一种应用在机载激光雷达中的信号处理系统架构的制作方法

在机载激光雷达中，采用本发明所提出的信号处理系统架构，可以有效解决近海探测过程中的大动态范围微弱光信号提取问题。

背景技术：

机载激光测深技术是集成激光、全球定位与导航、自动控制、航空、计算机等前沿技术，以飞机为搭载平台，采用扫描测量方式从空中发射激光来探测水深的先进测深方法。该技术是实施快速高效浅海、岛礁、暗礁及船只无法安全到达水域水深测量最具发展前途的手段之一，具有精度高、覆盖面广、测点密度高、测量周期短、低消耗、易管理、高机动性等特点。机载激光雷达具有高精度、高分辨率的特点，与传统的船载声学测深方法相比，具有灵活机动、快速高效和全覆盖的特点^[1]。

海水对光的吸收性决定了532nm左右波长的激光具有穿透海水实现机载激光测深的功能。机载激光水深测量系统适合的海水深度一般在50m左右，激光从海面传播到海底只需0.223μs，要识别间隔时间如此短的两个激光回波信号非常困难。为准确分辨出海面信号和海底信号，进而求解回波时间，除了要保证信号具有较高的信噪比，也要有较高的水深提取精度^[2]。采用全波形分析的高速多通道数字采集技术可以有效解决此问题。

一般情况下海底反射信号与海面反射信号的动态范围可达10³。对于50～60m的测深距离，如果考虑到海水的浑浊度、海底底质、海况因素、观测时间以及海水深度的差异等因素，激光回波信号的动态范围可达10⁷，甚至更高^[3]。这给高速采集系统的设计以及回波时间的准确提取带来困难。

[参考文献]

[1]翟国君，吴太旗，欧阳永忠等；机载激光测深技术研究进展[J]，海洋测绘，2012,32(2):67-71。

[2]翟国君，黄谟涛，欧阳永忠等；机载激光测深系统研制中的关键技术[J]，海洋测绘，2014,34(3):73-76。

[3]时振伟，阳凡林，刘翔等；用简述机载激光测深系统及其在海底底质分类中的应用[J]，中国水运月刊，2013(10):292-295。

技术实现要素：

解决机载激光雷达在近海探测时的大动态范围微弱光信号提取问题。提出了一种应用在机载激光雷达中的高速信号处理系统架构，用来有效解决大动态范围微弱光信号的提取问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种应用在机载激光雷达中的信号处理系统架构，包括FPGA、PMT探测器和跨阻放大器，所述PMT探测器将探测到激光回波信号转化成电流信号；光电流经过所述跨阻放大器转化成模拟电压信号，所述跨阻放大器输出的模拟电压信号分为A、B和C三路，其中：A路信号经过滤波后进入高增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述高增益放大器包括依次相连的可变增益放大器和固定增益放大器；B路信号经过滤波后进入中增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述中增益放大器包括可变增益放大器；C路信号经过滤波后进入低增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述低增益放大器包括固定增益放大器；上述A、B、C三路输出的模拟电压信号分别通过一ADC转换成数字信号，所述数字信号即为海底ADC输出信号的时刻值；所述FPGA接收来自海陆线扫测高系统的海面数据、海底ADC输出信号的时刻值以及线扫系统的电本振信号，从而实现门控电路的控制以及海底距离的测算，与此同时，所述FPGA还与传输板卡上的FPGA互连实现数据的传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

海洋测绘是一切海洋开发活动的基础，海底地形测量是海洋测绘最基本的任务之一。当前海底地形测量主要通过装载在测量船上的回声测深设备实施。因此，测量速度受到很大限制。尤其是在沿岸的浅水区域机动性差、应急保障困难。鉴于机载激光测深技术具有高精度、高分辨率、灵活机动、快速高效和全覆盖的测深特点，称为国内外研究的热点。对于机载激光测距时面临的大动态范围微弱光信号提取的问题，传统的基于对数放大器的波形压缩数据信号处理架构使回波波形失真严重，给回波波形的准确提取带来很大困难，使系统很难实现精确测距。通过使用基于双PMT探测器与多路ADC并行处理的信号处理架构，可以准确恢复波形，并可以根据回波峰值信号处理的需要对信号波形实现局部放大与图形拼接，提高系统精度。

