陳金令，宿 丁，魏學(xué)明，鄧林明，繆 康

（1.四川長虹電子科技有限公司，四川 綿陽 621000；2.西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036）

激光掃描實驗回波信號的分析

陳金令1，宿 丁2，魏學(xué)明1，鄧林明1，繆 康1

（1.四川長虹電子科技有限公司，四川 綿陽 621000；2.西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036）

利用激光回波信號的強(qiáng)度變化來測量物體邊緣輪廓的新型激光雷達(dá)，并利用二維掃描、直接探測等技術(shù)建立了一套激光掃描實驗系統(tǒng)。振鏡在X、Y方向分別以不同的頻率振動，當(dāng)激光經(jīng)過振鏡反射后，就以X、Y方向進(jìn)行二維掃描，激光二極管接收到的信號經(jīng)過濾波后被分為兩個不同頻率的信號，分析這兩個不同頻率的信號，就可以得到物體的輪廓信息。實驗測量表明，通過測量回波強(qiáng)度變化來測量物體邊緣輪廓的方案是可行的。

激光雷達(dá)；二維掃描；直接探測；回波信號；邊緣檢測

1 引言

在過去的20多年間，激光雷達(dá)得到了長足的發(fā)展，在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。激光雷達(dá)可分為成像激光雷達(dá)和非成像激光雷達(dá)。非成像激光雷達(dá)與成像激光雷達(dá)相比，研究的費(fèi)用和難度大大低于成像激光雷達(dá)。對于非成像雷達(dá)，提出了一種新的工作方式，即使用光電二極管（PIN）來探測從目標(biāo)返回的能量，根據(jù)反射回來的激光能量的變化來獲取目標(biāo)的輪廓信息，根據(jù)目標(biāo)的邊緣信息來進(jìn)行跟蹤和識別[1-3]。

2 試驗原理

利用激光對目標(biāo)進(jìn)行掃描，激光回波信號包含被掃描目標(biāo)的邊緣、輪廓信息，這些信息很大程度反映在回波包絡(luò)形狀上?？梢岳斫鉃槟繕?biāo)的邊緣、輪廓信息對激光束進(jìn)行了幅度調(diào)制，反射回來的激光就攜帶了目標(biāo)的邊緣、輪廓信息[4-6]。采用邊緣檢出法可以得到信號的邊緣信息。

控制光束掃描的方法有很多種，可分為機(jī)械掃描和非機(jī)械掃描。機(jī)械掃描大致包括擺動平面鏡掃描、旋轉(zhuǎn)平面鏡掃描、旋轉(zhuǎn)折射棱鏡掃描等[7-9]。實驗系統(tǒng)采用的是二維振鏡掃描方式，掃描器的X、Y兩個振鏡分別通過計算機(jī)程序設(shè)置的驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行振動，經(jīng)過合成，就可以將掃描圖形送向目標(biāo)。在實驗中，X、Y兩個振鏡的驅(qū)動函數(shù)都設(shè)置為正弦波函數(shù)，掃描光束的直徑達(dá)10mm，振鏡X軸的掃描頻率為10Hz的正弦波，Y軸的掃描頻率為100Hz的正弦波。

實驗的另一個關(guān)鍵技術(shù)是信號的探測問題。在直接探測中，其光電系統(tǒng)直接響應(yīng)光輻射的強(qiáng)度，不涉及光輻射的相干性，它將待測光信號直接入射到光探測器的光敏面上，探測器響應(yīng)光輻射的強(qiáng)度而輸出相應(yīng)的光電流或光電壓信號。綜合考慮各種限制因素的影響，采用了光電二極管（PIN）直接探測的方式。PIN是高靈敏響應(yīng)器件，借助于示波器對目標(biāo)的回波信號進(jìn)行觀察，先通過調(diào)整接收透鏡和探測器的位置，使探測器在透鏡的焦平面上，然后調(diào)整探測器和透鏡的俯仰角度，使目標(biāo)調(diào)整到探測器的光敏面上，當(dāng)示波器上出現(xiàn)的信號達(dá)到最強(qiáng)而又不飽和時，這時系統(tǒng)的掃描位置和信號接收就確定下來。

