脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术研究

脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术研究

陆晓凯

湖北久之洋红外系统股份有限公司 430223

摘要：为了降低高重频脉冲激光测距回波信号的误识别率，提高测距性能，对高重频脉冲激光测距回波信号调理技术进行深入研究。采用FPGA作为主控芯片，产生激光调制脉冲，并根据被测距离3.33μs～33.33μs时间选通方波信号，驱动开关芯片产生与量程关联的时间波门，有效滤除脉冲回波中的干扰脉冲，该方法改进了常规脉冲激光测距信号处理系统的自动增益控制环节。测试实验结果表明：在脉冲回波信号60dB的动态范围内，可有效滤除回波信号中引入的干扰脉冲，极大地降低了干扰脉冲误识别造成粗大误差的可能性。该方法可推广应用于脉冲激光测距信号处理系统，使系统测距精度提高12.6%。

关键词：激光测距；时间选通；干扰脉冲；高重频

前言：在回波信号识别方面，国内外用于高重频脉冲激光测距回波处理方式仍需要提升和改善。为了将将干扰脉冲的信号在高重频脉冲激光测距回波信号中彻底剔除，避免识别错误的信号，而出现很大的误差，为此，文章对一类脉冲回波信号时间选通处理方法做了详细的阐述，以供参考。

1激光测距原理和系统

S脉冲激光测距原理主要立足于速度、距离、时间间的关系，即从激光脉冲发射到被测量物体反射的总时间的½，再同激光传播速度做积，最终获得被测目标距离。S若是被测目标距离，那么

（1）式中：测到的激光脉冲往返时间是t；c是光速，约为3×108m/s。

高重频脉冲激光测距系统如图1，主要由控制及信号调理模块、高重频脉冲激光器、数据处理、接收望远镜等一起组成了这个系统。数据处理、控制模块生成并输出脉冲，来调制激光器然后生成脉冲激光输出；脉冲回波信号会通过接收望远镜进行收集；广电接收及转换模块会将收集的光信号变为电信号；调节模块会过滤、放大及判别处理回波电信号；调制脉冲和脉冲回波信号间的时间能够通过计时模块来计算。脉冲回波信号与传播中引入的各种干扰信号均被考汉在回波信号之中，譬如，背景光及激光瑞利散射等所形成的干扰信号，具体如图2。一般，系统极易序错误的将干扰信号误认为脉冲回波信号，最终会让系统存在粗大误差。

图1常规高重频脉冲激光测距系统

图2干扰信号

2脉冲回波信号调理模块

脉冲信号转换成电信号需专门进行调理，调理模块涵盖了高速比较器模块、数字自动增益调节模块、带通滤波器，具体如图3。脉冲回波信号可以通过带通滤波功率进行滤波；数字AGC模块能保证脉冲回波信号的幅度在相应范围内稳定；脉冲回波信号可通过高速比较器进行整形。

图3调理模块

若要更好的降低系统误识别率，并有效提升峰值采集值的准确率，则应对有回波信号时间选通处理技术的数字AGC模块加以利用，具体见下图4。设计了测量距离为500m～5000m，脉冲回波信号强度为2mV～2000mv的调节模块系统，其具体由时间选通、峰值采集部分及可变增益控制部分构成。

图4采用时间选通的数字AGC模块

利用FPGA控制数字电位器，实现了对可变增益放大电路（VGA）程序的有效控制。通过对两级可变增益运放AD603的有效应用，可让VGA更好的对系统80dB回波强度变化范围进行更好的满足。SPI用于有效控制数字电位器的分压比，以实现VGA的增益控制。增益表达式：

Gain=−0.31D+59.57D∈(0x00,0xff)    （2）

高速AD采集电路、高速峰值保持电路共同构成了峰值采集电路
，峰值采集电路保持脉冲回波信号的峰值，然后通过AD采集实现幅度调整。峰值保持电路可检测并保持快速窄脉冲峰值，且信号峰值会使峰值采集输出结果受到影响，也会被起始相位影响，导致信号峰值采集有相应的误差产生，不同起始相位及相同幅值下峰值保持值的具体输出见图5。

图5不同起始相位、相同幅值下的峰值保持值

据上图5所示，因为脉冲回波信号的起始相位有差别存在，导致峰值保持值初选不同程度的衰减，这会让有相同幅度的脉冲回波信号有不同的采集幅度，所以，自动增益调整的精准性也会受到一定程度的影响。

时间选通模块既能将误识别率有效降低，也可使峰值采集结果的准确度提高，主要举措是，使用高速模拟开关芯片，可更好剔除掉有效信号时间窗口外信号，系统仅允许时间窗口内信号进入。如果测距机最近、最远测距距离为Lmin、Lmax，那么：其中有效时间窗的起始时刻t1、结束时刻t2分别是

t1=Lmin×2/c（3）

t2=Lmax×2/c（4）

式中：光速c，t1、t2由激光出光时起开始计时，文章描述的系统中，Lmin=500m、Lmax=5000m，将其带入到上面的式子可以获得t1=3.33μs，t2=33.33μs。从时间窗开始，Ad为一次数据采集速度的2μS，峰值保持15次，计算最大数值，保证每次都会采集真实的峰值，实现自动增益精准度的有效提升。由FPGA根据激光调制脉冲产生时间选通控制信号，下图6为时间选通模块的实物。

图6时间选通模块实物图

3测试实验和数据处理

不同初始相位和相同幅度的脉冲回波信号下的峰值保持电路，下图7为AD在时间波门内的峰值保持信号。

图7时间波门内不同位置、相同幅值的峰值AD采集值

根据上图7，能够了解到，时间波门会对15个峰值保持值进行采集，然后计算最大值，它能解决不同初始相位和相同幅度的脉冲回波信号引起的不同峰值采集值的问题，与传统的峰值采集方法相比，在此条件下计算峰值采集值可以将精度提高12.6%，脉冲回波信号改变以后，下图8为回波脉冲消耗的波形，图8（a）为输入2mV脉冲回波信号；图8（b）为输入500mV脉冲回波信号；图8（c）是输入1V脉冲回波信号；图8（d）是输入2V脉冲回波信号。

图8经调理模块后的回波信号

通过上图8我们可以看出，对时间选通处理技术进行应用后，2mV～2000mV范围中不同幅值脉冲回波信号会通过调理模块系统调到1V，有助于自动增益控制功能的更好实现。

图9采用波门开关的波形图

想要对系统低误识别率的验证，会将一个高频脉冲信号设置在时间波门3.33μs～33.33μs范围中，具体见图9。图9（a）为单周期波门信号及效果；图9（b）为多周期波门信号及效果。

通过上面的图9，可知，有效应用时间选通处理技术，调理模块能滤除掉高频干扰信号，这样可实现对系统误识别率的更好降低。

结束语：

通过上文的详细分析和论述，我们可以知道，高重频脉冲激光测距系统的应用场景十分广阔，突出特性就是结构简单、重复频率高、测量速度快且对光源相干性没有太高要求，但现阶段，缺乏低错误识别率的高重频脉冲激光测距系统及峰值采集准确度低等相应问题的有效解决方案。所以，文章根据具体实况，对高重频脉冲激光测距回波信号时间选通技术进行了深入的研究和探讨，并对高重频脉冲激光测距调理模块系统进行了构建，并进行了相应的测试实验，通过最终的实验结果可知，峰值保持电路输出信号提高了约12.6%的精度，并将回波信号中的干扰脉冲信号进行了有效剔除。

参考文献：

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