脈沖壓縮在激光測距中的應用

摘 要： 脈沖式激光測距和相位式激光測距是目前主要的激光測距方法，但是在復雜噪聲環境中，容易因回波信號湮沒于噪聲中而失效。針對微弱回波信號的提取難題，提出了脈沖壓縮式激光測距法。通過發射線性調頻的脈沖激光，接收時采用脈沖壓縮技術提高脈沖峰值功率，改善信噪比，從而獲得湮沒于噪聲中的回波信號。該方法對于提高測距距離和降低激光功率具有重要的研究意義和應用價值。建立了激光測距中脈沖壓縮方法的數學模型，并針對典型高斯白噪聲環境進行了仿真，分析了脈沖壓縮參數對測距的影響，設計了線性調頻的激光信號源并基于FPGA實現了脈沖壓縮信號處理。

關鍵詞： 激光測距； 脈沖壓縮； 噪聲環境仿真； 回波信號提取

中圖分類號： TN219?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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，波長單一等優點，因此廣泛應用于各類測量技術中。與傳統測距方法相比，激光測距精度高，抗干擾能力強，隱蔽性好，因而在軍事、航空、工業等領域應用廣泛。

目前激光測距主要有脈沖式激光測距和相位式激光測距[1]。脈沖式激光測距的原理是利用脈沖激光器對準目標發射激光脈沖，激光遇到目標后反射回測距儀，只要測出激光脈沖從發射到返回測距儀的時間，即可算出目標與測距儀之間的距離。而相位式激光測距的原理則是通過測量相位延遲量間接測量激光在被測物體與測距機之間傳播的時間，從而計算出兩者之間的距離。脈沖式激光測距法可以達到很高的瞬時功率，具有很大的測量范圍，但是測量精度比較低。而相位式激光測距法可以達到很高的測量精度，但是測量范圍有限。在復雜噪聲環境下，兩者都會存在很大的測量誤差，甚至完全湮沒在噪聲中，無法獲得距離信息。為了在復雜的噪聲環境中，仍然能夠獲得較精確的測量結果，本文提出將脈沖壓縮技術運用到激光測距中，從而獲得有效的回波信號。

1 脈沖壓縮激光測距

1.1 脈沖壓縮的數學模型

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（頂點下-4 dB處的寬度）近似為調頻信號頻譜寬度的倒數，相當于調頻信號脈沖寬度的輸出脈沖幅度相比于調頻信號脈沖幅度增大倍，即輸出脈沖的峰值功率[2?3]比調頻信號的峰值功率增大倍。

正是因為線性調頻信號經過脈沖壓縮之后，它的峰值功率能夠增大倍，所以即使在復雜噪聲環境中，特別是強噪聲環境中，當回波信號完全湮沒在噪聲中，經過脈沖壓縮之后依然能夠獲得有效的脈沖信號。

1.2 復雜噪聲環境下的仿真

線性調頻信號具有很強的抗干擾性，即使在復雜噪聲環境中，經過脈沖壓縮之后也能獲得脈沖信號。用高斯白噪聲模擬環境噪聲，線性調頻信號參數為：此時脈沖壓縮比為如圖4所示，當信噪比時，輸入的線性調頻信號完全湮沒在背景噪聲中，如果采用脈沖式測距法或相位式測距法，則難以得到所需的距離信息，而采用脈沖壓縮法，通過匹配濾波處理，依舊可以獲得有效的回波脈沖。經過計算機模擬仿真，當信噪比時，能夠獲得脈沖信號。隨著信噪比變小，獲得準確的脈沖信號的概率不斷降低。當時，只有約50%的可能獲得準確的脈沖信號。

1.3 參數選擇對測距的影響

使用脈沖壓縮法，線性調頻信號的參數選擇對測距結果主要有以下幾方面的影響：

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

（2） 距離分辨率其中為對調頻信號采樣的采樣頻率。例如，當采樣頻率時，分辨率為0.75 m；當采樣頻率時，分辨率為0.3 m。

（3） 脈沖壓縮程序設定的測距范圍其中是脈沖壓縮程序設定的可處理的最大數據個數。當采樣頻率一定時，可以通過增加總的采樣數據數目提高系統的測距范圍。受到硬件條件的限制，脈沖壓縮程序能夠處理的數據個數是有限的。

2 信號源及FPGA程序設計

2.1 信號源設計

鈮酸鋰（LiNbO3）晶體具有良好的光電效應，較低的半波電壓以及較高的響應速度。如圖5所示，調頻信號發生器可以產生60～80 MHz的線性調頻信號，通過增益控制后，利用鈮酸鋰的光電效應就可以控制由分布式反饋激光器（簡稱DFB激光器）發射的激光通過鈮酸鋰晶體之后的輸出光功率，從而獲得激光線性調頻信號。

2.2 FPGA程序設計

由第1節的脈沖壓縮推導過程可知，要實現線性調頻信號的脈沖壓縮，主要有三步：對輸入的線性調頻信號的傅里葉變換，與匹配函數作乘法運算以及最后對輸出信號作傅里葉逆變換。傅里葉變換結構采用“兵乓式”操作，采用兩塊雙口RAM，就像兩個乒乓板，數據就如同乒乓球，每經過一次攔網就相當于進行一次蝶形運算，每拍打一次就相當于進行一次數據的寫入和讀出。由于傅里葉變換和逆變換是順序進行的，在時間上沒有重復性，而且運算過程相似，可以用一個模塊依次完成。

脈沖壓縮的程序框圖如圖6所示，回波數據經過采樣后存入RAM_A中，然后通過蝶形運算模塊分別從RAM_A和旋轉因子ROM中讀取回波數據和旋轉因子，運算后存入RAM_B中，這樣就完成了一次蝶形運算。如此循環直到收到結束信號，完成離散傅里葉變換，如式（4）所示。然后通過乘法器將傅里葉變換后的數據與匹配系數ROM中存儲的匹配系數作乘積運算，完成匹配運算過程，如式（7）所示。之后重復前面蝶形運算的過程，進行離散傅里葉逆變換。不同的是旋轉因子要取共軛，蝶形運算結果乘以0.5，這樣就完成了式（8）的過程，最后輸出脈沖壓縮波形。

將的線性調頻信號與帶有的噪聲信號和線性調頻信號的混合信號導入FPGA中，經過脈沖壓縮后，結果如圖7所示。經過FPGA程序處理之后，原本完全湮沒于噪聲中的回波信號被成功提取出來。

3 結 論

通過上述仿真分析可知，線性調頻脈沖壓縮技術可以極大地提高回波信號的峰值功率，特別是在復雜噪聲環境中，使得原本已經被噪聲湮沒的回波信號在經過脈沖壓縮技術處理后，能夠重新獲得有效的脈沖信號。基于FPGA可以很好地實現脈沖壓縮過程。

參考文獻

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