雷達(dá)回波信號的定時算法設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u27720雷達(dá)回波信號的定時算法設(shè)計案例 1196531.1引言 195351.2常規(guī)的定時算法 147811.2.1峰值檢測算法 1306581.2.2傳統(tǒng)回波質(zhì)心算法 2191001.2.3雙尺質(zhì)心算法 3279521.3改進(jìn)的定時算法 540251.3.1邊沿閾值定時算法 5138831.3.2匹配濾波算法 61.1引言激光雷達(dá)定時的精度關(guān)鍵在于對脈沖波發(fā)射時刻和回波接收時刻的選擇，對于激光雷達(dá)回波信號能否精準(zhǔn)定時決定了測距的精確度，一般來說定時的方法應(yīng)用最多的是兩種：恒比定時法和全波形分析法，第一種方法的原理是將回波信號分為兩部分，一部分做相位時延，另一部分做幅度衰減，再將二者相減，得到一個基準(zhǔn)脈沖，但是根據(jù)第二章誤差部分的分析，本文使用的雷達(dá)產(chǎn)品回波會有串?dāng)_導(dǎo)致信號的強(qiáng)度波動較大，接收電路的特性又會讓脈沖展寬，受到以上兩個因素的影響，恒比定時法顯然不適用于本文，在此不去深究。第二種全波形分析法，近年來得益于高速AD技術(shù)的發(fā)展，全波形分析法越來越受到大家的青睞，質(zhì)心算法，函數(shù)擬合算法常用的算法，這幾個算法優(yōu)點在于能夠利用好多個點的幅度和對應(yīng)的時間信息，在這些算法的基礎(chǔ)上，可以很好的比較不同檢測方法的精度差距。綜合評估各個算法的優(yōu)劣性。1.2常規(guī)的定時算法1.2.1峰值檢測算法圖3-1不同目標(biāo)距離的回波信號 回波脈沖波形由于受到背景光噪聲，電路噪聲導(dǎo)致波形幅度衰減，不過光束主要的能量都在波峰位置，所以如果利用初始波形與每個回波信號的峰值作為時間基準(zhǔn)，可以求出一組時延信息（如圖3-1所示），但是由此也引出一個問題，根據(jù)第二章AD采樣器可知，雷達(dá)硬件在一個激光脈沖周期內(nèi)最多能采到448個點，最小的時間精度約為111.61ps，可分辨的最小距離約為為1.3cm，采用直接對回波信號求最大值，對于同一距離測量多次數(shù)據(jù)，受到串?dāng)_的影響下，只要有些數(shù)據(jù)最大值處對應(yīng)的時間坐標(biāo)差別有一個點，那就意味著帶來了1.3cm的極差，這對于實際應(yīng)用來說是無法接受的，如果先考慮定時精度問題，可以每次測量取多次的平均值作為一次測量目標(biāo)的輸出，研究定時算法的精度問題時本文采取的是這個方法。1.2.2傳統(tǒng)回波質(zhì)心算法 質(zhì)心可以理解為圖形的質(zhì)量中心，一般利用高速的ADC采樣，根據(jù)采樣得到的幅度和時間信息，選取有效信號部分的多個采樣點，用質(zhì)心公式計算出質(zhì)心的位置并作為定時的時間基準(zhǔn)，這個算法最大的優(yōu)點是可以用到整個回波波形的信息，這樣使得誤差更小，因為像上一節(jié)提到的峰值檢測法只是單純的利用了峰值處一個點的信息，只要回波信號受到干擾導(dǎo)致了信號的偏移，那么定時的誤差就會很大，從而導(dǎo)致極差很大，傳統(tǒng)的質(zhì)心算法原理如下式(3-1)所示 Tcenter= 上式中，Tcenter—回波信號的質(zhì)心時刻，tn—回波信號選取的采樣點的時間坐標(biāo)，圖3-2各離散采樣點的時間和強(qiáng)度信息 從圖3-2可以看出Tcenter 根據(jù)第二章DTOF的計算原理，求出回波信號和發(fā)射信號的質(zhì)心時刻，Tcenter2和T