多脈沖激光測(cè)距信號(hào)處理技術(shù)探究

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1、多脈沖激光測(cè)距信號(hào)處理技術(shù)探究摘要：多脈沖探測(cè)體制的激光測(cè)距可以有效提高目標(biāo)探測(cè)能力，在這種探測(cè)體制下，根據(jù)多脈沖激光回波信號(hào)的特點(diǎn),提出了基于DSP的多脈沖測(cè)距體制信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三脈沖測(cè)距體制時(shí)測(cè)距儀測(cè)距能力提高了5dBo關(guān)鍵詞：多脈沖激光測(cè)距信號(hào)積累高階累積量DSP中圖分類(lèi)號(hào):TN24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào):1007-9416(2012)11-0125-031、概述傳統(tǒng)的模擬激光脈沖測(cè)距機(jī)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)主要是利用電壓比較法。它的原理是設(shè)定一個(gè)門(mén)限電壓，把它與獲得的回波電壓相比較，若回波電壓大于門(mén)限電壓，

2、判定為目標(biāo)，若回波電壓小于門(mén)限電壓，則沒(méi)有目標(biāo)。由于激光在大氣中衰減非?？?，在能見(jiàn)度較差同時(shí)要求測(cè)距距離較遠(yuǎn)的條件下，模擬激光脈沖測(cè)距常常無(wú)法滿(mǎn)足要求。信號(hào)數(shù)字化檢測(cè)與傳統(tǒng)模擬電路檢測(cè)相比精度高、靈活性大同時(shí)可靠性也相應(yīng)提高。但與其他波段信號(hào)相比，激光脈沖信號(hào)脈寬很窄，將其通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)較為困難。近年來(lái)隨著高采樣率高帶寬A/D器件的出現(xiàn)以及大規(guī)模數(shù)字并行處理產(chǎn)品的高速發(fā)展，激光脈沖信號(hào)的數(shù)字處理技術(shù)逐漸走向?qū)嵱?。由于采用了?shù)字化技術(shù)，很多濾波算法可以在DSP中容易的應(yīng)用，這樣在傳統(tǒng)模擬域中無(wú)法解決的微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)有望在數(shù)字域中得

3、以解決。目前采用的方法有：信號(hào)積累、數(shù)字信號(hào)處理等。由于激光測(cè)距的脈沖重復(fù)頻率較低，對(duì)于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或?qū)μ綔y(cè)時(shí)間有要求的場(chǎng)合，信號(hào)積累方法難以發(fā)揮作用。而多脈沖體制的激光測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)接收多個(gè)探測(cè)回波，有利于信號(hào)積累，再結(jié)合信號(hào)處理方法可以有效提高信噪比。關(guān)于信號(hào)積累后的信號(hào)處理方法主要有：濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)態(tài)規(guī)劃等。濾波主要指差分濾波和平滑濾波。差分濾波依賴(lài)于脈沖激光回波信號(hào)的波形，而實(shí)際應(yīng)用中激光回波受目標(biāo)和大氣的影響會(huì)發(fā)生展寬、衰減等情況，所以應(yīng)用受限制，且信噪比增益不高。由于激光信號(hào)的頻譜主要集中于低頻部分，采用平滑濾波（相當(dāng)于

4、低通濾波）可以濾出部分帶外噪聲；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力和實(shí)時(shí)性還有待進(jìn)一步研究；動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法能在低信噪比條件下檢測(cè)出目標(biāo)，且計(jì)算量小，但目標(biāo)速度未知時(shí)計(jì)算迅速增大，算法檢測(cè)性能降低,無(wú)法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。由于累積后信噪比得到提升，在經(jīng)過(guò)平滑濾波后濾出部分帶外噪聲。2、多脈沖信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多脈沖信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理框圖如圖1所示，其工作流程是激光器輸出回波數(shù)據(jù)在模擬濾波后送到差分放大器中前置放大，然后被AD轉(zhuǎn)換芯片采樣成數(shù)字信號(hào)，之后分頻降速兩路并成一路送往FIFO中緩存；另一方面FPGA在同步信號(hào)觸發(fā)下經(jīng)若干時(shí)間延遲后將FIFO的寫(xiě)使能置為有效同

5、時(shí)向DSP發(fā)送中斷。FIFO寫(xiě)使能有效后AD采集輸出的數(shù)據(jù)開(kāi)始寫(xiě)入FIFO；而DSP收到FPGA的中斷信號(hào)后開(kāi)始以DMA方式讀取FIFO中數(shù)據(jù)到內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM；數(shù)據(jù)讀完以后，DSP開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加、濾波、目標(biāo)檢測(cè)、特征提取后識(shí)別出真實(shí)目標(biāo)并進(jìn)行跟蹤等算法處理；最后DSP將獲得目標(biāo)的距離信息寫(xiě)入U(xiǎn)ART串口轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)。整個(gè)處理板由信號(hào)采集預(yù)處理模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、采集數(shù)據(jù)緩存模塊、DSP處理模塊、FPGA控制模塊、距離信息串行輸出模塊。下面介紹主要模塊的功能及實(shí)現(xiàn)。2.1采集預(yù)處理模塊由于輸入的回波信號(hào)幅度較小，需要

6、將其放大以滿(mǎn)足ADC幅值要求。另需將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)以供AD采集數(shù)據(jù)。在這個(gè)項(xiàng)目中采用低失真的差分放大器AD8138作為差分ADC驅(qū)動(dòng)器。該放大器具有較寬的模擬帶寬（320MHz,-3dB,增益1）,而且可以實(shí)現(xiàn)將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化成差分輸出。AD8138為小型表面貼裝器件，本身的小巧體積可以設(shè)計(jì)器件輸入、輸出管腳的距離很近，減少了外界噪聲的影響。AD8138的輸入阻抗達(dá)到6M歐姆，可以與輸入信號(hào)直接相連,精簡(jiǎn)了電路結(jié)構(gòu)。圖2為AD8138的典型應(yīng)用電路。現(xiàn)在幾乎大部分的高速AD采樣芯片都要求輸入的模擬信號(hào)為差分輸入，這比單端輸入模擬信

7、號(hào)有很多優(yōu)點(diǎn)。例如可以降低AD轉(zhuǎn)化結(jié)果產(chǎn)生的二次諧波，降低信號(hào)的信噪比。差分輸入具有很好的噪聲尤其是共模噪聲的抑制特性，使用差分輸入能很好提高A/