(北京信息科技大學 儀器科學與光電工程學院,北京 100192)
激光測距是一種非接觸式的距離測量技術,它利用光子飛行時間來計算目標距離[1]。激光測距法可分為脈沖激光測距法、相位激光測距法和干涉測距法[2-4]。干涉測距法對外界環(huán)境以及測距設備的要求較高并且抗干擾能力弱,一般只在特定場合使用。相位激光測距裝置成本高、測量速度慢、需要合作目標輔助測量。脈沖激光測距法量程大、測距速度較快并且無需合作目標。對于導彈等高速相向運動目標進行測距時,脈沖式激光測距的調(diào)制頻率通常在幾十赫茲,導致距離刷新頻率較低,造成測距滯后[5]。因此在保證測距系統(tǒng)性能的前提下,高重頻脈沖激光測距技術應運而生。與常用的測距技術相比,高重頻脈沖激光測距技術具有測距滯后小、能夠?qū)δ繕说墓ぷ鞑ǘ渭肮ぷ黧w制進行探測、結(jié)構(gòu)簡單、對光源相干性要求低等優(yōu)勢,在工業(yè)、航空航天、大地測量、建筑測量和機器人等領域得到了廣泛應用[6-7]。目前,各種用途對高重頻脈沖激光測距準確度的要求越來越高,如何能可靠、準確地探測目標漫反射返回的衰減和畸變的激光脈沖回波信號是一個關鍵問題[8]。
常用的脈沖激光測距方法包括全數(shù)字激光測距、激光多周期測距、基于自動增益控制技術的脈沖激光測距等[9-11]。隨著自動增益控制技術的發(fā)展,研究者越來越多地將自動增益控制技術應用于脈沖激光回波處理。芬蘭奧魯大學研究人員采用衰減器結(jié)合幅度探測手段對接收機進行自動增益控制,有效提高了近程測距精度[12],但是缺乏對背景光噪聲變化的適應能力。在分析了脈沖激光測距回波接收系統(tǒng)增益控制手段及范圍的基礎上,中國科學院上海技術物理研究所郭穎等人提出了一種基于回波幅度和噪聲探測的自動增益控制方案,有效提升自動增益調(diào)節(jié)對背景光噪聲變化的適應能力,但是該方法測距量程較短[13]。中國科學院大學程鵬飛提出大動態(tài)范圍高精度激光測距技術,不但動態(tài)范圍大,而且精度較高,但是未對誤識別率進行有效抑制[14]。
綜上所述,國內(nèi)外用于高重頻脈沖激光測距回波處理方法在回波信號識別方面還有待改進。為了剔除高重頻脈沖激光測距回波信號中的干擾脈沖信號,以免造成信號誤識別,帶來粗大誤差,本論文研究實施了一種脈沖回波信號的時間波門選通處理方法。
脈沖激光測距原理是利用速度、時間和路程之間的關系,即激光脈沖從發(fā)射到經(jīng)被測物體反射回來所用的總時間的一半再乘以激光的傳播速度,得出被測目標距離[15]。假定被測目標距離為S,則
式中:t為測得的激光脈沖往返經(jīng)過的時間;c為光速,約為3×1 08m/s。
常規(guī)高重頻脈沖激光測距系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理和控制模塊、高重頻脈沖激光器、接收望遠鏡、光電接收與轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理模塊、計時模塊組成。數(shù)據(jù)處理和控制模塊產(chǎn)生并輸出脈沖對激光進行調(diào)制,產(chǎn)生脈沖激光輸出;接收望遠鏡將脈沖回波信號進行收集;光電接收與轉(zhuǎn)換模塊將收集的光信號轉(zhuǎn)換為電信號;調(diào)理模塊將回波電信號進行濾波、放大、時刻判別處理;計時模塊計算調(diào)制脈沖和脈沖回波信號之間的時間?;夭ㄐ盘栔胁粌H包含脈沖回波信號,還包含傳播過程中引入的各種干擾信號,如激光瑞利散射、背景光等造成的干擾信號,如圖2所示。干擾信號容易被系統(tǒng)誤認為脈沖回波信號,造成系統(tǒng)的粗大誤差。
圖1 常規(guī)高重頻脈沖激光測距系統(tǒng)Fig.1 Conventional high repetition rate pulse laser ranging system
圖2 干擾信號Fig.2 Jamming signal
脈沖回波信號轉(zhuǎn)換為電信號后需要進行專門調(diào)理,調(diào)理模塊包括帶通濾波器、數(shù)字自動增益調(diào)節(jié)(automatic gain control,AGC)模塊、高速比較器模塊,如圖3所示。帶通濾波電路實現(xiàn)對脈沖回波信號濾波;數(shù)字AGC 模塊實現(xiàn)脈沖回波信號幅值穩(wěn)定在一定范圍;高速比較器實現(xiàn)對脈沖回波信號整形。
圖3 調(diào)理模塊Fig.3 Conditioning module
為了降低系統(tǒng)的誤識別率,提升峰值采集值的精確度,特別采用具有回波信號時間選通處理技術的數(shù)字AGC 模塊,如圖4所示。設計測量距離500 m~5 000 m,脈沖回波信號強度為2 mV~2 000 mV的調(diào)理模塊系統(tǒng),系統(tǒng)由可變增益控制部分、峰值采集部分和時間選通部分組成。
