机载激光扫描测距接收机中信号处理研究
机载激光扫描测距接收机中信号处理研究
胡以华 魏庆农 章立民
1 弓1言
机载激光扫描测距是机载激光地面测绘系统中的一个重要组成部分,,它给机载地面测绘带来了新的活力,从而能够高效率地提供高分辨力、高精度的地面到飞机的斜距数据。但是由于脉冲激光器产生的激光脉冲具有一定的脉冲宽度和波束发散角,在被激光照射处会形成一个激光光斑,当扫描激光束以非天底方向射出而与地面之间存在一个夹角时,回波脉冲被展宽,峰值功率减小。如果进行波束扫描探测,这些参数还随之变化。在对这样的回波进行信号处理时,普通测距接收机难以满足耍求,很有必要对其进行研究并寻求解决办法,以保证测距的可靠性与精度。
2 普通测距接收机中的信号处理及其存在的问题
脉冲激光测距接收机的作用是从噪声中检测出激光回波脉冲,其总的要求是获得最佳信噪比输出而不关心其脉冲保真度,并准确地检测出回波脉冲的时延。它的主要组成有光电探测器及其负载、匹配滤波放大器和脉冲检测电路。
在探测器的输出端存在着一定的等效负载, 它也对探测器输出的信号与噪声带来变换。接着将由匹配滤波放大电路对前级信号进行滤波与放大, 匹配滤波放大器的设计原则是在已知的输入信号的情况下获得最佳信噪比输出。
最后, 由紧接在匹配滤波放大器之后的恒虚警脉冲判决电路, 采取一定的门限电平来判决回波的有无, 并在回波存在时输出一个适合后续处理的代表回波的脉冲信号。
在机载激光扫描测距中, 激光波束对地面扫描照射, 如果假定天底方向的激光回波幅度和脉宽在等能量辐射而倾角为价时进入探测器的脉冲信号被展宽, 信号幅度减小。输出信噪比随扫描角度有明显变化, 同时偏离了最佳值, 尤其在飞机较高、激光发散角较大时, 这种影响更大, 它会给恒虚警脉冲判决带来困难, 并直接地影响到激光回波脉冲的探测能力, 使得倾斜方向的探测灵敏度降低, 而且还有可能遗失测距数据, 这在机载系统中是不允许的。同时, 放大器输出脉冲宽度也随着波束扫描而不断变化, 在固定门限的脉冲检测电路中会带来脉冲触发误差, 使得在不同信噪比和脉宽时测距误差不恒定导致测距准确度降低,。
所以, 在机载激光扫描测距系统中, 由于扫描倾角的变化带来回波特征的变化会认为目标和传输介质对回波特征的影响是各向相同的,普通的测距接收机难以满足它的高可靠性、高精度测距要求。
3.带宽自动控制技术改善信噪比
在机载扫描测距中, 由于输入信号与设计的固定结构匹配滤波器对应的信号不匹配, 输出信噪比减小而且不是最佳的, 从而影响到回波探测。如果要保证接收机放大器输出端始终保持最佳信噪比, 就需要接收机电路参数随输入信号参数而变化。根据机载扫描测距中扫描角度预可知这一原则, 扫描角度与回波脉冲宽度和幅度之间有着一定的关系, 从而可以采取自动控制的方法, 让接收机滤波放大器参数, 尤其是其带宽随着扫描角度而同步变化, 从而保证获得最佳信噪比输出。
上述分析仅仅考虑波束倾角的变化是由于波束扫描的结果, 而未考虑地面本身可能的倾斜,这种倾斜效应是预先不可知的。在要求更高的测距中, 如果要减少它给距离测量带来的影响, 可采取地形相关预估计的方法。考虑到在足够的地面分辨力的情况下, 地形倾斜度的变化具有相关性, 在一个测距周期中测距时, 同时将信号送到各个匹配滤波通道, 通过比较不同带宽滤波放大器输出信号的大小来而估计回波脉冲幅度和宽度, 为提供给下一个测距周期作为选择匹配滤波通道时作参考, 与由扫描角度带来的影响共同决定放大器带宽。
4.自动修正恒比定时触发技术, 减少测距误差分析表明, 恒定门限检测不适用于回波特征发生变化时的脉冲检测。对于仅仅幅度发生变化的回波信号, 可以采用恒比定时触发技术来提高测距精度, 所谓恒比定时触发技术。
它与回波脉冲宽度有关, 但与回波脉冲幅度无关, 如果仅仅脉冲幅度变化, 则测距误差为常量而容易消去。但在机载激光扫描测距系统中, 由放大器输出而送到脉冲检测器的信号幅度和脉宽始终是变化的, 从而测距误差不恒定。这时可以根据回波脉冲宽度随扫描倾角的变化规律, 对使用常规恒比定时触发器时的测时结果进行自动修正。具体来说, 就是对应每个波束扫描角度, 由式计算出咖的值, 然后从常规恒比定时触发器送出检测到的回波脉冲到后续的距离计数器, 测量出回波时间延迟之后,根据式对测时结果进行修正计算, 得到比较准确的距离测量值, 其测量误差决定。
5.结语
从以上分析看出, 在机载激光扫描测距中, 普通的激光脉冲探测接收机会使探测性能降低,并可能带来较大的测距误差。采用匹配滤波器带宽自动控制技术和自动修正恒比定时触发技术,可以在一定程度上提高探测性能和测距精度。实验室中的实验也证明, 由信号发生器送出一宽度和幅度可调、触发时间准确的高斯脉冲取代探测器输电信号, 然后将不同带宽的匹配滤波器分别接入电路中, 输出信噪比与输入信号确实有着一一对应的匹配关系脉冲检测电路采用了恒比定时触发技术, 用高分辨力逻辑分析仪测量其代表回波脉冲时延的电平脉冲信号, 发现其时间延迟明显地随扫描脉宽变化, 此时用上述的自动修正技术由脉宽值对其进行修正, 脉冲时列沙寸脉宽的依赖关系变得很小。这里所提出的两种技术的实际实现也不太难, 成本不高, 适合用于机载扫描测距系统。
本文章转自爱学术,如有侵权,请联系删除