脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用
脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用
作者:倪旭翔;胡凯
脉冲式激光测距仪技术因其快速、无合作目标、测程远等优点被广泛应用于军事领域,尤其在侦察和火控系统中应用最普遍。而目前实际应用中多采用单脉冲激光测距技术,但该技术受单脉冲能量的限制,使远距离探测存在回波信噪比差、探测虚警率高等问题。国内外许多学者针对远距离激光测距提出了多脉冲的方法,如 Thiel等通过仿真实验比较了多脉冲互相关方法与传统定比门限法的测距精度;Jutzi等采用不同的物体模型仿真不同表面的测距回波,由此探究多脉冲互相关方法对于不同表面测距回波的探测能力;章正宇等对三回波脉冲互相关方法的信噪比提升能力进行了仿真研究;钟声远对脉冲串回波互相关方法的探测灵敏度进行了研究。
本文对远距离探测中多脉冲回波互相关方法进行了深入研究,提出了一种全新的基于多个发射脉冲与回波脉冲互相关的多脉冲互相关方法,将多个短间隔发射脉冲与回波脉冲作为一次连续信号同时接收后进行互相关处理。在理论研究基础上进行了仿真实验,并根据实验结果对该方法对于信噪比和探测能力的提高进行了分析。
2 理论分析
多脉冲互相关方法是利用信号间的相关性和噪声间的不相关性对回波信号进行累加,使得深埋在噪声里的回波信号突显出来,放大器输出特性的数学模型,多次叠加后,信号因为良好的相关性得到增强,噪声因为差的相关性而得到抑制,这样信号就从噪声中突显出来,信噪比得到提升。
对于远程激光测距来说,回波信噪比本身就很低,经过叠加相关后信号的信噪比提升仍然有限,理论上分析可知,N 个脉冲叠加相关后,信噪比相对于单脉冲能提高槡N 倍。章正宇等采用三脉冲叠加相关的方式,使原来信噪比为0.516的弱回波信号信噪比提高到了0.9,但是在该信噪比下仍然难以提取回波信号。同时,叠加相关的方法由于要多次采样单个回波信号,还存在时间漂移的问题,这会影响最终的探测精度。
2.1 回波信号与发射信号互相关
针对多脉冲叠加相关方式存在的信噪比提升有限以及时间漂移的问题,提出一种基于回波信号与发射信号互相关的脉冲串互相关方法,设激光发射信号由 N 个激光脉冲x1(t)组成。
可见发射脉冲串与回波脉冲串互相关方法同回波多脉冲叠加相关方法相比,主要有以下两方面的提高:1)由于发射脉冲串的信噪比要好于回波脉冲,互相关后信噪比得到大幅提升;2)发射脉冲串与回波脉冲串作为一次连续信号,由模数转换器(ADC)同时接收,两路信号的时间轴是以 ADC 的时钟信号为基准,故发射脉冲串的时间抖动并不影响信号接收的时间轴,从而消除了各个发射脉冲的时间漂移的影响。
采用脉冲串发射信号与回波信号互相关的方法能够提高回波信号的信噪比,从而能提高激光测距的测程。当然,该方法也会存在激光发射脉冲后向散射造成的“死程”问题,而且,由于脉冲串信号连续发射,后一个发射信号的后向散射信号可能与前一个回波信号叠加造成测距错误。为此,可以根据测程来调节发射脉冲串的间隔,使得回波会落在“死程”之外。
2.2 发射脉冲理想化处理
提高信号信噪比,不仅要增大信号的值,同时还要减小噪声的值。(4)式中有z1(t)和z2(t)两个噪声项,z1(t)主要为电路噪声,而z2(t)则包括电路噪声、环境噪声和接收器噪声。因为噪声的来源有差别,所以z2(t),z1(t),f(t)三者并非完全不相关,这影响了信噪比的提升效果。对于发射脉冲来说,信噪比非常好,可以通过阈值门限法将其二值化处理,使得发射脉冲的噪声项z1(t)为0,使得(4)式中关于z1(t)的噪声项为0,从而提高信噪比。
2.3 实验系统框图