采用FPGA 控制數(shù)字電位器實現(xiàn)對可變增益放大電路(variable gain amplifier,VGA)的程序控制。為了使VGA 滿足系統(tǒng)80 dB 回波強度的變化范圍,采用兩級可變增益運放AD603。FPGA 通過SPI 控制數(shù)字電位器的分壓比,實現(xiàn)對VGA的增益控制。增益表達式為
圖4 采用時間選通的數(shù)字AGC 模塊Fig.4 Digital AGC module with time-gating
峰值采集電路,由高速峰值保持電路和高速AD 采集電路組成。峰值采集電路將脈沖回波信號峰值保持并通過AD 采集,完成幅值調(diào)節(jié)。峰值保持電路能夠檢測和保持快速窄脈沖峰值,但峰值采集輸出結(jié)果既受信號峰值影響又受起始相位影響,造成信號峰值采集出現(xiàn)誤差。不同起始相位、相同幅值下峰值保持值的輸出如圖5所示。
圖5 不同起始相位、相同幅值下的峰值保持值Fig.5 Peak holding value under different starting phases and same amplitude
從圖5可以看出,由于脈沖回波信號起始相位不同,造成峰值保持值的衰減程度不同,使得相同幅值的脈沖回波信號采集的幅值不同,影響自動增益調(diào)節(jié)準確性。
時間選通模塊不僅可降低誤識別率,還提升了峰值采集結(jié)果的準確性。具體措施是通過高速模擬開關芯片將有效信號時間窗之外的信號排除,只允許時間窗內(nèi)的信號進入系統(tǒng)。設測距機的最近及最遠測距距離分別為Lmin和Lmax,則:其中有效時間窗的起始時刻t1和結(jié)束時刻t2分別為
式中:c為光速,t1和t2從激光出光時刻起計時,在本文所述系統(tǒng)中Lmin=500 m,Lmax=5 000 m,代入上式可得t1=3.33 μs,t2=33.33 μs。從時 間 窗 開 始,AD 以2 μs 采集一次數(shù)據(jù)的速度采集峰值保持值15次,并計算最大值,確保每次采集到真實的峰值,提高自動增益的精確度。時間選通控制信號由FPGA 根據(jù)激光調(diào)制脈沖產(chǎn)生。時間選通模塊實物圖如圖6所示。
圖6 時間選通模塊實物圖Fig.6 Physical diagram of time-gated module
峰值保持電路在不同起始相位、相同幅值脈沖回波信號下,AD 在時間波門內(nèi)的峰值保持信號如圖7所示。
圖7 時間波門內(nèi)不同位置、相同幅值的峰值AD 采集值Fig.7 Peak AD values of different positions and same amplitude in time gate
從圖7可以看出,時間波門內(nèi)采集15次峰值保持值并求取最大值,有效解決起始相位不同、幅值相同的脈沖回波信號引起峰值采集值不同的問題,相比常規(guī)峰值采集值的方法,該條件下所計算的峰值采集值,精度提高12.6%。
改變脈沖回波信號的幅值后,回波脈沖信號波形如圖8所示,輸入2 mV 脈沖回波信號如圖8(a)所示;輸入500 mV 脈沖回波信號如圖8(b)所示;輸入1 V 脈沖回波信號如圖8(c)所示;輸入2 V 脈沖回波信號如圖8(d)所示。
圖8 經(jīng)過調(diào)理模塊后的回波信號Fig.8 Echo signal after conditioning module
從圖8可以看出,采用時間選通處理技術后,調(diào)理模塊系統(tǒng)能夠?qū)? mV~ 2 000 mV范圍內(nèi)不同幅值的脈沖回波信號調(diào)節(jié)到1 V,很好地實現(xiàn)了自動增益控制功能。
圖9 采用波門開關的波形圖Fig.9 Oscillogram with gate switch
為了驗證系統(tǒng)低誤識別率,在時間波門3.33 μs~33.33 μs范圍以外設置一個高頻脈沖信號如圖9所示。單周期波門信號及其效果如圖9(a)所示;多周期波門信號及其效果如圖9(b)所示。
從圖9可以看出,采用時間選通處理技術后,調(diào)理模塊系統(tǒng)能夠?qū)⒏哳l干擾信號有效濾除,有效地降低了系統(tǒng)的誤識別率。
高重頻脈沖激光測距系統(tǒng)擁有廣闊的應用場景,其特點是重復頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、對光源相干性要求低、測量速度快,但是目前針對高重頻脈沖激光測距系統(tǒng)誤識別率低、峰值采集值精確度低等問題缺少有效方案。論文針對性地研究了高重頻脈沖激光測距回波信號時間選通處理技術,并搭建高重頻脈沖激光測距調(diào)理模塊系統(tǒng),進行測試實驗。實驗結(jié)果顯示,峰值保持電路輸出信號的精度提高12.6%左右,回波信號中干擾脈沖信號被有效剔除。