激光测距微弱信号检测方法研究

三峡大学

硕士学位论文

激光测距微弱信号检测方法研究

姓名：田桂平

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：万钧力

20050401

内容摘要

在激光测距系统中，光电探测器接收激光回波信号时,信号受限于光电探测元件的噪声以及背景光干扰等原因,往往淹没在噪声之中,给实际应用带来了很多的困难,因而寻找合适的信号检测方法来提高信噪比,对许多应用场合来说,都是至关重要的。

本文以激光测距回波信号为研究对象，分析信号和噪声的特性，比较不同探测方法对改善信噪比的效果，探讨以提高信噪比为目的的激光测距微弱信号检测技术。论文共六章。第一章介绍了激光测距原理，概述了激光测距技术的发展与应用，讨论了信噪比与测程的关系。

论文第二章讨论了相关检测技术在激光测距微弱信号检测中的应用。相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声,提取信号的目的。根据相关检测的原理，设计了一种基于相关检测的光电探测器的激光回波探测系统。仿真表明，对于淹没在噪声中的信号，互相关处理可以减少噪声,提高信噪比。该方法对脉冲式或相位式激光测距微弱信号检测均有效。论文第三章提出了一种用于相位式激光测距鉴相的新方法：向量内积法检相，理论仿真表明，该方法可消除信号幅值变化带来的测量影响，有很高的相位差检测精度。论文第四章介绍了信号积累技术的原理，设计了一种用于微弱信号检测的硬件电路方案，仿真表明该

m

方案的信噪改善比为m(是积累次数)。论文第五章介绍了小波变换用于激光脉冲回波微弱信号检测原理和方法，其中对小波多分辨率分析方法、小波阀值去噪算法几方面进行了详细的分析和研究；重点讨论了含噪脉冲信号的小波分解与重构，仿真表明，小波分解与重构方法能有效消除噪声。论文第六章对全文进行了总结。

关键词：微弱信号检测相关检测信号积累 小波变换

Abstract

In the laser measurement system, when the electrophotonic detector received the laser echo signal, Signal is always submerged into noise because of the noise of electrophotonic detector and background interference. It makes practical application difficult. So, it is very important for lots of practical applications to find suitable techniques to detect weak signal.

In this dissertation, to detect weak signal submerged into noise, Several technology problems of weak signal detecting of laser ranging are dealt with, and the cause and rule to producing noise is analyzed, and the features and correlation of the signal detected are studied. The focus on research effort is the laser weak signal detecting techniques for improving signal noise ratio (SNR). This dissertation has five chapters. In Chapter 1, the relationship between SNR and range is discussed, and the principle of laser ranging is introduced, the development and application of the techniques of laser ranging is descript.

In Chapter 2, the application of correlation detection to detect weak signal of laser ranging is discussed. Based on self-correlation or cross-correlation calculation, the correlation detecting technique can de-noise by means of the characteristics of signal and noise. The photoelectric detector is used to received the laser echo signal with，and the signal with the circuit designed on the basis of correlation detection is dealt with. The experimental results show that the cross-correlation can de-noise and improve SNR while the signal submerged in noise is processed by the circuit, and it fits the laser phase or pulse signal de-noising. In Chapter 3, a new way of phase detector applied to the phase difference measurement is introduced in accordance with the characteristic of phase signal and the theory of inner product. The simulation shows that it can enhance the measurement precision through eliminating the effect that is brought because of the range changing of signal. In Chapter 4, the theory of signal integration is introduced. Based on the theory, a kind of hardware circuit is designed. The simulation shows that the signal noise improved m

ratio is about m(is the integration times).In Chapter 5,the principle and approach to detect weak signal of laser ranging by wavelet transform is introduced, and multi-scale analysis and wavelet threshold de-noising is studied and analyzed detailed. The simulation shows that multi-scale analysis can de-noise effectively. In Chapter 6, the whole dissertation is generalized.

Key words: weak signal detecting correlation detection signal integration wavelet transform

三峡大学学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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引言

测距是激光最早的应用项目之一。由于激光方向性好、单色亮度高的特点，用它做光源的测距仪具有速度快、精度高、体积小、测程远等优点。

距离的测量对国防建设和国民经济的发展都有重要意义。在现代战争中，飞机、坦克、舰船、火炮以及各种轻武器上都装备了激光测距系统，这为有效打击目标提供了保证;在民用方面，气象台站、机场要求掌握云层高度:大地测量、工程建筑、大型堤坝变形的监测等要求测距精度不断提高;还有通过远程测距及卫星测距来研究大地板块的移动、预报地震、研究地球形状、地极移动、地球重力场的变化等。事实上，许多领域都在不断引用最新技术来提高测距水平。

