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基 于 数 字 信 号 处 理 的 脉 冲 激 光 测 距 技 术 汽 车防 撞 应 用 的 方 法王 志 辉 *北 京 理 工 大 学 航 天 科 学 与 工 程 学 院中 国 北 京 市 中 关 村 南 街 5 号 ， 1 0 0 0 8 1简 介 ：针 对 汽 车 防 碰 撞 应 用 设 计 并 实 施 了 激 光 雷 达 系 统 。 为 了 减 少有 雾 ， 多 雨 和 多 雪 的 天 气 对 激 光 检 测 的 影 响 ， 采 用 了 数 字 信 号 处 理 方 法 。 多 脉冲 相 干 平 均 算 法 用 于 将 回 声 的 信 噪 比 提 高 N 倍 。 采 用 相 关 检 测 算 法 来 估 计 飞 行时 间 。 多 时 间 延 迟 相 关 方 法 用 于 改 善 飞 行 时 间 估 计 分 辨 率 。 实 验 结 果 表 明 ， 本文 的 数 字 信 号 处 理 方 法 可 以 减 少 恶 劣 天 气 条 件 的 影 响 ， 并 获 得 高 范 围 精 度 。关 键 词 ： 汽 车 防 碰 撞 ， 距 离 测 量 ， 激 光 测 距 ， 激 光 雷 达 ， 飞 行 时 间 估 计 ， 数 字信 号 处 理 ， 弱 信 号 检 测 ， 相 关 检 交 通 事 故 频 繁 发 生 ， 随 着 汽 车 数 量 和 速 度 的 增 加 。 安 全 驾 驶 越 来 越 受 到 关 注 ，汽 车 防 撞 系 统 的 研 究 也 变 得 越 来 越 热 。 汽 车 防 碰 撞 系 统 采 用 毫 米 波 雷 达 或 激 光 雷达 检 测 前 进 车 辆 ， 障 碍 物 ， 行 人 和 测 量 物 体 的 距 离 。 当 距 离 小 于 安 全 距 离 时 ， 系统 自 动 警 告 驾 驶 员 或 制 动 器 。 因 此 ， 在 恶 劣 的 天 气 条 件 例 如 雨 天 ， 雪 天 ， 雾 气 中的 驾 驶 安 全 性 增 强 ， 并 且 可 以 避 免 交 通 事 故 。 与 毫 米 波 雷 达 相 比 ， 激 光 雷 达 的 主要 优 点 是 更 成 熟 ， 可 靠 ， 更 便 宜 。 然 而 ， 激 光 雷 达 的 缺 点 是 其 不 能 穿 透 雨 和 雾 ，并 且 还 存 在 关 于 使 用 高 功 率 脉 冲 激 光 器 的 眼 睛 安 全 的 问 题 ， 因 此 激 光 雷 达 长 时 间没 有 遇 到 汽 车 制 造 商 的 良 好 意 见 。 最 近 ， 随 着 激 光 二 极 管 ， 光 电 探 测 器 以 及 信 号处 理 技 术 的 制 造 技 术 的 进 步 ， 汽 车 激 光 雷 达 的 弱 点 被 克 服 。 一 些 公 司 如 姆 龙 汽 车 电 子 ， 大 发 已 经 开 发 了 先 进 的 汽 车 激 光 雷 达 ， 它 们 的 性 能 与 达 一 样 好 1本 文 针 对 汽 车 防 碰 撞 应 用 设 计 并 实 现 了 m 数 字 激 光 雷 达 系 统 。 通 过比 较 和 m 激 光 ， m 激 光 对 眼 睛 是 安 全 的 ， 其 检 测 和 穿透 雾 的 能 力 更 强 。 系 统 采 用 高 速 模 数 转 换 器 （ 对 脉 冲 回 波 信 号 进 行 采 样 ，然 后 采 用 数 字 信 号 处 理 方 法 进 行 信 号 预 处 理 和 飞 行 时 间 估 计 。 实 验 结 果 表 明 ，弱 回 波 信 号 的 检 测 能 力 增 强 ， 系 统 的 测 距 精 度 提 高 。 因 此 ， 数 字 激 光 雷 达 系 统在 恶 劣 天 气 条 件 下 的 性 能 得 到 提 高 。 激 光 雷 达 系 统 概 述 。 作 原 理汽 车 激 光 雷 达 系 统 的 工 作 原 理 如 图 1所 示 。 当 前 方 车 辆 离 小 于 报警 范 围 ） 时 ， 系 统 警 告 驾 驶 员 减 速 ; 当 范 围 R 小 于 制 动 范 围 ） 时 ， 系 统 警告 驾 驶 员 自 动 制 动 或 制 动 。