脉冲激光测距望远镜的信号处理研究

摘要：与一般测距方法相比，激光测距具有操作方便、精度高和昼夜可用等优点，使其得到了广泛应用。本文首先介绍了脉冲激光测距的基本原理，然后分析了激光测距中用到采样、滤波和相关检测等数字信号处理方法，最后给出了激光回波信号的实验处理结果。实验表明，该处理手段能快速、有效地提取出激光回波信号。

关键词：激光测距 数字信号处理 滤波 相关检测

中国分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）02-0000-00

Abstract： Compared with general method of range finder， the laser range finder has a lot of advantages such as easy to operate， available day and night， high precision， etc and has been widely used. Firstly， the principle of the laser range finding telescope was introduced. Secondly， the digital signal processing methods of laser echo such as sampling， filltering and correlation detection were analyzed. Experiments show that this method can pick up the signal from noise quickly and effectively.

Keywords： laser ranging；digital signal processing；filtering；correlation detection

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的距离，它是激光技术在军事上最早和最成熟的应用，自1961年美国休斯飞机公司研制成功世界上第一台激光测距机以来，激光测距技术发展迅速[1]。激光测距用途广泛，在大地勘测、远距离目标成像、卫星轨道跟踪、高速公路预警、军事目标测距与指示、激光雷达等许多方面都需要利用激光测距技术获得精确的距离、位置、位移等信息。采用脉宽1～10ns的激光脉冲和纳秒时间分辨电路，在几百公里的卫星轨道上，就可以实现米、甚至厘米量级的测距精度[1]。星载的激光测距系统可测量一些重要的地理现象，如地极运动、地球板块漂移等，并能对其他行星实施测绘，如月球、火星等[2～5]。

1 脉冲激光测距的原理

1.1 激光测距望远镜的分类

根据测距方法的不同，激光测距望远镜可分为脉冲法激光测距望远镜和连续波激光测距望远镜两类[6]。

（1）脉冲法测距是激光技术在测绘领域中的最早应用。激光的发散角小，激光脉冲持续时间极短，瞬时功率极大，因而可以达到极远的测程。脉冲激光测距望远镜多数情况下不使用合作目标，它是利用被测目标对激光脉冲的漫反射获得发射信号来实现测距。脉冲半导体激光测距具有结构简单、体积小、功耗低、可靠性高、价格低等特点，但其测量精度很难达到优于1m的精度（受采样频率的限制）。

（2）连续波测距采用相位法测距，一般有多波长方法和频率调制法两种，但因其平均发射功率较低，测距能力比相应的脉冲激光测距机差很多（对非合作目标，最大测程1-3Km），而且结构复杂，但精度高（2mm），往往应用于合作目标测距，如导弹初始段测距及跟踪、大地测量等。

1.2 基本原理

在激光测距中，使用测量目标反射回来的信号作为终止信号，利用高速数据采集的方法记录激光脉冲的回波波形，通过对所记录的波形进行分析得出时间间隔。实际测量中，由下式计算实际的测量距离R：

激光测距望远镜一般由激光发射机、激光接收机和电源三大部分组成，如图2所示。下面以脉冲激光测距望远镜为例进行说明。激光发射机由脉冲激光器、光学发射及其瞄准系统组成，作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收机由光学接收系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器组成，作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波信号并计算和显示目标距离。激光电源由高低压电源组成，高压电源用于驱动激光器，低压电源用在信号处理电路[7]。

2 激光回波信号处理

2.1 采样

由于数字信号处理相对于模拟信号处理有明显的优势，本文对激光信号的处理采用数字处理方式：将连续的模拟信号变成数字信号。要使抽样处理后的信号能够恢复原来的模拟信号，抽样必须满足奈奎斯特采样定理，具体描述如下：

设有一个频率带限为 的信号 ，如果以不小于 的采样速率对 进行等间隔采样，得到离散采样信号 （ 为采样间隔），则原始信号 将被得到的采样值 完全确定[8]。

从奈奎斯特定理可知，如果以不低于信号最高频率两倍的采样速率对带限信号进行采样，所得到的离散采样信号值就能准确地还原原始信号。

2.2 滤波

激光信号在发射和接收过程中，电路噪声会导致激光回波信号的质量下降。通常通过构造合适的滤波器来滤除噪声，如采用高通滤波器和低通滤波器以达到滤除噪声的目的。

高通滤波器采用窗口均值滤低频的办法，窗口中心位置的值用原有数值减去窗口平均值来代替。具体运算时先求出某区域内的均值，然后用原序列对应的数值减去此均值，得到一个新的数值 来替代原数值 。用公式表达如下：

2.3 相关检测

相关检测技术是信号检测领域里的一个重要工具，它能在低信噪比的情况下提取出有用的信号，具有较强的抗噪能力（噪声的相关系数几乎为零），广泛应用于图像处理、卫星遥控、雷达以及超声探测、医学和通信工程等领域。

3 实验结果

把上述信号处理技术应用到激光测距望远镜中，首先对采集到的数据（本文的数据由FPGA高速采集系统对激光回波信号采样而来）进行低频滤波和高频滤波处理，然后通过相关运算找出信号所在的位置。实验结果如图3所示。

从图3 （a）可知，采集到的激光回波信号，信噪比比较小，尤其是在长距离的激光回波信号的采集中，信号有可能被掩盖在噪声中，不利于提取；经过高、低通滤波器后，能有效地减弱低频成分和高频成分，使信号变得更为明显，如图3（b）所示；把滤波后的数据再进行相关运算，信噪比会得到很大程度的提高，如图3 （c）所示。经过上述的信号处理手段，能够有效的检测出有用信号的位置，为设计整个激光测距望远镜系统奠定良好的基础。

为了验证本算法的速度，还利用计算机进行仿真：假设FPGA采集到的数据经解码后是1200个整形数据，将此数据经过24M的单片机中进行处理，上述滤波以及相关运算的处理时间为0.183S，处理速度快。

4 结语

本文详细地分析了激光测距望远镜的原理、分类及其发展方向和激光测距中常用的信号处理方法，并通过实验证明了算法的有效性，为设计商用化的手持式激光测距望远镜奠定基础。

参考文献

[1]J.J.Degnan. Satellite laser ranging current status and future prospect[J].IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing，1985，23（4）：398-413.

[2]M.E.Shawe， A.G.Adelman. Precision laser tracking for global and polar motion[J].IEEE Trans. Geosci.Remote Sensing，1985，23（4）：391-397.

[3]J.D.Mulholland. Scientific achievement from ten years of lunar laser ranging[J].Rev. Geophys. Space Phys.，1980，18（4）：549-564.

[4]W.M.Kaula， G.Schubert， R.E.Lingerfelter et al.. Apollo laser altimertry and inference as to lunar structure[J].Geochim. Cosmochim.Acta，1974，38（12）：3049-3058.

[5]D.E.Smith， M.T.Zuber， H.V.Frey et al.. Topography of the northern hemisphere of mars from the mars orbiter laser altimeter[J].Science，1988，279（5357）：1686-1692.

[6]刘迅.激光测距计综合控制仪[D].四川：电子科技大学，2004.

[7]于彦梅.激光测距机及发展趋势[J].情报指挥控制系统与仿真技术，2002，8：19-21.

[8]鲁标.DSP技术在激光测距仪中的应用[D].哈尔滨工业大学，2005.

收稿日期：2014-12-15

作者简介：黄巧洁（1981一），女，广东佛山人，研究生，讲师，毕业于华南理工大学，就职于广东农工商职业技术学院，研究方向为：通信技术教育与研究。