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[摘 要]在脉冲式激光远距离测距中，由于距离较远，大气会给激光信号带来衰减，回波信号微弱，而且接收回波模块探测器和放大电路往往会淹没激光回波脉冲信号，及背景噪声会降低接收回波信号的信噪比，降低测距量程，甚至探测不到被测目标。如何把微弱的激光脉冲回波信号从强噪声中提取出来，提高信噪比，对于脉冲式激光远程测距是非常重要的。本文针对微弱信号检测技术进行了研究分析。
[关键词]激光测距；信噪比；回波；脉冲；虚警；积累。
[Abstract]in the distance distance measurement of pulsed laser， the atmosphere will attenuate the laser signal because of the distance， and the echo signal is weak. Moreover， the receiving echo module detector and the amplifying circuit often drown the laser echo pulse signal， and the background noise will reduce the signal to noise ratio of the received echo signal and reduce the range range. The target is not detected until the detection is detected. How to extract weak laser pulse echo from strong noise and improve signal to noise ratio is very important for pulsed laser remote ranging. In this paper， weak signal detection technology is studied and analyzed.
[Key words]laser ranging； signal to noise ratio； echo； pulse； false alarm； accumulation.
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0296-01
0引言
激光脉冲测距是通过测量激光脉冲在激光器与被测目标之间的飞行时间来实现对被测目标距离的测量。由于激光脉冲持续时间极短，将能量集中于一瞬间，可实现非常大的瞬时功率，因而脉冲法在对无合作目标进行测距时，对近距离目标仍然能够有较强的激光回波信号，但对远距离目标回波信号就非常微弱。如何檢测微弱的回波信号，以提高激光测距系统的测距威力对远程测距来说是非常重要的。
脉冲激光测距系统功率一定，测距范围变大时候，激光回波脉冲信号的幅度值大幅度变低，测量环境中各种噪声依旧存在，使得激光脉冲信号回波掩没在噪声中，信噪比急剧降低，探测系统难以提取微弱的激光回波信号。虽然增大激光发射模块的发射功率、增大接收模块光学口径可以提高接收回波脉冲的强度，也能有效提高回波信号信噪比，但这种方法会增大测距系统体积、重量，不符合系统发展趋势。本文提出了用虚警抑制技术辅助微弱回波信号检测，用脉冲积累技术加强微弱回波信号检测。
1 虚警抑制
对于超远程激光测距系统，它在接收目标的回波信号的同时，不可避免地会引入背景杂散光等干扰，这些干扰的存在使得测距系统接收信号的信噪比恶化，很容易形成错误的触发，产生虚警。因此，需采取有效的虚警抑制措施，使测距系统能及时、准确地检测出有用的回波信号。
1.1距离选通法
系统测距时，只在极短的时间内等待回波信号，其余时间都在等待或数据处理等工作。假定可以确定目标距离的大致范围，就可以通过设置距离波门来控制测距系统的接收工作。在射出激光束离开发射物镜的同时令距离波门关闭，对接收到的信号不做任何处理，在目标返回的激光束可能到达接收物镜的时间段内打开波门。在波门关闭期间，接收系统完全不工作，大气后向散射光波和其他杂散干扰都被拒之门外，使量程以外的虚警信号得到有效抑制。
1.2窄带滤波
