劉慧慧，張 澤，梁天太

(1.北京石油化工學(xué)院，光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；2.北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100124)

隨著激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)距離無(wú)合作目標(biāo)的脈沖激光測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、軍事勘察和水下霧天等惡劣環(huán)境下的工程測(cè)距中。在脈沖激光安全發(fā)射功率(平均功率<1 MW)的前提條件下，由于其發(fā)射能量受到限制，在惡劣環(huán)境下的回波信號(hào)幅值會(huì)因介質(zhì)衰減而大幅度降低，導(dǎo)致出現(xiàn)回波信號(hào)信噪比差、探測(cè)困難等問(wèn)題[1]。為了精準(zhǔn)地探測(cè)到脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的回波信號(hào)，必須尋找到適合的微弱信號(hào)檢測(cè)方法。

目前，微弱信號(hào)的提取方法有線性法和非線性法，由于在實(shí)際應(yīng)用中受到硬件等因素的限制，非線性分析法還處于理論和試驗(yàn)階段。線性分析法雖然已經(jīng)在工程中得到應(yīng)用，但存在信號(hào)提取性能差和硬件成本較高等問(wèn)題。Thiel等[2]通過(guò)仿真試驗(yàn)比較了多脈沖互相關(guān)方法與傳統(tǒng)定比門(mén)限法的測(cè)距精度。Jutzi等[3]采用不同的物體模型仿真不同表面的測(cè)距回波，由此探究多脈沖互相關(guān)方法對(duì)于不同表面測(cè)距的回波探測(cè)能力。姜海嬌等[4]通過(guò)研究激光雷達(dá)回波信號(hào)的物理特性，在數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了置信概率68.2%對(duì)應(yīng)的置信半?yún)^(qū)間來(lái)衡量激光雷達(dá)的測(cè)距精度的新思路。倪旭翔等[5]提出了一種基于發(fā)射脈沖串與回波脈沖串互相關(guān)的信號(hào)處理方法，并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

本文對(duì)遠(yuǎn)距離脈沖激光測(cè)距中的微弱回波信號(hào)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，提出了一種互相關(guān)脈沖累積法，即對(duì)某時(shí)間段內(nèi)的回波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)疊加直到強(qiáng)度滿(mǎn)足閾值要求。在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合全站儀測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的遠(yuǎn)距離測(cè)量試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不同距離下的回波信號(hào)和測(cè)距能力進(jìn)行分析。

1 多脈沖互相關(guān)檢測(cè)方法

多脈沖互相關(guān)法探測(cè)微弱回波信號(hào)的工作過(guò)程如圖1所示。將某時(shí)間段內(nèi)的脈沖回波信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)疊加，利用噪聲的不相關(guān)性，達(dá)到增加信號(hào)強(qiáng)度和提高信噪比的目的。

圖1 多脈沖互相關(guān)運(yùn)算圖

圖1中M為單個(gè)周期信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，N為脈沖個(gè)數(shù)，則對(duì)N個(gè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算后的結(jié)果為：

(1)

為了研究對(duì)信噪比的提升能力，首先計(jì)算原始信號(hào)的信噪比為：

(2)

對(duì)N個(gè)信號(hào)互相關(guān)后的結(jié)果取平均，得：

(3)

則此時(shí)信號(hào)的信噪比為：

(4)

(5)

由式5可知，在進(jìn)行實(shí)際的測(cè)量時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行大量的加法運(yùn)算，因此對(duì)硬件也提出了更高的要求，而DSP和FPGA等高速可編程邏輯器件的大量使用恰好解決了這一問(wèn)題。

從上述過(guò)程可知，利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，使用高速A/D對(duì)某段時(shí)間內(nèi)的周期性信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，并利用FPGA的快速性對(duì)采樣結(jié)果按周期進(jìn)行累加，處理后的信號(hào)有如下特點(diǎn)。

2)由于噪聲的隨機(jī)性，激光脈沖信號(hào)在測(cè)距過(guò)程中受到的干擾也不同，通過(guò)該算法不僅可以提高信噪比，還能對(duì)不同畸變的波形進(jìn)行疊加，有效地復(fù)現(xiàn)出原信號(hào)的波形。

2 回波信號(hào)探測(cè)及分析

將上述方法用于實(shí)際微弱回波信號(hào)探測(cè)中。其中，脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)中的FPGA輸出脈沖周期為10 kHz、寬度為37 ns的脈沖串，驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)射出脈沖探測(cè)激光串，經(jīng)過(guò)光纖光路衰減后，所發(fā)射激光脈沖的平均功率為1 MW。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)輸入高速A/D中進(jìn)行采樣，A/D的采樣速率為200 MHz，分辨率為10位(此時(shí)的回波信號(hào)可通過(guò)型號(hào)為Agilent 54642A的示波器進(jìn)行觀察)。

