脈沖激光測距望遠鏡的信號處理研究

摘要：與一般測距方法相比，激光測距具有操作方便、精度高和晝夜可用等優點，使其得到了廣泛應用。本文首先介紹了脈沖激光測距的基本原理，然后分析了激光測距中用到采樣、濾波和相關檢測等數字信號處理方法，最后給出了激光回波信號的實驗處理結果。實驗表明，該處理手段能快速、有效地提取出激光回波信號。

關鍵詞：激光測距 數字信號處理 濾波 相關檢測

中國分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）02-0000-00

Abstract： Compared with general method of range finder， the laser range finder has a lot of advantages such as easy to operate， available day and night， high precision， etc and has been widely used. Firstly， the principle of the laser range finding telescope was introduced. Secondly， the digital signal processing methods of laser echo such as sampling， filltering and correlation detection were analyzed. Experiments show that this method can pick up the signal from noise quickly and effectively.

Keywords： laser ranging；digital signal processing；filtering；correlation detection

激光測距是指利用射向目標的激光脈沖或連續波激光束測量目標的距離，它是激光技術在軍事上最早和最成熟的應用，自1961年美國休斯飛機公司研制成功世界上第一臺激光測距機以來，激光測距技術發展迅速[1]。激光測距用途廣泛，在大地勘測、遠距離目標成像、衛星軌道跟蹤、高速公路預警、軍事目標測距與指示、激光雷達等許多方面都需要利用激光測距技術獲得精確的距離、位置、位移等信息。采用脈寬1～10ns的激光脈沖和納秒時間分辨電路，在幾百公里的衛星軌道上，就可以實現米、甚至厘米量級的測距精度[1]。星載的激光測距系統可測量一些重要的地理現象，如地極運動、地球板塊漂移等，并能對其他行星實施測繪，如月球、火星等[2～5]。

1 脈沖激光測距的原理

1.1 激光測距望遠鏡的分類

根據測距方法的不同，激光測距望遠鏡可分為脈沖法激光測距望遠鏡和連續波激光測距望遠鏡兩類[6]。

（1）脈沖法測距是激光技術在測繪領域中的最早應用。激光的發散角小，激光脈沖持續時間極短，瞬時功率極大，因而可以達到極遠的測程。脈沖激光測距望遠鏡多數情況下不使用合作目標，它是利用被測目標對激光脈沖的漫反射獲得發射信號來實現測距。脈沖半導體激光測距具有結構簡單、體積小、功耗低、可靠性高、價格低等特點，但其測量精度很難達到優于1m的精度（受采樣頻率的限制）。

（2）連續波測距采用相位法測距，一般有多波長方法和頻率調制法兩種，但因其平均發射功率較低，測距能力比相應的脈沖激光測距機差很多（對非合作目標，最大測程1-3Km），而且結構復雜，但精度高（2mm），往往應用于合作目標測距，如導彈初始段測距及跟蹤、大地測量等。

1.2 基本原理

在激光測距中，使用測量目標反射回來的信號作為終止信號，利用高速數據采集的方法記錄激光脈沖的回波波形，通過對所記錄的波形進行分析得出時間間隔。實際測量中，由下式計算實際的測量距離R：

激光測距望遠鏡一般由激光發射機、激光接收機和電源三大部分組成，如圖2所示。下面以脈沖激光測距望遠鏡為例進行說明。激光發射機由脈沖激光器、光學發射及其瞄準系統組成，作用是將高峰值功率的激光脈沖射向目標。激光接收機由光學接收系統、光電探測器和放大器、接收電路和計數顯示器組成，作用是接收從目標漫反射回來的激光脈沖回波信號并計算和顯示目標距離。激光電源由高低壓電源組成，高壓電源用于驅動激光器，低壓電源用在信號處理電路[7]。

2 激光回波信號處理

2.1 采樣

由于數字信號處理相對于模擬信號處理有明顯的優勢，本文對激光信號的處理采用數字處理方式：將連續的模擬信號變成數字信號。要使抽樣處理后的信號能夠恢復原來的模擬信號，抽樣必須滿足奈奎斯特采樣定理，具體描述如下：

