用于激光回波信号模拟的脉宽-强度调制方式.docx资源-CSDN文库

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摘要

激光探测系统连接的功能模块能否正常工作，由探测系统对探测目标的识别能力决定。针

对实验室条件下高速交会的目标回波信号的模拟，提出了脉宽-强度调制方式。该方式通过

控制输入脉冲信号的脉宽改变输出光脉冲的峰值，可用于模拟回波信号的脉冲峰值变化。

设计了电路实现形式，采用该电路驱动 860 nm 半导体激光器并进行测试。测试结果表

明，脉宽为 8~16 ns 的输入脉冲信号对应峰值功率为 3.7~8.3 W 的输出光脉冲信号。将脉

宽-强度调制模块作为基本的物理实现单元，提出了回波信号的高阶模拟方案，模拟目标回

波信号更多的信息。该调制方式原理简单、电路实现容易且成本低，为激光探测系统的目

标识别功能的设计与检验提供新的方向。

Abstract

The ability of a detection system to recognize detection targets determines whether or

not the functional modules connected to the laser detection system can work normally. A

pulse width-intensity modulation scheme is proposed to simulate crossing target echo

signals at high speed in the laboratory. This scheme can change the peak value of the

output light pulse by controlling the pulse width of an input pulse signal and simulate the

peak value changes of echo signals. In addition, the circuit implementation is designed to

drive an 860 nm semiconductor laser for testing. The test results reveal that the input

pulse signal with a pulse width of 8-16 ns corresponds to the output pulse signal with the

peak power of 3.7-8.3 W. Taking the pulse width-intensity modulation module as the

basic physical realization unit, we present a high-order simulation scheme of echo

signals to simulate more information of target echo signals. This modulation method is

simple in the principle, easy in circuit implementation, and low in costs, which provides a

new direction for the design and inspection of the target recognition function of a laser

detection system.

1　引言

激光探测技术广泛应用于多个领域，具有方向性强、定距精度高、抗电磁干扰能力强等优

点

［1-3］

。系统通过激光发射模块向目标发射激光信号，信号经过背景环境到达目标，光接

收模块将目标的回波信号转换为电信号，控制模块对电信号进行分析处理，向连接的功能

模块发出指令。探测系统对目标的正确识别决定功能模块的正常工作。目标的信息包含在

进入接收模块的回波信号中，因此，利用回波信号对探测系统进行测试，对激光探测系统

的设计及检验具有重要意义。但获取大量准确的回波信号的外场试验成本高，不能多次重

复，所以，建立回波信号模拟系统不可或缺。

回波信号受到背景环境的影响，研究者对云雾、灰霾等环境下的回波信号进行了建模仿真

及实验验证，得到了环境因素对回波特性的影响趋势，这为激光探测系统的环境适应性的

研究提供了依据

［4-6］

。崔晓宇等

［7］

开发了一套仿真系统，该系统可以根据输入的系统参数

与环境参数模拟激光雷达回波信号。王彪等

［8］

建立了可用于目标探测算法设计的回波仿真

模型。陈杉杉等

［9］

建立了平面目标的脉冲激光回波模型，这为高速动态条件下的高精度测

距提供了参考依据。然而，上述研究局限于对探测目标回波信号的建模及数字仿真，未产

生模拟回波信号的实际光信号，难以对整个激光探测系统的性能进行验证。谭佐军等

［10］

设计的半实物仿真系统利用模拟信号控制光学耦合系统中的可变衰减器，可控制输出光信

号的强弱，可用于模拟激光探测系统与目标交会过程中的回波光功率大小的变化。这种方

式的每一次仿真间隔时间长，在激光探测系统的工作频率下不能有效地模拟整个交会时间

段内的光脉冲序列。

针对上述问题，本文提出了脉宽-强度调制方式及其实现方法，设计并测试了脉宽-强度调

制的激光器驱动电路。该调制方式通过响应一定脉宽范围的输入电脉冲信号，驱动激光器

输出峰值变化的光脉冲信号，从而可以快速模拟交会时间段内回波光功率大小的变化。若

仅需探测系统对回波信号幅值与延时进行简单识别，该调制方式可直接应用于回波信号模

拟器设计。基于脉宽-强度调制方式，提出了引入数字仿真的半实物模拟方案。该方案可以

连续输出幅值与脉宽都受到调制的窄脉冲光信号，从而模拟高速交会过程中目标回波信号

的更多信息。

2　回波信号与强度调制

2.1　回波信号脉冲幅度特性

周视探测系统的激光发射视场有一定的视野角，激光接收视场通常覆盖发射视场。当探测

系统与表面不规则、高低不平的目标高速交会时，探测系统接收到的与之距离不同的反射

点的散射功率大小不同。探测系统发射模块的发射光束会覆盖目标的较大面积，不同位置

的反射点与收发模块的发射窗口、接收窗口的光程和不同，导致反射信号到达接收窗口的

时刻有差异。此外，探测系统与目标距离有着远、近、远的变化过程。因此，时域上可能

形成幅值各异的回波脉冲序列，如图 1 所示。

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