基于CPLD的脈沖激光探測裝置信號處理電路設計

劉晨峰

摘要：本文介紹了基于CPLD（復雜可編程邏輯器件）的四象限脈沖激光探測裝置的系統組成和工作原理，給出了信號處理電路框圖，提出了抗云霧干擾與目標判斷方法。文中給出了目標識別算法，并進行了程序仿真。對工程樣機進行了目標測試和抗霧干擾試驗。試驗結果表明，激光探測裝置能夠作出正確判斷，滿足功能需求。

關鍵詞：激光探測;信號處理;電路設計

中圖分類號：TN248 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0168-03

0 引言

脈沖激光具有方向性好、瞬時功率大、抗干擾能力強等特點，因此得到廣泛應用[1]。隨著技術進步，激光探測裝置的信號處理向更高速發展。目前通用的數字信號處理器（DSP）雖然功能強大，資源豐富，但系統復雜，價格昂貴。FPGA和CPLD具有體積小、集成度高、速度快和通過軟件編程實現應用功能的特點，但FPGA配置電路更復雜。結合應用要求，采用復雜可編程邏輯器件（CPLD）進行激光探測裝置的信號處理系統設計[2-3]。

1 探測原理與系統工作原理

1.1 激光探測作用距離

激光探測裝置接收機接收到的功率可按下式計算：

（1）

由于要求的作用距離較近，大氣傳輸衰減可以忽略不計，。當光束截面完全落在目標上時，目標的有效面積為：

（2）

得到激光探測裝置的作用距離為：

（3）

由上式可見，作用距離不僅與發射機和接收機有關，還與目標特性有關[4]。

1.2 系統組成

研制的激光探測裝置由激光發射機、激光接收機、信號處理電路和電源電路等組成，系統組成和原理框圖如圖1所示。激光發射機由驅動電路、砷化鎵激光器和發射光學系統組成。激光接收機由接收光學系統、硅光電探測模塊、放大電路和比較電路組成。信號處理電路由信號處理器和高速邏輯電路組成。

1.3 工作原理

系統采用四象限分時輪詢、距離門截止選擇模式。四象限形成360°覆蓋區。激光發射機與激光接收機相隔一定基線距離，窄激光束和接收視場交叉形成重疊區域，如圖2、3所示[5]。只有當目標進入該區域時，接收機才能探測到目標反射回波。

系統開機后，信號處理電路產生基準時序，由時序電路分發至四路激光發射機，驅動激光器輪流發射激光脈沖。發射光學系統根據方向分布要求將光脈沖均勻發散至周圍空間。若脈沖激光碰到目標，發生漫反射，有一部分反射激光被對應接收機接收。光探測模塊將光脈沖信號轉換成電脈沖信號，經信號放大及比較電路處理后，送入信號處理電路。

2 信號處理電路設計

信號處理電路由時序產生電路、目標識別與抗干擾電路、啟動判決電路組成。系統采用一片高性能CPLD作為核心器件，配置一定外圍功能電路來完成信號處理功能。

2.1 時序產生電路

工作時序由CPLD產生。開機后，四路驅動信號輸出至激光發射機的對應象限，對于某一象限激光發射周期為T，相鄰兩個象限激光發射信號間隔T/4。在一個周期內完成一次輪詢。激光探測裝置發射時序如圖4所示。

激光器產生的激光束有較大的束散角，光學系統將激光束準直后，再進行擴束成扇形光束，激光發射機的近場光斑圖見圖5。使橫向視野角大于90°，縱向視場角小于1°。同時接收視場角被設計成窄光路，視野角大于90°。

2.2 抗干擾算法

激光回波在接收機內經過光電轉換、放大和比較，形成TTL電平信號，進入CPLD，在CPLD內完成目標識別和抗干擾算法。采用距離門選通技術，只接收落在距離門內的回波信號，排除作用距離之外的信號。同時設置干擾門，識別可能出現的干擾信號，如圖6所示[6]。

