實時背景噪聲補償的激光雷達能見度儀設計

蔣立輝，黃 煒，馮 帥

(1.中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300; 2.中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300)

實時背景噪聲補償的激光雷達能見度儀設計

蔣立輝1，黃 煒1，馮 帥2

(1.中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300; 2.中國民航大學工程技術訓練中心，天津 300300)

基于實時背景噪聲補償的方法，設計了一臺激光雷達能見度儀。該系統采用了模塊化的設計思想，以嵌入式計算機PCM－3370作為系統的控制和數據處理單元，通過門控電路控制系統各模塊的工作時序。針對強背景光照條件下信噪比惡化的實際情況，采用了一種新的實時背景噪聲補償與采用閾值分割的移動平均法相結合的方法處理信號，大幅度地提高了信噪比。最后通過數值仿真和外場對比試驗，驗證了本設計的準確性和有效性。

激光雷達;實時背景噪聲補償;閾值分割;移動平均法

1 引 言

隨著我國低空空域的逐漸開放，通用航空領域已進入一個迅猛發展的階段。其中，能見度的判斷直接影響著機場和民航客機的安全，能見度儀的設計研發有著很高的實際應用價值。激光雷達能見度儀是繼透射式、前向散射式之后的一種新型后向散射式能見度觀測工具，具有高探測靈敏度和空間分辨率等顯著的優點。激光雷達能見度系統在白天工作時，易受到背景噪聲的影響，該背景噪聲主要來自于太陽和天空的光輻射，且隨地點、時間和天氣狀況不同而變化，有效抑制背景噪聲能夠大幅度地提高能見度儀的測量范圍和精度。以往的激光雷達能見度儀，通常采用恒定背景噪聲補償的方法來處理回波信號，即選定最大探測范圍附近的一點，近似認為該距離采樣點上接收到的回波強度為所有距離采樣點上的背景噪聲強度。但是由于自然或人為等因素，在探測時間內背景噪聲的強度存在著變化，這種近似的估計往往存在著誤差。

本文基于后向散射的原理，進行了激光雷達能見度儀的設計。在系統結構上，采取了模塊化的設計思路，使整個能見度系統非常小巧、便攜。在系統控制和數據處理上，采用嵌入式計算機PCM－3370作為數據處理單元，既滿足了數據處理性能的要求，同時通過其集成的有線網口又實現了儀器的遠程控制。此外，又針對濾光片帶寬不足以有效濾除強背景光的實際情況，采取了實時背景噪聲補償的方法，有效抑制了白天強光條件下的背景噪聲。結合采用閾值分割的移動平均法處理補償后信號，提高了后續的能見度反演精度，顯著增強了激光雷達能見度系統的探測性能。

2 工作原理及系統結構

本設計在系統結構上可以劃分為光學發射系統、光學接收系統和數據采集與處理系統三部分，其工作時序由門控電路控制。

本激光雷達能見度系統采用了模塊化的設計思路，使系統結構更加緊湊，滿足了便攜式的要求，其結構框圖如圖1所示，主要技術參數由表1所示。靈活小巧的接收/發射望遠鏡和各工作模塊全部封裝于210 mm×170 mm×140 mm的鋁結構便攜箱體中。

圖1 激光雷達能見度系統結構框圖

2.1 光學發射系統

光學發射系統包括激光器、光束耦合器和發射望遠鏡三部分。

激光器采用脈沖激光二極管模塊，該激光器具有低脈沖能量和高脈沖重復頻率的特點，既滿足了人眼安全的標準，又能保證單位時間脈沖積累的數目，提供了足夠的平均發射功率。光學耦合器是將激光器發射的激光束轉換為光纖中的光波的器件，用來聚焦和準直激光的發射光束，降低激光發射過程中的能量損耗。發射望遠鏡將激光匯聚成平行光束發射至探測空間，發射望遠鏡自外向內由平鏡和兩個透鏡組成，后端連接至光纖。

