设计了线性调频的激光信号源并基于FPGA实现了脉冲压缩信号处理。
关键词： 激光测距； 脉冲压缩； 噪声环境仿真； 回波信号提取
中图分类号： TN219⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）11⁃0059⁃04
Abstract： The pulse laser range⁃finding and phase laser range⁃finding are the main methods of laser range⁃finding presently， but they may lose efficiency easily in complex noise environment due to oblivion of echo signal covered in the noise. Since the weak echo signal is difficult to extract， the pulse compression laser range⁃finding method is proposed. The pulse laser of linear frequency modulation is emitted， and received with pulse compression technology to increase the pulse peak power， improve the signal⁃to⁃noise ratio， and obtain the echo signal covered in noise. The method has important research significance and application value to improve the range⁃finding distance and reduce the laser power. The mathematical model of pulse compression method in laser range⁃finding was established. The typical Gaussian white noise environment was simulated. The influence of pulse compression parameters on the laser range⁃finding is analyzed. The laser signal source of linear frequency modulation was designed， and the pulse compression signal processing was realized based on FPGA.
Keywords： laser range⁃finding； pulse compression； noise environment simulation； echo signal extraction
0 引 言
激光具有方向性好，波长单一等优点，因此广泛应用于各类测量技术中。与传统测距方法相比，激光测距精度高，抗干扰能力强，隐蔽性好，因而在军事、航空、工业等领域应用广泛。
目前激光测距主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距[1]。脉冲式激光测距的原理是利用脉冲激光器对准目标发射激光脉冲，激光遇到目标后反射回测距仪，只要测出激光脉冲从发射到返回测距仪的时间，即可算出目标与测距仪之间的距离。而相位式激光测距的原理则是通过测量相位延迟量间接测量激光在被测物体与测距机之间传播的时间，从而计算出两者之间的距离。脉冲式激光测距法可以达到很高的瞬时功率，具有很大的测量范围，但是测量精度比较低。而相位式激光测距法可以达到很高的测量精度，但是测量范围有限。在复杂噪声环境下，两者都会存在很大的测量误差，甚至完全湮没在噪声中，无法获得距离信息。为了在复杂的噪声环境中，仍然能够获得较精确的测量结果，本文提出将脉冲压缩技术运用到激光测距中，从而获得有效的回波信号。
1 脉冲压缩激光测距
1.1 脉冲压缩的数学模型
脉冲压缩效果如图3所示，20 μs，其中20 MHz，10 MHz。从式（9）可以看出，匹配滤波器的输出脉冲宽度（顶点下-4 dB处的宽度）近似为调频信号频谱宽度的倒数，相当于调频信号脉冲宽度的输出脉冲幅度相比于调频信号脉冲幅度增大倍，即输出脉冲的峰值功率[2⁃3]比调频信号的峰值功率增大倍。
正是因为线性调频信号经过脉冲压缩之后，它的峰值功率能够增大倍，所以即使在复杂噪声环境中，特别是强噪声环境中，当回波信号完全湮没在噪声中，经过脉冲压缩之后依然能够获得有效的脉冲信号。
1.2 复杂噪声环境下的仿真
线性调频信号具有很强的抗干扰性，即使在复杂噪声环境中，经过脉冲压缩之后也能获得脉冲信号。用高斯白噪声模拟环境噪声，线性调频信号参数为：此时脉冲压缩比为如图4所示，当信噪比时，输入的线性调频信号完全湮没在背景噪声中，如果采用脉冲式测距法或相位式测距法，则难以得到所需的距离信息，而采用脉冲压缩法，通过匹配滤波处理，依旧可以获得有效的回波脉冲。经过计算机模拟仿真，当信噪比时，能够获得脉冲信号。随着信噪比变小，获得准确的脉冲信号的概率不断降低。当时，只有约50%的可能获得准确的脉冲信号。
1.3 参数选择对测距的影响
使用脉冲压缩法，线性调频信号的参数选择对测距结果主要有以下几方面的影响：
（1） 调频信号压缩比（即时间带宽积），直接影响信号的抗噪声能力。时间带宽积越大，脉冲压缩信号峰值功率与回波有效信号峰值功率比也就越大，从噪声中提取出有效回波信号的能力也就越强。
（2） 距离分辨率其中为对调频信号采样的采样频率。例如，当采样频率时，分辨率为0.75 m；当采样频率时，分辨率为0.3 m。
（3） 脉冲压缩程序设定的测距范围其中是脉冲压缩程序设定的可处理的最大数据个数。当采样频率一定时，可以通过增加总的采样数据数目提高系统的测距范围。受到硬件条件的限制，脉冲压缩程序能够处理的数据个数是有限的。
2 信号源及FPGA程序设计
2.1 信号源设计
铌酸锂（LiNbO3）晶体具有良好的光电效应，较低的半波电压以及较高的响应速度。如图5所示，调频信号发生器可以产生60～80 MHz的线性调频信号，通过增益控制后，利用铌酸锂的光电效应就可以控制由分布式反馈激光器（简称DFB激光器）发射的激光通过铌酸锂晶体之后的输出光功率，从而获得激光线性调频信号。
2.2 FPGA程序设计
由第1节的脉冲压缩推导过程可知，要实现线性调频信号的脉冲压缩，主要有三步：对输入的线性调频信号的傅里叶变换，与匹配函数作乘法运算以及最后对输出信号作傅里叶逆变换。傅里叶变换结构采用“兵乓式”操作，采用两块双口RAM，就像两个乒乓板，数据就如同乒乓球，每经过一次拦网就相当于进行一次蝶形运算，每拍打一次就相当于进行一次数据的写入和读出。由于傅里叶变换和逆变换是顺序进行的，在时间上没有重复性，而且运算过程相似，可以用一个模块依次完成。
脉冲压缩的程序框图如图6所示，回波数据经过采样后存入RAM_A中，然后通过蝶形运算模块分别从RAM_A和旋转因子ROM中读取回波数据和旋转因子，运算后存入RAM_B中，这样就完成了一次蝶形运算。如此循环直到收到结束信号，完成离散傅里叶变换，如式（4）所示。然后通过乘法器将傅里叶变换后的数据与匹配系数ROM中存储的匹配系数作乘积运算，完成匹配运算过程，如式（7）所示。之后重复前面蝶形运算的过程，进行离散傅里叶逆变换。不同的是旋转因子要取共轭，蝶形运算结果乘以0.5，这样就完成了式（8）的过程，最后输出脉冲压缩波形。
将的线性调频信号与带有的噪声信号和线性调频信号的混合信号导入FPGA中，经过脉冲压缩后，结果如图7所示。经过FPGA程序处理之后，原本完全湮没于噪声中的回波信号被成功提取出来。
3 结 论
通过上述仿真分析可知，线性调频脉冲压缩技术可以极大地提高回波信号的峰值功率，特别是在复杂噪声环境中，使得原本已经被噪声湮没的回波信号在经过脉冲压缩技术处理后，能够重新获得有效的脉冲信号。基于FPGA可以很好地实现脉冲压缩过程。
参考文献
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