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单光子测距中采用高重复频率激光源可提高回波信噪比,同时会带来距离模糊问题。为消除距离模糊,基于调制测距和时间相关光子计数理论设计了一种测距技术,分步计算得到脉冲飞行时间所包含的不模糊时间和激光发射周期的倍数,进而得到距离。该技术具有运算量小和测距效率高等优点。基于m 序列得到“1”所占比例可变的扩展伪随机序列,用来模拟噪声,并作为激光发射调制信号。测距仿真中比较了3种扩展伪随机序列的调制测距能力,结果表明:“1”所占比例为7/8 的扩展伪随机序列兼顾了随机性和抗噪声能力,得到了优于全“1”序列和m 序列的调制测距效果。
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第 43 卷 第 4 期
2016 年 4 月
Vol. 43, No. 4
April, 2016
中 国 激 光
CHINESE JOURNAL OF LASERS
0408001-
消除距离模糊的扩展伪随机码调制激光测距技术
吴兴国
1,2
羊 毅
2
郝培育
2
1
光电控制技术重点实验室, 河南 洛阳 471009
2
中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471009
摘要 单光子测距中采用高重复频率激光源可提高回波信噪比,同时会带来距离模糊问题。为消除距离模糊,基于
调制测距和时间相关光子计数理论设计了一种测距技术,分步计算得到脉冲飞行时间所包含的不模糊时间和激光
发射 周 期的倍数,进而得到距 离。该技术具 有运算量小和 测距效率高 等 优点。基于 m 序列得到“1”所占比例可变
的扩展伪随机序列,用来模拟噪声,并作为激光发射调制信号。测距仿真中比较了 3 种扩展伪随机序列的调制测距
能力 ,结果表明 :“1”所 占比例为 7/8 的 扩展伪随机 序列兼顾了 随 机性和抗噪 声能力,得到了优于 全“1”序列和 m 序
列的调制测距效果。
关键词 测量; 激光测距; 调制测距; 距离模糊; 单光子; 伪随机码
中图分类号 TN958.98 文献标识码 A
doi: 10.3788/CJL201643.0408001
Unambiguous Laser Ranging Technology Based on Extended Pseudo-
Random Modulation
Wu Xingguo
1,2
Yang Yi
2
Hao Peiyu
2
1
Science and Technology on Electro-Optic Control Laboratory, Luoyang, Henan 471009, China
2
Luoyang Institute of Electro-Optical Devices, Aviation Industry Corporation of China, Luoyang, Henan 471009, China
Abstract In single photon ranging, increasing repeating frequency can improve the echo signal-to-noise ratio
and result in ambiguous distance. To avoid ambiguous distance, an arithmetic based on modulation ranging and
time-correlated photon counting theory is proposed, by which the unambiguous time and multiple of laser emitting
periods are calculated, and then the unambiguous distance is obtained. This technology needs less computation
and is more effective. Extended pseudo-random sequences with variable proportion of“1”are derived from m-
sequence, and they act as noise model and modulation signal. In simulation, ranging results with three different
sequences are compared and it shows the pseudo-random sequences with proportion of“1”as 7/8 are random and
noise resistant, of which the ranging result is better than that of all“1”sequence and m-sequence.