設有一個頻率帶限為 的信號 ，如果以不小于 的采樣速率對 進行等間隔采樣，得到離散采樣信號 （ 為采樣間隔），則原始信號 將被得到的采樣值 完全確定[8]。

從奈奎斯特定理可知，如果以不低于信號最高頻率兩倍的采樣速率對帶限信號進行采樣，所得到的離散采樣信號值就能準確地還原原始信號。

2.2 濾波

激光信號在發射和接收過程中，電路噪聲會導致激光回波信號的質量下降。通常通過構造合適的濾波器來濾除噪聲，如采用高通濾波器和低通濾波器以達到濾除噪聲的目的。

高通濾波器采用窗口均值濾低頻的辦法，窗口中心位置的值用原有數值減去窗口平均值來代替。具體運算時先求出某區域內的均值，然后用原序列對應的數值減去此均值，得到一個新的數值 來替代原數值 。用公式表達如下：

2.3 相關檢測

相關檢測技術是信號檢測領域里的一個重要工具，它能在低信噪比的情況下提取出有用的信號，具有較強的抗噪能力（噪聲的相關系數幾乎為零），廣泛應用于圖像處理、衛星遙控、雷達以及超聲探測、醫學和通信工程等領域。

3 實驗結果

把上述信號處理技術應用到激光測距望遠鏡中，首先對采集到的數據（本文的數據由FPGA高速采集系統對激光回波信號采樣而來）進行低頻濾波和高頻濾波處理，然后通過相關運算找出信號所在的位置。實驗結果如圖3所示。

從圖3 （a）可知，采集到的激光回波信號，信噪比比較小，尤其是在長距離的激光回波信號的采集中，信號有可能被掩蓋在噪聲中，不利于提取；經過高、低通濾波器后，能有效地減弱低頻成分和高頻成分，使信號變得更為明顯，如圖3（b）所示；把濾波后的數據再進行相關運算，信噪比會得到很大程度的提高，如圖3 （c）所示。經過上述的信號處理手段，能夠有效的檢測出有用信號的位置，為設計整個激光測距望遠鏡系統奠定良好的基礎。

為了驗證本算法的速度，還利用計算機進行仿真：假設FPGA采集到的數據經解碼后是1200個整形數據，將此數據經過24M的單片機中進行處理，上述濾波以及相關運算的處理時間為0.183S，處理速度快。

4 結語

本文詳細地分析了激光測距望遠鏡的原理、分類及其發展方向和激光測距中常用的信號處理方法，并通過實驗證明了算法的有效性，為設計商用化的手持式激光測距望遠鏡奠定基礎。

參考文獻

[1]J.J.Degnan. Satellite laser ranging current status and future prospect[J].IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing，1985，23（4）：398-413.

[2]M.E.Shawe， A.G.Adelman. Precision laser tracking for global and polar motion[J].IEEE Trans. Geosci.Remote Sensing，1985，23（4）：391-397.

[3]J.D.Mulholland. Scientific achievement from ten years of lunar laser ranging[J].Rev. Geophys. Space Phys.，1980，18（4）：549-564.

[4]W.M.Kaula， G.Schubert， R.E.Lingerfelter et al.. Apollo laser altimertry and inference as to lunar structure[J].Geochim. Cosmochim.Acta，1974，38（12）：3049-3058.

[5]D.E.Smith， M.T.Zuber， H.V.Frey et al.. Topography of the northern hemisphere of mars from the mars orbiter laser altimeter[J].Science，1988，279（5357）：1686-1692.

[6]劉迅.激光測距計綜合控制儀[D].四川：電子科技大學，2004.

[7]于彥梅.激光測距機及發展趨勢[J].情報指揮控制系統與仿真技術，2002，8：19-21.

[8]魯標.DSP技術在激光測距儀中的應用[D].哈爾濱工業大學，2005.

收稿日期：2014-12-15

作者簡介：黃巧潔（1981一），女，廣東佛山人，研究生，講師，畢業于華南理工大學，就職于廣東農工商職業技術學院，研究方向為：通信技術教育與研究。