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采用多元探测提高激光雷达灵敏度的研究

发布时间:2019-07-22 06:25 来源:未知 编辑:admin

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  采用多元探测提高激光雷达灵敏度的研究 [摘 要]针对激光雷达多元探测中能量分散造 成的灵敏度降低的问题,从相关检测理论出发,提出 了利用多元探测实现视频累积的信号处理方法,并对 多元相关探测体制下系统信噪比的改善情况进行了分 析。 [关键词]相关探测、四象限、激光雷达、信噪比、 频累积 中图分类号:TN958.98 文献标识码:A 文章编 号:1009-914X(2015)33-0130-01 1 引言 随着激光技术的快速进展,具有跟踪和成像功能 的激光雷达已成为未来激光雷达的发展发向。由于激 光雷达具有体积小、灵敏度高、精度高和分辨率高等 特点, 被广泛地应用在测距、 跟踪和成像分析等领域, 在军事应用上更是受到特别的关注。 为了提高分辨率, 实现跟踪和成像功能, 多数场合都应用了多元探测器, 但由于回波能量分散等原因,多元探测虽然实现了跟 踪和提高分辨率的能力,却使得探测灵敏度较单元探 测时有所下降,相应的缩小了作用距离,给实际应用 带来了很多的困难。因此寻找合适的信号检测方法来 提高信噪比,提高多元探测系统灵敏度和作用距离, 对许多应用场合来说,都是至关重要的。我们从信号 相关的原理出发,利用多元互相关技术对多元探测信 号进行处理和分析, 探求提高脉冲信号信噪比的方法, 有效的提高了多元探测灵敏度下降的问题。 2 相关累积探测机理 一般来讲,进行信号探测的关键是如何利用信号 与噪声在频谱特性、统计特征等方面的区别,而不是 它们的强度差别来提取信号。利用信号有良好的时间 相关性和噪声的时间不相关性(或仅在短时间内部分 相关) ,对信号进行积累而对噪声不积累,把深埋于 噪声中的信号提取出来,这种相关接收提取方法是弱 信号检测的基础。在激光测距中,相关接收可以通过 相干探测或相关检测方式来实现。一般认为采用直接 探测基础上的弱信号相关检测比较适于大量实际应 用。 提高探测概率的一个方法是对信号作平均处理。 设进行 n 次测量,并将各个接收信号相加。若各个接 收信号相关而噪声不相关, 则最后 SNR 值增加, 此时, 探测概率增加,而与 SNR 有关的测量误差减小。当接 收信号很好相关而噪声不相关(如白噪声)时,从 n 次独立的测试值合成后得到的最后 SNR 值为: 式中―净信噪比; n―独立测量次数; ―单次测量的信噪比。 对于直接探测脉冲激光雷达来说,实现相关累积 探测需要两个前提:一个是大功率高重频激光器,二 是测量目标的移动速度不能太大。二者都大大提升了 对激光器的要求,加大了系统的实现难度,并限制了 应用范围。有必要采用一种变通的方式来实现相关累 积。 随着跟踪和成像应用的迅速发展,越来越多的激 光雷达采用了多元探测方式,但在提高跟踪精度和图 像分辨率的同时,却带来了作用距离降低的影响。原 因是接收光能量的分散给各个探测器。如何在不改变 现有条件的基础上消除这种影响,也成了多元探测的 一个研究课题。 将上述两个问题连接起来,我们发现可以利用多 元探测来完成视频累积的功能,方法是将每一元探测 器作为一次累积,对多元探测结果进行相加平均,通 过累积效应来改善信噪比,提高作用距离。 3 多元相关探测的理论分析 有上述计算结果可以看出,通过四元相关累积, 信噪比提高了两倍,因此可有效的提高灵敏度。 4 试验 4.1 试验安排 信号源采用模拟光源,它产生波长为 1.06μ m 的 激光信号,其重频为 1kHz ,脉冲宽度 10ns~20ns , 光脉冲峰值功率大于 10~4W。利用光信号的发散特 性,可以调节输入到光电探测器的光信号的大小,这 样,可以实现在真实环境中光信号在不同信噪比时的 信号输入。测量采用型号为 TDS784D 的数字存储示 波器,用来检测光信号的大小和相关检测器的输出信 号。 相关检测的具体构成如下。光电探测器是 C30927E 四元硅雪崩光电二极管组成, 探测器的光谱 响应范围 0. 4μ m~1. 1μ m ,而对于波长为 1.06μ m 的光信号有较好的响应特性。探测器输出的光信号经 前置放大器放大后输出到乘法器,其中一路信号经过 时间延迟τ 后输入到乘法器。 。 结论 分析和试验结果表明,在不改变原单元设计的情 况下,使用多元探测器,利用相关处理技术,有效的 提高了系统的信噪比和分辨率,实现了利用视频累积 方法达到的效果,具有很强的使用价值。 激光雷达的发展趋势是进一步提高其作用距离, 如何在现有条件下提高作用距离是激光测量中一个永 恒的话题,在器件技术和工艺迅速发展的同时,有效 的利用信号处理技术发挥系统能力,必将推动激光跟 踪测量技术的快速前进。

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