高分辨中远程激光测距机的数字信号处理研究

       由于激光测距仪机的脉冲极窄 ,发射脉冲宽度只有几纳秒 ,接受脉冲的宽度最大也只有二十纳秒左右 ,对模数转换器的采样频率的要求很高 ,增加了数字化的难度。由于模拟信号处理机只能针对单个的脉冲回波信号检测目标 ,而且难以进行恒虚警处理 ,无法充分利用脉冲之间的相关信息。所以 ,模拟信号处理机只能工作在大信噪比的条件下 ,通常信噪比大约为 9～10 ,使得激光测距机的探测距离大大下降。因此 ,如何提高激光测距机的测量距离和测距精度 ,是当今世界正在解决的一个难题。

       国外在技术上主要采用数字化处理技术。国内目前尚没有开展这方面的研究 ,我们与中国电子科技集团公司 11 所合作 ,实现了激光窄回波信号的数字化、高速数据处理、提高激光测距机的测量范围。本文的工作主要包括 : (1) 采样频率的确定 ,考虑激光测距机工作特点、工程可实现性和器件市场可采购情况 ,模数转换器的采样频率应该为 500MHz ;(2) 高速数字化电路的设计与实现 ,解决了 ECL 到TTL 电平的转换、分频降速、数据缓存等问题 ; (3)高速 DSP 芯片的设计与实现 ,使全数字信号处理成为可能 ; (4) 采用了相应的数字处理算法 ,降低了最小可检测信噪比 ,由原来的 9～10 降为 3 ,提高 3 倍以上。

       目前 ,具有高速数字化和高速 DSP 处理功能的激光测距机已通过了实验室测试和外场实验测试 ,达到了所要求的性能指标。极大地提高了激光测距机的作用距离。

2 　数字激光测距机硬件组成

       激光测距机数字处理器可以大致分为三个部分。第一部分是 500MHz 的高速模数转换器 ,第二部分是数字信号处理 (DSP) ,第三部分是各种接口电路。500MHz A/ D 采样数据首先进行分频降速。500MHz A/ D 采样数据分四路 ,在时序管理电路的控制下分别送到四路 ECL 触发器 ( H1、H2、 H3、H4) 中 ,通过 ECL 到 TTL 电平转换 ,存储到四路 FIFO ( F1、F2、F3、F4 ) 中 , 通 过 驱 动 接TMS320C6201 数据总线 ,在 DSP 与 CPLD 的控制下读入 TMS320C6201 的片内存储器。

       CPLD 主要完成时钟源管理、存储 FIFO 的标志信号编程以及各种采样方式下存储 FIFO 的写逻辑。整个 A/ D 采集板对数据采集的控制集中体现在对存储 FIFO 写功能信号的控制。

       DSP 处理器是数据处理和控制核心 ,它接受来自 IEEE488 总线的命令 ,对 A/ D 采样进行编程 ,包括对存储 FIFO 的标志信号编程、各种采样模式的相应参数编程、对 A/ D 输入时钟选择 ,以及实现数据测试等。

3 　数字激光测距机处理算法

       模拟激光测距机只能进行单个激光脉冲回波的检测 ,采用电压比较法。先确定一个阈值电压 ,如果回波电压大于阈值电压 ,则判定是目标 ;反之 ,则判定不是目标。

       数字激光测距机不仅能进行单脉冲检测 ,而且很容易进行多脉冲检测。数字激光测距机在对单个激光脉冲信号进行目标检测时 ,能对回波信号进行匹配滤波处理、CFAR 检测等处理 ,可以提高回波信号的信噪比和检测精度。这样可以在一定的虚警概率下 ,获得最大的检测概率。同时 ,数字激光测距机还可以进行相关检测、特征匹配、匹配跟踪等数字处理。

3. 1 　准匹配滤波

       根据雷达信号处理理论 ,最佳线性滤波器是匹配滤波器[1 ] 。它的输出信噪比最大 ,采用匹配滤波器可以最有效地提高目标信号的信噪比。

       由于激光接收机的响应速度慢 ,是窄带系统 ,因此很难实现匹配滤波。为了解决这个问题 ,本文通过大量的数据采集样本 ,根据激光回波信号的频率和幅值 ,建立了一种针对回波有较强下冲的特点的准匹配滤波器。将固定间隔的信号相减 ,目标幅度会增强 ,噪声则减弱 ,并采用平滑滤波 ,从而提高了信噪比。