表1 激光雷達系統參數

2.2 光學接收系統

光學接收系統由接收望遠鏡和窄帶濾光片構成。

接收望遠鏡由一組組合透鏡構成，接收與大氣相互作用后散射回的激光雷達回波信號。窄帶濾光片位于透鏡組的最前端，以濾除工作波長帶外的背景光和雜散光。之后是平鏡和兩個透鏡的組合，最后回波信號被匯聚到接收光纖，輸送到光電探測器。

2.3 數據采集與處理系統

針對激光雷達回波信號相對微弱的特點，此處選用低噪聲、高量子效率，可實現單光子探測的雪崩光電二極管探測器，實現光信號至電信號的轉換。

采集數據是光子計數卡完成的，此處選用的為MCS-pci，其具有多通道、高采集速率的特點，從而保證了對光電探測器輸出的有效采集。

數據的存儲和處理由嵌入式計算機完成，考慮到整個激光雷達系統的便攜性和數據處理性能要求，選用了PCM－3370E作為數據的處理單元，其集成的有線網口還可以實現儀器的遠程控制，可以實現多種測量設備的組網和統一控制。

2.4 工作時序控制

激光雷達能見度系統通過門控電路產生觸發信號，控制著整個系統的工作時序。

觸發信號分別觸發激光器、光電探測器和數據采集卡。當接收到觸發信號時，接收觸發的器件開始工作，否則停止工作。

3 系統校準和數據處理

3.1 系統校準

本文設計的激光雷達系統采用離軸模式且收發分離。在采集數據之前應對系統進行校準，保證光路的準直性，以滿足回波信號能被順利的接收，到達光電探測器的光敏面;盡可能的匯聚發射激光光束，減小發射激光發散角，增加在大氣中的探測距離。此外，還需進行幾何重疊因子和收發同步的校準。

3.1.1 幾何重疊因子校準

本激光雷達能見度系統工作在離軸模式下，激光發射系統和激光接收系統的光軸平行，發射視場與接收視場之間由完全分離逐漸過渡到部分重合直至完全重合，從而引入了幾何重疊因子的概念。這樣的光學系統結構使得系統存在探測的盲區，近場回波信號只能部分的被接收，從而導致能見度的反演結果產生較大的誤差，故必須進行系統幾何重疊因子的校準。幾何重疊因子可以由系統參數計算得到，但一般實際值與理論值偏差較大，通常選擇實驗法在天氣晴朗、自然對流占主要地位的夜晚測得。

激光雷達接收到距離r處的回波信號功率P (r)可以由激光雷達方程確定:

式中，P(r)是探測距離r處的大氣散射回波信號能量;E0是發射的激光脈沖能量;c是光速;Ar是接收望遠鏡有效接收面積;Tsys是系統的總透過率。

激光束在晴朗大氣條件下水平傳播時，大氣近似均勻分布，此時的大氣消光系數σ(r)、后向散射系數β(r)均可視為常數。由式(2)可得系統的幾何重疊因子Y(r)為:

式中，A=E0cArTsys/2為激光雷達系統常數。

3.1.2 收發同步校準

數據采集卡設置的單通道采集時間為100 ns，由于激光器的啟動存在響應時間，激光束的發射大約滯后觸發信號100 ns，為實現系統的收發同步，故去掉第一個采樣值，從第二個采樣值開始采集。

3.2 數據處理

3.2.1 實時背景噪聲補償

由于本系統采用的濾光片帶寬為10 nm，在白天強光照條件下進行探測會有大量背景光進入激光雷達系統，造成接收信號的嚴重惡化。而且背景噪聲的隨機性很大，隨地點、時間和天氣狀況不同，其變化與多種因素有關，往往不是一個常數，為了更精確的測量，本文設計的激光雷達能見度系統引入了一種實時的背景補償方式，對含噪聲的回波信號進行處理。

本設計中，激光器、光電探測器和數據采集卡受門控電路產生的觸發信號控制，最終實現對系統工作時序的控制。首先，通過觸發信號控制，在激光器發射一次脈沖信號時間內，數據采集卡在每個探測距離采樣點上分別采集一次夾雜背景噪聲的回波和一次純背景噪聲回波。然后，以此循環測量累加，并以向后平均的方式來進行數據處理。最后，獲得剔除背景噪聲后的回波信號，達到提高信噪比的目的。