论文的研究方向和重点放在了对激光测距机回波信号的检测和处理方法上。在理论研究基础上通过仿真实验对各种方法进行了论证，并进一步地针对具体的问题提出了新的方案。论文主要详细论述了信号积累技术、相关检测技术以及以小波变换这三种技术在激光测距机信号检测和处理中的应用。在信号积累技术中，详细讨论了基本原理和实际应用；对相关检测技术特别是对二阶互相关处理进行了研究，并做了结合实际的具体分析；近年来，流行于应用小波方法进行微弱信号检测。本文对小波多分辨率分析方法、滤波去噪算法和小波能量累积算法几方面进行了详细的分析和研究。本文对以上各种方法在matlab平台上主要以考虑信噪比的提高为指标进行了数据模拟仿真运算，得出了重要的理论研究数据和结论。

1 绪论

1.1 激光测距技术概述

1.1.1激光测距原理

激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计

量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。如果光在空气中传播在A、B 两点

间往返一次所需时间为t ，则A、B 两点间距离D 可用下列表示。

2

ct D = 由上式可知，要测量A、B 距离实际上是要测量光传播的时间t 。

根据所发射激光状态的不同,激光测距分为激光脉冲测距和连续波激光测距,后

者根据起止时刻标识的不同又分为相位激光测距和调频激光测距。

1.1.2脉冲激光测距

脉冲激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率

很大的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程；在进行几公

里的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,只是利用被测目标对脉冲

激光的漫反射所取得反射信号,也可以进行测距。

脉冲激光测距机一般由激光发射系统、激光接收系统、激光器、取样及回波探测

放大系统、电源以及计数显示电路等组成[7]。其工作原理是利用脉冲激光器向目标发

射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机

的往返时间，由此运算目标的距离。其工作过程是：首先瞄准目标，然后接通激光电

源，启动激光器，通过发射光学系统，向瞄准的目标发射激光脉冲信号。同时，采样

器采集发射信号，作为计数器开门的脉冲信号，启动计数器，钟频振荡器向计数器有

效的输入钟频脉冲，由目标反射回来的激光回波经过大气传输，进入接收光学系统，作用在光电探测器上，转变为电脉冲信号，经过放大器放大，进入计数器，作为计算

器的关门信号，计数停止计数。计数器从开门到关门期间，所进入的钟频脉冲个数，经过运算得到目标距离，在显示器上显示出来。

1.1.3相位式激光测距

相位式激光测距是利用固定频率的正弦高频信号连续调制光源的发光强度来进

行测距的。由于调制光信号在待测距离上往返传播所形成的相位延迟与被测光程成正

比，因此，只要测得返回光信号与调制信号间的相位差即可得到待测距离，实际的相

位式激光测距仪都是采用差频测相方法以提高系统的测距精度。所谓差频测相是利用

两个高频信号相混频后，其差频信号仍能保持原高频信号之间的相位差的原理，将高

频调制光信一号转换为低频信号，再对该低频信号进行测相。

相位式激光测距机一般由激光发射系统、激光接收系统、激光器、放大系统、鉴

相器、电源以及显示电路等组成，其工作过程和脉冲激光测距相似。

1.1.4激光测距发展及应用

激光测距发展情况如下：

1)接收传感器

(1)光电倍增管

光电倍增管：Photo Multiplier Tube，简称PMT，是灵敏度极高，响应速度极快，有内部增益的光探测器。文献[2]介绍了一种无配合目标测距、测厚的实验系统。该系统用用光电倍增管作探测器，可进行nW量级高频调制的微弱光信号检测。光电倍增管体积较大，限制了其在便携式测距仪中使用。

(2)光电二极管

常用于微弱、快速激光信号探测的光电二极管有两种：Si光电二极管和PIN光电二极管，这两种光电二极管没有内部增益，对于高速的光信号来说，为了保证好的频率特性，通常把负载电阻取得很小，则输出的信号电压必然很小，因此它对前置放大器的要求很高。

(3)雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。雪崩光电二极管具有内增益，大大降低了对前置放大器的要求；在最佳内增益下，雪崩光电二极管反向工作电压受环境温度、背景噪声的影响而变化。文献[65]设计了激光连续探测系统虚警数控偏压源，确保了雪崩光电二极管在激光探测系统中的应用。