自然界的云霧、煙霧是由密集的懸浮粒子組成的。因為粒子的幾何尺寸與激光波長相當，所以會對激光波束形成漫反射，形成回波干擾。除發射激光窄脈沖、濾光片光譜濾波、拉大發射接收基線等硬件上采取的措施，利用抗干擾算法來排除云霧等環繞型干擾。

因為激光探測裝置探測法向圓周方向的目標，目標是外形確定的物體。目標只可能出現在單一象限或者緊鄰的兩個象限內，不會同時出現在相對象限或所有象限內。當裝置處于云霧等懸浮粒子存在的環境時，如果回波高于閾值，所有象限都有回波信號產生。利用該差別實現裝置的抗干擾功能：當單一象限或者緊鄰兩個象限有識別到目標時，判決該探測周期有識別到目標;當相對象限或全部象限均有識別到目標時，判決該探測周期為干擾。

2.3 啟動判決

激光探測裝置通過對脈沖回波信號的處理實現啟動判決。在用抗干擾算法排除掉環繞型干擾后，對有效距離內的回波信號進行數量累積。當累積數量達到啟動閾值條件時，則判決為目標，立即給出啟動信號。若未達到啟動閾值條件，下一周期目標不再出現，則計數清零。

3 仿真及試驗

3.1 程序仿真

利用QuartusII9.0軟件驗證不同情況下結果是否正確。ins是激光使能信號，laser1～laser4是4象限發射激光基準信號，echo是脈沖回波信號，num是累積計數器。經仿真，當有一個或緊鄰兩個象限出現連續多個回波信號，經過累積后輸出啟動信號startup，而當有相對象限或所有象限都出現連續多個回波信號時，沒有啟動信號輸出，符合設計預期，如圖7所示。

3.2 抗干擾試驗

在光學暗室，用工業加濕器模擬霧環境，對激光探測裝置進行抗霧干擾試驗，如圖8所示。試驗結果顯示，該激光探測裝置在能見度50m～200m下，能對模擬目標進行正確識別;在該環境無目標時沒有虛警產生。霧未對激光探測裝置造成干擾。

4 結語

本文設計了一種基于CPLD技術的四象限幾何光路視場交叉模式激光探測裝置，重點進行了抗干擾設計，在分析干擾源與目標特征的基礎上采取了相應措施，完成了工程樣機的試制并通過了抗霧干擾試驗。該裝置硬件構成簡單，有效地實現了電路系統小型化、低功耗，提高了電路的可靠性，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 王金花，姚宏寶，劉子星.高功率窄脈沖激光發射電路分析[J].紅外與激光工程，2010，39（06）：1049-1054.

[2] Christian M. von der Lippe and J. Jiang Liu.Optical Fuzing Technology[P].Laser Radar Technology and Applications XI， 2006，62140D：1-7.

[3] 潘程浩.周視激光探測系統信號處理研究.[D].北京：北京理工大學，2014.

[4] 徐孝彬，張合，陳杉杉.脈沖激光周向探測平面目標回波特性[J].光學學報，2017，37（04）：225-232.

[5] YAO Ping-ping，Tu bi-hai，Wang xiang-jing，ZHANG Yi，Zhao Ping-jian.A high performance constant fraction discriminator for pulsed laser proximity fuze[C]. Conferences of the Photoelectronic Technology Committee of the Chinese Society of Astronautics，2014，95221D：1-8.

[6] Kun Wang，Huimin Chen.Analysis on the characteristics of pulsed laser proximity fuze's echo[J].International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging ，2011， 81921O：1-9.

Signal Processing Circuit Design of Pulse Laser Detecting Device Based on CPLD

LIU Chen-feng

（China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute， Shijiazhuang Hebei? 050051）

Abstract：This paper introduces the system structure and working principle of the four-quadrant pulse laser detection device， gives the block diagram of the signal processing circuit， and proposes the anti-cloud interference and target judgment method. In this paper，the target recognition algorithm is given， the program is simulated， and the engineering prototype is completed. The target test and anti-fog interference test are carried out on the engieering prototype. The test results show that the laser detection device can make accurate judgments and meet functional requirements.

Key words：laser detection; signal processing; circuit design