在硬件實現上，通過門控電路發送觸發信號控制激光器和數據采集卡的門電路，采用接通或切斷的方式，產生交替的“信號+噪聲”和“噪聲”的計數，并輸入到同步計數系統。此時，光電探測器一直設置工作在“接通”狀態。在一個脈沖周期內具體過程為:

(1)當激光器的門電路處于“接通”狀態，數據采集卡的門電路也處于“接通”狀態時，來自放大器－鑒別器的是信號和噪聲之和，數據采集卡的計數結果記為aij，i為采樣點編號，取值為1～N，N為每個距離采樣點上進行采樣的次數;j為距離采樣點編號，取值為1～134，分別對應15 m～2 km的探測距離。

(2)當激光器的門電路處于“切斷”狀態，數據采集卡的門電路處于“接通”狀態時，此時光電倍增管的所有輸出脈沖都是背景噪聲，數據采集卡的計數結果記為bij;

如圖2所示為系統工作時序情況。在一個激光脈沖時間內，激光器響應滯后觸發信號100 ns。當提取“信號+噪聲”時，激光器開啟，數據采集卡同步開啟接收回波;當提取“噪聲”時，激光器處于關閉狀態，數據采集卡開啟采集數據，且與第一次采集時間相同。

圖2 系統工作時序圖

需要特別指出的是，為了準確地進行上述的測量，必須對激光器和數據采集卡的門電路設置合理的選通時間，對數據采集卡的觸發脈沖寬度加以仔細調整，使數據采集卡在一個激光脈沖時間內的兩次選通脈沖寬度相同，如圖2所示，即t1=t2。在實際工程應用中，數據采集卡的觸發信號頻率設置為門控電路觸發信號的倍頻即可。

3.2.2 移動平均法

針對實時背景噪聲補償處理過的回波信號(尤其是弱信噪比部分)仍然存在較多“毛刺”，易造成后續能見度反演計算不準確的實際問題，在數據處理上對補償后的回波信號采用了移動平均法來進行平滑，提高能見度的反演精度。

對于實際的信號，其強信噪比部分經過補償處理后仍具有強信噪比，只存在很少的“毛刺”，對其進行平滑處理會使每個距離采樣點與鄰近點進行平均，改變了實際接收的數值，反而會增加信號的誤差;而對于弱信噪比部分，對其進行移動平均法處理能大幅度消除背景補償后存在的“毛刺”，提高后續反演精度。具體做法為，設置一個閾值分割信號，在強信噪比部分保留原回波信號，在弱信噪比部分進行移動平均處理。

設移動平均處理后距離采樣點上的回波信號為C'(j)，弱信噪比回波的首個采樣點編號為j'，則移動平均法處理后為:

如此進行多次移動平均處理，最終得到處理后的回波信號。

4 數值仿真及外場試驗

4.1 數值仿真

首先設置一組高斯噪聲序列，驗證對采樣點以向后平均的方式處理能夠準確的反應噪聲的實時強度，進而驗證本文所采用的實時背景補償法的合理性和有效性。此處，設置一組均值μ=3，方差σ2=2，序列長度N=500的高斯噪聲序列來模擬在某個距離采樣點上采集的500個采樣值。如圖3所示，采集到的噪聲序列圍繞噪聲均值上下無規律波動。

圖3 序列長度N=500的高斯噪聲序列

在采集到的噪聲序列中，隨著采集到點數的增加，對采樣點進行向后平均。設采樣點為si，i為采樣點編號，則向后平均值s表示為:

此處，n為參與向后平均的點數。

圖4所示為向后平均值s隨向后平均采樣點數增加的變化情況。由圖4(a)可見，隨著采樣點數的增加，向后平均值s逐漸趨近噪聲序列的預設均值，即滿足收斂特性，且收斂于噪聲序列的均值。圖4(b)為隨著采樣點數增加，向后平均值的誤差情況，可知向后平均點數n≥300以后，誤差小于0.3%，表明該向后平均值能夠準確反映實際噪聲序列的強度。

