在機載激光雷達中，采用本發(fā)明所提出的信號處理系統(tǒng)架構，可以有效解決近海探測過程中的大動態(tài)范圍微弱光信號提取問題。

背景技術：

機載激光測深技術是集成激光、全球定位與導航、自動控制、航空、計算機等前沿技術，以飛機為搭載平臺，采用掃描測量方式從空中發(fā)射激光來探測水深的先進測深方法。該技術是實施快速高效淺海、島礁、暗礁及船只無法安全到達水域水深測量最具發(fā)展前途的手段之一，具有精度高、覆蓋面廣、測點密度高、測量周期短、低消耗、易管理、高機動性等特點。機載激光雷達具有高精度、高分辨率的特點，與傳統(tǒng)的船載聲學測深方法相比，具有靈活機動、快速高效和全覆蓋的特點^[1]。

海水對光的吸收性決定了532nm左右波長的激光具有穿透海水實現機載激光測深的功能。機載激光水深測量系統(tǒng)適合的海水深度一般在50m左右，激光從海面?zhèn)鞑サ胶５字恍?.223μs，要識別間隔時間如此短的兩個激光回波信號非常困難。為準確分辨出海面信號和海底信號，進而求解回波時間，除了要保證信號具有較高的信噪比，也要有較高的水深提取精度^[2]。采用全波形分析的高速多通道數字采集技術可以有效解決此問題。

一般情況下海底反射信號與海面反射信號的動態(tài)范圍可達10³。對于50～60m的測深距離，如果考慮到海水的渾濁度、海底底質、海況因素、觀測時間以及海水深度的差異等因素，激光回波信號的動態(tài)范圍可達10⁷，甚至更高^[3]。這給高速采集系統(tǒng)的設計以及回波時間的準確提取帶來困難。

[參考文獻]

[1]翟國君，吳太旗，歐陽永忠等；機載激光測深技術研究進展[J]，海洋測繪，2012,32(2):67-71。

[2]翟國君，黃謨濤，歐陽永忠等；機載激光測深系統(tǒng)研制中的關鍵技術[J]，海洋測繪，2014,34(3):73-76。

[3]時振偉，陽凡林，劉翔等；用簡述機載激光測深系統(tǒng)及其在海底底質分類中的應用[J]，中國水運月刊，2013(10):292-295。

技術實現要素：

解決機載激光雷達在近海探測時的大動態(tài)范圍微弱光信號提取問題。提出了一種應用在機載激光雷達中的高速信號處理系統(tǒng)架構，用來有效解決大動態(tài)范圍微弱光信號的提取問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出的一種應用在機載激光雷達中的信號處理系統(tǒng)架構，包括FPGA、PMT探測器和跨阻放大器，所述PMT探測器將探測到激光回波信號轉化成電流信號；光電流經過所述跨阻放大器轉化成模擬電壓信號，所述跨阻放大器輸出的模擬電壓信號分為A、B和C三路，其中：A路信號經過濾波后進入高增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述高增益放大器包括依次相連的可變增益放大器和固定增益放大器；B路信號經過濾波后進入中增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述中增益放大器包括可變增益放大器；C路信號經過濾波后進入低增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述低增益放大器包括固定增益放大器；上述A、B、C三路輸出的模擬電壓信號分別通過一ADC轉換成數字信號，所述數字信號即為海底ADC輸出信號的時刻值；所述FPGA接收來自海陸線掃測高系統(tǒng)的海面數據、海底ADC輸出信號的時刻值以及線掃系統(tǒng)的電本振信號，從而實現門控電路的控制以及海底距離的測算，與此同時，所述FPGA還與傳輸板卡上的FPGA互連實現數據的傳輸。

與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：

海洋測繪是一切海洋開發(fā)活動的基礎，海底地形測量是海洋測繪最基本的任務之一。當前海底地形測量主要通過裝載在測量船上的回聲測深設備實施。因此，測量速度受到很大限制。尤其是在沿岸的淺水區(qū)域機動性差、應急保障困難。鑒于機載激光測深技術具有高精度、高分辨率、靈活機動、快速高效和全覆蓋的測深特點，稱為國內外研究的熱點。對于機載激光測距時面臨的大動態(tài)范圍微弱光信號提取的問題，傳統(tǒng)的基于對數放大器的波形壓縮數據信號處理架構使回波波形失真嚴重，給回波波形的準確提取帶來很大困難，使系統(tǒng)很難實現精確測距。通過使用基于雙PMT探測器與多路ADC并行處理的信號處理架構，可以準確恢復波形，并可以根據回波峰值信號處理的需要對信號波形實現局部放大與圖形拼接，提高系統(tǒng)精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)架構示意圖；

圖2(a)是大幅值波形采集示意圖；

圖2(b)是中幅值波形采集示意圖；

圖2(c)是小幅值波形采集示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳細描述，所描述的具體實施例僅對本發(fā)明進行解釋說明，并不用以限制本發(fā)明。