图 激 光 雷 达 系 统 的 工 作 原 理基 于 激 光 脉 冲 的 发 送 之 间 的 经 过 时 间 计 算 前 行 车 辆 驶 距 离接 收 反 射 光 4。 已 知 激 光 脉 冲 以 光 速 c（ m / s） 行 进 并 测 量 激 光 脉 冲 t 的 飞行 时 间 ， 范 围 R（ m） 由 下 式 给 出R=c t/2 (1)激 光 雷 达 测 距 方 程 是 设 计 系 统 和 评 估 系 统 性 能 的 基 础 。 假 设 目 标 大 于 光 束 并 且具 有 朗 伯 反 射 分 布 ， 则 等 式 为 5 (2)注 解 ： 瓦 为 单 位 接 收 的 功 率 瓦 特 为 单 位 传 输 的 功 率t=传 输 光 学 效 率 r=接 收 光 学 效 率 =反 射 率 D=入 口 瞳 孔 直 径 以 米 为 单 位 a=大 气 透 射 系 数 （ 单 程 ） = R), =大 气 衰 减 系 数 ， 单 位 为 围 以 米 为 单 位从 等 式 （ 2） 可 以 看 出 ， 几 个 因 素 影 响 激 光 雷 达 系 统 的 性 能 。 一 般 来 说 ， 什么 时 候 研 究 性 能 ; 激 光 雷 达 测 距 方 程 通 常 以 信 噪 比 （ 功 率 ） 的 形 式 表 示 ：信 噪 比 =(t)2=( t)2(ttt )2 (3)注 解 ： 瓦 特 为 单 位 的 噪 声 等 效 功 率 ， 它 被 解 释 为 加 性 噪 声 的 高 斯 分 布 的标 准 偏 差 。 检 测 器 和 前 置 放 大 器 中 的 噪 声 组 合 在 一 起t th (4)注 解 ： 测 器 的 噪 声 等 效 功 率 置 放 大 器 的 噪 声 等 效 功 率等 式 （ 3） 将 信 噪 比 （ 与 给 定 硬 件 参 数 ， 天 气 条 件 和 目 标 特 性 的 范 围 相 关 联 。 估 激 光 雷 达 系 统 的 性 能 的 重 要 参 数 。检 测 的 概 率 是 另 一 个 重 要 参 数 ， 基 于 使 用 匹 配 滤 波 器 的 白 噪 声 中 的 脉 冲 检 测 ， 检测 的 概 率 是 t t(5)注 释 ： 测 概 率 x） =单 向 误 差 函 数 值 - 噪 声 比 ， 表 示 如 下 ：t浔 tt (6)注 释 ： =脉 冲 宽 度 ， 均 误 报 率 = 脉 冲 误 报 率 ， 光 脉 冲 重 复 频 m 激 光 雷 达 之 间 的 比 较通 常 ， m 激 光 雷 达 仅 在 良 好 的 可 见 度 条 件 下 具 有 协 作 障 碍 才 表 现 出 良好 的 性 能 ; 为 了 检 测 非 合 作 障 碍 并 改 善 恶 劣 天 气 条 件 下 的 性 能 ， 需 要 外 的设 备 6， 并 且 引 起 眼 睛 安 全 的 问 题 。 与 m 激 光 器 相 比 ， m 激 光 器 对眼 睛 安 全 ， 雾 化 能 力 更 强 ; 因 此 允 许 的 发 射 激 光 脉 冲 能 量 增 加 ， 并 且 提 高 了 低 可见 度 的 检 测 能 力 。从 等 式 （ 2） 可 以 看 出 ， 大 气 效 应 限 制 了 激 光 雷 达 系 统 的 性 能 。 双 向 大 气 透 射 系数 =2R) (7)注 解 ： 大 气 衰 减 系 数 为7= q(8)注 解 ： =激 光 波 长 （ m） 见 距 离 （ km）q=散 射 颗 粒 的 尺 寸 分 布= 见 度 （ 50公 里 ）= 平 均 可 见 度 （ 650低 可 见 度 （ 6公 里 ）图 2示 出 了 对 于 器 的 双 向 大 气 透 射 因 子 对 范 围 的 图 ， 因为 可 见 距 离 这 表 示 中 度 有 雾 的 天 气 条 件 。 从 图 2 可 以 看 出 ， 的 雾 能 力 比 强 。比 较 雷 达 之 间 的 检 测 能 力 ， 以 检 测 低 反 射 的 行 人 在 中 度 有 雾的 天 气 条 件 （ 可 见 距 离 R v = 中 具 有 高 概 率 （ P d =P 10。