DSP文献阅读报告

DSP文献阅读报告DSP在激光测距方面的应用这次文献阅读主要阅读与数字信号处理相关的某一方面的文献。帮助我们了解数字信号处理的相关应用及工作原理，扩大知识面以及检验学生查阅文献资料的能力。我主要阅读的是数字信号处理在激光测距方面的研究及应用。从I960年美国制成世界上第一台激光器开始，激光优异的单色性、方向性和高亮度特点就引起了各界的关注。激光测距技术是目前应用较为广泛的一种激光技术，它与一般测距方法相比具有操作方便、精度高和昼夜可用的优点。目前激光测距仪分为脉冲式和连续式两种，脉冲式激光测距仪以其测程远、精度高、使用方便而得到广泛应用。与之相比，连续式测距系统近年来随着激光器技术的发展重新引起人们的关注。在民用领域，尤其是在一些读数据的实时性要求不高的系统中得到普遍的应用。小型化、智能化、高精度、对人眼安全是激光测距仪的发展方向，但是目前的测距仪普遍存在元器件多、重量较重、功耗相对较高、灵活性不够、适应能力不强、抗干扰能力不强的缺点，不利于实现整个激光测距机的一体化和小型化。由于激光测距机的脉冲极窄，发射脉冲宽度只有几纳秒，接受脉冲的宽度最大也只有二十纳秒左右，对模数转换器的采样频率的要求很高，增加了数字化的难度。由于模拟信号处理机只能针对单个的脉冲回波信号检测目标，而且难以进行虚警处理，无法充分利用脉冲之间的相关信息。所以，模拟信号处理机只能工作在大信噪比的条件下，通常信噪比大约为9--l0，使得激光测距机的探测距离大大下降。数字激光测距机不仅能进行单脉冲检测，而且很容易进行多脉冲检测。数字激光测距机在对单个激光脉冲信号进行目标检测时，能对回波信号进行匹配滤波处理、CFAR检测处理，可以提高回波信号的信噪比和检测精度。这样可以在一定的虚警概率下，获得最大的检测概率。同时，数字激光测距机还可以进行相关检测、特征匹配、匹配跟踪等数字处理。将数字处理技术和激光测距机的体制相结合，可以更大地提高了激光测距机的性能。激光相位式测距仪由于其测量精度高而被广泛地应用于军事、科学技术、生产建设等领域.相位式测距仪的基本原理是通过测量连续调幅信号在待测距离上往返传播所产生的相位延迟，来间接地测定信号传播时间，从而求得被测距离.因此，信号相位测量的精度也就决定了激光测距仪的精度。它将现代数字信号处理技术应用于测距系统，利用数字信号处理芯片的强大的数据运算功能，对采集的信号进行数字相关运算，计算出测量信号与参考信号的相位差，继而得到距离值。（1）采样频率的确定，考虑激光测距机工作特点、工程可实现性和器件市场可采购情况，模数转换器的采样频率应该为500MHz；（2）高速数字化电路的设计与实现，解决了ECL到TTL电平的转换、分频降速、数据缓存等问题；（3）高速DSP芯片的设计与实现，使全数字信号处理成为可能；（4）采用了相应的数字处理算法，降低了最小可检测信噪比，由原来的9〜10降为3，提高3倍以上。常规激光测距采用单脉冲发射方式，接收检测采用直接阈值检测方法来提取目标回波，信号检测采用模拟电路来实现。由于激光在大气中衰减非常快，在能见度较差、同时要求测距距离较远的条件下，常规激光测距常常不能满足要求。而多脉冲测距体制的回波信号数字化检测方法，能够大大提高激光测距的探测灵敏度，增大作用距离，并对回波信号数字化检测进行仿真和计算。信号数字化检测与传统模拟电路检测相比精度高、灵活性大，可靠性也相应提高。但与其他波段信号相比，脉冲激光雷达脉宽很窄，将其进行A/D转换变为数字信号较为困难。而运用高采样率高带宽的A/D器件，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。激光测距在汽车防撞系统中也有应用。车载摄像机和激光测距的汽车防撞系统可以自动测量本车与前方车辆之间的相对距离和相对速度，然后据其计算出的安全距离，进行危险判断，及时提醒驾驶员做出相应动作以避免汽车得碰撞。由摄像机标定、计算激光光斑中心解决图像立体匹配、多传感器数据融合以及数据处理系统配合完成。运动物体位置跟踪系统可用工作在红外波段的激光，测量“调制光波”往返于被测距离上相位差的方法来测定距离。利用DSP鉴相技术，通过快速傅立叶变换软件可快速实时测量运动物体的距离及其运行速度。从而实现红外激光技术对运动物体位置跟踪。根据相位移测量方法的不同，连续波激光测距可分为频率调制和幅度调制。幅度调制激光测距应用较广，测量精度高，但测程短，往往需要合作目标以提高接收回波的能力。采用红外激光技术的运动物体位置跟踪系统，能实现实时测量运动物体的距离及其运行速度，这种激光测量无传递误差，无需辅助校正开关，能极其准确地显运动物体的实际位置，通过DSP鉴相技术可获得理想的位置控制信号，实现对运动物体速度的数字化控制。一般而言，连续光波型激光测距方式的分辨率比脉冲型激光测距方式要高，但是脉冲激光测距却有以下几项优点：第一，在相同的总平均光功率输出的条件下，脉冲光波型激光测距仪可测量的距离远比连续光波型激光测距仪要长。