如圖1所示，本發(fā)明提出的一種應用在機載激光雷達中的信號處理系統(tǒng)架構，包括FPGA、PMT探測器和跨阻放大器，所述PMT探測器將探測到激光回波信號轉化成電流信號；光電流經過所述跨阻放大器轉化成模擬電壓信號。

所述跨阻放大器輸出的模擬電壓信號分為A、B和C三路，其中：

A路信號經過濾波后進入高增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述高增益放大器包括依次相連的可變增益放大器和固定增益放大器；

B路信號經過濾波后進入中增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述中增益放大器包括可變增益放大器；

C路信號經過濾波后進入低增益放大器放大，再經過濾波后輸出，所述低增益放大器包括固定增益放大器；

上述A、B和C三路中的放大器分別實現高、中、低三種增益，與只有一種增益的電路結構相比，不同強度的回波信號均可放大至相同量級的電壓范圍內，至少有一路放大電路將信號放大至ADC合適的量化范圍內。上述A、B、C三路輸出的模擬電壓信號分別通過一ADC轉換成數字信號，所述數字信號即為海底ADC輸出信號的時刻值。

所述FPGA接收來自海陸線掃測高系統(tǒng)的海面數據、海底ADC輸出信號的時刻值以及線掃系統(tǒng)的電本振信號，從而實現門控電路的控制以及海底距離的測算，與此同時，所述FPGA還與傳輸板卡上的FPGA互連實現數據的傳輸。

實施例：

本發(fā)明中，為了準確獲取波形，機載激光雷達選取脈沖寬度較窄的激光，因此選取具有極高靈敏度、極低噪聲和極快響應速度的光電倍增管(PMT)作為532nm激光探測用的探測器可以滿足系統(tǒng)需求。PMT探測器其動態(tài)范圍為10³～10⁴，對于激光回波信號10⁶～10⁷的動態(tài)范圍，綜合考慮設計成本，通過配合光學衰減片選取兩路PMT探測器對回波信號進行拼接測量。即淺海PMT探測器負責1～10⁴動態(tài)范圍的探測工作，即深海PMT探測器負責10³～10⁷動態(tài)范圍的探測工作。

對于全波形分析，需選取高速模數轉換器(ADC)來對波形進行采樣。激光在水中的的速度為2.25×10⁵km/s，機載激光水深測量系統(tǒng)適合的海水深度50m，則激光從海面?zhèn)鞑サ胶５字恍?.223μs；此外，機載激光雷達脈寬較窄，一般在幾納秒水平。所以，需選取高速的ADC作為波形采樣的核心單元，其采樣頻率一般為500MHz、1GHz或者更高，此類高速ADC一般為8bit。單路PMT探測器的動態(tài)范圍10³～10⁴，針對8位ADC 800mv輸入動態(tài)范圍的性能指標，為提高信號的信噪比，采用如圖1所示的多路并行處理電路作為系統(tǒng)架構示意圖，使探測器接收到的不同強度的信號都處于ADC合適的量化范圍內。多路并行處理電路包含三路放大電路，每路具有不同的增益，級聯的放大器越多，其增益越高；同時級聯的級數過大會使讀出電路寄生效應增加，穩(wěn)定性差，噪聲高，功耗大。因此，在滿足帶寬條件的基礎上，盡量選擇增益較高的放大器以減少級聯的級數。初步設計每路之間增益相差10倍左右，形成高、中、低三種增益搭配。對于不同的海深的海底回波信號，至少有一路放大電路將信號放大至ADC合適的量化范圍內，FPGA會綜合三路的輸出信號數據分辨出有效回波信號。這種處理電路方案復雜但可以還原出海底真實的回波信號的波形及強度。

波形采集示意圖如圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)所示。其中，圖2(a)為大幅值的波形采集示意圖，圖2(b)為中幅值的波形采集示意圖，圖2(c)為小幅值的波形采集示意圖，各波形采集示意圖中的波形從上到下依次為原始波形ADC的輸入信號、高倍增益A_L下ADC的輸入信號、中倍增益A_M下ADC的輸入信號、低倍增益A_S下ADC的輸入信號。

確保在輸入為任意動態(tài)范圍下，總有一個ADC的輸入信號范圍適中，可應用于后續(xù)信號處理。考慮到海底回波信號相對于海面回波信號一般比較微弱，為提高后處理算法的準確度，可以使用三幅圖拼接的結果(圖中虛線部分)進行算法處理。

根據不同海域、不同環(huán)境，需結合實際情況對高倍增益A_L下、中倍增益A_M下、低倍增益A_S的增益值進行調整，以實現海底回波全動態(tài)范圍連續(xù)且全覆蓋。根據系統(tǒng)需求，可以對信號波形局部放大與波形拼接，提高系統(tǒng)精度。

盡管上面結合附圖對本發(fā)明進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨的情況下，還可以做出很多變形，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。