1、1462023 年 11 月上Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备多脉冲远距离激光测距系统研究*刘永华（江西师范高等专科学校，江西 鹰潭 335000）摘要：激光测距是一种非接触式的精密测量技术，其具有测量距离远、方向性强、实时性高、精度高等优势，是测量领域不可或缺的一部分。由于远距离传输，部分微弱的脉冲信号提取存在困难，笔者采用AD高速采样，以1 GHz作为采样频率，并对高速采集后的回波信号进行数字化处理。根据噪声的非相关性，采用多脉冲互相关累加均值算法进行改进，能够较好地提升信号的强度，改善信号的信噪比。同时，采用小波奇异值滤波的方法，将累
2、积信号的奇异点滤掉，能更精准地捕捉信号的上升沿，时钟计时更精准，降低误码率，提高测量精度，测量精度可保证在20 cm以内，测量范围可达3 km。通过FPGA等硬件电路实现控制系统，提高测量精度和系统稳定性。该多脉冲远距离激光测距系统可广泛应用于工程和军事领域。关键词：三脉冲互相关累加均值处理；小波变换的奇异值滤波；FPGA；高精度激光测距中图分类号：TN247 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.21.038激光测距仪是一种测距设备，通过发射激光脉冲探测目标的位置，其原理类似于雷达测距，发射的激光脉冲经直线传播到达被测物体，经反射后回波信号到达测
3、距点，比较回波信号和发射信号的时间差，通过计算测算出距离1。多脉冲法激光测距具有测距远、实时性强、精度高等特点，被广泛应用于金属工业、桥梁建筑、仓库物流、地形地貌测量等领域，具有较大的市场份额和良好的现实意义2。早期的激光测距仪通常采用回波模拟技术，极易出现识别精度低、抗干扰能力弱等问题3；少量测距系统会采用AD转换，但采样率在500 MHz以下，相对较低，难以达到高精度、高实时性的要求，导致数据采集处理部分性能不强4。本文的主要目标是设计远距离、高精度的脉冲式激光测距系统，测量范围达到3 km，精度在20 cm以内。经过分析，确定以1 GHz的采样速率进行高速采样，采用FPGA实现对回波信号
4、识别算法的开发以及对数据的处理，能有效提高测距系统的相关性能。1 控制系统设计激光测距系统工作流程如图1所示。图1所示的PLL为数字锁相环，其中，PLL将锁定探测信号的上升沿5；计数器会先根据是否捕捉到回波探测信号上升沿，判断是否停止计数，有上升沿停止计数，无上升沿循环探测，再利用记录的时间差计算待测物体的实际距离，将结果在上位机显示6。开始PLL激光器处于等待状态脉冲发射端口使能采集回波信号计数器计数回波信号处理是否检测到回波信号上升沿停止计数计算待测目标距离NYYN图1系统软件工作过程2 多脉冲互相关累加均值算法设计多脉冲互相关累加均值算法是将N 个探测回波信号按照相关性叠加，在相关信号叠
5、加之时，多脉冲信号之间呈现一定的互相关性，而噪声信号呈现随机基金项目：江西省教育厅科技课题研究项目（GJJ213208）作者简介：刘永华（1991），男，江西鹰潭人，硕士研究生，助教，研究方向为电子通信、物联网、图形处理等。2023 年 11 月上147Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备性；经计算发现，N次原信号叠加再取均值，其信噪比将提高，抗干扰性增强7，如式（1）所示。S=1N(S1+S2+.+SN)（1）式中，S1、S2SN是N个探测信号，S是多脉冲互相关累加信号，数据S会捕捉回波信号的上升沿位置，利用计时器记录回波信号和发射信号的时间
6、差T，可以通过测距基本公式计算出待测物体的距离8。多脉冲互相关累加运算图如图2所示。图2是将输入的数据进行数据转换，转换为N个信号，以高速采样形成新的多脉冲互相关信号，并累加计算，其结果为：Y(t)=Ni=1si(t)+ni(t)（2）对式（2）得到的运算结果进行均值处理，得：Y(t)=1N Ni=1si(t)+ni(t)（3）在实际的测量过程中，由于采样速率大、光速大，导致运算量大，FPGA的高处理性能能够解决运算量大、速度快等问题9。同时，脉冲个数的多少直接影响信噪比的大小，信噪比与脉冲个数N呈N 倍的关系，N越大，误差效果越明显，所以在选择脉冲数据个数N时要综合考虑。经分析，本文采用三脉
7、冲互相关累加均值算法。3 多脉冲互相关累加方法仿真结果分析在高斯白噪声背景下，通过对单脉冲信号的高速采样，分别进行信号累加均值处理，得到处理结果图，如图3所示。图3（a）脉冲信号采样点的值在600以及830附近，其回波有用信号和高斯白噪声信号混在一起，难以区分；图3（b）显示，在进行二次累加均值后，其背景噪声有所削弱，幅值在0附近，根据计算，信噪比提升为单脉冲信号的 2 倍；图3（c）显示，在经过三次累加均值后，有用回波信号能够在 600 处突显出来，能较好地区分噪声信号，信噪比是单脉冲波形的3 倍，有效地增强了系统的抗干扰性。测试结果表明，多脉冲互相关叠加法能提升反射后回波信号的信噪比，增强
