一种多脉冲激光测距机的检测方法

一种多脉冲激光测距机的检测方法
作者：冯继东；





       脉冲激光测距技术因其测距精度高操作简便，在军用和民用等多领域得到广泛的应用。为了进一步提高激光测距机的最大测程，近年来出现一种多脉冲激光测距机。针对多脉冲测距机的测距原理，结合以往对脉冲激光测距系统检测方法的优点和不足，提出了一种多脉冲激光测距机的检测方法。该方法有效解决了传统检测对测试场地要求高、过程复杂且受大气能见度影响的问题。激光测距是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的一种距离测量仪。利用激光脉冲的称为脉冲激光测距，利用连续波激光束的称为连续波激光测距。脉冲激光测距利用脉冲法测距，具有测程远和体积小的特点，多用在军事上对各种战场目标测距。激光测距机自问世以来，在军用和民用各个领域得到了广泛的应用。随着科学技术发展的客观需要，对激光测距机的作用距离和环境适应能力等方面提出了更高的要求。但从目前的情况看，单脉冲时间飞行法用于远程测距存在测程、时刻鉴别和虚警率等限制。为了提高脉冲式激光测距的测程，就需要对现有的单脉冲式时间飞行法进行改进。近几年来，随着数字信号处理技术不断发展，针对单脉冲激光测距方式信噪比提升有限及抗干扰能力不强等缺点，国内外学者提出了全新的多脉冲激光测距的方法。

1、多脉冲激光测距原理

       多脉冲探测顾名思义，就是一次测距过程需要多个激光脉冲信号的发射和接收来完成。多脉冲激光测距与普通的脉冲激光测距的主要不同处在于，激光发射的方式和提取的目标距离信息不同，常规的单脉冲测距是从每次发射的单个激光脉冲的回波信号直接得到目标距离，而多脉冲测距是每次发射数次脉冲，并通过对接收的脉冲串激光信号进行信号的累积处理后得到目标距离。多脉冲激光测距信号处理的方式有互相关叠加法和发射回波脉冲串互相关法等。

1.1互相关叠加法

       经过N次叠加后，信号因良好的相关性得到增强，而噪声因为差的相关性而得到抑制，这样信号就从噪声中突显出来，信噪比得到提升。根据功率信噪比的理论，通过该方法处理后，回波信号的信噪比理论上能提高。

1.2发射回波脉冲串互相关法

       釆用基于发射脉冲和回波脉冲的脉冲串互相关方法，处理后直接可获得时间信息。发射脉冲串与回波脉冲串作为一次连续信号，由AD同时转换，两路信号的时间轴是以AD的时钟信号为基准，故发射脉冲串的时间抖动并不影响信号接收的时间轴，从而消除了各个发射脉冲的时间漂移的影响。

2、检测方案原理

       脉冲激光测距机的测距能力是有关性能参数的一种综合反映。且用户最为关心的是测距系统测距能力，所以检测技术多为检测最大测程及测距精度两项指标。通过对多脉冲激光测距机测距原理的分析，可知一次测距过程有一个以上的脉冲发射或回波信号，根据测量距离的远近，连续激光发射脉冲间隔 tp与激光飞行时间Δt 相比，大小无法确定，所以在检测过程中要注意发射脉冲信号与回波脉冲信号的对应。同时，有些多脉冲激光测距机的内部信号处理结果与激光信号脉宽Δn有关联，所以应在设计中检测激光信号脉宽。使用光电探测器来接收激光测距机的发射信号，使用精密延迟器和含光衰减片消光的激光器来模拟激光测距机的回波信号，整个过程相当于距离仿真。具体过程为：确定模拟测试距离后，通过显控终端将参数发送至精密延时器进行配置，同时在模拟回波激光器出光口添加相应的衰减。激光测距机发射的光信号经光电探测器接收后，精密延迟器控制模拟回波脉冲延迟时间和模拟回波信号宽度，由模拟回波激光器发出回波信号。光信号输出给脉冲激光测距系统的接收光学系统，由测距系统探测器接收，完成测距。光衰减值代替实际大气中的消光比值，精密延迟器延迟的时间和激光器的出光延时之和换算为测距机距离值就是激光在大气中实际传输的距离。此模拟距离值与激光测距系统显示距离值相比较，得出脉冲激光测距系统最大测程值及测距精度范围。

3、硬件设计

3.1光电探测器

       光电探测器是将激光信号转换为可被后级数字电路处理的电信号的设备。光敏二极管在接收到激光信号后，产生微弱电压，此后放大器会将电压放大，放大后的电平会与比较器设定的阈值电压进行比较，若电压大于阈值，比较器输出端便会输出逻辑高电平。设计中，用于感知激光信号的器件选用的是PIN 光敏二极管。比较器选用的是亚德诺半导体公司的一款高速低功耗比较器。

3.2精密延时器

       精密可编程延时器由通讯芯片，单片机及其外围电路，FPGA及其外围电路等组成。通讯芯片用于上位机串口与单片机串口通讯的RS232-TTL电平转换。单片机用于将串口接收到的距离设定信息并行转发至FPGA模块。FPGA模块通过 PLL 将晶振时钟倍频至 1 GHz，作为内部延时计数器和脉宽检测计时器的时基，使得时钟精度为1 ns，换算为距离精度则为 0.3 m。光电探测器发送的脉冲信号作为延时计数器启动信号，经设定的时长后，触发模拟回波激光器出光。

3.3模拟回波激光器

       方案采用的是消光法检测激光测距机的最大量程。在测距机接收端前加定量的衰减片，用于模拟回波信号的能量。为保证测量的准确些，需要选择一款输出功率稳定的激光器。选取长春新产业光电技术有限公司生产的一款稳功率激光器，该激光器能够通过外部时统信号进行发射控制，以及脉宽调整。

4、软件设计

       具体工作过程如下：单片机在接收到上位机的串口指令后，对指令进行判断、解析，将相应的距离信息转化为时间信息，以并行数据传输的方式向FPGA下发。FPGA 将接收到的时间信息存储在寄存器内，开始等待光电探测器的信号。在接收到光电探测器的上升沿信号后，延时计时器开始计时，脉宽测量计时器也开始计时，脉宽测量计时器在光电探测器的下降沿停止计时并将计数存至寄存器。当延时计时器到达设定参数后将激光器触发管脚置1，又计时脉冲宽度个时间后将激光器触发管脚置0.

5、实验结果

       使用激光编码器模拟多脉冲激光测距机的激光发射信号，对测试系统进行检测。检测过程设定为3种时间间隔的激光发射信号，每种发射间隔对应3种不同测量距离。

6、结论

      从研究多脉冲激光测距机的实现原理出发，介绍了实现多脉冲激光测距机重要指标检测的方法，并对信号时序识别、激光信号脉宽测量、高精度延时器和激光器功率稳定度等关键技术软硬件的实现进行了描述。针对该方法设计了分组模拟测试，并对实验结果进行了记录和分析，实验证明该方法在实际检测过程中易于操作、自动化程度高，并且拥有较高的测量精度，有效解决了传统检测对测试场地要求高、过程复杂且受大气能见度影响的问题。






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