多脉冲互相关检测法在远距离脉冲激光测距中的应用

刘慧慧，张 泽，梁天太

(1.北京石油化工学院，光机电装备技术北京市重点实验室，北京 102617；2.北京工业大学 机电学院，北京 100124)

随着激光测距技术的发展，远距离无合作目标的脉冲激光测距仪广泛应用于工程测量、军事勘察和水下雾天等恶劣环境下的工程测距中。在脉冲激光安全发射功率(平均功率<1 MW)的前提条件下，由于其发射能量受到限制，在恶劣环境下的回波信号幅值会因介质衰减而大幅度降低，导致出现回波信号信噪比差、探测困难等问题[1]。为了精准地探测到脉冲激光测距系统的回波信号，必须寻找到适合的微弱信号检测方法。

目前，微弱信号的提取方法有线性法和非线性法，由于在实际应用中受到硬件等因素的限制，非线性分析法还处于理论和试验阶段。线性分析法虽然已经在工程中得到应用，但存在信号提取性能差和硬件成本较高等问题。Thiel等[2]通过仿真试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[3]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的回波探测能力。姜海娇等[4]通过研究激光雷达回波信号的物理特性，在数学统计的基础上，提出了置信概率68.2%对应的置信半区间来衡量激光雷达的测距精度的新思路。倪旭翔等[5]提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法，并进行了仿真试验。

本文对远距离脉冲激光测距中的微弱回波信号进行了进一步研究，提出了一种互相关脉冲累积法，即对某时间段内的回波信号进行互相关叠加直到强度满足阈值要求。在理论研究的基础上，结合全站仪测距系统进行实际的远距离测量试验，并根据试验结果对不同距离下的回波信号和测距能力进行分析。

1 多脉冲互相关检测方法

多脉冲互相关法探测微弱回波信号的工作过程如图1所示。将某时间段内的脉冲回波信号进行互相关叠加，利用噪声的不相关性，达到增加信号强度和提高信噪比的目的。

图1 多脉冲互相关运算图

图1中M为单个周期信号的采样点数，N为脉冲个数，则对N个信号进行互相关运算后的结果为：

(1)

为了研究对信噪比的提升能力，首先计算原始信号的信噪比为：

(2)

对N个信号互相关后的结果取平均，得：

(3)

则此时信号的信噪比为：

(4)

(5)

由式5可知，在进行实际的测量时，需要对信号进行大量的加法运算，因此对硬件也提出了更高的要求，而DSP和FPGA等高速可编程逻辑器件的大量使用恰好解决了这一问题。

从上述过程可知，利用周期性信号的重复特性，使用高速A/D对某段时间内的周期性信号进行连续采样，并利用FPGA的快速性对采样结果按周期进行累加，处理后的信号有如下特点。

2)由于噪声的随机性，激光脉冲信号在测距过程中受到的干扰也不同，通过该算法不仅可以提高信噪比，还能对不同畸变的波形进行叠加，有效地复现出原信号的波形。

2 回波信号探测及分析

将上述方法用于实际微弱回波信号探测中。其中，脉冲激光测距系统中的FPGA输出脉冲周期为10 kHz、宽度为37 ns的脉冲串，驱动半导体激光二极管发射出脉冲探测激光串，经过光纤光路衰减后，所发射激光脉冲的平均功率为1 MW。经光电转换后的电压信号输入高速A/D中进行采样，A/D的采样速率为200 MHz，分辨率为10位(此时的回波信号可通过型号为Agilent 54642A的示波器进行观察)。

分别对<200 m的近距离目标和>300 m的远距离目标进行测量，通过示波器观察回波信号特性，如图2和图3所示。当测量距离<200 m时，回波脉冲经过双极性电路成形后信号的强度很强，使用传统的阈值法即可检测；但是当测量目标距离增大到≥300 m时，回波信号已经完全掩盖在噪声中，计算此时信号的信噪比为0.82，信噪比远小于传统阈值法可检测的范围(要求>5)，故无法检测回波信号。

图2 距离<200 m时回波信号

图3 距离>300 m时回波信号

现将测量目标距离为305 m的A/D回波信号采集结果进行多脉冲互相关计算，输出结果如图4和图5所示。

图4 305 m互相关运算后波形图

图5 305 m互相关局部放大波形图

通过上述试验可知，当测量距离为305 m时，通过脉冲互相关算法可以将微弱信号的信噪比由0.82提升到56.14，且保留了信号波形的细节信息，从而验证了算法的可行性；但是，随着测量距离的增加，其探测能力的变化情况以及探测极限需要进一步的验证。

将测量目标的距离分别提高到700 m以上和1 133 m，对其测量计算后，回波信号的波形如图6和图7所示。由图6可知，当测量距离从305 m提高到700 m以上时，回波信号的噪声明显增加，这说明距离越远回波信号的强度越低，信噪比更低；但是，通过脉冲互相关运算后仍然可以将信号提取出来，计算可得经互相关处理后信号的信噪比为45.64；当测量距离提高至1 133 m时，回波信号已经很微弱，回波信号的信噪比远远<1，经过相关算法处理后(见图7)，淹没在噪声中的信号仍可以被提取出来，此时信号的信噪比为10.37，与测距为700 m时相比，回波信号的强度和信噪比要偏低，但是仍然在可检测的范围内。通过在不同距离下的测距试验可以得出，使用多脉冲互相关法处理微弱激光回波信号，可以将原来<300 m的探测距离提高到≥1 000 m。

图6 距离>700 m互相关处理后回波信号

图7 距离为1 133 m互相关处理后回波信号

3 结语

本文根据远距离脉冲激光测距中回波的特点，提出了多脉冲互相关累积法，并在激光器功率及光路等条件不变的前提下，通过对不同距离下目标的测量，研究了对微弱回波信号的提取能力。通过试验验证，多脉冲互相关累积法可以有效降低噪声，提升信号的信噪比，降低误警率。将原来<300 m的探测距离提高到≥1 000 m，使实际测量时的测程至少能够提高3倍，在工程中具有明显的实践意义。

[1] 龙腾宇, 黄民双, 孙丽妍，等. 单脉冲互相关累积法在激光脉冲远程测距中的应用[J]. 北京石油化工学院学报, 2013, 21(3):18-22.

[2] Thiel K, Wehr A, Hug C. A new algorithm for processing full wave laser scanner data[M]. Porto: EARSEL 3D-Remot Sensing Workshop, 2005.

[3] Jutzi B, Stilla U. Percise range estimation on know surface by analysis of full-waveform laser [C]. Istanbul: Symposium of ISPRS commission III, 2006:234-239.

[4] 姜海娇，来建成，王春勇，等．激光雷达的测距特性及其测距精度研究[J]．中国激光，2011,38(5):1-6.

[5] 倪旭翔，胡凯．脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用[J]．光学学报，2012,32(11): 128-133.