单脉冲互相关累积法在激光脉冲远程测距中的应用.pdf

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1、北京石油化工学院学报第21卷第3期Vo1．21NO．3JournalofBeijingInstituteof2013年9月Sep．2013Petro—chemicalTechnology单脉冲互相关累积法在激光脉冲远程测距中的应用龙腾宇，黄民双，孙丽妍，宗大圣(1．北京工业大学机电学院，北京100124；2．北京石油化工学院光机电装备技术北京市重点实验室，北京102617)摘要：从脉冲激光微弱回波信号的统计特性出发，基于单脉冲自相关法和脉冲串互相关法在远程激光测距中的局限性，提出了单脉冲互相关叠加的方法。即先对回波信号进行互相关运算，然后对某一

2、个时间段内已进行互相关运算的回波信号进行多次叠加运算，直到强度满足阈值要求。通过该方法可以有效抑制噪声，提高信噪比，且提取的信号保留了原始信号的基本细节信息，降低了误警率。通过实验，将原不足300m的激光脉冲测程提高至1000m，有效提高了测程。关键词：微弱信号；互相关；累积；远程激光测距中图分类号：TN247文献标志码：A在工程建筑、军事勘测、危险环境等领域，间来衡量激光雷达的测距精度的新思路；倪旭脉冲式激光测距技术因其快速、无合作目标、测翔等提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲程远等优点正被日益的广泛使用口]。然而在脉串互相关的信号处理方法，

3、并进行了仿真实验。冲激光安全发射功率(平均功率不超过1mW)笔者对脉冲激光测距中的回波互相关方法的前提下，受到其能量的限制，使得在远距离测进行了深入的研究，提出了一种信号自相关与量过程或恶劣环境中存在回波信号信噪比差、互相关相结合的方法，即先对回波信号进行自探测虚警率高等问题。为了从噪声中精确的获相关运算，然后再对某一个时间段已进行自相取回波信号，必须寻找合适的微弱信号检测方关预算的回波信号进行多次互相关叠加运算，法来提高信噪比。直到强度满足阈值要求。在理论研究的基础上目前微弱信号的提取方法有线性法和非线结合全站仪测距系统进行实际的远距离测量实

4、性法]，由于在实际应用中受到硬件等因素的验，并根据实验结果对不同距离下的回波信号限制，非线性分析法还处于理论和试验阶段。和测距能力进行分析。线性分析法虽然已经在工程中得到应用，但存1理论基础在信号提取性能差、硬件成本较高等问题。如Thiel等通过仿真实验比较了多脉冲互相关微弱回波信号的检测方法是利用信号间与方法与传统定比门限法的测距精度；Jutzi等]噪声在频谱和统计等方面的不同，通过利用信采用不同的物体模型仿真不同表面的测距回号良好的时间相关性和噪声的时间不相关性，波，由此探究多脉冲互相关方法对于不同表面对信号进行相关预算并不断累积，从而把深

5、埋测距的回波探测能力；姜海娇等[5]通过研究激于噪声中的信号提取出来的方法。设s()为光雷达回波信号的物理特性，在数学统计的基第i次激光发射信号，(f)、S(t—r)、(f)分础上，提出了置信概率68．29／6对应的置信半区别为第i次接收到的待处理信号、激光回波信号、噪声信号，则系统特性的数学模型为：收稿日期：201303—24(￡)一s(一r)+(￡)(1)作者简介：龙腾宇(1989)，男，硕士，研究方向为微弱信号处理激光测距，E—mail：lty一55@bipt．edu．cn。将每一次的激光回波信号先做互相关预算第3期龙腾宇等．单脉冲互相关

6、累积法在激光脉冲远程测距中的应用19(如图1所示)可得：功率信噪比为：一——_=_—一￡{[∑(r)])——L(10)图1互相关检测原理图1e{[∑R(r)])R⋯一RSs(f)+RsN(r)(2)将式(5)、式(6)带入式(10)可得：在式(2)预算中，由于噪声与激光信号的相P==关性很小，所以R(r)很小接近于零，则激光N。R(r)回波信号经过互相关后可以去除噪声的影响。虽然噪声得到了抑制，但是回波信号的强度还e{∑R(r))。+∑∑s{R(r)}￡{RsN，(r)}是很小，检测起来仍然很困难，需要对信号进行(11)进一步的提取来提高信噪比

7、。将某时间段内的由于噪声的互不相关性，则式(10)中，互相关脉冲信号进行叠加，以增加信号的强度，其数学模型可表示为：∑∑e{RSN(r))e{RSN，(r))的结果为零，NZ／,-噪声都来自同一样本集，分布具有同一性。则y(r)一∑_R。￡一式(11)可化简为：∑[R(r)+R(r)](3)一N￡{R(-Nr))￡{R(r))⋯式中，N为回波脉冲个数，N的取值与所设定一一一的阈值有关。由噪声的统计特性可知]：e{R(r)}一0(4)(13)e{Rs~(r)+R(r)}一从上述过程可知，回波信号经过互相关运￡{RSN(r))+￡1RSN(r))(

8、≠)(5)算和累积运算2个过程，信号的信噪比经过2￡{RSN(r)×R(r)}一次调整。第1个过程是单脉冲的互相关过程，￡{RsN(r))×￡{R(r