如 激 光 脉 冲 宽 度 =100激 光 脉 冲 重 复 频 率 0从 公 式 （ 5） 和 式 （ 6） ，所 需 的 算 ， 2如 图 3所 示 ， 水 平 线 是 实 现 高 概 率 所 需 的 信噪 比 。 用 作 雷 达 的 检 测 器 。噪 声 等 效 功 率 的 器 ） 为 8 (9)注 释 ： 以 单 位 的 声 等 效 功 率 ， 单 位 的 噪声 带 宽 。前 置 放 大 器 （ 放 大 器 ） 的 噪 声 等 效 功 率 为 9tt (10)注 释 ： k=玻 尔 兹 曼 常 数 T=温 度 以 开 尔 文 计N=前 置 放 大 器 的 噪 声 因 子 应 性 载 电 阻 = 1/2 =噪 声 带 宽 （ C= 容从 公 式 （ 3） （ 4） （ 8） （ 9） （ 10） ， 可 以 得 到 雷 达系 统 的 具 有 以 下 参 数 ：0W； ; = m)或 m) 基 于 行 人 为 目 标 ；D=v=k=0;T=295K(22C);N=2;C=1=35 z =10 / ( 或 0 /( ( 9A/W(图 3是 出 于 对 雷 达 系 统 的 的 图 ， 其 中 可 见 距 离 以 概 率 （ P d=P 10 ， 所 需 的 12从 图 中 可 以 看出 ， 最 大 检 测 雷 达 系 统 的 射 程 约 为 150m， 而 对 于 光 雷 达系 统 则 为 200m。 理 论 比 较 结 果 表 明 ， 在 恶 劣 的 天 气 条 件 下 ， 雷 达的 检 测 能 力 更 强 。 所 以 ， 开 发 雷 达 可 以 提 高 低 能 见 度 的 性 能 ， 如 雾条 件 ， 如 果 先 进 行 采 用 信 号 处 理 方 法 ， 可 以 进 一 步 提 高 性 能 。 字 激 光 雷 达 系 统 施 工如 图 4所 示 ， 激 光 雷 达 系 统 由 以 下 三 个 部 分 组 成 ： 变 送 器 驱 动脉 冲 参 考 信 号 并 发 射 脉 冲 激 光 ; 接 收 器 ， 其 聚 集 反 射 光 ， 经 历 光 电 对 话 和 弱 脉 冲信 号 放 大 ; 信 号 处 理 系 统 ， 其 通 过 高 采 样 脉 冲 回 波 信 号 并 通 过 数 字 信 号 处 理 方 法进 行 信 号 预 处 理 和 飞 行 时 间 估 计 。 信 号 处 理 系 统 基 于 现 场 可 编 程 门 阵 列 （ 数 字 信 号 处 理 器 （ 。 于 完 成 时 序 控 制 功 能 ， 如 激 光 脉 冲 参 考信 号 生 成 ， 高 速 ， 数 据 缓 冲 和 中 断 信 号 产 生 。 实 现 信 号 预 处理 和 飞 行 时 间 估 计 算 法 。图 4. 激 光 雷 达 系 统 框 激 光 雷 达 系 统 的 工 作 原 理 如 下 ： 脉 冲 参 考 信 号 ，脉 冲 宽 度 为 100重 复 频 率 为 10激 光 驱 动 电 路 放 大 脉 冲 参 考 信 号 控 制二 极 管 激 光 器 发 射 脉 冲 激 光 ， 然 后 传 输 光 学 器 件 成 形 激 光 光 束 窄 波 束 和 向 前 传 输 。接 收 光 学 器 件 会 聚 从 反 射 物 体 反 射 回 来 的 光 ， 光 电 检 测 器 将 其 转 换 为 电 流 脉 冲 信号 ， 然 后 跨 阻 抗 放 大 器 转 换 弱 电 流 脉 冲 信 号 转 换 成 电 压 脉 冲 信 号 ， 可 变 增 益 放 大器 进 一 步 放 大 适 合 的 电 压 脉 冲 信 号 入 电 压 范 围 。 在 产 生 激 光 脉 冲 参 考信 号 的 同 时 ， 脉 冲 回 波 信 号 在 200 频 率 下 在 制 下 ， 据 存 储 在 其 内 部 随 机 存 取 存 储 器 （ ， 当 需 要 采 集 数 据 时 ， 中 断 并 读 取 数 据 ， 并 实 现 多 脉 冲 相 干 平 均 算 法 以 增 加 脉 冲的 信 号 ， 然 后 采 用 相 关 检 测 方 法 估 计 飞 行 时 间 ， 进 一 步 提 高 分 辨 率 通 过多 次 延 迟 相 关 法 来 估 计 飞 行 时 间 。 