8、抗干扰能力，提升测距系统的性能。0100200300400500600700800900100000.51单 脉 冲 信 号采 样 点归一化幅度（a）单脉冲信号0100200300400500600700800900100000.51二 次 信 号 累 加 均 值 处 理采 样 点归一化幅度（b）二次互相关累加均值信号0100200300400500600700800900100000.51三 次 信 号 累 加 均 值 处 理采 样 点归一化幅度（c）三次互相关累加均值信号图3多脉冲互相关累加方法仿真4 数据处理模块软件设计数据处理模块主要利用了FPGA串口接收、发送数据，先对每个发射的激光
9、脉冲串进行互相关叠加均值处理，叠加处理之后在一些采样点处会有特殊的奇异值，再通过滤波的方式提取奇异值，滤除奇异值；此时，回波信号中的高脉冲在某个采样点处会格外突显，有利于捕捉上升沿，计时器计时更加精准，最后将该程序算法烧入到FPGA核心控制处理器中进行计算验证。验证过程如下：利用三个脉冲的互相关特性，逐步固定三个脉冲的相干点，根据相干点可以分离高速采集到的回波信号，得到新的回波信号，多脉冲回波数据分离仿真图如图4所示。图4中的AD_out_1是捕捉到的第一个单脉冲的数据输入转换器采样点1采样点2采样点M信号1S采样点1采样点2采样点M信号2S采样点1采样点2采样点M信号NS数据1数据2数据M数
10、据S.图2多脉冲互相关累加运算图1482023 年 11 月上Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备回波信号，同理，AD_out_2、AD_out_3分别是捕捉到的第二、三个脉冲的回波信号。AD_out_add是三脉冲互相关累加信号，则：N(i)=n1(i)+n2(i)+n3(i)（4）其中，n1(i)、n2(i)、n3(i)分别为三个脉冲探测回波信号数据，N(i)为三脉冲互相关叠加求值信号，采用小波基函数进行分解，能够将奇异点和峰值点进行区分，利用滤波器滤除奇异点，大部分噪声被滤除，得到平滑的回波信号数据10。小波变换的奇异值处理的仿真结果图如
11、图5所示。01002003004005006007008009001000-0.200.20.40.60.8累 加 均 值 后 滤 波 处 理 信 号采 样 点归一化幅度图5小波变换的奇异值处理的仿真结果5 距离测量测试本次测试主要针对测量2 854.35 m处的待测距离，测量结果如图6所示。LabVIEW界面控制终端图62 854.35 m上位机显示经过10次测距，其结果显示的最大和最小误差分别为17 cm和3 cm，误差均在20 cm以内，符合预期值。经过小波变换的奇异值检测算法求其平均值，测距结果为2 854.38 m，和实际值相差3 cm。根据理论计算，回波信号中应该出现高脉冲信号的时
12、间点为19 478.06 ns处，发现理论值与实验值完全一致。6 结论本设计中的多脉冲远距离激光测距，采用多脉冲互相关累加均值算法进行改进，同时，采用小波奇异值滤波方法对累积信号的奇异点进行滤波，可有效提高信噪比，降低误码率，提高测量精度，测量精度可保证在20 cm以内，测量范围可达3 km。该多脉冲远距离激光测距系统具有明显的实用性，可广泛应用于工程和军事领域。参考文献：1 程鹏飞.大动态范围高精度激光测距关键技术研究D.上海：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2014：1-2.2 朱智佳，董俊，马凡，等.激光测距在农业领域的应用C/中国自动化学会.2021中国自动化大会论文集.出版
13、者不详，2021：814-819.3 唐海天.脉冲式激光测距仪的硬件设计研究J.信息记录材料，2022，23(4)：227-230.4 李光磊.一种激光测距装置的设计与实现 J.船电技术，2021，41(9)：50-53.5 李龙民.基于FPGA的激光测距系统的研究D.长春：长春理工大学，2017：6-7.6 梁天太.激光测距系统中数字锁相环的研发D.北京：北京石油化工学院，2016：12-13.7 马建平.基于高速脉冲调制和回波采样的激光测距技术研究D.上海：东华大学，2019：15-16.8 叶道焕.高精度激光动态测试技术研究D.上海：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2016：21-22.9 尚君莹，田学民，陈洁萌.脉冲激光测距系统及其算法研究J.电子设计工程，2015，23(11)：99-101.10 王丹，赵鑫，邹永刚，等.基于激光测距系统的滤波算法研究J.激光与光电子学进展，2016，53(10)：145-150.图4多脉冲回波数据分离仿真图