现工程上三脉冲发射系统已经比较成熟,故实验中采用三个脉冲的脉冲串作为激光驱动信号。延时电路产生的不同延时时间用来仿真测距中不同距离的时延,多脉冲发射电路产生多脉冲信号用 来驱动激光器。该脉冲串信号分为两路,一路通过通道1直接传输给高速 ADC,作为互相关的发射脉冲串信号以及另一路信号的同步信号;另一路经过延时电路传输给激光器,驱动激光器输出激光,激光被 PIN 管接收后通过通道2传输给高速ADC,模拟远程测距的回波信号,高速 ADC得到的两路信号示意图如图2所示。两路信号传输到计算机,通过软件进行互相关处理,得到最后的结果。
实验中,选取 Thorlabs公司的L808P200型号的半导体激光 二 极 管,波长为 808nm,峰 值 功 率 为200mW,探测器选用硅PIN管,中心波长为850nm,灵 敏 度 为0.62A/W,高 速 ADC 选 用 示 波 器MSO4104代替,最高采样率为5G/s,带宽为1GHz。
3 多脉冲互相关技术的实验论证
为了探究基于发射脉冲与回波脉冲互相关的多脉冲互相关技术的探测能力,从两方面入手:1)通过调节发射脉冲电路的电流大小来改变激光功率,以此来模拟不同强度的回波信号,探究脉冲串互相关技术对于不同强度的回波的信噪比提升能力;2)进一步控制激光输出功率,使得回波信号完全湮没在噪声中,模拟高虚警率条件下的回波信号,探究脉冲串互相关技术对于尖峰噪声的抑制能力。
3.1 回波信号信噪比提升能力分析
在测距实验中,通过调节脉冲发射电路的电流大小改变激光发射功率,以不同的回波强度模拟不同的测距距离,然后对比回波信号的信噪比和互相关信号的信噪比,探究互相关方法的信噪比提升能力。
在脉冲发射电路的控制下,激光器输出不同功率的激光,激光通过透射率较高的分光镜分为两路,一路透射光进入光功率计,另一路反射光进入PIN 管。互相关后的信号相对于回波信号的信噪比有大幅提升,尤其是4~7组数据,初始回波信噪比已经低于阈值判断法要求的最低信噪比(最低信噪比为3),而互相关后信号的信噪比都提升到了6以上,大大提高了脉冲激光测距的测程。
3.2 对于尖峰噪声的抑制能力分析
在远程测距中,回波信号除了因为信噪比低而难以直接用阈值判别法检测外,信号中还常会带有尖峰噪声,其值有时会是信号峰值的2~3倍,这时尖峰噪声就会引起误判。信号淹没在噪声中时回波信号和互相关信号的整体图和局部放大图。对比可以看出信号淹没在噪声中时,噪声中往往带有幅值超过信号峰值的尖峰信号,而采用发射脉冲与回波脉冲互相关的方法,只有当回波三脉冲平移相应的延时时间后才会与发射三脉冲完全重合,使信号峰值突显出来,其值远远大于原回波信号中的尖峰噪声值,这样尖峰噪声得到有效抑制。原始回波信号的峰值呈锯齿状,这在时间点判定时会造成很大误差。而信号经过互相关后,其峰值突出且尖锐,其最大值点就对应了延时时间,精度很高。
4.结论
提出了基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的多脉冲互相关方法。通过控制激光发射功率的脉冲发射电路和延时电路来模拟不同强度不同距离的回波信号,以探究该脉冲串互相关方法对于回波信号信噪比的提升能力和对于尖峰噪声的抑制能力。通过实验得出结论:该方法可以有效提高回波信噪比,并且能较好地抑制回波中的尖峰噪声,对信噪比为0.11的弱回波信号进行互相关处理后信噪比能提升到5.92,对应测程提高了2.6倍。该方法并未改变原激光测距系统的发射系统和接收系统,仅仅改变了数据处理方法,就能大大提高系统的探测信噪比和测程,因此对远程激光测距具有理论价值和实践意义。
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