多脉冲远程激光测距回波处理方法研究
多脉冲远程激光测距回波处理方法研究
作者:张月 ;王春阳 ;刘妍妍 ;于艳鑫
激光测距可以分为脉冲式激光测距和相位式激光测距。脉冲式激光测距仪因其具有不需要合作目标且测程远的优点,广泛应用于军事上对各种战场目标的测距。激光器发射平均功率小于1mW为安全功率,鉴于这个前提,在恶劣环境下的回波信号能量微弱,信号淹没在噪声中,难以检测。由于单次激光能量很小,回波信号极弱,为了能够有效有效地从极低信噪比环境下提取出回波信息,很多专家和学者对多脉冲体制的激光测距技术进行了广泛的研究,均提出了提高信噪比的方法。由于受到激光器功率、体积等因素的限制,国内外通常采用间隔数百微秒的3个脉冲,本文同样采用的是三个脉冲叠加的方式,由200Msps的高速AD采样,进行回波信号预处理,然后将处理后的信号送入EMD+小波去噪处理单元,最后由峰值 检测方法得到峰值所在位置,从而定位回波信号。
1、激光回波信号的处理算法
1.1多脉冲叠加原理
多脉冲叠加方法核心思想是对回波信号进行叠加,利用回波信号间的相关性和噪声间的不相关性,有效提高信号的能量,一致噪声的能量。由于信号间相关性好、噪声相关性差的特性,叠加后的信号信噪比可以得到一定程度的提升,从理论分析的角度,信噪比可以提高N倍。
1.2EMD算法原理
Emprical Mode Decomposition简称EMD,中文名称为经验模态分解法,该方法可以将信号分解成多个本征模态函数IMF,每个IMF代表了信号的一段频率信息。IMF需要满足两个条件:
(1)IMF代表的数据序列中,极值点和过零点的数量必须一致;
(2)在任意时间点上,该信号的数据序列的局部极大、极小值定义的包络的平均值为0.
因此,EMD信号分解就可以实现将飞翔行不平稳的多分量信号,分解成为多个平稳的单分量信号。EMD的分解过程可以简要概括为:受限,找到输入信号所有的极值点,并将所有极大值点按照一定方法拟合成上包络线,同理,将所有极小值点逆合成下包络线;然后计算拟合后的上下包络线的均值;用原始的信号减去这个均值,得到一个新的第一次去掉低频的心心好序列,若此时该序列满足成为一个IMF分量的要求,则将此序列记为第一个IMF分量;若不满足,则重复进行减去均值的操作,直到得到IMF分量为止;将输入信号减去IMF分量,得到一个新信号,把该信号当做原始输入信号进行重复操作,直到满足终止条件为止。
仿真结果显示,IMF1到IMF3各分量代表从高到低不同频率段的成分,每一个频率段所包含的频率成分都是不同的。
1.3小波阈值去噪原理
小波阈值去噪原理为:首先对小波进行分解,然后取出各层分解系数,对每层系数中模大于或小于一个阈值的系数进行处理,然后进行重构得到去噪后的信号。
2、基于EMD的小波阈值去噪方法及实现
传统的EMD降噪方法采取了舍弃高频分量,直接将低频分量和余量进行重构的方法,这种做法虽然咋一定程度上提高了信噪比,但也丢失了大量细节信息,并且经过此方法处理后的激光测距回波信号功率大幅度衰减,不利于后续的峰值检测,也就无法准确检测回波位置。
由于EMD分解后的各个IMF分量均为时变得平稳的单分量信号,而小波阈值去噪很适合这类信号的去噪,故采用小波阈值去噪的方法度高频IMF分量进行去噪再和低频分量及余量重构的方法,即基于EMD的小波阈值去噪方法。
采用EMD与小波结合的方法可以在一定程度提高信噪比,并保证峰值功率。但是,在信噪比极低的情况下,此方法同样失去了有效型。由于小波阈值去噪都采用默认的阈值,不能够精确地根据每个IMF分量的特征进行判断无法实现去噪的要求。信噪比为-15dB时,将单脉冲改为本文采用的三脉冲,听过叠加算法用改进阈值后的方法进行去噪,改进小波阈值后的去噪方法将信噪比提高到了2.66dB。matlab方针得到改进阈值的去燥效果可知,基于EMD的默认阈值的小波去噪在极低信噪比下,出现多个回波峰值,已失去了检测回波、定位目标的有效性;而本文提出的方法则可以在极低信噪比下依然能够恢复出信号波峰,通过matlab的findpeaks函数可以准确提取出峰值所在的位置。
4、结论
本文针对远程激光测距回波信号的信号检测难的问题,提出了基于EMD的小波阈值去噪方法。理想情况下,该方法将回波信噪比从-15dB提高到2.66dB,实现了回波定位,且定位误差在1.5m以内。由于论文中添加的噪声均为高斯白噪声,更复杂噪声环境下信噪比提高以及信号检测还需进一步研究。
为了获得冷加工前良好的组织状态 ,即获得过冷的奥氏体γ相 ,减少α相 ,得到良好的冷加工性能 ,对固溶处理温度和冷却速度进行了试验。固溶处理温度选在 1050~1260 ℃范围内 ,冷却速度选择了空冷、水冷和冰盐水冷却 3 种介质中进行淬火。在 1100 ℃以下淬火 ,合金的硬度只有微小的波动 ,基本不变 ,继续增加淬火温度 ,硬度随之增加 ,1100 ℃是较为适宜的固溶温度。
固溶冷却速度对合金硬度有较大影响 ,慢冷合金硬度显著增加 ,快冷合金硬度显著降低 ,水冷和冰盐水冷 ,合金硬度基本相近。
根据以上试验 ,固溶工艺选用 1100 ℃固溶温度 ,冷却介质为水。随后冷加工拉丝试验也证明固溶工艺的合理性 ,合金从 8mm 盘园条直接冷拉到 φ0. 5mm丝材 ,冷形变量为 99. 6 % ,也表明合金具有良好的塑性。
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