基于CDMA的抗杂光干扰激光测距技术研究

雷 鸣,赵利平

(西安工业大学 电子信息工程学院,陕西 西安 710021)

基于CDMA的抗杂光干扰激光测距技术研究

雷 鸣,赵利平

(西安工业大学 电子信息工程学院,陕西 西安 710021)

为了解决固定周期激光测距系统抗杂光干扰性能差的问题,文中提出了一种基于CDMA技术的激光测距系统方法,该系统以FPGA为主控芯片,采用码分多址调制方法生成随机跳变的脉冲信号进行发射,同时在接收到回波后进行相应的门限检测,滤除干扰信号,仅使真实的回波通过并触发计数器停止计数,完成测距过程。实验结果表明,该方法确实能有效的滤除杂光干扰信号,提高激光测距系统的抗干扰性能。

激光测距;FPGA;CDMA;Gold码;门限检测

脉冲激光测距是对准目标发射一束激光信号,遇到目标后一部分激光信号被反射回来,由接收部分接收并进行预处理,由于光的传播速度为常数,所以只要测出激光脉冲从发射至接收到回波的时间,即可算出距离目标的距离。

在脉冲式激光测距过程中,传统的方法使用固定周期的脉冲信号作为激光器的发射信号,如果在周围环境中存在高功率的杂光干扰,或者多机联合测距时,接收部分无法判断真实回波信号和干扰信号,将导致测量结果出现错误。针对这个问题,本文借鉴了目前在通信行业流行的第三代移动通信在链路层采用的码分多址(CDMA)调制技术对脉冲信号进行调制,使其在每个工作周期发射脉冲的时间间隔随机变化,同时在回波接收端进行同步接收,而将其他干扰信号滤除,提高激光测距系统的抗干扰性能。

1 基于CDMA技术的激光测距系统

图1所示为基于CDMA技术的激光测距系统整体结构,主要包括激光发射部分,回波接收部分和FPGA主控部分。首先由FPGA主控部分生成控制信号,控制这3部分的工作,当主控部分开始工作后,在时钟驱动下产生随机脉冲信号,门控信号以及计数器开始计数的使能信号等;当有FPGA生成的跳频脉冲信号到来时,发射部分驱动激光器将其尽可能无失真地进行发射,并触发计数器开始计数;激光遇到目标后一部分被反射回来,由接收部分接收并在进行处理后,送至主控部分进行门限检测,如果有回波信号通过门限检测,且计数结果判定为真,则触发计数器停止计数,并输出最终计数结果,完成测距过程。

图1 系统整体结构

2 激光发射和回波接收部分

激光发射部分主要完成激光器的驱动和随机脉冲信号的发射,如图2所示。首先,将FPGA内部由GLOD码生成的伪随机数据,经过MOSFET驱动电路产生电子开关驱动激光器的发射。

图2 激光发射部分结构

回波接收部分主要是对接收到的回波信号进行放大,阈值比较以及电平转换,如图3所示。探测器接收到回波信号后,首先,将原始的回波信号进行放大,然后在对其进行阈值比较,大于阈值电压时输出高电平信号,反之则输出低电平,经过阈值比较可滤除一些幅值较小的干扰信号,最后对输出的高电平进行电平转换,将其转换为FPGA可以处理的电压信号送至FPGA主控部分进行后续处理。

图3 回波接收部分结构

3 FPGA主控部分

主控部分主要实现控制、DCM倍频、伪随机码生成、频率合成、门限检测、测距计数结果判定以及显示等功能,是整个激光测距系统的重要组成部分。

图4为FPGA部分的结构图,上电后主控部分首先产生控制信号,实现对激光发射、回波接收以及主控部分电路工作起始时间的控制,即作为电子开关控制各部分的工作。当主控部分开始工作后,在时钟驱动下生成周期为256的Gold伪随机码,控制频率合成器形成频率的跳变,由该频率做为计数器的输入时钟,在其计数到第50个时钟周期时,产生高电平的使能信号,使能信号源产生跳频脉冲信号、门控信号以及计数器开始计数的使能信号。在跳频信号被送至激光器发射的同时,使能计数器开始计数,直到有回波信号经过门限检测,且计数结果的判定为真时才停止计数,并输出计数结果。测量中计数模块使用的时钟是经过数字时钟管理模块(Digital Clock Manager,DCM)倍频后的高速时钟,可以提升计时精度减少测量误差。