由于激光测距系统的发射激光波长通常是固定的，因此可以在接收光学系统中加一层窄带滤波片，将窄带外的光波滤掉，进而达到提高回波信噪比的目的。比如，对于发射激光波长为1064nm的激光测距系统，可选用通过波带仅有几个nm的窄带滤波片，这样可将大部分背景杂散光滤除，极大地提高信噪比。
2 脉冲积累
在进行远距离脉冲激光测距时，回波信号幅值因大气衰减而大幅度降低、脉冲波形因介质折射、散射而畸变展宽，但噪声的统计特性和带宽基本不变，所以目标通常淹没在噪声中，接收信噪比很小。这种情况下，传统的阈值检测法很难提取出目标回波信号。
每个激光脉冲都会产生回波信号，而且回波信号中是夹杂着噪声的，每个激光脉冲夹杂的回波信号可以表示为 ，其中 为总的回波信号； 为回波信号中的目标信号； 为回波信号中的噪声。检测微弱回波信号的目标就是尽量增强 、削弱 。这样就能达到突出目标信号的目的，图1所示为回波信号积累处理过程。
回波信号经过接收探测器，产生了原始的待处理信号，这个信号的功率信噪比为 ，经过信号的积累过程，输出到检测器的信号信噪比得到了提高，变成了 ，积累过程输出的信号可以表示为 。其中 为经过积累输出的目标信号； 为经过积累后的噪声信号。
每个单脉冲的回波信号中的噪声都是随机的，而回波信号是确定的，只不过信号依次有一个延时。由于这个延时是已知的，所以可以在接收信号时对这个延时进行补偿。使得每个单脉冲的目标信号在信号积累之前都对准在同一时间点上。这样就可以进行信号的累加。假设信号积累的次数为K，由于信号是确定的，因而累计K次后，信号的幅度就变为原来的K倍，平均功率变为原来的 倍。同时，由于噪声的分布是随机的，噪声在积累K次后，其平均功率只能变为原来的K倍。由此，可得到积累前信噪比 ；积累后信噪比 。所以经过K次的积累，信噪比得到了极大的提高。
3、结语
对脉冲激光远程测距中回波弱信号信噪比低，回波脉冲信号难以提取的困难。本文研究了虚警抑制技术、脉冲积累技术加强微弱回波信号检测，提高信噪比，能增强远程测距威力，使脉冲激光测距应用到更广的领域。
参考文献
[1]赵亚飞. 脉冲式激光测距机的设计与实现[D].郑州大学，2017.
[2]田海军，杨婷，赵杨辉.高精度脉冲式激光测距系统的设计[J].机床与液压，2017.
[3]肖玉明. 面向长距离高精度的激光测距系统的研究与实现[D].北京邮电大学，2017.
[4]叶道焕. 高精度激光动态测试技术研究[D].中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2016
[5]周冰，黄富瑜，徐春梅. 现代脉冲激光测距技术[M].北京：电子工业出版社，2016.
[关键词]激光测距；信噪比；回波；脉冲；虚警；积累。
[Abstract]in the distance distance measurement of pulsed laser， the atmosphere will attenuate the laser signal because of the distance， and the echo signal is weak. Moreover， the receiving echo module detector and the amplifying circuit often drown the laser echo pulse signal， and the background noise will reduce the signal to noise ratio of the received echo signal and reduce the range range. The target is not detected until the detection is detected. How to extract weak laser pulse echo from strong noise and improve signal to noise ratio is very important for pulsed laser remote ranging. In this paper， weak signal detection technology is studied and analyzed.
[Key words]laser ranging； signal to noise ratio； echo； pulse； false alarm； accumulation.