2)检测方法

(1)直接探测

对直接探测系统，探测器接收的信号是脉冲信号，根据脉冲信号形式的不同又分两种:单脉冲测距和多脉冲高重频测距。文献[4]介绍脉冲测距系统的原理和方法，文献[46]介绍多脉冲高重频测距系统的设计。脉冲测距系统由于激光脉冲的能量较高，因而测程较远，但测距精度较低。

(2)相干探测

对相干探测系统，是利用固定频率的正弦高频信号连续调制光源的发光强度来进行测距的。调制光信号在待测距离上往返传播所形成的相位延迟与被测光程成正比。文献[23][40][41][42]介绍相干探测测距系统的设计。相干探测测距系统由于连续调制激光的能量较低，因而测程较短，但测距精度较高。

3)信号处理电路

(1)模拟信号处理

文献[42]介绍的测距系统，采用分立的模拟元件进行信号处理，体积较大，且模拟电路噪声影响了测距精度。

(2)数字信号处理

近年来，随着高采样率高带宽AD器件的出现和大规模数字并行处理产品的高速发展，激光测距信号数字处理技术逐渐走向实用。文献[23][40][41]设计了数字测距系统，体积较小，测距精度较高。

目前,激光测距已获得了广泛的应用:

(1)步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制双用途的激光测距机-目标指示器。

(2)坦克、步兵战车、火控、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距机－目标指示器等。

(3)对空火炮和导弹防御脉冲激光测距。

(4)机载脉冲激光测距机可装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机，用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。

(5)舰载脉冲激光测距。

(6)太空载脉冲激光测距。

(7)云高脉冲激光测距，主要用于测量机场的云层高度，也可用来测量卫星发射点的云层高度，为飞机的起降或卫星发射提供安全的气象数据。。

(8) 80年代半导体激光二极管LD技术日趋成熟,开始应用于中、短程测距雷达,它具有体积小、重量轻、结构简单、使用方便、对人眼安全、低值等一系列优点,80年代国外开始大力发展LD激光雷达,在中、短程激光雷达应用方面有取代YAG激光雷达的趋势,近年来又发展了一种便携式、对人眼安全、无合作目标、低价的适用于家庭的LD激光测距仪,既能作为望远镜又具测距功能,如1996下半年美国Bushnell公司推出了测距能力为365.76m(400码)的400型小型、轻便、省电、对人眼安全、低价的LD激光测距仪Yardage400,已被评为1997年世界一百项重要科技成果之一.1997年bushnell公司在Internet网上又推出测距能力为731.56m(800码)的800型激光测距仪.1998年美国Tasco公司测距能力为731.56m的摄像机型LasersiteLD激光测距仪.从1996年起中国光电子技术研究所与国内外合作开发了LF系列低价、省电、便携式激光测距机,测距能力达1km,测距精度小于±1m,测距能力优于美国同类的激光测距仪[4]。目前，徕卡公司推出的手持式半导体激光测距仪Disto是又一新型测距仪，它不仅体积小、重量轻，无需合作目标即可达到毫米级精度，测程已经超过200m，测距精度±2mm，且能快速准确地直接显示距离,是短程精度精密工程测量、房屋建筑面积测量中最新型的长度计量标准器具。主要用于城市道路建筑和电缆架设等工程测

