脈沖掃描激光雷達信號采集與處理的研究

張俊逸

(河南牧業經濟學院,河南 鄭州 450000)

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脈沖掃描激光雷達信號采集與處理的研究

張俊逸

(河南牧業經濟學院,河南 鄭州 450000)

激光雷達實現了激光技術與雷達技術的有機集合，具有較高的分辨率和抗干擾能力.在激光雷達的實際應用中，能夠完成角跟蹤、測距、目標對象速度測量以及超低空飛行目標跟蹤等任務.與常規雷達相比，激光雷達的應用優勢十分顯著，如能量集中、全天候工作、能夠在分子量級上探測目標等等，因此其在民用與軍事領域的應用前景都極為廣闊.基于此，激光雷達回波信號采集與處理成為了國內的一個熱門研究領域，本文主要以DSO2902虛擬示波器與VB為基礎，開發了一種脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統，其在信號處理、成像以及存儲等方面都具有較大的優勢，希望能夠為今后的激光雷達信號的采集處理提供一定的借鑒.

脈沖掃描激光雷達；測量原理；信號采集；處理

當前，國內對于激光雷達信號采集與處理的研究一直不斷，所采用的方法也十分多樣，例如當前已經開發出來的硬件產品就包括高速高分辨率的模/數轉換器(ADC)、數字信號處理器(DSP)及其高速存儲器等等，但是上述硬件在進行數據的高速采集和實時處理的過程中，往往會出現系統不穩、高頻信號干擾等等問題.因此，開發出一個新型的、能夠避免上述問題出現的激光雷達信號采集與處理系統十分必要.

1 脈沖掃描激光雷達的測量原理

激光雷達在工作中，會向空間反射一串高頻窄脈沖光波，若是遭遇障礙物，則會出現反射.因此，可在某一地設置激光雷達，通過分析光波回波信號的幅值、相位信息等等，確定目標物體的空間位置(見圖1)[1].

圖1 激光雷達系統框圖

若是想要激光器能夠對目標對象的距離、回波強度進行測量，則可在激光器前端增設一套光學設備，其能夠使激光器所發射的窄脈沖光波在平面上都有一定的角度偏移，數個光波發射完成后，即完成了對平面的一次掃描(見圖2).

圖2 雷達系統原理圖

電磁波是以光速進行傳播，令R為目標對象距離，則傳播距離如下所示：

2R=ctr

(1)

(2)

式中：R表示的是目標對象至激光雷達的單程距離，m，tr表示的是電磁波在目標對象與雷達之間往返所用的時間，s，c表示在空氣中的傳播速度，c=3×108m/s.激光雷達的一大優勢就在于其能夠對目標距離進行測量，且測量精度、分辨率均和發射信號的帶寬相關，脈沖越窄，則性能就越好.通過窄脈沖的應用，有利于避免觸發脈沖對回波信號的干擾，同時還能夠增大激光強度，使得回波信號更加清晰.

在對目標對象的回波強度進行測量時，要求能夠精確地采集到第N+1個激光脈沖發射前的全部回波信號強度，然后將其送進數據處理系統，通過比較分析后得到全部數據中的最大值，并將其作為激光脈沖N的回波信號強度，具體如圖3所示[2].

圖3 激光雷達強度測量

2 脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統設計

本系統主要由三個部分所構成：一是數據采集部分，該部分的核心為DSO2902虛擬示波器，主要的任務轉化激光雷達回波模擬信號，使其成為能夠存儲到計算機中的數字信號；二是成像系統，本系統采用的是由VB6.0進行編寫的成像系統，其主要任務是對已經存儲到計算機內部的數據進行處理和計算，并按照相關要求成強度像、距離像；三是數據存儲部分，本系統采用的是VB6.0與VB.NET混合進行編寫后得到的數據存數系統，其主要是將數據以XML格式的形式進行存儲，便于后期的調用以及處理[3].

2.1 脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統總體方案

本系統中主要應用了DSO2902虛擬示波器、VB6.0與VB.NET混編的數據采集、成像與存儲系統，具有收發分置的特點，如下圖4所示即為其系統結構示意圖.

