申　華　王壽增　高彥偉　張　鑫　孫　峰

(華中光電技術(shù)研究所武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室　武漢　430223)

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多脈沖激光測距信號的數(shù)字相關(guān)檢測技術(shù)研究*

申華王壽增高彥偉張鑫孫峰

(華中光電技術(shù)研究所武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室武漢430223)

摘要針對激光測距中回波信號信噪比低、難以提取的困難，論文分析了多脈沖激光測距回波信號疊加技術(shù)和相關(guān)檢測技術(shù)對于信噪比的提升作用，并對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對比15組脈沖激光測距，采用30組脈沖激光測距時，回波信號信噪比增加了1.38倍，采用數(shù)字相關(guān)檢測技術(shù)處理后，回波信號信噪比增加了3.07倍。這表明，多脈沖激光測距回波信號疊加和相關(guān)檢測技術(shù)，均可以提升激光測距回波信號的信噪比。

關(guān)鍵詞多脈沖激光測距; 數(shù)字信號處理; 相關(guān)檢測; 信噪比

Class NumberTN247

1引言

激光測距中回波信號的有效提取對提升激光測距設(shè)備的測距能力至關(guān)重要。但常規(guī)的光電探測器接收激光脈沖信號時，信噪比受限于光電探測元件的噪聲以及背景光的干擾。回波信號微弱時，往往淹沒在噪聲之中[1]。所以，需要尋找合適的信號檢測方法來提高信噪比。傳統(tǒng)的模擬激光脈沖測距機(jī)對目標(biāo)的檢測主要是利用電壓比較法，它的原理是設(shè)定一個門限電壓，把它與獲得的回波電壓相比較，若回波電壓大于門限電壓，判定為目標(biāo)，若回波電壓小于門限電壓，則沒有目標(biāo)[2]。與電壓比較法不同，多脈沖體制的激光測距可以實(shí)現(xiàn)在短時間內(nèi)接收多個探測回波，有利于信號積累，再結(jié)合信號處理方法，可以有效提高信噪比[3]。同時，利用多脈沖激光測距時激光回波信號之間的相關(guān)特性，采用相關(guān)檢測的方法，也能夠極大地提高激光測距微弱回波信號的檢測能力[4]。

2基本原理

2.1多脈沖疊加處理

激光回波信號可以表示為時間的函數(shù)：

X(t)=S(t)+N(t)

(1)

其中，S(t)表示有用信號，N(t)表示噪聲。當(dāng)m個回波信號進(jìn)行疊加時，式(1)可以寫成：

(2)

激光測距中，信噪比可以定義為[5]

(3)

其中：ε{}表示期望運(yùn)算符。

因?yàn)榧す饣夭ㄐ盘枮榇_定性信號，所以信號疊加后的強(qiáng)度可認(rèn)為是直接相加的結(jié)果[6]，即為mS(t)，故測距回波信號疊加后的信噪比可以表示為

(4)

將式(4)分母展開得到：

(5)

由于各次隨機(jī)過程是相互獨(dú)立的，噪聲來自于相同的樣本集， 所以式(5)中第一項(xiàng)可以表示為mε{N2(t)}，第二項(xiàng)為零[7]，故式(4)可以表示為

(6)

2.2信號相關(guān)檢測

相關(guān)檢測技術(shù)是應(yīng)用信號的相關(guān)性和噪聲的隨機(jī)性的特點(diǎn)，通過相關(guān)運(yùn)算，提高信噪比，從而檢測出信號的一種技術(shù)。

相關(guān)檢測原理可以表示如圖1。

圖1　脈沖信號相關(guān)運(yùn)算示意圖

假設(shè)原始信號X(t)，Y(t)由有用信號S(t)和噪聲N(t)組成：

X(t)=S1(t)+N1(t)

Y(t)=S2(t)+N2(t)

(7)

X(t)和Y(t)的相關(guān)輸出：

(8)

將式(7)代入式(8)得到：

+N1(t)S2(t+τ)+N1(t)N2(t+τ))dt

(9)

在測距回波信號中，信號與噪聲互不相關(guān)，噪聲與噪聲在時間上也不相關(guān)[8]，故式(9)可以表示為

(10)

所以有：Rxy(τ)?RS1S2(τ)，這表明，經(jīng)相關(guān)處理后，保留了目標(biāo)信號，抑制了噪聲[9]。

因?yàn)閄(t)和Y(t)是對激光測距回波信號進(jìn)行AD采樣后的有限長離散數(shù)字信號序列，可以表示為：X(t)={x(0),x(1),x(2)，…，x(k)}，Y(t)={y(0),y(1),y(2)，…，y(k)}。所以相關(guān)輸出可以表示為[10]