量，以及打高尔夫球等娱乐活动，还可用于汽车防撞系统测距等。

由此可见，激光测距仪已经被广泛应用于电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，

警务，消防，爆破，航海，铁路，反恐/军事，农业，林业，房地产，休闲/户外运动

等领域。

1.2 激光测距关键技术进展

脉冲测量系统的测量精确度主要依赖于接收通道的带宽、激光脉冲的上升沿、探

测器的信噪比(峰值信号电流与噪声电流均方根值之比)和时间间隔测量精确度[5]。以

上主要是从激光飞行时间t 出发来考虑距离D的精度,其中的关键是如何精确稳定地确

定t 的起止时刻和精确测量,它们各自对应的是时刻鉴别单元和时间间隔测量单元，

另一方面就是大气折射率的取值精度,它受环境温度、气压及大气湍流的影响,精度一

般可以达到。双(多)波长激光测距可以避免大气对测量精度的影响t 610?[6]。

1.2.1时间间隔测量方法

时间间隔测量单元是用来测量起止信号之间的时间间隔t 。到目前为止,测量方法

主要有三种:模拟法、数字法和数字插入法。

模拟法[8]即在待测时间间隔t 内对一已知电容以一大电流进行充电,然后对其以

小电流放电(1i 2i k i =21),则放电时间为,实际测得为(图1.1)。此方法的优点是

测量精度非常高,可达皮秒量级;但由于电容充放电过程中,充放电时间之间的关系不

是绝对线性的,存在非线性现象,其大小大致为测量范围的万分之一,这就限制了测量

范围,或者说随着测量范围的增加,精度会降低;另外,电容的充放电性能受温度的影

响非常大(达

10-30ps/℃),对测量系统的温度特性要求就非常苛刻。 kt nT

图1.1 模拟法测量原理图 数字法[9]即用同步时钟脉冲对时间间隔进行计时。其优点是线性好,并与测量范

围无关。由于其测量精度主要受时钟频率所限,即它的测量精度为正负一个时钟周期。通常使用几百兆赫兹的时钟,精度为十纳秒量级;即使频率高达10GHz 的时钟,精度也

只有百皮秒,与之对应的距离为分米量级,测距精度显然非常低。数字法的时间间隔测

量误差主要来源于时钟脉冲的上升沿与测量开始和终止脉冲的上升沿之间的时间差,

可以通过采用多次测量取平均的方法来提高测量精度,但不适合于高速激光雷达等应

用。

数字插入测量方法[10]是基于数字测量的方法,它继承了数字法的测量范围大和线性好的优点,同时通过插入法提高测量精度,能够适应高速、大测量范围和高精度的应用领域。目前,已有的插入方法主要有三种:延迟线插入法(delay-line interpolation)[11]、模拟插入法(the Nutt principle)[12]和差频测相插入法(the digital dual Vernier method)[13]。

延迟线方法的突出优点是结构简单,可实现单片 集成,可在单片FPGA(现场可编程门阵列)上实现,可以做成小体积、便携式测距仪；其缺点是测量精度受限于LSB(least significant bit,为百皮秒量级)。因此,测量精度在厘米到分米之间，其误差主要来源于离散过程、延迟线集成非线性、随机变化、时间抖动四方面。

模拟插入法的优点是测量精度高(单脉冲时间间隔测量精度为10ps量级,相当于3mm测距精度),测距盲区短(在相同测距精度下),体积小[10]。模拟法的一项优势是可以通过多次插入方法大大缩小测距盲区,这是其余方法所不能实现的[14]。

差频测相方法类似于相位测距法[15]。其测量精度相对于其它两种方法为最高,但由于在开始信号的准确定位与频率稳定性方面有非常高的要求,以及测距盲区特别大,限制了其应用[10]。

1.2.2时刻鉴别方法

由于激光脉冲在空中传输过程中的衰减和畸变,导致接收到的脉冲与发射脉冲在幅度和形状上都有很大不同,给正确确定起止时刻带来困难,由此引起的测量误差被称之为漂移误差(Walk Error)[16]；另外,由输入噪声引起的时间抖动也给测量带来了误差[5]。如何设计时刻鉴别单元以达到消除或减小漂移误差和时间抖动,是脉冲激光测距的重要研究课题之一。

目前时刻鉴别的方法主要有三种:前沿鉴别(Leading Edge Discriminator，LED)、恒定比值鉴别(Constant Fraction Discriminator，CFD)和高通容阻鉴别(CR High pass Discriminator)。

前沿鉴别法是通过固定阈值方式来确定起止时刻,即以脉冲前沿当中强度等于所设阈值的点到达的时刻作为起止时刻。脉冲幅度与形状变化会引起的漂移误差,其大小还与阈值的大小有关,最大值可能接近脉冲上升时间[17]。因此,前沿鉴别法的测量误差是很大的。

恒定比值鉴别法的恒定比值如果取50%,即取脉冲上升沿中半高点到达的时刻为起止时刻,不考虑波形畸变和噪声等其它因数的影响,由幅度变化引起的误差为0,由此可见,恒定比值鉴别法能有效消除由脉冲幅度变化带来的误差[5]。

高通容阻鉴别法是将接收通道输出的起止信号脉冲通过一高通容阻滤波线路,则

原来的极值点转变为零点,以此作为起止时刻点。该方法有效地克服波形畸变和噪声

带来的误差,它的误差主要受信号脉冲在极大值附近斜率的影响[18]。据报道采用此方

法时,漂移误差能控制在±3.5ps(相当于0.5mm的测距精度)[5]。

时刻鉴别的误差除了跟所采用的鉴别类型有关外,还与激光回波脉冲波形和光电

探测器类型有关[5]。激光回波脉冲是先经接收通道的光电探测器进行光电转换和前置

放大后进入时刻鉴别单元的,光电探测器的光电转换机制以及接收通道引入的噪声和

带宽限制都将影响回波脉冲波形的完整恢复。目前经常采用的光电探测器包括光电倍

增管(PMT)、PIN光电二极管和雪崩光电二极管(APD)等。PMT是利用光电发射效应工作

的,其增益M可达105～107;PIN是利用ｐ-ｎ结的光生伏特效应制成的,但无内部增益;利用雪崩倍增效应制成的APD的增益M可达102～104,响应时间非常短(0.5ns),是高

