多脉冲激光测距信号的数字相关检测技术研究*

申　华　王寿增　高彦伟　张　鑫　孙　峰

(华中光电技术研究所武汉光电国家实验室　武汉　430223)



多脉冲激光测距信号的数字相关检测技术研究*

申华王寿增高彦伟张鑫孙峰

(华中光电技术研究所武汉光电国家实验室武汉430223)

摘要针对激光测距中回波信号信噪比低、难以提取的困难，论文分析了多脉冲激光测距回波信号叠加技术和相关检测技术对于信噪比的提升作用，并对此进行了实验。实验结果表明，对比15组脉冲激光测距，采用30组脉冲激光测距时，回波信号信噪比增加了1.38倍，采用数字相关检测技术处理后，回波信号信噪比增加了3.07倍。这表明，多脉冲激光测距回波信号叠加和相关检测技术，均可以提升激光测距回波信号的信噪比。

关键词多脉冲激光测距; 数字信号处理; 相关检测; 信噪比

Class NumberTN247

1引言

激光测距中回波信号的有效提取对提升激光测距设备的测距能力至关重要。但常规的光电探测器接收激光脉冲信号时，信噪比受限于光电探测元件的噪声以及背景光的干扰。回波信号微弱时，往往淹没在噪声之中[1]。所以，需要寻找合适的信号检测方法来提高信噪比。传统的模拟激光脉冲测距机对目标的检测主要是利用电压比较法，它的原理是设定一个门限电压，把它与获得的回波电压相比较，若回波电压大于门限电压，判定为目标，若回波电压小于门限电压，则没有目标[2]。与电压比较法不同，多脉冲体制的激光测距可以实现在短时间内接收多个探测回波，有利于信号积累，再结合信号处理方法，可以有效提高信噪比[3]。同时，利用多脉冲激光测距时激光回波信号之间的相关特性，采用相关检测的方法，也能够极大地提高激光测距微弱回波信号的检测能力[4]。

2基本原理

2.1多脉冲叠加处理

激光回波信号可以表示为时间的函数：

X(t)=S(t)+N(t)

(1)

其中，S(t)表示有用信号，N(t)表示噪声。当m个回波信号进行叠加时，式(1)可以写成：

(2)

激光测距中，信噪比可以定义为[5]

(3)

其中：ε{}表示期望运算符。

因为激光回波信号为确定性信号，所以信号叠加后的强度可认为是直接相加的结果[6]，即为mS(t)，故测距回波信号叠加后的信噪比可以表示为

(4)

将式(4)分母展开得到：

(5)

由于各次随机过程是相互独立的，噪声来自于相同的样本集， 所以式(5)中第一项可以表示为mε{N2(t)}，第二项为零[7]，故式(4)可以表示为

(6)

2.2信号相关检测

相关检测技术是应用信号的相关性和噪声的随机性的特点，通过相关运算，提高信噪比，从而检测出信号的一种技术。

相关检测原理可以表示如图1。

图1　脉冲信号相关运算示意图

假设原始信号X(t)，Y(t)由有用信号S(t)和噪声N(t)组成：

X(t)=S1(t)+N1(t)

Y(t)=S2(t)+N2(t)

(7)

X(t)和Y(t)的相关输出：

(8)

将式(7)代入式(8)得到：

+N1(t)S2(t+τ)+N1(t)N2(t+τ))dt

(9)

在测距回波信号中，信号与噪声互不相关，噪声与噪声在时间上也不相关[8]，故式(9)可以表示为

(10)

所以有：Rxy(τ)≅RS1S2(τ)，这表明，经相关处理后，保留了目标信号，抑制了噪声[9]。

因为X(t)和Y(t)是对激光测距回波信号进行AD采样后的有限长离散数字信号序列，可以表示为：X(t)={x(0),x(1),x(2)，…，x(k)}，Y(t)={y(0),y(1),y(2)，…，y(k)}。所以相关输出可以表示为[10]

