脈沖激光雷達(dá)回波處理方法與系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，激光雷達(dá)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在軍事、科研、民用等領(lǐng)域。近來(lái)，激光雷達(dá)在無(wú)人平臺(tái)、機(jī)器人導(dǎo)航、交通安全等很多場(chǎng)合，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文對(duì)脈沖激光雷達(dá)回波處理方法與系統(tǒng)展開(kāi)了深入的研究。在回波處理方法上，提出了一些新的思路和方法;然后根據(jù)回波處理的方法，研制了一套脈沖掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)的原理樣機(jī)，并對(duì)原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證。本文具體的研究?jī)?nèi)容如下所示:
　　1)介

2、紹了脈沖激光雷達(dá)研究意義，調(diào)研了脈沖激光雷達(dá)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，并對(duì)脈沖激光雷達(dá)回波處理方法的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié);接著介紹了激光雷達(dá)系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，對(duì)距離傳感的基本原理進(jìn)行了總結(jié)，介紹了脈沖激光雷達(dá)基本探測(cè)模型以及系統(tǒng)的組成。
　　2)針對(duì)遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)脈沖激光雷達(dá)回波信噪比差的問(wèn)題，提出一種非均勻間距多脈沖的處理方法，用來(lái)提高回波信號(hào)的信噪比。提出的方法是通過(guò)在發(fā)射端調(diào)制多脈沖的脈沖間隔，然后根據(jù)調(diào)制的間隔信息，對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行

3、剪裁和疊加。在算法驗(yàn)證方面，本文進(jìn)行了仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文提出的算法不僅可以保留傳統(tǒng)多脈沖算法提高信噪比的特點(diǎn)，同時(shí)避免了信號(hào)直接疊加引起的虛警。
　　3)針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大的問(wèn)題，提出一種分層多級(jí)回波處理的方法，極大的擴(kuò)展了回波的動(dòng)態(tài)范圍。提出的算法是根據(jù)信號(hào)大小的不同，在不同層同時(shí)進(jìn)行處理，然后根據(jù)不同層次數(shù)據(jù)的優(yōu)先關(guān)系選取正確的測(cè)量數(shù)據(jù)。在算法驗(yàn)證方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，信號(hào)電壓不同情況下的輸出與設(shè)計(jì)要

4、求一致，分層多級(jí)回波處理方法可以對(duì)大動(dòng)態(tài)范圍的回波信號(hào)進(jìn)行處理。
　　4)本文提出一種應(yīng)用于近程增益控制的敏感時(shí)間控制電路(STC)電路設(shè)計(jì)方法，在一定程度上解決了近程回波動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收電路動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題。提出的STC電路是使用FPGA和高速DAC來(lái)產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間短、形狀復(fù)雜的控制信號(hào)，然后利用此控制信號(hào)來(lái)控制回波放大倍數(shù)，進(jìn)而減弱回波動(dòng)態(tài)范圍較大的影響。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可用于激光雷達(dá)近程回波的處理，其擴(kuò)展了近程

5、測(cè)距的動(dòng)態(tài)范圍，避免了近程信號(hào)的飽和，從而提高了近程測(cè)距的精度。
　　5)本文研制了一套近程脈沖掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括同軸收發(fā)合置的掃描天線子系統(tǒng)、位置觸發(fā)發(fā)射機(jī)子系統(tǒng)、基于STC電路的接收機(jī)子系統(tǒng)、基于FPGA的控制機(jī)子系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上，首先對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，然后對(duì)測(cè)距系統(tǒng)和整機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)。測(cè)距實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)距誤差小于0.1m，多次測(cè)量方差為0.04m;室內(nèi)和室外掃描實(shí)驗(yàn)表明，激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)和