多脉冲远距离激光测距系统研究*

刘永华

（江西师范高等专科学校，江西 鹰潭 335000）

激光测距仪是一种测距设备，通过发射激光脉冲探测目标的位置，其原理类似于雷达测距，发射的激光脉冲经直线传播到达被测物体，经反射后回波信号到达测距点，比较回波信号和发射信号的时间差，通过计算测算出距离[1]。多脉冲法激光测距具有测距远、实时性强、精度高等特点，被广泛应用于金属工业、桥梁建筑、仓库物流、地形地貌测量等领域，具有较大的市场份额和良好的现实意义[2]。早期的激光测距仪通常采用回波模拟技术，极易出现识别精度低、抗干扰能力弱等问题[3]；少量测距系统会采用AD 转换，但采样率在500 MHz 以下，相对较低，难以达到高精度、高实时性的要求，导致数据采集处理部分性能不强[4]。本文的主要目标是设计远距离、高精度的脉冲式激光测距系统，测量范围达到3 km，精度在±20 cm 以内。经过分析，确定以1 GHz 的采样速率进行高速采样，采用FPGA 实现对回波信号识别算法的开发以及对数据的处理，能有效提高测距系统的相关性能。

1 控制系统设计

激光测距系统工作流程如图1 所示。图1 所示的PLL 为数字锁相环，其中，PLL 将锁定探测信号的上升沿[5]；计数器会先根据是否捕捉到回波探测信号上升沿，判断是否停止计数，有上升沿停止计数，无上升沿循环探测，再利用记录的时间差计算待测物体的实际距离，将结果在上位机显示[6]。

图1 系统软件工作过程

2 多脉冲互相关累加均值算法设计

多脉冲互相关累加均值算法是将N个探测回波信号按照相关性叠加，在相关信号叠加之时，多脉冲信号之间呈现一定的互相关性，而噪声信号呈现随机性；经计算发现，N次原信号叠加再取均值，其信噪比将提高，抗干扰性增强[7]，如式（1）所示。

式中，S1、S2…SN是N个探测信号，S是多脉冲互相关累加信号，数据S会捕捉回波信号的上升沿位置，利用计时器记录回波信号和发射信号的时间差ΔT，可以通过测距基本公式计算出待测物体的距离[8]。多脉冲互相关累加运算图如图2所示。

图2 多脉冲互相关累加运算图

图2 是将输入的数据进行数据转换，转换为N个信号，以高速采样形成新的多脉冲互相关信号，并累加计算，其结果为：

对式（2）得到的运算结果进行均值处理，得：

在实际的测量过程中，由于采样速率大、光速大，导致运算量大，FPGA 的高处理性能能够解决运算量大、速度快等问题[9]。同时，脉冲个数的多少直接影响信噪比的大小，信噪比与脉冲个数N呈N倍的关系，N越大，误差效果越明显，所以在选择脉冲数据个数N时要综合考虑。经分析，本文采用三脉冲互相关累加均值算法。

3 多脉冲互相关累加方法仿真结果分析

在高斯白噪声背景下，通过对单脉冲信号的高速采样，分别进行信号累加均值处理，得到处理结果图，如图3所示。

图3 多脉冲互相关累加方法仿真

图3（a）脉冲信号采样点的值在600 以及830 附近，其回波有用信号和高斯白噪声信号混在一起，难以区分；图3（b）显示，在进行二次累加均值后，其背景噪声有所削弱，幅值在0 附近，根据计算，信噪比提升为单脉冲信号的倍；图3（c）显示，在经过三次累加均值后，有用回波信号能够在600 处突显出来，能较好地区分噪声信号，信噪比是单脉冲波形的倍，有效地增强了系统的抗干扰性。测试结果表明，多脉冲互相关叠加法能提升反射后回波信号的信噪比，增强抗干扰能力，提升测距系统的性能。

4 数据处理模块软件设计

数据处理模块主要利用了FPGA 串口接收、发送数据，先对每个发射的激光脉冲串进行互相关叠加均值处理，叠加处理之后在一些采样点处会有特殊的奇异值，再通过滤波的方式提取奇异值，滤除奇异值；此时，回波信号中的高脉冲在某个采样点处会格外突显，有利于捕捉上升沿，计时器计时更加精准，最后将该程序算法烧入到FPGA 核心控制处理器中进行计算验证。验证过程如下：利用三个脉冲的互相关特性，逐步固定三个脉冲的相干点，根据相干点可以分离高速采集到的回波信号，得到新的回波信号，多脉冲回波数据分离仿真图如图4 所示。

图4 多脉冲回波数据分离仿真图

图4 中的AD_out_1 是捕捉到的第一个单脉冲的回波信号，同理，AD_out_2、AD_out_3 分别是捕捉到的第二、三个脉冲的回波信号。AD_out_add 是三脉冲互相关累加信号，则：

其中，n1(i)、n2(i)、n3(i)分别为三个脉冲探测回波信号数据，N(i)为三脉冲互相关叠加求值信号，采用小波基函数进行分解，能够将奇异点和峰值点进行区分，利用滤波器滤除奇异点，大部分噪声被滤除，得到平滑的回波信号数据[10]。

小波变换的奇异值处理的仿真结果图如图5所示。

图5 小波变换的奇异值处理的仿真结果

5 距离测量测试

本次测试主要针对测量2 854.35 m 处的待测距离，测量结果如图6所示。

图6 2 854.35 m上位机显示

经过10 次测距，其结果显示的最大和最小误差分别为17 cm 和3 cm，误差均在±20 cm 以内，符合预期值。经过小波变换的奇异值检测算法求其平均值，测距结果为2 854.38 m，和实际值相差3 cm。根据理论计算，回波信号中应该出现高脉冲信号的时间点为19 478.06 ns处，发现理论值与实验值完全一致。

6 结论

本设计中的多脉冲远距离激光测距，采用多脉冲互相关累加均值算法进行改进，同时，采用小波奇异值滤波方法对累积信号的奇异点进行滤波，可有效提高信噪比，降低误码率，提高测量精度，测量精度可保证在±20 cm 以内，测量范围可达3 km。该多脉冲远距离激光测距系统具有明显的实用性，可广泛应用于工程和军事领域。