圖4 向后平均值及誤差隨采樣點增加的變化情況

需要特別指出的是，由于實際情況下噪聲序列的均值和方差的差異，為了能更準確反映噪聲序列強度，進行的向后平均所需的采樣點數會有所不同。

4.2 外場試驗

對本系統在實際外場條件下進行仿真測試，仿真結果如圖5所示。

圖5(a)為白天強光照條件下，未進行實時背景噪聲補償的原始回波信號。可以看到，系統的濾光片由于帶寬的原因不能有效濾除工作波長外的背景噪聲，回波信號淹沒在背景噪聲中，且回波信號存在較強的近場噪聲。首先利用距離選通的方法濾除近場噪聲，然后采用實時背景噪聲補償的方法處理回波信號，有效的抑制了噪聲，回波信號得到明顯的提取，極大地提高了信號的信噪比。

在實時背景補償法獲得的回波信號基礎上，采用移動平均法進一步平滑處理回波信號，仿真結果如圖6所示。圖中虛線部分為移動平均法處理前的回波信號，實線為移動平均法處理之后的回波信號，可以看到，回波信號得到明顯平滑，增加了后續能見度反演計算的準確性。

圖5 實時背景補償前后回波信號

圖6 采用移動平均法平滑處理后的回波信號

激光雷達能見度儀全天測量數據如圖7所示，圖中橫坐標標識了探測的具體時刻，縱坐標表示該時刻的能見度。

從圖7中可以看出，當日的上午10點左右能見度為1.8 km，能見度情況不佳，有輕霧;10點之后霧氣消散，能見度情況略微好轉，能見度在2.1 km左右波動。將本次外場測量結果及之后的大量試驗數據與美國Belford前向散射式能見度儀進行對比實驗，相對測量誤差總體集中在20%以內，這表明本激光雷達能見度系統具有較好的全天候工作性能，同時具有較高的準確性。

圖7 能見度系統全天測量結果

5 結束語

本文設計的激光雷達能見度儀結構緊湊，便于攜帶進行外場測量，特別是進行斜程能見度的探測不需要合作目標，充分滿足了機場的應用需求。經過全天候外場對比實驗，表明本激光雷達能見度系統總體達到了設計要求，具有較高的測量精度，有良好的實際應用價值。

［1］FENG Shuai，JIANG Lihui，XIONG Xinglong，et al.Backward scattering lidar for visibility detection［J］.Laser＆Infrared，2009，39(12):1283－1287.(in Chinese)

馮帥，蔣立輝，熊興隆，等.后向散射式激光雷達能見度探測研究［J］.激光與紅外，2009，39(12):1283－1287.

［2］GAO Jinzhan.Detection of weak signals［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2004.(in Chinese)

高晉占.微弱信號檢測［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［3］Yuekui Yang，AlexanderMarshak，Stephen PPalm，etal.Cloud impact on surface altimetry from a spaceborne 532－nm micropulse photon-counting lidar:system modeling for cloudy and clearatmospheres［J］.IEEE Transaction on Geoscience and Remote Sensing，2011，49(12): 4910－4919.

［4］Chidong Xu，Yufeng Ji.Research and application ofMPL_ A1/T micro pulse lidar［J］.Research of Environmental Sciences，2008，3(5):337－343.

Design of laser visibility meter based on real-time background com pensation

JIANG Li-hui1，HUANGWei1，FENG Shuai2
(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Signal Processing，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China; 2.Engineering Techniques Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Based on themethod of real-time background noise compensation，a lidar for visibilitymeasurement，named as laser visibilitymeter is designed.The system adopts amodular design concept，and takes the embedded computer PCM-3370 as the control and data processing core.To deal with the signal-to-noise ratio degrading under the strong background light，a new method that combines the real-time background noise compensation with the moving average method using threshold segmentation is adopted to process the signal，which greatly improves the signal-to-noise ratio. Finally，the accuracy and effectiveness of the design is verified by numerical simulation and field tests.

lidar;real-time background compensation;threshold segmentation;moving average

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.011

1001-5078(2014)04-0399-06

蔣立輝(1964－)，男，教授，主要研究方向為光電子技術及其在航空氣象探測中的應用。

2013-07-10;

2013-08-07