主要是因为脉冲激光通常可以有很高的瞬间输出光功率，使较远处的目标物仍能反射回足够被检测到的光信号强度。第二，测距速度较快，脉冲激光测距只需要收到回波脉冲即结束计时，所以采取某些计时方式时，其单次测量所需要的时间非常短。反之，由于相位法所测量的是两个“连续信号〃间的相对相位差，因此在测量时间上也比较费时，这对于汽车导航激光雷达或三维影像激光雷达等必须进行高频测距的系统而言，是一项不利因素。第三，不需要合作目标，隐蔽和安全性能好。连续波激光测距通常需要合作目标来提高回波功率，而脉冲激光测距有很高的瞬时功率，不需要目标有合作性，这在很多应用环境下是非常重要的，特别是军事用途，另一个方面，脉冲波激光测距由于是瞬时发射激光脉冲，其隐蔽性和安全性均较高。由激光器对被测目标发射一个光信号，然后接受目标反射回来的光信号，通过测量光信号往返经过的时间，计算出目标的距离。设目标的距离为D，光信号往返所走过的距离即为2D，则：t=2D/c艮即D=ct/2.连续波相位式是用连续调制的激光波束照射目标，从测量光束往返中造成的相位变化，得出被测目标的距离，其测量精度高，相对误差可达百万分之一。但是，普通的相位式测距方法测程较短，需要合作目标，传统测相方法精度还达不到要求。DDS是继直接频率合成技术和锁相环式频率合成技术之后的第三代频率合成技术，电路由相位累加器(PA)，正弦查询表(LUT)，D/A转换器(DAC)和低通滤波器(LPF)几部分组成，系统时钟工为高稳晶振，其输出用于DDS中各部件同步工作。相位累加器是DDS的核心部件，他由一个W位字长的加法器和一个时钟f取样的W位寄存器组成，DDSX作时，频率控制字（FCW）K在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次，得到相位值（。〜2耳）以二进制码的形式去寻址正弦查询表ROM，将相位信息转变为相应的数字化正弦幅度值，然后再经D/A转换器实现量化数字信号到模拟信号的转变，最后经低通滤波器滤除高频成分和噪声后得到一个纯净的正弦输出信号。相位累加器在时钟信号f的作用下，以步长K进行线性相位累加，当其计数大于2“时，就产生一次溢出，这就完成了一个周期，这个周期也就是DDS输出信号的频率周期。理想DDS必须满足以下3个条件：相位累加器输出的位数无舍位，艮PB=N-M=0；正弦查询表的幅度量化值位数无穷大，艮吓应为无穷大；DAC的分辨率无穷大，系统时钟信号f无相位噪声。激光雷达是融合激光技术和雷达技术于一体的新型雷达系统。激光雷达的工作波长较短，与微波雷达相比，相差3个数量级，而且激光是单色的相干光，有极高的分辨本领和抗干扰能力，激光雷达无论是在军事上，还是民用上，都有广阔的应用前景。基于伪随机序列的激光测距技术，可将激光雷达的峰值发射功率降到几十毫瓦，激光器可以安装到普通的双目望远镜中，携带方便，峰值功率低，可以通过普通的镍铭电池实现持续测距。激光雷达是微波雷达的发展，测距原理相同，不同之处是微波波长和束宽远大于激光，瞄准误差的影响很小；而激光雷达则相反。此次文献阅读让我对数字信号处理有了新的认识，它的应用十分广泛。在激光测距技术上的应用极为广泛，相关技术也相对比较完善。脉冲式激光测距原理是用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲，光到达目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离。连续式激光测距（相位式激光测距）是用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测出光经往返测线所需的时间。激光测距就是以此为理论基础，以数字信号处理为工具展开的以研究简化操作、提高精度、提高测程、提高稳定性等问题。激光测距目前的应用相当广泛，它在大地测量、产品误差检测、路面铺设精度检测雷达等方都有应用。也让我看到了许多技术的实现都与课本上的基础知识点有关，如采用FFT技术测相，进度很高；DDS技术的使用可以解决激光连续测距中频率输出不稳定和相位抖动的问题，是测距仪的稳定性更高。因而对基础性的知识一定要弄懂、弄透，才能为以后的学习和工作打好基础。对数字信号处理的学习不仅要学好理论知识，还需要我们将它同实际中的工程问题联系在一起，才能有所收获和提升。参考文献侯建刚，，陶然，单涛，齐林.m序列在激光测距雷达中的应用.兵工学报.第26卷第1期.2005年1月平庆伟，何佩琨，赵保军，章正宇，李松山.高分辨中远程激光测距机的数字信号处理研究.激光与红外.第33卷.第4期2003年8月鲁标，孟克，潘玉恒.数字相关检测技术在激光相位测距仪中的应用.应用科技.第32卷第2期.2005年2月张海武，李松山，耿林.低信噪比激光弱小回波信号的数字化检测和仿真.第37卷第3期2007年3月周孟然、刘文清.红外激光技术在运动物体位置跟踪系统中的应用.低温与超导.第31卷、第1期2003年2月谢蕾、李季、陈吉祥、戚俊、黄正英