(11)

因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)數(shù)有限，式(11)中x(n)和y(n+m)在采樣點(diǎn)以外的信號值可以通過補(bǔ)0來處理。X(t)和Y(t)分別為參考信號和回波信號，由于激光測距中發(fā)射信號和回波信號具有相關(guān)性，而且同一激光器對不同目標(biāo)測距的回波信號之間也具有相關(guān)性，所以參考信號可以選擇激光發(fā)射信號或者激光器對另一個目標(biāo)測距的回波信號。

3實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用一臺1550nm半導(dǎo)體激光器，激光器輸出能量2μJ，發(fā)散角小于2mrad。對2km以外的目標(biāo)進(jìn)行測距實(shí)驗(yàn)。因?yàn)閱未渭す獍l(fā)射能量很小，回波信號極弱，故采用多次激光回波疊加的多脈沖測距方法。實(shí)驗(yàn)中采用高速AD芯片對單次測距回波信號進(jìn)行采樣，采樣速率為30MHZ，單次測距采樣900個點(diǎn)，采樣數(shù)據(jù)送入DSP中進(jìn)行處理。令100次激光回波疊加作為一組，總共對目標(biāo)發(fā)射30組的激光。假設(shè)得到的30組激光回波數(shù)據(jù)存放在數(shù)組data[30][900]中，設(shè)前15組數(shù)據(jù)之和為A，后15組數(shù)據(jù)之和為B。則：

由于原始信號信噪比較高的情況下，通過直接探測的辦法更加簡單，所以本文主要比較原始信號信噪比較低時，多脈沖疊加與相關(guān)檢測方法對原始信號信噪比的增強(qiáng)能力。

用激光器對目標(biāo)進(jìn)行測距，對激光器回波信號進(jìn)行采樣得到的A和B的信號圖如圖2。

圖2　A和B信號圖

將前15組數(shù)據(jù)和后15組數(shù)據(jù)疊加，得到A+B的信號圖如圖3。

圖3　回波信號前15組和后15組數(shù)據(jù)之和

本實(shí)驗(yàn)選取激光器對另一目標(biāo)測距的回波信號作為參考信號X(t)，為避免運(yùn)算量過大，對X(t)中的噪聲進(jìn)行置0處理。將信號A作為相關(guān)運(yùn)算的回波信號Y(t)，對X(t)和Y(t)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。參考信號X(t)的波形圖以及X(t)和Y(t)的相關(guān)Rxy(τ)的波形圖如圖4。

對比上述信號A、B、A+B和Rxy(τ)的信噪比如下：

SNRA=11.40dB,SNRB=11.36dB,

SNRA+B=12.82dB,SNRR(τ)=16.28dB

圖4　X(t)和Rxy(τ)信號圖

4結(jié)語

本文對激光測距的回波信號進(jìn)行數(shù)字化采樣，然后比較了多組回波信號疊加技術(shù)和相關(guān)檢測技術(shù)對于原始信號信噪比的提升作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對比15組脈沖激光測距，采用30組脈沖激光測距時，回波信號信噪比增加了1.38倍，采用數(shù)字相關(guān)檢測技術(shù)處理后，回波信號信噪比增加了3.07倍。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過對多脈沖激光測距回波信號疊加和技術(shù)相關(guān)檢測技術(shù)，提升激光測距機(jī)的測距能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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收稿日期：2016年1月17日,修回日期：2016年3月6日

作者簡介：申華，男，碩士，助理工程師，研究方向：激光信號處理。

中圖分類號TN247

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.038

Digital Correlation Detection of Multi-pulse Laser Ranging

SHEN HuaWANG ShouzengGAO YanweiZHANG XinSUN Feng

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan430223)

AbstractAs the SNR of laser ranging echo signal is low and difficult to recognize, this paper analyzes the SNR enhancement by multi-pulse accumulation and correlation detection and conducts experiments later. The experiments result shows that when comparing with echo signal SNR of 15 groups pulsed laser ranging, the echo signal SNR of 30 groups pulsed laser ranging increased it to 1.38 times, and when using digital correlation detection process, the echo signal SNR increased to 3.07 times. This indicates that the multi-pulse laser ranging and correlation detection technology can both enhance the SNR of laser ranging echo signal.

Key Wordsmulti-pulse laser ranging, digital signal processing, correlation detection, SNR