精度微弱信号探测的首选探测器。正由于探测器的工作机理各不相同,其对光信号波

形的还原能力也不同,因此,在考虑时刻鉴别误差时,必须结合使用的探测器和时刻鉴

别类型,以及光信号波形类型分别对待[19]。

除漂移误差外,在时刻鉴别过程中还存在时间抖动,它是由于输入信号噪声和来

自接收通道的附加噪声产生的,抖动幅度还与信号脉冲上升沿宽度、信号强度、时刻

鉴别单元的带宽以及鉴别类型有关。输入到时刻鉴别单元的噪声分为白噪声和相干噪

声,它们对时间抖动的作用是不同的[20]。

1.2.3激光测距微弱信号检测技术

测程是激光测距机的重要性能指标之一，而信噪比对激光测距机测程有重要影响

[21][22]。在激光远程测距或水下、雾天等恶劣环境测距中，回波信号幅值因介质衰减而

大幅度变低，脉冲波形因介质折射、散射而畸变展宽，但散弹噪声、暗噪声以及热噪

声等噪声信号幅度和频带特性基本不变，所以目标回波淹没在噪声中，接收信噪比较

小，用传统的检测法根本无法提取目标信号，而微弱信号检测技术能解决这一问题[23]。

弱信号与噪声的区别主要包括频谱特性、统计特征等方面,而不是它们的强度差

别,这是弱信号检测关键技术的出发点[24]。

利用信号有良好的时间相关性和噪声的时间不相关性(或仅在短时间内部分相

关),对信号进行积累而对噪声不积累,把深埋于噪声中的信号提取出来,这种相关接

收提取方法是弱信号检测的基础。在激光测距中,相关接收可以通过相关检测方式来

实现[23]。经过脉冲互相关处理后,信噪比提高了m m 倍,有助于大幅度提高目前激光

雷达的测距能力和远程探测概率,有效拓宽激光测距的应用范围[23]。

信号累积法能有效地将淹没在噪声中的目标回波提取出来，经过次累积后的信噪比提高了m m 倍[25],但该方法适合于高重频脉冲测距系统；对单脉冲测距系统而言，通过增加光电传感器的数目，也可以实现信号累积。信号累积法是通过牺牲时间来提

高信噪比，因而采用信号累积法的系统实时性较差[25]。

匹配滤波理论也是激光测距微弱信号检测的一种方法。对于信号波形已知,且噪

声为白噪声或谱密度已知的色噪声，匹配滤波器是最佳线性滤波器，如果是高斯噪声，那么匹配滤波器是使输出信噪比最大意义上的最佳滤波器[27]；而当信号波形未知或噪

声为谱密度未知的加性色噪声时，匹配滤波器就不是最佳的了[28]。

高阶统计检测理论，特别是三阶相关，对激光微弱信号的检测有很好的效果[29]，

它可以弥补匹配滤波的诸多不足如带内噪声对检测性能的影响[30][31]，但高阶统计检测

门限难以确定[32][33]。

近年来在微弱信号检测中得到了广泛的应用，小波变化应用于激光雷达脉冲回波

信号处理是一种趋势。文献[34]研究了小波变换对低信噪比激光雷达回波中强干扰噪

声的有效抑制方法；文献[35]、[36]建立了一套在强噪声背景下的低信噪比雷达回波

信号的检测方法。文献[37]本文针对低信噪比激光雷达回波信号处理的实时性要求, 对其检测算法进行了改进，使得运算量大为减小，并在工程实践中得到了较好的应用。应用小波变化进行激光微弱信号检测是有前景的方法[38]。

相位式激光测距中鉴相器的设计十分重要，目前大多使用数字鉴相技术。文献[40]