回 波 信 号 采 样采 用 了 具 有 10位 分 辨 率 和 100 频 率 的 双 通 道 脉 冲 回 波 信号 被 采 样 交 替 地 由 通 道 在 反 相 时 钟 的 控 制 下 ， 并 且 等 效 采 样 频 率 加 倍200工 作 原 理 如 图 5所 示 。交 替 采 样 对 时 钟 的 时 间 序 列 是 严 格 的 ， 交 替 采 样 的 反 相 时 钟 信 号 是 由 。 然 后 采 样 的 数 据 存 储 在 部 抽 样 控 制 原 则 和 数 据 通过 冲 如 图 6所 示 ， 并 且 该 过 程 由 编 程 实 现 。 如 如图 6所 示 ， 入 时 钟 频 率 为 50两 个 100 时 钟 由 片 上 产生 锁 相 环 （ 。 双 通 道 钟 和 数 据 连 接 到 和 采 样 的 数 据 存 储 在 个 因 为 双 通 道 或 者 ， 采 样 数 据 应 当 由 总 线 控 制 器 重 新 组 合 。 当 总 线 地 址 为 偶 数 时 ， 数 据为 输 出 通 道 A; 当 总 线 地 址 为 奇 数 时 ， 输 出 通 道 据 。图 钟 并 行 采 样 示 意 图图 高 速 原 理 冲 相 关 平 均从 图 2和 图 3可 以 看 出 ， 尽 管 雷 达 在 有 雾 天 气 下 的 性 能 优 于 雷 达 ， 随 着 距 离 的 增 大 ， 大 气 衰 减 变 得 严 重 ， 脉 冲 回 波 信 号 弱 有 时 甚至 淹 没 在 噪 音 。 为 了 提 高 脉 冲 回 波 信 号 的 多 脉 冲 相 干 平 均 算 法 。 多 脉冲 相 干 平 均 算 法 的 基 本 原 理 是 ： 对 多 个 脉 冲 回 波 进 行 采 样 高 速 然 后 对 应于 它 们 的 相 对 位 置 累 积 采 样 值 。脉 冲 回 波 信 号 可 表 示 如 下 ：x(t)=As(t)+w(t) (11)注 释 ：s(t)= 归 一 化 脉 冲 信 号 A=脉 冲 回 波 信 号 的 幅 值 W(t)= 零 均 值 高 斯 白 噪 声 及 其 均方 根 值 冲 回 波 被 采 样 ， 如 果 每 个 回 波 中 有 样 点 ， 采 样 间 隔 为 t， 则 值 为脉 冲 回 波 i（ i = 0,1， .， 中 的 采 样 点 j（ j = 0,1， .， t t t t(12)注 释 ：t 冲 回 波 样 开 始 时 间 ， 并 且 需 要 不 同 脉 冲 回 波 的 采 样 开 始 时 间同 样 ， （ 12） 可 以 简 写 为 ：t t （ 13）当 脉 冲 回 波 的 样 值 分 别 与 最 后 脉 冲 回 波 的 样 值 相 加 并 相 加脉 冲 回 波 已 被 采 样 和 累 积 ， 点 干 平 均 值 为 tt t tt t (14)等 式 （ 14） 可 以 进 一 步 写 为 tt t t(15)图 7。 多 脉 冲 相 干 平 均 算 法 的 实 验 结 果输 入 功 率 ） 定 义 为tt(16)然 后 输 出 功 率 ） 17）从 等 式 （ 17） ， 可 以 看 出 脉 冲 回 波 信 号 的 多 脉 冲 处 理 后 提 高 干 平均 算 法 。 多 脉 冲 相 干 平 均 算 法 的 实 验 结 果 如 图 7所 示 ; （ a） 是 高 速 的脉 冲 回 波 信 号 图 ， 噪 声 高 ; （ b） ， （ c） 和 （ d） 是 处 理 结 果 当 相 干 平 均 时 间 N=10,50,100时 ， 从 图 7可 以 看 出 ， 脉 冲 回 波 信 号 的 改 善 逐 渐 作 为 相 干 平均 次 数 增 加 。 然 而 ， 处 理 时 间 随 着 相 干 时 间 变 长 增 加 。 因 此 ， 选 择 相 干 平 均 时间 是 和 处 理 时 间 之 间 的 折 衷 。 时 间 估 关 检 测从 等 式 （ 1） ， 可 以 看 出 目 标 范 围 是 基 于 飞 行 时 间 估 计 来 计 算 的 。 