比遠遠<1，經過相關算法處理后(見圖7)，淹沒在噪聲中的信號仍可以被提取出來，此時信號的信噪比為10.37，與測距為700 m時相比，回波信號的強度和信噪比要偏低，但是仍然在可檢測的范圍內。通過在不同距離下的測距試驗可以得出，使用多脈沖互相關法處理微弱激光回波信號，可以將原來<300 m的探測距離提高到≥1 000 m。

圖6 距離>700 m互相關處理后回波信號

圖7 距離為1 133 m互相關處理后回波信號

3 結語

本文根據遠距離脈沖激光測距中回波的特點，提出了多脈沖互相關累積法，并在激光器功率及光路等條件不變的前提下，通過對不同距離下目標的測量，研究了對微弱回波信號的提取能力。通過試驗驗證，多脈沖互相關累積法可以有效降低噪聲，提升信號的信噪比，降低誤警率。將原來<300 m的探測距離提高到≥1 000 m，使實際測量時的測程至少能夠提高3倍，在工程中具有明顯的實踐意義。

[1] 龍騰宇, 黃民雙, 孫麗妍，等. 單脈沖互相關累積法在激光脈沖遠程測距中的應用[J]. 北京石油化工學院學報, 2013, 21(3):18-22.

[2] Thiel K, Wehr A, Hug C. A new algorithm for processing full wave laser scanner data[M]. Porto: EARSEL 3D-Remot Sensing Workshop, 2005.

[3] Jutzi B, Stilla U. Percise range estimation on know surface by analysis of full-waveform laser [C]. Istanbul: Symposium of ISPRS commission III, 2006:234-239.

[4] 姜海嬌，來建成，王春勇，等．激光雷達的測距特性及其測距精度研究[J]．中國激光，2011,38(5):1-6.

[5] 倪旭翔，胡凱．脈沖串互相關方法在遠程激光測距中的應用[J]．光學學報，2012,32(11): 128-133.