試驗系統(tǒng)包括光源、光電探測器（PIN）、信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理軟件和顯示器等5部分組成。試驗系統(tǒng)采用連續(xù)波激光器、二維掃描、直接探測、計算機(jī)顯示的工作方式。振鏡由計算機(jī)控制，提供X、Y方向的正弦擺動，激光器發(fā)出連續(xù)激光，然后經(jīng)過二維光束掃描系統(tǒng)（振鏡）指向目標(biāo)，從目標(biāo)反射的回波信號經(jīng)過透鏡聚焦后由高靈敏度的光電二極管（PIN）接收，信號光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，送至高速數(shù)據(jù)采集卡，可以利用示波器進(jìn)行觀察或者直接送入計算機(jī)進(jìn)行信號的處理。圖1是試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖，光束掃描系統(tǒng)是激光掃描系統(tǒng)中不可缺少的一部分，試驗采用正弦掃描方式以滿足激光掃描系統(tǒng)的要求。掃描系統(tǒng)的振鏡分別通過計算機(jī)程序設(shè)置的驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行振動，經(jīng)過合成，就可以將掃描圖形送向目標(biāo)。振鏡X軸的擺動頻率為10Hz，Y軸的擺動頻率為100Hz。X、Y方向掃描初始相位相同，均為正方向掃描。即X方向一個掃描周期內(nèi)Y方向掃描了10個周期。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 試驗結(jié)果分析

激光器發(fā)出連續(xù)激光，經(jīng)擴(kuò)束后由二維光學(xué)掃描系統(tǒng)（振鏡）指向目標(biāo)，從目標(biāo)反射回的回波信號由高靈敏度的光電二極管（PIN）探測，PIN的輸出由高速數(shù)據(jù)采集卡送入計算機(jī)處理[10]。

圖3 掃描圓錐物體得到的波形

激光器光源是中心波長為650 nm的可見光半導(dǎo)體激光器，運(yùn)行機(jī)制為連續(xù)方式，功率約15mW。光束掃描系統(tǒng)是激光掃描系統(tǒng)中不可缺少的一部分，實驗采用正弦掃描方式以滿足激光掃描系統(tǒng)的要求。振鏡X軸的擺動頻率為10Hz，Y軸的擺動頻率為100Hz。

接收系統(tǒng)包括透鏡、二極管探測器、高速數(shù)據(jù)采集卡等。接收透鏡的直徑為8 cm、焦距為30 cm。探測器采用國產(chǎn)GT101硅光電二極管（PIN），光敏面直徑為3mm。數(shù)據(jù)采集卡采用瑞博華公司的AD7301，采樣精度為12位，單端方式16通道，采集實際貫通率為50KS/s通道。利用Visual Basic6.0編制了信號采集軟件。該數(shù)據(jù)采集軟件可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、實時波形、數(shù)據(jù)存儲等功能。采樣頻率設(shè)定為5 000Hz。示波器用來觀察目標(biāo)回波信號，實驗中的數(shù)據(jù)主要是依據(jù)回波信號的強(qiáng)弱及峰值關(guān)系來處理的。

3.1 掃描圓錐物體試驗分析

圓錐物體放置方式如圖2，振鏡以X軸10Hz，Y軸100Hz進(jìn)行正弦擺動，掃描圓錐物體得到的回波信號如圖3所示。對圓錐信號進(jìn)行濾波后，可得到10Hz和100Hz的信號，濾波后的信號存在一定的延遲，其中經(jīng)過濾波后得到的100Hz信號如圖4所示。

將100Hz信號進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的波形如圖5所示，可以清楚地看出，經(jīng)過解調(diào)后的信號很好地反映了100Hz信號的包絡(luò)。

