多脈沖遠距離激光測距系統研究*

劉永華

（江西師范高等專科學校，江西 鷹潭 335000）

激光測距儀是一種測距設備，通過發射激光脈沖探測目標的位置，其原理類似于雷達測距，發射的激光脈沖經直線傳播到達被測物體，經反射后回波信號到達測距點，比較回波信號和發射信號的時間差，通過計算測算出距離[1]。多脈沖法激光測距具有測距遠、實時性強、精度高等特點，被廣泛應用于金屬工業、橋梁建筑、倉庫物流、地形地貌測量等領域，具有較大的市場份額和良好的現實意義[2]。早期的激光測距儀通常采用回波模擬技術，極易出現識別精度低、抗干擾能力弱等問題[3]；少量測距系統會采用AD 轉換，但采樣率在500 MHz 以下，相對較低，難以達到高精度、高實時性的要求，導致數據采集處理部分性能不強[4]。本文的主要目標是設計遠距離、高精度的脈沖式激光測距系統，測量范圍達到3 km，精度在±20 cm 以內。經過分析，確定以1 GHz 的采樣速率進行高速采樣，采用FPGA 實現對回波信號識別算法的開發以及對數據的處理，能有效提高測距系統的相關性能。

1 控制系統設計

激光測距系統工作流程如圖1 所示。圖1 所示的PLL 為數字鎖相環，其中，PLL 將鎖定探測信號的上升沿[5]；計數器會先根據是否捕捉到回波探測信號上升沿，判斷是否停止計數，有上升沿停止計數，無上升沿循環探測，再利用記錄的時間差計算待測物體的實際距離，將結果在上位機顯示[6]。

圖1 系統軟件工作過程

2 多脈沖互相關累加均值算法設計

多脈沖互相關累加均值算法是將N個探測回波信號按照相關性疊加，在相關信號疊加之時，多脈沖信號之間呈現一定的互相關性，而噪聲信號呈現隨機性；經計算發現，N次原信號疊加再取均值，其信噪比將提高，抗干擾性增強[7]，如式（1）所示。

式中，S1、S2…SN是N個探測信號，S是多脈沖互相關累加信號，數據S會捕捉回波信號的上升沿位置，利用計時器記錄回波信號和發射信號的時間差ΔT，可以通過測距基本公式計算出待測物體的距離[8]。多脈沖互相關累加運算圖如圖2所示。

圖2 多脈沖互相關累加運算圖

圖2 是將輸入的數據進行數據轉換，轉換為N個信號，以高速采樣形成新的多脈沖互相關信號，并累加計算，其結果為：

對式（2）得到的運算結果進行均值處理，得：

在實際的測量過程中，由于采樣速率大、光速大，導致運算量大，FPGA 的高處理性能能夠解決運算量大、速度快等問題[9]。同時，脈沖個數的多少直接影響信噪比的大小，信噪比與脈沖個數N呈N倍的關系，N越大，誤差效果越明顯，所以在選擇脈沖數據個數N時要綜合考慮。經分析，本文采用三脈沖互相關累加均值算法。

3 多脈沖互相關累加方法仿真結果分析

在高斯白噪聲背景下，通過對單脈沖信號的高速采樣，分別進行信號累加均值處理，得到處理結果圖，如圖3所示。

圖3 多脈沖互相關累加方法仿真

圖3（a）脈沖信號采樣點的值在600 以及830 附近，其回波有用信號和高斯白噪聲信號混在一起，難以區分；圖3（b）顯示，在進行二次累加均值后，其背景噪聲有所削弱，幅值在0 附近，根據計算，信噪比提升為單脈沖信號的倍；圖3（c）顯示，在經過三次累加均值后，有用回波信號能夠在600 處突顯出來，能較好地區分噪聲信號，信噪比是單脈沖波形的倍，有效地增強了系統的抗干擾性。測試結果表明，多脈沖互相關疊加法能提升反射后回波信號的信噪比，增強抗干擾能力，提升測距系統的性能。

4 數據處理模塊軟件設計

數據處理模塊主要利用了FPGA 串口接收、發送數據，先對每個發射的激光脈沖串進行互相關疊加均值處理，疊加處理之后在一些采樣點處會有特殊的奇異值，再通過濾波的方式提取奇異值，濾除奇異值；此時，回波信號中的高脈沖在某個采樣點處會格外突顯，有利于捕捉上升沿，計時器計時更加精準，最后將該程序算法燒入到FPGA 核心控制處理器中進行計算驗證。驗證過程如下：利用三個脈沖的互相關特性，逐步固定三個脈沖的相干點，根據相干點可以分離高速采集到的回波信號，得到新的回波信號，多脈沖回波數據分離仿真圖如圖4 所示。

圖4 多脈沖回波數據分離仿真圖

圖4 中的AD_out_1 是捕捉到的第一個單脈沖的回波信號，同理，AD_out_2、AD_out_3 分別是捕捉到的第二、三個脈沖的回波信號。AD_out_add 是三脈沖互相關累加信號，則：

其中，n1(i)、n2(i)、n3(i)分別為三個脈沖探測回波信號數據，N(i)為三脈沖互相關疊加求值信號，采用小波基函數進行分解，能夠將奇異點和峰值點進行區分，利用濾波器濾除奇異點，大部分噪聲被濾除，得到平滑的回波信號數據[10]。

小波變換的奇異值處理的仿真結果圖如圖5所示。

圖5 小波變換的奇異值處理的仿真結果

5 距離測量測試

本次測試主要針對測量2 854.35 m 處的待測距離，測量結果如圖6所示。

圖6 2 854.35 m上位機顯示

經過10 次測距，其結果顯示的最大和最小誤差分別為17 cm 和3 cm，誤差均在±20 cm 以內，符合預期值。經過小波變換的奇異值檢測算法求其平均值，測距結果為2 854.38 m，和實際值相差3 cm。根據理論計算，回波信號中應該出現高脈沖信號的時間點為19 478.06 ns處，發現理論值與實驗值完全一致。

6 結論

本設計中的多脈沖遠距離激光測距，采用多脈沖互相關累加均值算法進行改進，同時，采用小波奇異值濾波方法對累積信號的奇異點進行濾波，可有效提高信噪比，降低誤碼率，提高測量精度，測量精度可保證在±20 cm 以內，測量范圍可達3 km。該多脈沖遠距離激光測距系統具有明顯的實用性，可廣泛應用于工程和軍事領域。