(11)

因为采样点数有限，式(11)中x(n)和y(n+m)在采样点以外的信号值可以通过补0来处理。X(t)和Y(t)分别为参考信号和回波信号，由于激光测距中发射信号和回波信号具有相关性，而且同一激光器对不同目标测距的回波信号之间也具有相关性，所以参考信号可以选择激光发射信号或者激光器对另一个目标测距的回波信号。

3实验

本实验采用一台1550nm半导体激光器，激光器输出能量2μJ，发散角小于2mrad。对2km以外的目标进行测距实验。因为单次激光发射能量很小，回波信号极弱，故采用多次激光回波叠加的多脉冲测距方法。实验中采用高速AD芯片对单次测距回波信号进行采样，采样速率为30MHZ，单次测距采样900个点，采样数据送入DSP中进行处理。令100次激光回波叠加作为一组，总共对目标发射30组的激光。假设得到的30组激光回波数据存放在数组data[30][900]中，设前15组数据之和为A，后15组数据之和为B。则：

由于原始信号信噪比较高的情况下，通过直接探测的办法更加简单，所以本文主要比较原始信号信噪比较低时，多脉冲叠加与相关检测方法对原始信号信噪比的增强能力。

用激光器对目标进行测距，对激光器回波信号进行采样得到的A和B的信号图如图2。

图2　A和B信号图

将前15组数据和后15组数据叠加，得到A+B的信号图如图3。

图3　回波信号前15组和后15组数据之和

本实验选取激光器对另一目标测距的回波信号作为参考信号X(t)，为避免运算量过大，对X(t)中的噪声进行置0处理。将信号A作为相关运算的回波信号Y(t)，对X(t)和Y(t)进行相关运算。参考信号X(t)的波形图以及X(t)和Y(t)的相关Rxy(τ)的波形图如图4。

对比上述信号A、B、A+B和Rxy(τ)的信噪比如下：

SNRA=11.40dB,SNRB=11.36dB,

SNRA+B=12.82dB,SNRR(τ)=16.28dB

图4　X(t)和Rxy(τ)信号图

4结语

本文对激光测距的回波信号进行数字化采样，然后比较了多组回波信号叠加技术和相关检测技术对于原始信号信噪比的提升作用。实验结果表明，对比15组脉冲激光测距，采用30组脉冲激光测距时，回波信号信噪比增加了1.38倍，采用数字相关检测技术处理后，回波信号信噪比增加了3.07倍。因此在实际应用中，可以通过对多脉冲激光测距回波信号叠加和技术相关检测技术，提升激光测距机的测距能力。

参 考 文 献

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[8] 肖红梅.微弱激光脉冲信号的相关检测[D].成都：电子科技大学，2004.

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[10] 杨育霞，许珉，廖晓辉，等.信号分析与处理(第二版)[M].北京：中国电力出版社，2008.

收稿日期：2016年1月17日,修回日期：2016年3月6日

作者简介：申华，男，硕士，助理工程师，研究方向：激光信号处理。

中图分类号TN247

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.07.038

Digital Correlation Detection of Multi-pulse Laser Ranging

SHEN HuaWANG ShouzengGAO YanweiZHANG XinSUN Feng

(Wuhan National Laboratory for Optoelectronics Huazhong Institute of Electro-Optics, Wuhan430223)

AbstractAs the SNR of laser ranging echo signal is low and difficult to recognize, this paper analyzes the SNR enhancement by multi-pulse accumulation and correlation detection and conducts experiments later. The experiments result shows that when comparing with echo signal SNR of 15 groups pulsed laser ranging, the echo signal SNR of 30 groups pulsed laser ranging increased it to 1.38 times, and when using digital correlation detection process, the echo signal SNR increased to 3.07 times. This indicates that the multi-pulse laser ranging and correlation detection technology can both enhance the SNR of laser ranging echo signal.

Key Wordsmulti-pulse laser ranging, digital signal processing, correlation detection, SNR