基于相关检测的远距离激光测距方法
基于相关检测的远距离激光测距方法
陈萍, 左卜, 李东新
激光具有单色性和相干性好、方向性强等特点。在很早激光就被用于测距系统。从1941年开始,激光测距仪技术取得突破性快速发展。如今,测量技术发生了翻天覆地的变化,测量方法日益增多。随之带来的是人们对测量技术精确度和距离的更加高的要求。科学技术不断地朝着纵深方向发展,现在测量技术研究关键在于怎样实现在恶劣条件下进行测量并且获得比较准确的数据。如在长距离测量中,由于国家的规定,激光功率必须符合安全要求,所以当用激光测量远距离的时候,回来的信号十分微弱,可以说,如果不加以相应的处理,信号就会淹没在噪声之中,因此如何检测到返回的微弱信号,变成了一个十分重要的课题。
1 相关检测
1 . 1 模拟信号相关器
到在远距离测量时,回波信号功率已经变的十分微弱,在光电转换的过程中还会带来许多高斯白噪声,需要使用相关算法从噪声中恢复出信号,相关器正是基于相关算法而设计的信号检测
设备。
1 . 2 基本原理
相关器输出的为一直流电平,它的大小除了与信号本身的幅值、乘法器有关外,还和参考信号与带测信号间的相位差有关。因此,有些地方也把相关器叫做相敏检波器。从物理角度看来,相关器所做的互相关运算的实质就是将原来频率在/〇附件的正弦信号以及噪声信号全部转移到低频段,因此完成积分运算的积分器就相当于一个低通滤波器。噪声随着积分时间常数的增大而减小,在此过程中,实际上是将噪声进行了抵消,输出信噪比得到了有效的提高。系统也能够有效地检测到微弱的回波信号。
锁定放大器的核心部件是相敏检波器。根据噪声中参量估计理论,可以知道它属于最大似然估计,所以它是一种较好的估计方法。然而具有一个幅度值恒定和被测信号同频率的正弦参考信号,这是实现本电路的关键。这样的正弦参考信号我们一般可以用振荡器来获得,在测距仪中,本文使用频率合成芯片,再把被测信号也设置成这个频率,这就实现了同频率的要求。
1 . 3 数字相关器
模拟锁相技术和数字锁相技术所采用的基本原理是一致的。它们不同之处就在于后者增加了 A /D转换的环节,将模拟信号进行离散化。数字相关器以计算机处理数字信号为核心系统。待测信号和参考信号经过放大后到达多路选择开关,由计算机控制选择哪一路信号进行采样。值得注意的是,现在很多采样芯片都是多通道的。如果使用FP G A的话,可以同时采样,并行处理。S/ H 为采样保持器。全部受计算机控制。
2 激光测距系统实现
远距离激光测距系统的设计结构主要由三部分组成,激光发射部分,激光接受部分和信号处理部分。首先,由信号处理系统发出一个控制信号,控制激光器发送激光信号。发射光学系统,将调制好的激光发射出去之后,等待返回的激光。激光接收系统中有光电转换器,将光信号转化为电信号。此时的电信号十分微弱。且是高频信号。需要进行模拟部分的预处理,才能进行采样,进行数字信号处理。模拟信号处理部分如图4 所示,本振信号与接收回来的信号进行混频,混频器的输出也是解调过程的输出为中频信号。中频信号依旧是微弱模拟信号,且带有噪声。这时要经过集成放大器的放大然后才能给A/ D 芯片转换为离散信号。数字信号的处理较为复杂,既要完成微弱信号的提取,也要完成相位模块的计算。其中检测即采用相关器来提取微弱信号。数字信号处理部分具体设计包括:有符号小数乘法器,数字低通滤波器,幅度相位求解。它们构成了相关检测器。相位的求解需要使用到反正切运算,在FPG A中可以运用CORDIC算法来实现。
3.激光测距实验
整平仪器并调整其高度,使仪器与反射棱镜等高。观测时由近及远依次移动反射棱镜,并观测出各个位置的距离值。实际测量的结果在6 0 0 米内,已经能够达到± 3cm 级别,已结完全符合预期的目标。在6 0 0米后,测距的误差就比较大了,超出了测距的范围。如果还想提高测量的精度,一是可以提高采样的位宽,或是改进算法来实现。
4 结束语
本文以提高激光测距的距离为目标,设计了一种相关器,使测量远距离时,回波信号的信噪比能够提高# 倍。结合模拟信号处理模块的设计,采用模数结合的方法,能够准确地计算出微弱的回波信号。设计的整个相位法测距系统,能够准确地测量出6 0 0米范围内的距离,测量精可达到± 3 m m 级别。
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