多脉冲激光测距信号处理技术研究

摘要：多脉冲探测体制的激光测距可以有效提高目标探测能力，在这种探测体制下，根据多脉冲激光回波信号的特点，提出了基于DSP的多脉冲测距体制信号处理实现方法，并进行了实验。实验结果表明，采用三脉冲测距体制时测距仪测距能力提高了5dB。

关键词：多脉冲激光测距 信号积累 高阶累积量 DSP

中图分类号：TN24 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0125-03

1、概述

传统的模拟激光脉冲测距机对目标的检测主要是利用电压比较法。它的原理是设定一个门限电压，把它与获得的回波电压相比较，若回波电压大于门限电压，判定为目标，若回波电压小于门限电压，则没有目标。由于激光在大气中衰减非常快，在能见度较差同时要求测距距离较远的条件下，模拟激光脉冲测距常常无法满足要求。

信号数字化检测与传统模拟电路检测相比精度高、灵活性大同时可靠性也相应提高。但与其他波段信号相比，激光脉冲信号脉宽很窄，将其通过A/D转换为数字信号较为困难。近年来随着高采样率高带宽A/D器件的出现以及大规模数字并行处理产品的高速发展，激光脉冲信号的数字处理技术逐渐走向实用。由于采用了数字化技术，很多滤波算法可以在DSP中容易的应用，这样在传统模拟域中无法解决的微弱信号检测技术有望在数字域中得以解决。

目前采用的方法有：信号积累、数字信号处理等。由于激光测距的脉冲重复频率较低，对于运动目标或对探测时间有要求的场合，信号积累方法难以发挥作用。而多脉冲体制的激光测距可以实现在短时间内接收多个探测回波，有利于信号积累，再结合信号处理方法可以有效提高信噪比。

关于信号积累后的信号处理方法主要有：滤波、神经网络、动态规划等。滤波主要指差分滤波和平滑滤波。差分滤波依赖于脉冲激光回波信号的波形，而实际应用中激光回波受目标和大气的影响会发生展宽、衰减等情况，所以应用受限制，且信噪比增益不高。由于激光信号的频谱主要集中于低频部分，采用平滑滤波（相当于低通滤波）可以滤出部分带外噪声；神经网络的抗干扰能力和实时性还有待进一步研究；动态规划方法能在低信噪比条件下检测出目标，且计算量小，但目标速度未知时计算迅速增大，算法检测性能降低，无法实时实现。由于累积后信噪比得到提升，在经过平滑滤波后滤出部分带外噪声。

2、多脉冲信号处理技术实现

多脉冲信号处理技术实现的原理框图如图1所示，其工作流程是激光器输出回波数据在模拟滤波后送到差分放大器中前置放大，然后被AD转换芯片采样成数字信号，之后分频降速两路并成一路送往FIFO中缓存；另一方面FPGA在同步信号触发下经若干时间延迟后将FIFO的写使能置为有效同时向DSP发送中断。FIFO写使能有效后AD采集输出的数据开始写入FIFO；而DSP收到FPGA的中断信号后开始以DMA方式读取FIFO中数据到内部数据RAM；数据读完以后，DSP开始对数据进行累加、滤波、目标检测、特征提取后识别出真实目标并进行跟踪等算法处理；最后DSP将获得目标的距离信息写入UART串口转换芯片，通过串口传输给上位机。整个处理板由信号采集预处理模块、高速数据采集模块、采集数据缓存模块、DSP　处理模块、FPGA控制模块、距离信息串行输出模块。下面介绍主要模块的功能及实现。

2.1　采集预处理模块

由于输入的回波信号幅度较小，需要将其放大以满足ADC幅值要求。另需将单端信号转换为差分信号以供AD采集数据。在这个项目中采用低失真的差分放大器AD8138作为差分ADC驱动器。该放大器具有较宽的模拟带宽（320MHz，-3dB，增益1），而且可以实现将单端输入信号转化成差分输出。AD8138为小型表面贴装器件，本身的小巧体积可以设计器件输入、输出管脚的距离很近，减少了外界噪声的影响。AD8138的输入阻抗达到6M欧姆，可以与输入信号直接相连，精简了电路结构。图2为AD8138的典型应用电路。

现在几乎大部分的高速AD采样芯片都要求输入的模拟信号为差分输入，这比单端输入模拟信号有很多优点。例如可以降低AD　转化结果产生的二次谐波，降低信号的信噪比。差分输入具有很好的噪声尤其是共模噪声的抑制特性，使用差分输入能很好提高A/