Key words measurement; laser ranging; modulation ranging; ambiguous distance; single photon; pseudo-random
code
OCIS codes 280.3400; 120.0280; 030.6600; 040.1345
1 引 言
单光子 测距采 用了新的测距体制 ,在设备 体积和 质量等受限的机载环境下 可实现 远距离 测距,具有很
好的研究价值和应用前景。随着激光器技术的发展,千赫兹激光器被逐渐应用到测距中
[1-5]
。提高发射重复
频率可在一定时间内积 累更多 的回波光子,从而 提高信 噪比,增 强距离检测能力 ;另外,发 射重复频率的提
收稿日期: 2015-11-20; 收到修改稿日期: 2015-12-03
基金项目: 航空科学基金(2014ZC13004)
作者简介: 吴兴国(1988—),男,硕士研究生,主要从事信息处理与计算机技术方面的研究。
E-mail: singularwoo@foxmail.com
导师简介: 羊 毅(1965—),女,博士,研究员,硕士生导师,主要从事机载光电技术研究及机载光电系统方面的研究。
E-mail: yyi613@163.com
1
中 国 激 光
0408001-
高,使得脉冲周期减小,对远距离目标测距时会出现距离模糊问题。
将编码解调理论应用于测距技术,目前得到了一定的成果。文献[6]提出在超声测距中使用脉冲压缩技
术来提高测距能力的思路,使用伪随机序列作 为脉冲 压缩信 号对发 射信号 进行调制,在接收端将测得信号
与参考信 号进行相 关运算,从而得到超 声信号精 确的往返 时间。文 献[7-10]使用伪随 机序列调 制光纤激 光
器,对距离 范围已知的合作 目标进行 测距研究,使用全部回波信 号与调制信号(序列长度可达到 5×10
5
量级)
进行相关解调。若用于距离范围未知的非合作目标测距,相关运算量极大,效率较低。
本文基 于脉冲 编码和时间相关光子计数 理论,提 出一种可消除距离模糊的 测距技 术,采用分步计算的
方法可大大降低运算量。另外,探究了码元所占比例可调的扩展伪随机码的生成方式,并分析其相关性,可
以此作为噪声模型和激光发射脉冲的调制信号。算法仿真对比了不同编码的调制测距能力,可为后续研究
提供参考。
2 测距原理分析
激光脉冲发射时开始计时,测得激光射向目标并由目标反射回探测器的时间为 t,光速为 c,则目标距离 l 为:
l = ct/2
, (1)
单光子测距中,激光源以周期 T 向目标连续发射多列激光,每次发射激光时启动新的计时并记录回波信号,
则接收端可得到相应的多列周期为 T 的回波信号。当目标距离 l 超过直接测距量程 L
0
=cT/2 时,飞行时间 t 会
超过回波信号的计时周期 T,出现距离模糊问题。将 t 进行分解,可得:
t = t′ + nT
, (2)
式中 t′<T,称为不模糊时间,对应目标的不模糊距离;n 为脉冲飞行时间所包含的计时周期 T 的整倍数,称为
周期数。若能分别得到 t′与 n 的值,即可解决距离模糊问题,实现远距离测距。
由于 t=t′+nT,则前 n 列回波中没有激光反射脉冲 ,第 1 个发射激光脉冲被目标反射回测距机的信号,实
际上位于第 n+1 列回波中时刻 t′处,依此类推。激光发射信号和目标反射信号的时序如图 1 所示。
图 1 激光发射信号与目标反射信号时序图
Fig.1 Timing sequence figures of laser and echo signals
若激光源连续发射 N 列激光脉冲,则接收端至少记录 N+n 列回波信号才能完整记录到所有的目标反射
信号。将全部回波信号进行叠加,可提高信噪比
[11]
。在 t′时刻得到较高的数据峰,以此得到 t′值。
基于文献[7-10]中的调制测距思路,使用随机性序列对激光发射进行编码,在回波中提取出 t′时刻的全
部信号,使用调制信号对其进行相关解调,可以得出发射脉冲与反射脉冲之间的周期差 n。
以上两步可分别得出 t′和 n,进而得到脉冲飞行时间 t,再根据(1)式,即可得到目标的真实距离。
3 扩展伪随机序列
伪随 机 序列中 ,“0”和“1”随 机分布 且 其所 占 比例均 为 1/2
[12]
。本 文 对伪随 机 序列 进 行扩展 ,定 义“0”和
“1”分布具有随机性的序列为扩展伪随机序列。
3.1 序列性质
扩展伪随机序列中“0”和“1”均随机分布,可认为序列任意一个位置出现“1”的概率等于序列中“1”所占
的比例。设存在 2 个相互独立的扩展伪随机序列 M1 和 M2,“1”所占比例分别为 p 和 q,两序列按位进行逻辑
运算得到新序列。由于 M1、M2 中“0”和“1”随机分布且两者互相独立,则运算得到的新序列中“0”和“1”仍为
随机分布,序列中“1”所占的比例与“1”出现的概率相同。
两序列 按位进行逻 辑与运 算时,只 有当两序列 在同一 个位置都为“1”时才能得 到“1”,则按位进行逻辑
与运算得到的新序列中“1”出现的概率为
P(M1&M2) = pq
, (3)
2
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