脈沖壓縮在激光測距中的應(yīng)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(fù)雜噪聲環(huán)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(fā)射線性調(diào)頻的脈沖激光，接收時采用脈沖壓縮技術(shù)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(yīng)用價值。建立了激光測距中脈沖壓縮方法的數(shù)學(xué)模型，并針對典型高斯白噪聲環(huán)境進行了仿真，分析了脈沖壓縮參數(shù)對測距的影響，設(shè)計了線性調(diào)頻的激光信號源并基于FPGA實現(xiàn)了脈沖壓縮信號處理。

關(guān)鍵詞： 激光測距； 脈沖壓縮； 噪聲環(huán)境仿真； 回波信號提取

中圖分類號： TN219?34 文獻標(biāo)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(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于各類測量技術(shù)中。與傳統(tǒng)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(yè)等領(lǐng)域應(yīng)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(biāo)發(fā)射激光脈沖，激光遇到目標(biāo)后反射回測距儀，只要測出激光脈沖從發(fā)射到返回測距儀的時間，即可算出目標(biāo)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(fù)雜噪聲環(huán)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(fù)雜的噪聲環(huán)境中，仍然能夠獲得較精確的測量結(jié)果，本文提出將脈沖壓縮技術(shù)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(shù)學(xué)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(diào)頻信號頻譜寬度的倒數(shù)，相當(dāng)于調(diào)頻信號脈沖寬度的輸出脈沖幅度相比于調(diào)頻信號脈沖幅度增大倍，即輸出脈沖的峰值功率[2?3]比調(diào)頻信號的峰值功率增大倍。

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

1.2 復(fù)雜噪聲環(huán)境下的仿真

線性調(diào)頻信號具有很強的抗干擾性，即使在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，經(jīng)過脈沖壓縮之后也能獲得脈沖信號。用高斯白噪聲模擬環(huán)境噪聲，線性調(diào)頻信號參數(shù)為：此時脈沖壓縮比為如圖4所示，當(dāng)信噪比時，輸入的線性調(diào)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(jīng)過計算機模擬仿真，當(dāng)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(dāng)時，只有約50%的可能獲得準確的脈沖信號。

1.3 參數(shù)選擇對測距的影響

使用脈沖壓縮法，線性調(diào)頻信號的參數(shù)選擇對測距結(jié)果主要有以下幾方面的影響：

（1） 調(diào)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(diào)頻信號采樣的采樣頻率。例如，當(dāng)采樣頻率時，分辨率為0.75 m；當(dāng)采樣頻率時，分辨率為0.3 m。

（3） 脈沖壓縮程序設(shè)定的測距范圍其中是脈沖壓縮程序設(shè)定的可處理的最大數(shù)據(jù)個數(shù)。當(dāng)采樣頻率一定時，可以通過增加總的采樣數(shù)據(jù)數(shù)目提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)個數(shù)是有限的。

2 信號源及FPGA程序設(shè)計

2.1 信號源設(shè)計

鈮酸鋰（LiNbO3）晶體具有良好的光電效應(yīng)，較低的半波電壓以及較高的響應(yīng)速度。如圖5所示，調(diào)頻信號發(fā)生器可以產(chǎn)生60～80 MHz的線性調(diào)頻信號，通過增益控制后，利用鈮酸鋰的光電效應(yīng)就可以控制由分布式反饋激光器（簡稱DFB激光器）發(fā)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(diào)頻信號。

2.2 FPGA程序設(shè)計

由第1節(jié)的脈沖壓縮推導(dǎo)過程可知，要實現(xiàn)線性調(diào)頻信號的脈沖壓縮，主要有三步：對輸入的線性調(diào)頻信號的傅里葉變換，與匹配函數(shù)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(jié)構(gòu)采用“兵乓式”操作，采用兩塊雙口RAM，就像兩個乒乓板，數(shù)據(jù)就如同乒乓球，每經(jīng)過一次攔網(wǎng)就相當(dāng)于進行一次蝶形運算，每拍打一次就相當(dāng)于進行一次數(shù)據(jù)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(fù)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(shù)據(jù)經(jīng)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(zhuǎn)因子ROM中讀取回波數(shù)據(jù)和旋轉(zhuǎn)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(huán)直到收到結(jié)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(shù)據(jù)與匹配系數(shù)ROM中存儲的匹配系數(shù)作乘積運算，完成匹配運算過程，如式（7）所示。之后重復(fù)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(zhuǎn)因子要取共軛，蝶形運算結(jié)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(diào)頻信號與帶有的噪聲信號和線性調(diào)頻信號的混合信號導(dǎo)入FPGA中，經(jīng)過脈沖壓縮后，結(jié)果如圖7所示。經(jīng)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(jié) 論

通過上述仿真分析可知，線性調(diào)頻脈沖壓縮技術(shù)可以極大地提高回波信號的峰值功率，特別是在復(fù)雜噪聲環(huán)境中，使得原本已經(jīng)被噪聲湮沒的回波信號在經(jīng)過脈沖壓縮技術(shù)處理后，能夠重新獲得有效的脈沖信號?；贔PGA可以很好地實現(xiàn)脈沖壓縮過程。

參考文獻

[1] 孫長庫，葉聲華.激光測量技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2001.

[2] 鄭力文，孫曉樂.線性調(diào)頻信號數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（1）：39?42.

[3] 賈穎燾，顧趙宇，傅其詳，等.基于FPGA和DSP的雷達信號脈沖壓縮[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（17）：13?16.

[4] 孫懋珩，趙雯.應(yīng)用欠采樣原理提高相位式激光測距精度[J].紅外與激光工程，2009，38（1）：70?73.

[5] 緱寧祎，張珂殊.高速相位式激光測距數(shù)字鑒相方法仿真與實現(xiàn)[J].紅外與激光工程，2012，41（9）：2358?2363.

[6] FU Ning， WANG Yuze， XU Hongwei， et al. Method of LFM pulse compression implementation based on FPGA [C]// Proceedings of 2013 11th IEEE International Conference on Electronic Measurement Instruments. Harbin， China： IEEE， 2013： 392?395.

[7] SU Xi， GUO Ying， WANG Buhong. Pulse compression of LFM signal based on FPGA [C]// Proceedings of 2009 5th International Conference on Wireless Communications， Networking and Mobile Computing. Beijing， China： IEEE， 2009： 1?3.