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摘要：本文介绍了基于CPLD（复杂可编程逻辑器件）的四象限脉冲激光探测装置的系统组成和工作原理，给出了信号处理电路框图，提出了抗云雾干扰与目标判断方法。文中给出了目标识别算法，并进行了程序仿真。对工程样机进行了目标测试和抗雾干扰试验。试验结果表明，激光探测装置能够作出正确判断，满足功能需求。
关键词：激光探测;信号处理;电路设计
中图分类号：TN248 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0168-03
0 引言
脉冲激光具有方向性好、瞬时功率大、抗干扰能力强等特点，因此得到广泛应用[1]。随着技术进步，激光探测装置的信号处理向更高速发展。目前通用的数字信号处理器（DSP）虽然功能强大，资源丰富，但系统复杂，价格昂贵。FPGA和CPLD具有体积小、集成度高、速度快和通过软件编程实现应用功能的特点，但FPGA配置电路更复杂。结合应用要求，采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）进行激光探测装置的信号处理系统设计[2-3]。
1 探测原理与系统工作原理
1.1 激光探测作用距离
激光探測装置接收机接收到的功率可按下式计算：
（1）
由于要求的作用距离较近，大气传输衰减可以忽略不计，。当光束截面完全落在目标上时，目标的有效面积为：
（2）
得到激光探测装置的作用距离为：
（3）
由上式可见，作用距离不仅与发射机和接收机有关，还与目标特性有关[4]。
1.2 系统组成
研制的激光探测装置由激光发射机、激光接收机、信号处理电路和电源电路等组成，系统组成和原理框图如图1所示。激光发射机由驱动电路、砷化镓激光器和发射光学系统组成。激光接收机由接收光学系统、硅光电探测模块、放大电路和比较电路组成。信号处理电路由信号处理器和高速逻辑电路组成。
1.3 工作原理
系统采用四象限分时轮询、距离门截止选择模式。四象限形成360°覆盖区。激光发射机与激光接收机相隔一定基线距离，窄激光束和接收视场交叉形成重叠区域，如图2、3所示[5]。只有当目标进入该区域时，接收机才能探测到目标反射回波。
系统开机后，信号处理电路产生基准时序，由时序电路分发至四路激光发射机，驱动激光器轮流发射激光脉冲。发射光学系统根据方向分布要求将光脉冲均匀发散至周围空间。若脉冲激光碰到目标，发生漫反射，有一部分反射激光被对应接收机接收。光探测模块将光脉冲信号转换成电脉冲信号，经信号放大及比较电路处理后，送入信号处理电路。
2 信号处理电路设计
信号处理电路由时序产生电路、目标识别与抗干扰电路、启动判决电路组成。系统采用一片高性能CPLD作为核心器件，配置一定外围功能电路来完成信号处理功能。
2.1 时序产生电路
工作时序由CPLD产生。开机后，四路驱动信号输出至激光发射机的对应象限，对于某一象限激光发射周期为T，相邻两个象限激光发射信号间隔T/4。在一个周期内完成一次轮询。激光探测装置发射时序如图4所示。
激光器产生的激光束有较大的束散角，光学系统将激光束准直后，再进行扩束成扇形光束，激光发射机的近场光斑图见图5。使横向视野角大于90°，纵向视场角小于1°。同时接收视场角被设计成窄光路，视野角大于90°。
2.2 抗干扰算法
激光回波在接收机内经过光电转换、放大和比较，形成TTL电平信号，进入CPLD，在CPLD内完成目标识别和抗干扰算法。采用距离门选通技术，只接收落在距离门内的回波信号，排除作用距离之外的信号。同时设置干扰门，识别可能出现的干扰信号，如图6所示[6]。
自然界的云雾、烟雾是由密集的悬浮粒子组成的。因为粒子的几何尺寸与激光波长相当，所以会对激光波束形成漫反射，形成回波干扰。除发射激光窄脉冲、滤光片光谱滤波、拉大发射接收基线等硬件上采取的措施，利用抗干扰算法来排除云雾等环绕型干扰。
因为激光探测装置探测法向圆周方向的目标，目标是外形确定的物体。目标只可能出现在单一象限或者紧邻的两个象限内，不会同时出现在相对象限或所有象限内。当装置处于云雾等悬浮粒子存在的环境时，如果回波高于阈值，所有象限都有回波信号产生。利用该差别实现装置的抗干扰功能：当单一象限或者紧邻两个象限有识别到目标时，判决该探测周期有识别到目标;当相对象限或全部象限均有识别到目标时，判决该探测周期为干扰。
2.3 启动判决
激光探测装置通过对脉冲回波信号的处理实现启动判决。在用抗干扰算法排除掉环绕型干扰后，对有效距离内的回波信号进行数量累积。当累积数量达到启动阈值条件时，则判决为目标，立即给出启动信号。若未达到启动阈值条件，下一周期目标不再出现，则计数清零。
3 仿真及试验
3.1 程序仿真
利用QuartusII9.0软件验证不同情况下结果是否正确。ins是激光使能信号，laser1～laser4是4象限发射激光基准信号，echo是脉冲回波信号，num是累积计数器。经仿真，当有一个或紧邻两个象限出现连续多个回波信号，经过累积后输出启动信号startup，而当有相对象限或所有象限都出现连续多个回波信号时，没有启动信号输出，符合设计预期，如图7所示。
3.2 抗干扰试验
在光学暗室，用工业加湿器模拟雾环境，对激光探测装置进行抗雾干扰试验，如图8所示。试验结果显示，该激光探测装置在能见度50m～200m下，能对模拟目标进行正确识别;在该环境无目标时没有虚警产生。雾未对激光探测装置造成干扰。
4 结语
本文设计了一种基于CPLD技术的四象限几何光路视场交叉模式激光探测装置，重点进行了抗干扰设计，在分析干扰源与目标特征的基础上采取了相应措施，完成了工程样机的试制并通过了抗雾干扰试验。该装置硬件构成简单，有效地实现了电路系统小型化、低功耗，提高了电路的可靠性，具有良好的应用前景。
参考文献
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[2] Christian M. von der Lippe and J. Jiang Liu.Optical Fuzing Technology[P].Laser Radar Technology and Applications XI， 2006，62140D：1-7.
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[4] 徐孝彬，张合，陈杉杉.脉冲激光周向探测平面目标回波特性[J].光学学報，2017，37（04）：225-232.
[5] YAO Ping-ping，Tu bi-hai，Wang xiang-jing，ZHANG Yi，Zhao Ping-jian.A high performance constant fraction discriminator for pulsed laser proximity fuze[C]. Conferences of the Photoelectronic Technology Committee of the Chinese Society of Astronautics，2014，95221D：1-8.
[6] Kun Wang，Huimin Chen.Analysis on the characteristics of pulsed laser proximity fuze"s echo[J].International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging ，2011， 81921O：1-9.
Signal Processing Circuit Design of Pulse Laser Detecting Device Based on CPLD
LIU Chen-feng
（China Electronic Technology Group Corporation 13th Research Institute， Shijiazhuang Hebei 050051）
Abstract：This paper introduces the system structure and working principle of the four-quadrant pulse laser detection device， gives the block diagram of the signal processing circuit， and proposes the anti-cloud interference and target judgment method. In this paper，the target recognition algorithm is given， the program is simulated， and the engineering prototype is completed. The target test and anti-fog interference test are carried out on the engieering prototype. The test results show that the laser detection device can make accurate judgments and meet functional requirements.
Key words：laser detection; signal processing; circuit design