数字相关检测技术在激光测距仪中的应用
数字相关检测技术在激光测距仪中的应用
作者:鲁标;孟克;潘玉恒
激光测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域. 式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产生的延迟 ,来间接地测定信号传播时间 ,从而求得被测距离. 因此 ,信号测量的精度也就决定了激光测距仪的精度.相关检测技术是信号检测领域里一种重要工具 ,它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号具有较强的抗噪声的能力 ,如同频域里的谱分析一样 ,时域里的相关分析几乎在信号的所有领域里都有应用 , 例如图像处理、卫星遥感、雷达及超声探测、医学和通信工程等.在此介绍一种新型的激光式测距仪 ,它将现代数字信号处理技术应用于测距系统 ,利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能 对采集的信号进行数字相关运算 ,计算出测量信号与参考信号的差 ,继而得到距离值。
1 激光式测距的基本原理
图 1 为典型的模拟测相电路的原理图 ,一般检测都是采用平衡测相和数字测相法 ,但这 2 种方法都存在电路复杂、体积大、使用不便等缺点 ,尤其是其精度不高 ,在某些场合是不能满足要求的. 为了提高测相的精度和减少体积 , 利用现代数字信号处理技术对方案进行了改进 ,原理框图如图 2改进的测量系统与原测量系统相比主要有以下区别:主频率信号与参考频率信号都由直接数字频率合成器(简称 DDS) 产生 ,这种方法不仅输出频率的分辨率高 ,而且可以通过编程改变输出频率 ,很容易改变光尺 ,提高测距的精度.2)经过混频、低通滤波器后的 2 路信号进入模数转换电路(ADC) ,由 DSP 控制在同一时刻启动 2 路ADC 进行数据采集 ,并由 DSP 利用数字相关检测的方法测量差 ,得到距离值。
2 数字相关检测的原理及在本系统中的实现
互相关函数可以理解为 2 个信号的乘积的时间平均 ,这是一个很有用的统计量 ,一方面它可以用来了解 2 个未知信号之间的相似程度 ,或者 2 个已知信号的时间关系 ,另一方面它有很强的抗噪声能力 ,这是因为噪声信号的相关系数几乎为零 ,在微弱信号中经常使用相关检测的方法提取有用的信号.
3 仿真分析
设差频信号的频率为 15 k Hz ,2 路正弦信号的差为 60°,采样频率为 120 k Hz ,采样点数为 256 点 ,信噪比分别为 6 dB 、10 dB 时的波形如图 3 、4 所示. 经过相关检测的算法 ,分别得到差为62. 023 3°和 60. 030 2°. 由此可见不仅信噪比越高,得到的结果越精确,而且相关检测的算法具有一定抗噪声的能力,这是模拟测相方法无法做到的经试验和分析 ,在实际的应用当中应当注意以下几点:
1)进行互相关运算的采样点数应是差频信号一个周期采样数的整数倍.
2)由以上的仿真可以看出 ,在进行模数转换电路之前 ,一定要很好地滤波.
3)在电路实现上 ,一定要做到 2 个ADC 、2 个DDS 同时启动.
4结束语
本系统所实现的激光测距仪是在充分利用了现代数字信号处理技术 ,完成数字相关检测算法的基础上实现的. 较之于传统方法 ,该方法不仅可以保证测距仪的精度和稳定性 ,而且在很大程度上简化了电路的复杂度 ,是实现便携式激光测距仪的一种有效途径 ,具有很好的应用前景。
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