介绍了离散傅里叶变换用于相位激光测距鉴相的方法，但量化误差、频谱泄漏影响了

该方法的测量精度。文献[41]介绍了将正弦波整形成方波，然后用脉冲填充计数的测量

方法，计数器误差、零点漂移和信号幅度等原因影响该方法的测量精度1±[42]。

1.3 本论文研究的意义

目前,激光测距机在直接探测基础上往往采取直接阈值检测方法来提取目标回

波。激光测距机经典信号检测一直采用模拟电路来完成,主要利用分离元件和小规模

集成电路对回波进行放大、滤波、阈值触发、整形和计数。直接探测方式与阈值检测

适宜于强光信号(信噪比>5)探测[23],而对远程目标回波存在弱信号探测难的问题。

在激光远程测距和水下、雾天等恶劣环境测距中,回波信号幅值因介质衰减而大

幅度变低,回波因介质折射、散射而畸变,但散弹噪声、暗噪声以及热噪声等噪声信号

幅度和频带特性基本不变，所以目标回波淹没在噪声中，接收信噪比较小,用传统的

检测方法根本无法提取目标信号。

激光测距探测距离方程为[23]：

()()()4121*204??????????=?L k d n s s e f A V V D KD P L λλ (1.1)

式中L 为探测距离，)(λs P 为发射功率，K 为利用效率，为光学系统接收口径，

为探测器的比探测度，为激光发散角，0D *D 1?SNR V V n s =为信噪比，为探测器面

积，为系统带宽，d A f ?()λk 为大气衰减系数。

为了提高测距机的测距能力，显然，应从测距机本身诸因素考虑，而其中某些因

素受相应条件的限制：如激光发射功率和接收光学口径受体积和重量的制约压缩激光

束散角可提高测距能力，但束散角有必须与跟踪精度匹配；光电探测器的灵敏度也是

一定的，例如采用硅雪崩光电探测器，其灵敏度为左右。所以后端的接收信号

处理系统对提高测距能力有很大影响。

W 810?设信噪比为时，可测距离为；信噪比为时，可测距离为。在其他

条件相同的情况下，由(1.1)式，得：

1SNR 1L 2SNR 2L ()()1221121212?

??????????=??L k L k e e SNR SNR L L λλ (1.2) 在能见度较好的情况下，()01.0≈λk ，则()()11222≈??L k L k e

e λλ，可得： 411212?????=SNR SNR L L (1.3) 由(1.3)式可知，通过各种手段降低有用信号的损失，抑制各种噪声的噪声水平，

提高系统信噪比，就可以有效地提高测距系统的可探测距离，问题就具体化为采用怎

样的处理手段来提高信噪比增益，进而提高对信号检测效率，提高整个系统的性能。

物理示意图如图 1.1所示。图中是信号处理器的输入信噪比；图中是信号

处理器的输出信噪比。

1SNR 2SNR

图 1.1 信噪比定义的物理示意图

现代雷达、声纳、语言通信等电子技术领域的实践已经证明信号数字化检测与传

统模拟电路检测相比具有精度高、灵活性大、易于大规模集成等优点, 可靠性也相应

提高。近年来，随着高采样率高带宽AD 器件的出现和大规模数字并行处理产品的高

速发展，激光测距信号数字处理技术逐渐走向实用。运用采样率1GHz ，带宽100MHz

的AD 器件，现已能够实现脉冲激光回波信号的高保真数字化，高速FPGA 和DSP 可以

直接通过并行算法实时处理大量数据。这样在传统模拟域中无法解决的弱信号探测问

题有望在数字域中应用飞速发展的数字处理技术加以解决[39]。

本论文所要研究的问题是：讨论激光测距微弱信号检测技术及寻求提高信号信噪

比的各种方法；寻求新的相位差检测方法，减小因零点漂移和信号幅度等原因造成的

测量误差。

1.4 本文内容安排

第一章介绍激光测距原理，发展历史及应用，分析了激光测距关键技术进展，提

出本论文所要解决的问题。

第二章讨论了相关检测技术在激光测距微弱信号检测中的应用。

相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声,提取信号的目的。根据相关检测的原理，设计了一种基于相关检测的光电探测器的激光回波探测系统。

第三章提出了相位式激光测距系统鉴相的一种新方法，基于矢量内积法的鉴相法,该方法是相关检测鉴相法的的改进。

第四章介绍了信号积累技术的原理，设计了一种用于微弱信号检测的硬件电路方案，讨论了该方案在改善微弱信号信噪比中的应用。

第五章介绍小波分析原理、阀值滤波、分解重构滤波方法，重点讨论了多尺度小波在微弱信号处理和时刻鉴别中的应用。

2 激光测距微弱信号的相关检测

2.1 相关函数

如果x(t) , y(t)是能量有限信号(单脉冲，非周期信号等)，它们的相关函数可

定义为：

(2.1)

()()()()()∫∫∞∞??∞∞

??+=?=dt t x t y dt t y t x R xy τττ()()()()()∫∫∞∞

??∞∞??+=?=dt t y t x dt t x t y R yx τττ (2.2) 式中“*”表示复数。

显然，相关函数是两信号之间时延为τ的函数。若x(t)与y(t)不是同一信号，

则它们的相关函数或称为互相关函数。如果x(t)与y(t)是同一信号，即

x(t)=y(t)。此时，它们的相关函数xy R yx R ()τxx R (或简写作()τR )称谓自相关函数。即：

()()()()()()∫∫∞

∞??∞∞??

