相关检测技术在单脉冲激光测距中的应用
相关检测技术在单脉冲激光测距中的应用
作者:夏冰;张鑫;孙峰
激光器的问世使传统军事领域及民用领域发生了翻天覆地的变化,其中激光测距仪机在军事领域及其他行业的地位越来越重要。目前近距离激光测距一般采用体积小、重量轻的半导体激光器。实现远距离的测距则必须采用光束质量好、较易实现高能量、高集成化的固体激光器来做光源才能完成。但由于大气衰减及背景噪声影响使得我们接收到的远距离信息往往与噪声掺杂在一起不能提取出真实的距离信息。相关检测技术是根据信号的时域相关性和噪声的时间不相关性为出发点,对两路或大于两路的回波信号进行放大、加延时、乘法运算等一系列变换后由于噪声的时间不相关性而被滤掉,而真实的激光回波信号被提取,从而达到了远距离激光测距的目的。本文通过理论计算和模拟仿真,验证了采用相关检测技术将回波信号从噪声中提出来的可行性,对激光测距机测距能力的提升具有参考意义。
2.激光回波信号相关检测原理
激光回波信号相关检测原理。两组光电雪崩二极管分别探测到激光回波信号后分别经过前端放大器放大。放大后的信号一路为原始信号,另一路在加延时之后将两组信号叠加、相乘,最后通过滤波器滤波后将信号传输给计数板计算出正确的距离信息。在此过程中相关检测原理就是根据信号的时域互联性、相关性和噪声的随机无规律原则来抵制噪声的干扰,增强信号的强度从而达到提高激光回波信号信噪比的目的。
根据推导可得回波信号与噪声之间由于时域连续性的关系,信号和噪声是可以分离的,也就是说经过相关检测原理是可以提取出原本被噪声淹没的真实回波信号的。
3、模拟仿真
根据理论推导通过 MATLAB插件 Simulink软件仿真。其中分别使用脉冲波形发生器、高斯噪声发生器、加法器、滤波器、乘法器和示波器等。乘法器相乘后的输出信号,可见经过相关检测系统处理后信噪比极低的信号可以从噪声中提取出来,信噪比达到了7.5dB。经过软件仿真后进一步验证了此种方法的可行性。脉冲信号和高斯噪声。信号为脉宽100ns,幅值为2.5的脉冲信号。使用加法器将脉冲信号和噪声叠加可以看到信号已经被噪声淹没,信噪比仅仅有-2.5dB。
4 实 验
激光测距机由激光发射和两个激光接收装置组成。激光发射装置由激光器和激光驱动电源组成。本实验采用的是激光波长为1.06μm 脉冲式全固态激光器。该激光器输出能量6mJ,发散角小于1mrad。实验采用双接收系统来接收激光回波信号,接收窗口的尺寸为40mm。由于实际实验很难找到大于10km 或更远的目标进行测量。因此本次实验采用 GJB1324-1991消光实验法测量最大测程方法。
实验首先使用未经过相关检测的常规测距机(记为 LRF-1)进行消光比测试,计算出消光比阈值即信噪 比。当采用相关检测方法测距(记 为LRF-2)所测得原始信噪比与 LRF-1所测得信噪比相同时,得到的消光比即可算出实际可测得距离。实验采用双接收系统的方式分别采取激光回波信号,如图6所示,为两组激光接收系统,两组接收系统与激光器共轴。当发射激光同时,激光器后面的采样二极管将激光主波信号采样整形处理后传给计数板开始计数,当两路接收系统接收到回波信号后滤波放大,然分别将信号传给乘法器和延时器。将原始放大信号和加延时信号输入到乘法器,因为两路激光回波信号的时间相关性,使得最终的回波信号强度增大,而对于噪声而言则与时间不相关,可以被抵消,从而信噪比得到提高。所以经过乘法器相乘滤波后即可得到回波信计算出实际距离。
首先使用LRF-1进行消光比测试,当对准500m 目标测距时,当消光比达到30dB时回波信号已经达到了触发阈值,此时的信噪比为7dB。再使用LRF-2 进行测距,LRF-2 的性能指标参数与LRF-1完全相同,当逐渐增加衰减片时可以看到原始激光回波信号已经基本被噪声淹没如图7所示,而在经过相关处理后可以看到回波信号信噪比仍然大于10dB。此时消光比已经达到44dB。
对比我们可以看出,实际激光回波电路中噪声很大,此时只有回波幅值很强的时候才能获取真实距离值,而采用相关检测技术后可以明显看到整体电路的增益得到提升,通过实验也证实了相关检测技术对激光测距回波信号处理上起到了很大作用,对以后的激光测距能力研究工作有指导意义。
5、结论
本文采用雪崩光电二极管探测微弱激光脉冲回波信号,根据相关检测原理对微弱的激光回波进行处理,获得信噪比大于10dB。而此时的原始信号信噪比为-2.1dB。依据相关检测原理作软件仿真并验证了理论推导的可靠性。实验采用消光实验法对激光测距机测距能力进行了测试,消光比从原来的30dB提升到44dB。实验证明采用相关检测方法来提高激光测距能力是可行的。
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