分別對(duì)<200 m的近距離目標(biāo)和>300 m的遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)示波器觀察回波信號(hào)特性，如圖2和圖3所示。當(dāng)測(cè)量距離<200 m時(shí)，回波脈沖經(jīng)過(guò)雙極性電路成形后信號(hào)的強(qiáng)度很強(qiáng)，使用傳統(tǒng)的閾值法即可檢測(cè)；但是當(dāng)測(cè)量目標(biāo)距離增大到≥300 m時(shí)，回波信號(hào)已經(jīng)完全掩蓋在噪聲中，計(jì)算此時(shí)信號(hào)的信噪比為0.82，信噪比遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)閾值法可檢測(cè)的范圍(要求>5)，故無(wú)法檢測(cè)回波信號(hào)。

圖2 距離<200 m時(shí)回波信號(hào)

圖3 距離>300 m時(shí)回波信號(hào)

現(xiàn)將測(cè)量目標(biāo)距離為305 m的A/D回波信號(hào)采集結(jié)果進(jìn)行多脈沖互相關(guān)計(jì)算，輸出結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 305 m互相關(guān)運(yùn)算后波形圖

圖5 305 m互相關(guān)局部放大波形圖

通過(guò)上述試驗(yàn)可知，當(dāng)測(cè)量距離為305 m時(shí)，通過(guò)脈沖互相關(guān)算法可以將微弱信號(hào)的信噪比由0.82提升到56.14，且保留了信號(hào)波形的細(xì)節(jié)信息，從而驗(yàn)證了算法的可行性；但是，隨著測(cè)量距離的增加，其探測(cè)能力的變化情況以及探測(cè)極限需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

將測(cè)量目標(biāo)的距離分別提高到700 m以上和1 133 m，對(duì)其測(cè)量計(jì)算后，回波信號(hào)的波形如圖6和圖7所示。由圖6可知，當(dāng)測(cè)量距離從305 m提高到700 m以上時(shí)，回波信號(hào)的噪聲明顯增加，這說(shuō)明距離越遠(yuǎn)回波信號(hào)的強(qiáng)度越低，信噪比更低；但是，通過(guò)脈沖互相關(guān)運(yùn)算后仍然可以將信號(hào)提取出來(lái)，計(jì)算可得經(jīng)互相關(guān)處理后信號(hào)的信噪比為45.64；當(dāng)測(cè)量距離提高至1 133 m時(shí)，回波信號(hào)已經(jīng)很微弱，回波信號(hào)的信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)<1，經(jīng)過(guò)相關(guān)算法處理后(見(jiàn)圖7)，淹沒(méi)在噪聲中的信號(hào)仍可以被提取出來(lái)，此時(shí)信號(hào)的信噪比為10.37，與測(cè)距為700 m時(shí)相比，回波信號(hào)的強(qiáng)度和信噪比要偏低，但是仍然在可檢測(cè)的范圍內(nèi)。通過(guò)在不同距離下的測(cè)距試驗(yàn)可以得出，使用多脈沖互相關(guān)法處理微弱激光回波信號(hào)，可以將原來(lái)<300 m的探測(cè)距離提高到≥1 000 m。

圖6 距離>700 m互相關(guān)處理后回波信號(hào)

圖7 距離為1 133 m互相關(guān)處理后回波信號(hào)

3 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)遠(yuǎn)距離脈沖激光測(cè)距中回波的特點(diǎn)，提出了多脈沖互相關(guān)累積法，并在激光器功率及光路等條件不變的前提下，通過(guò)對(duì)不同距離下目標(biāo)的測(cè)量，研究了對(duì)微弱回波信號(hào)的提取能力。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，多脈沖互相關(guān)累積法可以有效降低噪聲，提升信號(hào)的信噪比，降低誤警率。將原來(lái)<300 m的探測(cè)距離提高到≥1 000 m，使實(shí)際測(cè)量時(shí)的測(cè)程至少能夠提高3倍，在工程中具有明顯的實(shí)踐意義。

[1] 龍騰宇, 黃民雙, 孫麗妍，等. 單脈沖互相關(guān)累積法在激光脈沖遠(yuǎn)程測(cè)距中的應(yīng)用[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào), 2013, 21(3):18-22.

[2] Thiel K, Wehr A, Hug C. A new algorithm for processing full wave laser scanner data[M]. Porto: EARSEL 3D-Remot Sensing Workshop, 2005.

[3] Jutzi B, Stilla U. Percise range estimation on know surface by analysis of full-waveform laser [C]. Istanbul: Symposium of ISPRS commission III, 2006:234-239.

[4] 姜海嬌，來(lái)建成，王春勇，等．激光雷達(dá)的測(cè)距特性及其測(cè)距精度研究[J]．中國(guó)激光，2011,38(5):1-6.

[5] 倪旭翔，胡凱．脈沖串互相關(guān)方法在遠(yuǎn)程激光測(cè)距中的應(yīng)用[J]．光學(xué)學(xué)報(bào)，2012,32(11): 128-133.