基于PPM调制的光通信定位精度改进

刁红翔;常丽敏

【摘 要】随着测量技术的发展,光通信定位技术的应用也日益广泛.为了有效提高激光定位的精度,文中基于PPM调制技术对现有的激光定位系统进行了理论上的改进,并利用光斑阈值控制单元对目标返回的激光脉冲进行了背景光和能量较弱区域的滤除,从而进一步锁定目标的中心位置. 【期刊名称】《通信电源技术》 【年(卷),期】2017(034)001 【总页数】2页(P95-96)

【关键词】PPM调制;激光定位;光斑阈值控制 【作 者】刁红翔;常丽敏

【作者单位】空军航空大学,吉林长春130022;空军航空大学,吉林长春130022 【正文语种】中 文

对于典型的激光通信定位系统，其基本思想是通过光斑定位装置对被测目标进行远距离非接触式测量，然后以接收装置中光斑位置的变化定量的显示出目标的位移量。为了提高定位的距离和精度，通常对激光束进行调制，在众多调制方案中，针对定位技术的特点，考虑选用脉冲相位调制(PPM)技术进行激光的调制，因为这种技术结合了脉冲调制法的能量集中，传输距离远以及相位调制法的测量精度高的优点，能够有效改善定位的效果，然后再利用光斑阈值控制法对目标反射光斑的能量中心进行锁定，从而进一步提升定位的精度。

1.1 硬件结构

激光定位系统是完成激光产生与接收，以及后序信号处理和目标位置确定的硬件环节，主要由激光发射器、PPM调制单元、被定位目标、光斑阈值控制单元、信号接收模块和处理显示模块组成。 1.2 基本原理

在定位过程中，首先需要将激光发射端发射的激光脉冲分成两部分。其中的一小部分激光在系统自带的参考光路中触发计数器使其开始计数；而另一部分激光(主要)进行目标锁定照射。定位目标反射的激光光斑经过光斑阈值控制单元处理后被信号接收器接收，与此同时计数器终止计数，所计脉冲个数乘以时钟周期就是脉冲串的传播时间[1]，由此可求得被定位目标到激光器的距离。在被测目标反射激光回路中，通过光斑阈值控制单元将激光器的指向精确控制在反射光能量最集中的区域，也就是目标上光斑的中心区域。然后由信号处理模块将反射光的方位与基准方位进行比对和计算，由显示模块将最终的目标位置(包括距离、方位角)显示出来，从而获得目标相对准确的位置信息。 2.1 脉冲相位调制

在众多调制方案中，利用PPM调制进行定位有很多优点：首先PPM调制不需要控制脉冲的幅度和极性，而仅需要用不同的数据代表不同的脉冲位置，这样就能方便地对脉冲进行调制解调；其次其功率利用率高、传输效率高、能量集中、抗干扰能力强，这些特点使得PPM调制比较适合进行远距离激光测距定位和通信活动[2]。 基于通信原理，可以通过单个L位的PPM调制信号传送的信息量log2L得到其符号间隔(码元速率)为T=(log2L)/Rb(Rb为码元速率)，而每个间隔又被划分为相邻时隙宽度为T/L的L个时隙。根据PPM的调制原理，当需要发送的信息量为log2L时，光发射机只在其中的一个时隙内发送脉冲，而其余的时隙不发送脉冲，因此就可以通过控制数据信息位和调整传输符号率来准确掌握激光脉冲的位置和发

射距离，从而准确地测量目标距离[3]。而且通过改变输入数据的组合还可以改变激光编码的时隙位置和相邻脉冲间的间隔，这样方便将定位技术应用在距离激光源不同位置的目标上，通过目标的远近不同灵活地选取输入的二进制调制码元，从而达到最理想的测距效果。 2.2 光斑阈值控制

在外场进行激光定位时，如果条件稍有不利，就有可能导致激光在传播过程中出现成像质量较差，光斑亮度不够，噪声较大，以及光斑不易从背景中提取等诸多的不利因素，这都在一定的程度上影响了激光定位的精度。因此，必须采用有效的方法对光斑进行提取以及快速准确识别光斑中心。

不论外界条件如何，一定有这样的规律，就是距离光斑的中心越近，光斑的能量也就相对集中，但这也使得光斑的相对能量显著降低，不易于对背景进行区分。这种情况下，可以使用光强敏感型的滤光薄膜，通过选择合适的光强阈值来滤除光斑外围(包括背景)能量较低的辐射区域，而只让靠近中心的能量相对集中的区域通过滤膜进入探测器。从而有效地排除背景的干扰，初步缩小光斑的探测范围，将光斑中心的位置限定在一个相对较小的区域。

在此基础上，通过设定阈值对光斑进行分割可以进一步锁定光斑中心位置。而目前常用的阈值设置方法有固定阈值法和自适应阈值法。固定阈值法只有一个设定阈值，使用起来不够灵活，因此利用率不高。而自适应阈值法能够在算法控制下，根据光斑的亮度情况自行计算并调整阈值的大小，从而较好地应对各种复杂环境和突发情况，有效提高光斑的图像分割精度，是一种比较理想的阈值控制方法。在利用自适应阈值法锁定光斑中心的过程中可以充分结合光斑形状、大小等特点，因为在对激光光斑进行阈值分割后，除去包含在光斑内有效的激光像点，其它像素点的灰度值都可以看做0，所以就可以通过计算光斑区域中每一行和每一列的像素灰度值之和来有效确定光斑中心的位置[4]。通过行和列最大值的锁定相交，即可将光斑最亮

的部分定位，这也就是光斑的中心。当然这一系列的过程都由光斑阈值控制单元完成，最后即可由此获得目标的方位角和距离信息。

本文在激光定位技术的基础之上，提出了利用PPM调制技术和光斑阈值控制法来进一步提升定位的精度。首先，利用PPM对激光信号进行高效调制，然后在目标反射激光的探测回路中，采用阈值控制单元进行光斑能量中心的解算和锁定，将光斑中心集中在一个相对较小的区域，以便于后续的测量和计算。本文所提方法从理论的角度分析了提升激光定位精度的措施，就其效果而言，该方法能够在一定距离内对静止目标进行高精度的有效定位；但考虑到实际中的目标往往处于不断变化的状态，而且其表面材质和外界的环境因素也都比较随机，因此不一定适用于所有的情况，更加有效的定位手段还有待进一步的研究论证。

【相关文献】

[1] 智 强,霍玉晶,巩 柯.手持激光测距仪及其发射电路[J].激光与红外,2013,43(5):532-533. [2] 李 洋.大功率半导体激光器调制技术研究[D].长春：长春理工大学,2013.

[3] 郝子强,李洪祚,赵 婷.激光通信中PPM调制性能研究[J].半导体光电, 2014,35(2):321-322. [4] 王杰飞,刘洁瑜.一种改进的激光光斑中心亚像素定位方法[J].激光技术,2015，39(4)：477.