和 测 距 精度 主 要 取 决 于 飞 行 时 间 估 计 精 度 。 有 几 种 飞 行 时 间 估 计 方 法 ： 前 沿 检 测 ， 过 零检 测 ， 峰 值 检 测 ， 恒 定 分 数 检 测 和 相 关 检 测 10 与 其 他 检 测 方 法 相 比 ， 相 关检 测 是 性 能 最 好 的 ， 受 影 响 较 小 噪 声 12。 在 本 文 中 ， 相 关 检 测 方 法 用 于 估 计 飞行 时 间 。脉 冲 回 波 信 号 的 数 学 模 型 可 以 表 示 为t=Aswn 0 t (18)注 释 ： 间 延 迟 上 的 采 样 点 ， 样 长 度 ， 其 他 参 数 与 公 式 （ 11） 相 同 。相 关 检 测 方 法 使 用 互 相 关 函 数 r（ k） 的 峰 值 位 置 作 为 估 计 00=k) r(k)= tt tt (19)计 算 范 围R= 0 (20)注 释 ： 行 时 间 估 计 ， 是 采 样 间 隔 。从 等 式 （ 20） 可 以 看 出 ， 通 过 相 关 检 测 方 法 的 测 距 分 辨 率 取 决 于 采 样 频 率 的高 采 样 频 率 提 供 更 好 的 范 围 分 辨 率 。 在 本 文 中 使 用 200飞 行时 间 估 计 分 辨 率 为 5测 距 分 辨 率 为 以 提 高 测 距 分 辨 率 此 外 ， 采 用 具有 更 高 采 样 频 率 的 种 选 择 ， 但 问 题 是 电 路 变 的 复 杂 了 ， 难 以 实 施 ， 成本 高 。 因 此 本 文 提 出 了 多 次 延 迟 相 关 方 法 以 改 进 测 距 分 辨 率 而 不 使 用 较 高 采 样频 率 时 延 相 关 法通 过 相 关 检 测 方 法 的 飞 行 时 间 估 计 是 计 算 互 相 关 峰 的 位 置 。 什 么 时 候 飞 行时 间 是 采 样 间 隔 的 整 数 倍 ， 可 以 采 样 互 相 关 峰 值 ; 否 则 ， 邻 居 的 峰 值 被 采 样 ，并 且 产 生 飞 行 时 间 估 计 误 差 。 如 果 互 相 关 峰 延 迟 了 峰 值 可 以 被 采 样 的 某 些 时 间 ，则 延 迟 的 特 定 时 间 可 以 修 改 由 以 下 引 起 的 飞 行 时 间 估 计 误 差 采 样 。 延 迟 互 相 关函 数 是r(k+d)= tt ttt= tt t t t (21)注 释 ： 定 时 间 延 迟 ， 并 且 小 于 采 样 间 隔 。从 等 式 （ 21） 可 以 看 出 ， 计 算 延 迟 互 相 关 函 数 ， 只 需 要 延 迟 参 考 信 号 为 时 间 d， 然 后 计 算 互 相 关 。Sdn=s rd(k)=r(k+d), 那 么 方 程 （ 21） 可 以 表 示 如 下 ：rd(k)= tt tt （ 22）当 d=0, 延 迟 参 考 信 号 为 如 图 8所 示 。图 8多 时 延 相 关 法 原 理 图延 迟 互 相 关 函 数 是 tt tt tt tt tt ttt (2 3 )如 果 延 迟 互 相 关 函 数 的 最 大 值 为 , 则 飞 行 时 间 估 计 0+a (24)从 等 式 （ 24） 中 可 以 看 出 ， 基 于 相 关 性 将 飞 行 时 间 估 计 分 辨 率 提 高 测 方 法 。在 本 文 中 ， 使 用 了 5个 延 迟 参 考 信 号 ， 并 且 飞 行 时 间 估 计 分 辨 率 为 提 高 5倍 。 当 样 频 率 为 200 采 样 间 隔 =5然 后 是 飞 行 时 间 通 过 多 时 延延 相 关 法 提 高 的 估 计 分 辨 率 为 1测 距 分 辨 率 提 高 到 实 验 结 果目 前 ， 已 经 进 行 了 室 内 短 程 测 量 实 验 来 验 证 多 脉 冲 相 干 平 均 值 算 法 和 飞 行 时间 估 计 算 法 ， 目 标 是 白 墙 。 如 图 9所 示 ， 结 果 是 显 示 在 德 州 仪 器 成 开 发环 境 在 每 个 图 中 ， 上 面 是 激 光 脉