圖2 光束掃描圓錐物體方式示意圖

圖4 經(jīng)過濾波得到的100Hz信號

圖5 100Hz信號解調(diào)后的波形

圖6 光束掃描平面物體方式示意圖

圖7 掃描平面物體物體得到的波形

圖8 經(jīng)過濾波得到的100Hz信號

邊緣檢出主要有峰（谷）值、過零和激光半焦斑3種方法，下面將采用峰（谷）值檢出法進(jìn)行邊緣檢測。峰（谷）值檢出法也稱一次微分法，它是通過對探測器接收光強(qiáng)進(jìn)行微分來判斷光強(qiáng)的峰值點或谷值點的方法。過零檢出法也稱二次微分法，即對接收到的信號進(jìn)行二次微分，得到一個過零點，用它來檢測目標(biāo)的邊緣位置。過零檢出法實質(zhì)是將邊緣定位點由峰頂或者谷底移到零點，出現(xiàn)突變零點的位置對應(yīng)的就是邊緣位置[11-12]。試驗主要利用峰（谷）值檢出法來得到邊緣信息。利用峰（谷）值檢出法對包絡(luò)圖5進(jìn)行處理，可以得到物體的邊緣位置信息，每一個波峰和波谷位置對應(yīng)的即為目標(biāo)的邊緣位置。

3.2 掃描平面物體試驗分析

掃描平面物體得到的回波信號，平面物體放置方式如圖6，首先X軸以10Hz進(jìn)行正弦擺動，Y軸以100Hz進(jìn)行正弦擺動，所得到的回波信號如圖7所示。

圖9 100Hz信號解調(diào)后的波形

對平面信號進(jìn)行濾波后，可得到10Hz和100Hz的信號，將100Hz信號進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)后的波形如圖8所示，可以清楚地看出，信號存在一定的延遲，如圖9所示。圖9可以看出，經(jīng)過解調(diào)后的信號比較好地反映了100Hz信號的包絡(luò)，但是解調(diào)后的信號存在一個向上的變化趨勢，經(jīng)分析主要原因在于100Hz信號的濾波效果不是很好，所以才出現(xiàn)上面的情況。

利用峰（谷）值檢出法對包絡(luò)圖9進(jìn)行處理，可以得到物體的邊緣位置信息，每一個波峰和波谷位置對應(yīng)的即為目標(biāo)的邊緣位置。

4 結(jié)束語

該文提出了一種利用激光回波信號的強(qiáng)度測量物體邊緣輪廓的方法，并利用它測量了圓錐、平面等物體，根據(jù)返回信號強(qiáng)度的變化來測量物體的邊緣。結(jié)果表明，通過探測激光回波能量的變化來測量目標(biāo)的邊緣，進(jìn)而進(jìn)行目標(biāo)識別、跟蹤是可行的。

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Analysis for signal of the Laser rapid scanning experiments

CHEN Jin-ling1，SU Ding2，WEI Xue-ming1，DENG Lin-ming1，MIAO Kang1
（1.Changhong Electric Co.Ltd.，Mianyang 621000，China；2.Southwest Institute of Electronic Equipment，Chengdu 610036，China）

This paper presented a new laser radar that measures the profile of the target by detecting the change of returned laser energy.With 2-D scanning and direct detection technology，a rapid-scanning laser system was established.The system steers a mirror to oscillate in X and Y direction at different frequency，so the laser beam dither in two directions and scan the surface of target.The energy of the laser reflected from the target was detected by PIN.After filtration，the detected energy could be separated to the first and second dither frequency for each channel，thus the profile message of the target can be obtained.The experimental results prove that the proposed approach is effective for profile detection of the target.

laser radar；2-D scanning；direct detection；echo signal；edge detection

TN24；TM930.12

A

1674-5124（2011）01-0063-03

2009-12-28；

2010-03-09

陳金令（1975-），男，河南平頂山市人，高級工程師，博士，主要從事信號處理方面的研究。