附图说明

图1是本发明的系统架构示意图；

图2(a)是大幅值波形采集示意图；

图2(b)是中幅值波形采集示意图；

图2(c)是小幅值波形采集示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明提出的一种应用在机载激光雷达中的信号处理系统架构，包括FPGA、PMT探测器和跨阻放大器，所述PMT探测器将探测到激光回波信号转化成电流信号；光电流经过所述跨阻放大器转化成模拟电压信号。

所述跨阻放大器输出的模拟电压信号分为A、B和C三路，其中：

A路信号经过滤波后进入高增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述高增益放大器包括依次相连的可变增益放大器和固定增益放大器；

B路信号经过滤波后进入中增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述中增益放大器包括可变增益放大器；

C路信号经过滤波后进入低增益放大器放大，再经过滤波后输出，所述低增益放大器包括固定增益放大器；

上述A、B和C三路中的放大器分别实现高、中、低三种增益，与只有一种增益的电路结构相比，不同强度的回波信号均可放大至相同量级的电压范围内，至少有一路放大电路将信号放大至ADC合适的量化范围内。上述A、B、C三路输出的模拟电压信号分别通过一ADC转换成数字信号，所述数字信号即为海底ADC输出信号的时刻值。

所述FPGA接收来自海陆线扫测高系统的海面数据、海底ADC输出信号的时刻值以及线扫系统的电本振信号，从而实现门控电路的控制以及海底距离的测算，与此同时，所述FPGA还与传输板卡上的FPGA互连实现数据的传输。

实施例：

本发明中，为了准确获取波形，机载激光雷达选取脉冲宽度较窄的激光，因此选取具有极高灵敏度、极低噪声和极快响应速度的光电倍增管(PMT)作为532nm激光探测用的探测器可以满足系统需求。PMT探测器其动态范围为10³～10⁴，对于激光回波信号10⁶～10⁷的动态范围，综合考虑设计成本，通过配合光学衰减片选取两路PMT探测器对回波信号进行拼接测量。即浅海PMT探测器负责1～10⁴动态范围的探测工作，即深海PMT探测器负责10³～10⁷动态范围的探测工作。

对于全波形分析，需选取高速模数转换器(ADC)来对波形进行采样。激光在水中的的速度为2.25×10⁵km/s，机载激光水深测量系统适合的海水深度50m，则激光从海面传播到海底只需0.223μs；此外，机载激光雷达脉宽较窄，一般在几纳秒水平。所以，需选取高速的ADC作为波形采样的核心单元，其采样频率一般为500MHz、1GHz或者更高，此类高速ADC一般为8bit。单路PMT探测器的动态范围10³～10⁴，针对8位ADC 800mv输入动态范围的性能指标，为提高信号的信噪比，采用如图1所示的多路并行处理电路作为系统架构示意图，使探测器接收到的不同强度的信号都处于ADC合适的量化范围内。多路并行处理电路包含三路放大电路，每路具有不同的增益，级联的放大器越多，其增益越高；同时级联的级数过大会使读出电路寄生效应增加，稳定性差，噪声高，功耗大。因此，在满足带宽条件的基础上，尽量选择增益较高的放大器以减少级联的级数。初步设计每路之间增益相差10倍左右，形成高、中、低三种增益搭配。对于不同的海深的海底回波信号，至少有一路放大电路将信号放大至ADC合适的量化范围内，FPGA会综合三路的输出信号数据分辨出有效回波信号。这种处理电路方案复杂但可以还原出海底真实的回波信号的波形及强度。

波形采集示意图如图2(a)、图2(b)和图2(c)所示。其中，图2(a)为大幅值的波形采集示意图，图2(b)为中幅值的波形采集示意图，图2(c)为小幅值的波形采集示意图，各波形采集示意图中的波形从上到下依次为原始波形ADC的输入信号、高倍增益A_L下ADC的输入信号、中倍增益A_M下ADC的输入信号、低倍增益A_S下ADC的输入信号。

确保在输入为任意动态范围下，总有一个ADC的输入信号范围适中，可应用于后续信号处理。考虑到海底回波信号相对于海面回波信号一般比较微弱，为提高后处理算法的准确度，可以使用三幅图拼接的结果(图中虚线部分)进行算法处理。

根据不同海域、不同环境，需结合实际情况对高倍增益A_L下、中倍增益A_M下、低倍增益A_S的增益值进行调整，以实现海底回波全动态范围连续且全覆盖。根据系统需求，可以对信号波形局部放大与波形拼接，提高系统精度。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。