D=11.2.3雙尺質(zhì)心算法 該算法是對上述傳統(tǒng)的質(zhì)心算法的一種改良，不同于傳統(tǒng)質(zhì)心算法的是，雙尺質(zhì)心算法先將波形的最大值找到，然后再最大值附近做一些處理（如圖3-3所示）圖3-3雙尺質(zhì)心算法流程圖 首先利用尋找峰值或最大值的函數(shù)找到波形的峰值時刻，選擇一個大小合適的窗，從峰值處等距向兩側(cè)滑動，做到盡量包括整個上升下降沿的包絡(luò)，在具體實驗中，可以在一定范圍內(nèi)選取時間窗的尺寸，然后仿真比較每次的效果，從而篩選出最佳窗函數(shù)尺寸，這個方法的核心就在于從峰值附近取采樣點，可以最大限度減小噪聲的影響，使精度做到更高。缺點是程序更為復(fù)雜，需要先用到之前提到的峰值檢測算法，再結(jié)合質(zhì)心算法，一定程度上來說，是上述兩個算法的結(jié)合。1.3改進(jìn)的定時算法1.3.1邊沿閾值定時算法 對不同距離處的回波信號分析就可以發(fā)現(xiàn)，信號在上升沿和下降沿線性度好，據(jù)此給出一個新的定時基準(zhǔn)的思路，以波形的上升沿和下降沿線性度好的位置作為定時的基準(zhǔn)（如圖3-4所示）圖3-4邊沿閾值定時算法流程圖對于這個基準(zhǔn)的選取，需要選擇合適的閾值，閾值分為固定閾值和自適應(yīng)閾值兩種，在進(jìn)行仿真實驗之前，不能確定哪個是更好的算法，固定閾值即對每一個回波波形，都取固定的幅值I作為基準(zhǔn)時刻，再求出與發(fā)射波形的時間差，而自適應(yīng)閾值對波形的峰峰值取一定比例，作為基準(zhǔn)時刻的幅值，自適應(yīng)的優(yōu)點是基準(zhǔn)定時的誤差不會受到回波信號幅度值衰減的影響。閾值算法還有幾個需要解決的問題，一方面，數(shù)據(jù)需要更加細(xì)化，在每個點之間再做一些插值，讓離散波形更加逼近連續(xù)波形，另一方面，對于自適應(yīng)閾值算法，最大值與最小值的比例值的選擇也是一個需要優(yōu)化的問題，自適應(yīng)閾值會存在一個最優(yōu)的比例范圍，在后續(xù)的工作中這個值需要被找到。1.3.2匹配濾波算法 對于定時的精度無非就是追求一個時間基準(zhǔn)，我們希望在這個時刻去做基準(zhǔn)使得求出的時間差誤差最小，通常我們需要基于一個準(zhǔn)則，比如在那個基準(zhǔn)時刻信噪比是最大的，這樣定時精度受到噪聲干擾是最小的。在信號處理領(lǐng)域，有一個概念叫作相關(guān)性，對于線性系統(tǒng)，假設(shè)發(fā)射信號為s(t),噪聲信號為n(t),接收信號為st+n(t),其中 Sf= E=?∞設(shè)匹配濾波器的沖激響應(yīng)為?(t),經(jīng)過匹配濾波后的輸出信號用式(3-5)表示 yt=其中輸出函數(shù)ys yst假設(shè)輸出信號在t0 yst 對于噪聲來說，平均功率為： yn2因此得到輸出信號信噪比： SNR=| 當(dāng)式(3-9)滿足最大信噪比時，有： Hf= 轉(zhuǎn)換為時域即： ht=K圖3-5匹配濾波算法流程圖 根據(jù)上述推導(dǎo)過程，當(dāng)匹配濾波器的沖激響應(yīng)h(t)滿足式(3-11)時，輸出信號的信噪比是最大的，在數(shù)學(xué)上，匹配濾波器的本質(zhì)就是對輸入信號s(t)做相關(guān)運算，在t0這個時刻，信號的各個頻率分量是同相疊加的，最后得到最大的輸出值。這個值只與信號的能量有關(guān)系。匹配濾波器具有兩方面的重要特征，從幅頻特性來看，匹配濾波器和輸入信號的幅頻特性完全一樣，這就導(dǎo)致在信號強(qiáng)的頻率