+=?==dt t x t x dt t x t x R R xx ττττ (2.3) 在实际应用中，信号x(t) , y(t)一般是实函数而不是虚函数，上述各式仍然适

用。

若x(t)和y(t)是功率有限信号(如周期信号、阶跃函数及随机信号)那么，上述

定义的相关函数已失去意义。因为在[]+∞∞?,的区间里功率函数是不可积的。这时，

通常把这类信号的相关函数定义为：

()()()dt t y t x R T T T T xy ∫??∞→?=22

1lim ττ (2.4) ()()()dt t x t y R T

T T T yx ∫??∞

→?=221lim ττ (2.5) 及 ()()()()dt t x t x R R T T T xx ∫??∞→?==22

1lim τττ (2.6) 同样，式（2.4-2.6）也适用于x(t)和y(t)是实函数的情况。即:

()()()dt t y t x R T T T T xy ∫?∞→?=221lim ττ (2.7)

()()()dt t x t y R T T T T yx ∫?∞→?=221lim ττ (2.8)

及 ()()()()dt t x t x R R T

T T T xx ∫?∞→?==22

1lim τττ (2.9) 须注意，在上述各式所表示的互相关函数()τxy R 中，x 和y 的次序不能颠倒。

由式（2.1-2.9）可知：

()()()(ττττ?=?=??xx

xx yc xy R R R R ;) (2.10) 若信号为实函数，则式（2.10）变为：

()()()(ττττ?=?=xx xx yc xy R R R R ;

) (2.11)

所以实函数的自相关函数是时延τ的偶函数。 自相关函数用来度量同一个随机过程前后的相关性。当随机函数不包含周期性分

量时，自相关函数将从τ=0最大值开始，随τ的增加单调地下降。当:趋近无穷大时，随机函数x(t)的自相关函数趋近x(t)平均值的平方。如果平均值为零，则()τxx R 随τ

的增大而趋于零。由此可知，()0xx R 表示信号x(t)在一欧姆电阻上的平均功率，即

()()∫?∞→=T T

T xx dt t x T R 221lim 0 (2.12) 2.2 互相关检测

相关检测是上世纪40年代发展起来的一门技术，它建立在信息论和随机过程的

理论基础上。这一技术首先应用于军事上的雷达技术，然后逐渐转移到科学研究和民

用上。现在己经在各个领域内得到日益广泛的应用。例如机械震动波的频谱特性分析、弱电信息的噪声过滤、测定地震的波形和波速、生物电的测定等。

相关检测技术是应用信号周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运

算，达到去除噪声提取信号的目的，它已成为从强噪声中提取弱信号的重要手段。

图2.1为互相关检测框图。设混有随机噪声的信号：

()()()t n t s t f i i i += (2.13)

同时输入到相关接收机的两个通道，其中之一将经过延迟器，使它延迟一个时间

τ。经过延迟的()τ?t f i 和未经延迟的()t f j 均送入相乘器内，再将乘积积分后输出平

均值，从而得到相关函数上一点的相关值。如果变更延迟时间τ，重复上述计算，就

能得到相关函数()τR 与τ的关系曲线

延迟器

图2.1 互相关检测 设输入信号分别是：

()()()t n t s t f 111+= (2.14)

()()()t n t s t f 222+= (2.15)

则互相关函数为：

()()()()()[]()()[]()()()()()()()()][21lim 21lim 21lim 2121212122112112∫∫∫∫∫∫????∞→?∞→?∞→?+?+?+?=?+?+=?=T

T T T T T T T T T T T T T

T dt t n t n dt t n t s dt t s t n dt t s t s T

dt t n t s t n t s T dt t f t f T R ττττττττ (2.16)

由(2.6)式，得：

()()()()τττττ21212121)(12n n n s s n s s R R R R R +++= (2.17)

由于信号与噪声是互不相关的随机过程，如果设有信号或噪声的平均值为零(至

少噪声的平均值为零)，那么上式中的()ττ2121),(n s s n R R 均为零，又噪声前后可以认为是

互不相关的，()τ21n n R 亦为零，那么，

()()ττ2112s s R R = (2.18)