3. 2 　信噪比改善

       实测的、噪声背景下的激光回波信号 ,信噪比 S N R 大约为 3。通过准匹配滤波处理后的结果 , S N R≈7 ,信噪比有明显的改善。

3. 3 　CFAR

       信号的检测门限 ,可以根据背景噪声的大小而调整。先计算检测点前后若干采样点均值和方差 ,然后设定检测门限为 v = 3δ+μ。从而实现恒虚警检测。

3. 4 　目标匹配

       由于激光测距机的高分辨率 ,同一个运动目标的不同激光脉冲回波信号常常处于不同的距离门位置 ,无法直接累加。提高多脉冲激光测距机的回波信噪比分为两步 :单脉冲回波信号的准匹配滤波和多脉冲回波的目标匹配。在单脉冲回波信号检测时 ,为了获得足够的检测概率 ,需要将阈值降低。这时 ,虚警概率会上升。然而 ,真实的目标回波之间存在相关性 ,如目标速度、回波的强度、距离等。目标匹配就是利用目标的不同脉冲回波之间存在的相关性 ,剔除假目标 ,从而降低虚警概率 ,提高检测概率[2、3 ] 。

       目标匹配是将当前检测出的目标的特征参数与目标链中存储的潜在目标的特征参数进行比较的过程。若当前预选目标与目标链中的某一潜在目标特征参数之差小于允许门限 ,则认为两者是匹配的 ,属于同一目标。目标的特征参数主要包括灰度、速度和位置等 ,现以距离匹配为例进行说明。如果某一个潜在目标在N 个激光脉冲回波信号中被检测并匹配 M 次以上 ,则判定该潜在目标为真实目标 ;否则还需要继续进行匹配处理。

4 　数据的处理结果

       从理论上来说 ,设计人员可以根据系统的虚警概率和检测概率选择合适的检测门限值。检测效果类似于普通雷达 ,但是 ,当检测门限值过低时 ,会出现太多的潜在目标 ,目标匹配的计算量太大。所以实际应用时需要在性能和运算量之间取折衷 ,一般将潜在目标数控制在 20 个以内较合适。在实际应用中 ,脉冲积累的次数取决于激光测距机的脉冲重复频率和数据处理时间。在本系统中 ,数据处理时间为 2s ,激光测距机的脉冲重复频率为 10Hz。所以 ,处理时 ,采用 15 个激光回波脉冲的积累。

       不经过准匹配滤波处理而直接进行门限分割所得的含有多个假目标和一个真目标检测结果。是通过 CFAR 算法检测出的目标 ,其中 ,最后一个是真实目标 ,其他是潜在目标。对于这些潜在目标 ,可通过目标匹配将其剔除。

5 　结 　论

       本文采用 500MHz 模数转换芯片 ,解决了激光窄脉冲回波信号的数字化问题 ;采用分频降速、电平变换等技术 ,解决了用较低存取速度存储器对高速数据流的大容量存储问题。采用高速 DSP 芯片 ,为采用准匹配滤波、相关匹配、CFAR 和跟踪等方法奠定了基础 ,从而提高了激光测距机的信号处理能力 ,使得激光测距机可以在小信噪比的条件下工作 ,等效于提高了激光测距机的发射功率 ,增大激光测距机的有效作用距离。最小可检测信噪比由模拟激光测距机的 9～10 ,降低为 3。本文所做的工作目前已通过实验室测试和外场测试。

       此外 ,由于将数字处理技术和激光测距机的体制相结合 ,可以更大地提高了激光测距机的性能。例如 ,当激光测距机采用极高重复频率脉冲时 ,可以充分进行脉冲积累 ;如果针对运动目标 ,则可以采用相参激光体制。这些对模拟激光测距机来说无法实现的功能 ,但对数字激光测距机来说却很容易实现 ,因此数字激光测距机可以更大地提高激光测距机的性能。