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0296-01
0引言
激光脉冲测距是通过测量激光脉冲在激光器与被测目标之间的飞行时间来实现对被测目标距离的测量。由于激光脉冲持续时间极短，将能量集中于一瞬间，可实现非常大的瞬时功率，因而脉冲法在对无合作目标进行测距时，对近距离目标仍然能够有较强的激光回波信号，但对远距离目标回波信号就非常微弱。如何檢测微弱的回波信号，以提高激光测距系统的测距威力对远程测距来说是非常重要的。
脉冲激光测距系统功率一定，测距范围变大时候，激光回波脉冲信号的幅度值大幅度变低，测量环境中各种噪声依旧存在，使得激光脉冲信号回波掩没在噪声中，信噪比急剧降低，探测系统难以提取微弱的激光回波信号。虽然增大激光发射模块的发射功率、增大接收模块光学口径可以提高接收回波脉冲的强度，也能有效提高回波信号信噪比，但这种方法会增大测距系统体积、重量，不符合系统发展趋势。本文提出了用虚警抑制技术辅助微弱回波信号检测，用脉冲积累技术加强微弱回波信号检测。
1 虚警抑制
对于超远程激光测距系统，它在接收目标的回波信号的同时，不可避免地会引入背景杂散光等干扰，这些干扰的存在使得测距系统接收信号的信噪比恶化，很容易形成错误的触发，产生虚警。因此，需采取有效的虚警抑制措施，使测距系统能及时、准确地检测出有用的回波信号。
1.1距离选通法
系统测距时，只在极短的时间内等待回波信号，其余时间都在等待或数据处理等工作。假定可以确定目标距离的大致范围，就可以通过设置距离波门来控制测距系统的接收工作。在射出激光束离开发射物镜的同时令距离波门关闭，对接收到的信号不做任何处理，在目标返回的激光束可能到达接收物镜的时间段内打开波门。在波门关闭期间，接收系统完全不工作，大气后向散射光波和其他杂散干扰都被拒之门外，使量程以外的虚警信号得到有效抑制。
1.2窄带滤波
由于激光测距系统的发射激光波长通常是固定的，因此可以在接收光学系统中加一层窄带滤波片，将窄带外的光波滤掉，进而达到提高回波信噪比的目的。比如，对于发射激光波长为1064nm的激光测距系统，可选用通过波带仅有几个nm的窄带滤波片，这样可将大部分背景杂散光滤除，极大地提高信噪比。
2 脉冲积累
在进行远距离脉冲激光测距时，回波信号幅值因大气衰减而大幅度降低、脉冲波形因介质折射、散射而畸变展宽，但噪声的统计特性和带宽基本不变，所以目标通常淹没在噪声中，接收信噪比很小。这种情况下，传统的阈值检测法很难提取出目标回波信号。
每个激光脉冲都会产生回波信号，而且回波信号中是夹杂着噪声的，每个激光脉冲夹杂的回波信号可以表示为 ，其中 为总的回波信号； 为回波信号中的目标信号； 为回波信号中的噪声。检测微弱回波信号的目标就是尽量增强 、削弱 。这样就能达到突出目标信号的目的，图1所示为回波信号积累处理过程。
回波信号经过接收探测器，产生了原始的待处理信号，这个信号的功率信噪比为 ，经过信号的积累过程，输出到检测器的信号信噪比得到了提高，变成了 ，积累过程输出的信号可以表示为 。其中 为经过积累输出的目标信号； 为经过积累后的噪声信号。
每个单脉冲的回波信号中的噪声都是随机的，而回波信号是确定的，只不过信号依次有一个延时。由于这个延时是已知的，所以可以在接收信号时对这个延时进行补偿。使得每个单脉冲的目标信号在信号积累之前都对准在同一时间点上。这样就可以进行信号的累加。假设信号积累的次数为K，由于信号是确定的，因而累计K次后，信号的幅度就变为原来的K倍，平均功率变为原来的 倍。同时，由于噪声的分布是随机的，噪声在积累K次后，其平均功率只能变为原来的K倍。由此，可得到积累前信噪比 ；积累后信噪比 。所以经过K次的积累，信噪比得到了极大的提高。
3、结语
对脉冲激光远程测距中回波弱信号信噪比低，回波脉冲信号难以提取的困难。本文研究了虚警抑制技术、脉冲积累技术加强微弱回波信号检测，提高信噪比，能增强远程测距威力，使脉冲激光测距应用到更广的领域。
参考文献
[1]赵亚飞. 脉冲式激光测距机的设计与实现[D].郑州大学，2017.
[2]田海军，杨婷，赵杨辉.高精度脉冲式激光测距系统的设计[J].机床与液压，2017.
[3]肖玉明. 面向长距离高精度的激光测距系统的研究与实现[D].北京邮电大学，2017.
[4]叶道焕. 高精度激光动态测试技术研究[D].中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2016
[5]周冰，黄富瑜，徐春梅. 现代脉冲激光测距技术[M].北京：电子工业出版社，2016.