数字相关检测技术扩大脉冲式激光测距测量范围的研究

　　1　引　　言

　　脉冲激光测距利用激光脉冲持续时间极短,能量相对集中,瞬时功率(可达兆瓦量级)很大的特点,在无合作目标时,是中远距离激光测距的唯一手段,但是现有激光测距仪一般均采用模拟电路,通过鉴别局部特征来判断计时终点,导致激光测距仪在远端的测距范围受限。如果采用高速AD变换,将模拟量变换为数字量,采用数字相关技术进行处理,可以更准确的判断计时点的位置,从而扩大测距范围。

　　2　测距原理

　　脉冲发生电路驱动激光器发出一个激光脉冲,其中一部分功率直接进入接收电路,经过放大与增益控制单元、计时点判别单元产生计时起始(START)信号,该激光脉冲遇到目标物体返回后,产生计时终止(STOP)信号,测出两个信号之间的时间差T,然后根据下式可以得到目标物的距离:

　　在放大与增益控制单元和计时点判别电路之间的典型信号波形如图1。

　　起始脉冲和回流脉冲的上升时间一般在10ns左右,脉宽一般为几十个纳秒,起始脉冲可用函数VE=AEδ(Tstart)表示,则回波脉冲VR=ARδ(Tstart+Td),当目标物距离为L时,测距方程为:

　　其中PE为起始脉冲峰值功率,PR为回波脉冲峰值功率,τt为一个透过率比例系数,由测距仪的光学结构决定,Ta为单程衰减系数,ρ为目标反射率,φ为目标法线与观察法线的夹角,D为接收物镜的通光孔径。

　　计时起点START和计时结束点STOP的确定一向采用前沿鉴别法(Leading Edge Discriminator/LED)[1],又称阈值鉴别,就是当脉冲电压超过某设定值时即确定计时点,这个局部特征很容易被噪声所获得,从而导致计时电路的误动作,特别是当目标物体较远,测距仪工作于远端极限时。

　　从上面的分析可以看出,激光测距仪的测距范围受限与该电路采用模拟检测技术,提取局部信息是有直接联系的。数字信号检测信息量大,精度高,稳定性好,在现代雷达、声纳、语音通信等电子技术领域被广泛应用。对于脉冲激光测距而言,信号脉宽很窄,对其进行AD变换为数字信号较为困难,另外在探测远距离目标时,需要长时间进行高速AD变换,信号处理电路的信息量极大,实时处理困难。但是近年来,高采样率高带宽的ADC器件发展很快,AD转换器转换速率每秒达数万兆次已不成问题,此外利用多个ADC并联也能显著提高采样频率[2],高速FPGA和DSP能直接通过并行算法实时处理大量数据。运用采样率1GHz,带宽100MHz的AD器件已经能够实现脉冲激光回波信号的高保真数字化,激光测距仪测量范围能显著扩大。

　　采用数字化技术后的激光测距系统框图如图2。

　　高速AD变换器对来自放大与增益单元的信号直接采样,得到实时数字信号,FPGA单元经过DSP预置后对该数字信号进行相关处理,判断出计时起点的位置,DSP再对得到的信号进行判断、计算、得到相应的距离并进行显示.