图4 FPGA主控部分结构

4 抗干扰性能分析

基于CDMA的激光测距系统,其抗干扰性能的体现主要在于发射过程随机,而干扰信号主要有随机和固定两种,由于测距需要对多次回波信号进行平均得到,因此对于强两种干扰,即使偶尔被干扰到,也最终不影响测量结果,测距系统在主控部分使用周期为256的Gold伪随机码进行随机调制,控制脉冲发生器生成跳变为200 ns脉冲信号送至激光器进行发射,同时生成400 ns的门控信号,作为门限检测的一个输入端,激光束遇到目标被反射回来的回波信号作为门限检测的另一个输入,当两者同时为1时门限检测的结果才为1,表示该回波信号为真实的回波信号,并被有效接收,而其他的干扰信号通过门限检测后被滤除,图5为系统的抗干扰原理示意图。

图5 系统抗干扰原理示意图

如图5所示,第1行是Gold产生的伪随机码脉冲信号;第2行是与Gold一致的伪随机门控信号,其中tr代表目标的回波时间,tm是门控信号400 ns;干扰信号在第3行,可以是一个定频信号,也可以是一个随机的大动态干扰信号,对于定频信号,由于它与随机信号固有的随机关系,因此相遇的概率很低,而测距所选用的多次平均求最终结果的而方法可以容易地将其滤除;第4行是真实回波;第5行是接收到的回波,从中可以看出回波干扰1和2都已经滤除,而干扰3可通过平均而滤掉。

5 仿真及实验

根据系统整理要求进行软硬件设计,进行仿真和实验来验证此方法的可行性。软件部分采用Verilog Hdl编程实现,并在Xilinx公司的ISE下进行仿真,整体仿真结果如图6所示。

图6 系统软件部分仿真结果

图6中gold_p为并行的伪随机码序列,div_r为伪随机码控制的随机跳变的分频系数,pluse_raser为跳频脉冲信号,gate_s为门控信号,start_s为计数器开始计数的触发信号,echo_i为输入的回波信号,echo_o为通过门限检测的回波信号,stop_s为计数器停止计数的触发信号,distance为计数器并行计数结果,result为最终输出的串行计数结果。从图中可以看出,在生成跳频脉冲的同时生成门控信号,作为门限检测的有效范围,此时start_s使能计数器开始计数,在有回波通过门限检测且计数结果判定有效时,产生stop_s信号使能计数器停止计数,并输出计数结果。

实验中,将发射、接收和FPGA主控3部分电路连接好,尽可能地使激光器和探测器平行放置,对系统性能进行验证。对于测距结果的显示,使用二进制串行数据格式进行输出,将8位的计数结果经过并串转换变为串行数据后进行逐位显示,但由于输出结果为二进制数,在示波器上显示为1和0的逻辑电平,无法确定起始位置,因此在输出计数结果前,先输出10个周期的高电平作为标志位,这样就可以准确的辨认计数结果的起始位置。如图7所示,左半部分连续10个时钟周期的高电平即为标志位,右半部分为计数结果,从图中可以读出此次计数的结果为“0101_1010”,对其进行系统误差修订后,合计光速就可以得到测距结果。

图7 计数结果显示

通过多次实际测量,发现使用伪码调制的方法确实可以提高激光系统的抗杂光干扰能力,在周围环境复杂或者多机联合测量时,均可获得准确的测量结果。

6 结束语

综上所述,可以得出以下结论:(1)传统固定周期激光测距系统抗杂光干扰性能差。(2)基于CDMA技术的激光测距系统利用随机跳变的激光信号进行距离测量,可有效躲避干扰,具有一定的抗杂光干扰能力。(3)系统抗干扰性能的好坏与伪码的长度有关,码长越长时,产生的脉冲信号随机性越强,躲避杂光干扰的能力就越好,反之则较差,但码长越长实现难度相对的也会增加。

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Research on a Technique for Laser Ranging System with the Capacityof Anti-interference Based on CDMA

LEI Ming1,ZHAO Liping2

(School of Electronic Information Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021 China)

There is a problem with the traditional laser ranging system,it’s capacity of anti-interference is bad.In order to resolve that problem,this paper proposes a method of laser ranging system based on CDMA.This system uses the FPGA chip as the master chip,adopts the multiple access modulation method to generate random pulse to send,at the same time it uses the threshold detection to receive signals after detects echos,this method can filter the interference signal,only make the real signal through the threshold detection and trigger the counter stop to count,then it can complete the ranging process.The experimental result shows that this method do filter light disturbance effectively,improve laser ranging system anti-interference performance.

laser ranging;FPGA;CDMA;Gold code;threshold detection

2014- 09- 20

赵利平(1990—),女,硕士研究生。研究方向:激光测量。E-mail:zlpxatu0316@163.com

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.04.045

TN249

A

1007-7820(2015)04-170-03