比较式(2.17)与式(2.18)，可以看出：理想情况下，互相关接收只有信号与本地信

号的相关输出，去掉了噪声项，因此它的输出信噪比高。

2.3 激光测距弱信号互相关检测技术

激光远程测距回波信号幅值因介质衰减而大幅度变低,但散弹噪声、暗噪声以及

热噪声等噪声信号幅度和频带特性基本不变,所以目标回波淹没在噪声中,接收信噪

比较小。利用信号有良好的时间相关性和噪声的时间不相关性, 通过相关检测，可以

把深埋于噪声中的信号提取出来。使用的相关检测结构如下：

图2.2 激光测距弱信号互相关检测结构

使用元光电探测器探测光信号,乘法器两个输入分别的为()()()t n t s t f 111+=，

。n ，n 分别代表两个通道中的噪声, ()()()t n t s t f 212+=()t 12()t ()t s 1代表探测器输出的

光信号。经前置放大器放大，()()t f t f 21,()t f 2经过时间延时器延迟τ后输入到乘法器

与作相关运算。

()t f 12.3.1相位式激光测距微弱信号检测

在MATLAB 中进行相位式激光测距微弱信号互相关检测仿真。在数字化的处理中，

若选定采样周期为δ，则信号表示为离散的()()δδδm n f n f ?21,，为整数。其互

相关函数表示为：

m n ,)()(21)(21

1δδδδm n f n f N m R N N

n ?=∑??= (1.19) 使用光电探测器接收激光信号后输入到相关检测电路,根据信噪比的改善情况来

验证电路的有效性,由于探测器的噪声和外部的干扰,接收到的信号几乎或者已经被

淹没在噪声中,如图 2.3所示,此信号经过检测电路,进行相关处理,最后使得信号在噪声中凸现出来, 如图2.4所示。同时由图2.4，2.5可以看到，互相关检测有很好的去噪效果。

图2.3 相位式激光测距微弱信号模型

图2.4 相位式激光测距互相关微弱信号检测效果

图2.5 相位式激光测距互相关微弱信号检测局部效果

进一步分析图2.3-2.5，结合相关仿真，可以得到以下结论：

1)互相关函数是度量两个随机过程间的相关性。

2)如果两个随机过程的发生互相独立(如信号与随机噪声)，则互相关函数将是一个常数，它等于两个随机函数的平均值的积。若其中有一个平均值是零，则互相关函数处处为零。

3)随机过程不限于由若干不规则的函数组成，它也可以由有规则的函数(如周期函数)组成。当随机函数包含周期性分量时，自相关函数内也将包含相同周期分量。而具有相同基波频率的两个周期性函数，它们的互相关函数也将保存两者所共同的基波频率以及共有的谐波分量。基波及谐波的相位为两个原函数有相位差。

4)两周期信号具有相同的频率，才有互相关函数，即两个非同频的周期信号是不相关的。

5)两个相同周期的信号的互相关函数仍是周期函数，其周期与原信号的周期相同，并不丢失相位信息。

(6)两信号错开一个时间间隔相关程度有可能最高，它反映两信号之间主传输通道的滞后时间。

2.3.2脉冲式激光测距微弱信号检测

使用光电探测器接收激光脉冲信号后输入到相关检测电路，根据信噪比的改善情况来验证电路的有效性,由于探测器的噪声和外部的干扰，接收到的信号几乎或者已经被淹没在噪声中，如图2.7上部的曲线所示，此信号经过检测电路，进行相关处理，

仿真结果如下图。

图2.6 脉冲式激光测距互相关微弱信号检测效果

图 2.6是实验中的典型情况,图上部的曲线是光电探测器的输入信号,噪声加信

号的峰峰值为2.1mV,信号的幅度为0.8mV,则噪声的峰峰值为1.30mV。输入信号

的信噪比：

s V n V SNR ())(22.4)3.18.0(log 20log 201010dB V V SNR n s ?===

信号经过相关处理电路,最终的输出如图 2.6下部的曲线所示,噪声的峰峰值为

30mV,噪声加信号的峰峰值为127mV,计算得到相关处理后输出信噪比为10.19dB。总

的信噪比的改善为14.41dB(即信噪比提高了14dB 以上)。

改变输入的信噪比,得到在不同情况下输出信噪比的改善如表2.1所示。

表2.1 不同输入的信噪比情况下互相关检测信噪比改善 输入次数

输入信噪比 信噪比改善dB 输入次数输入信噪比 信噪比改善dB 1

0.25 44.13 6 0.7 11.65 2

0.42 24.98 7 1.09 7.13 3

0.50 20.78 8 1.29 5.71 4

0.54 17.32 9 1.33 5.26 5

0.62 14.41 10 1.67 4.48