圖4 脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統結構示意圖

如圖4中所示，信號發生器一共會產生三路信號：(1)第一路正弦信號主要是用于將掃描振鏡驅動；(2)第二路脈沖信號主要是用于將激光器驅動，使其發射出激光脈沖；(3)第三路脈沖信號主要是用于將DSO2902虛擬示波器驅動，使其對雷達回波信號進行采集.其中，激光器所發射出來的激光脈沖會通過振鏡等光學設備，掃描目標對象，并由信號探測器接收回波信號，將其轉化為電信號，進入到虛擬示波器所模擬的通道A2口.通過USB 口將虛擬示波器采集的信號輸送至計算機中，并用于成像系統中，最后所有的數據以XML格式存儲至計算機硬盤.

2.2 脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統組成

2.2.1 數據采集部分

在整個脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統中，數據采集部分是最基礎也是最關鍵的部分，其性能的好壞直接影響到后續數據處理的準確性.本數據采集系統應用的是DSO2902虛擬示波器，并通過VB程序對其進行控制，以實現后續成像系統的有效簡化.

在采集系統的運行過程中，一共2路模擬信號進入，其中一路信號為觸發采集卡的脈沖觸發信號，而另外一路是探測器所探測到的回波信號.基于此，提出一個通過脈沖信號、波形信號發生器對兩路進行模擬的測試方案(見圖5)[4].

圖5 虛擬示波器系統測試圖

如圖5所示，在系統運行中所觸發的信號頻率為16.6 kHz，而在測試時使用的是20 kHz的頻率，一方面便于調試，另一方面則是可以確定虛擬示波器是否可以在更高的頻率下運行.在完成驗證后，可利用VB6.0語言更改虛擬示波器的參數，確保其能夠滿足實際的信號采集需要.

2.2.2 成像系統部分

在成像系統中，利用VB語言使得數據圖形化具有較大的優勢，復雜的數據轉化為圖形后更為直觀，可以直接看出數據的變化情況，并分析、對比得到相應的結果.在VB環境下，成像的要求不同，則具體的應用方法也存在一定的差異，如下所示即為三種VB語言繪圖方法.

可以說，小蟲的這次行動計劃非常縝密。在姑媽進了水池后，玉敏迅速給小蟲發了信息，告訴他鉆戒放在床頭柜抽屜里。小蟲早就到了姑媽家的小區，候在大門外。接到了信息，小蟲才進去。小蟲知道姑父肯定不在家，為了安全起見，還是先編好借口，然后才上了電梯。敲了半天的門，確認姑父家里沒人了，小蟲又向對門看了看，然后開門進去了。進了屋，小蟲叫了聲姑父，無人回應。小蟲直接進了臥室，小心地取出鉆戒，放在兜里。出門時見對門的門仍關著，小蟲放心地進了電梯，下了樓，騎上摩托車風馳電掣地走了。

(1)VB提供的繪圖功能

VB語言的一大應用優勢就在于其具有強大的繪圖功能，可以提供3種控件：Form、Picture Box以及lmage來顯示圖像，其中涵蓋了Print、Line、Circle、Point、Pest以及Paint Picture等等繪圖方法，此外還可以對控件的Draw Mode屬性進行設置，達到選擇特殊的像素繪制方法.同時，VB語言支持多種坐標系的定義，例如：用戶自己所定義坐標系等等.

(2)調用圖形設備接口API函數

圖形設備接口API函數，能夠提供管理系統所需要的各種圖形設備函數，包含了顯示器與打印機，同時，其還能夠對一些字體、畫筆以及基本圖形的繪制函數進行定義.但是，API函數在具有強大功能的同時，難免存在實現復雜、易出錯的問題，所以Microsoft從VB中將大部分的API函數排除在外，僅僅留下了一些較為精巧且VB不易完成的函數.

(3)合適的ActiveX控件

ActiveX控件，也被稱之為OCX，其是在COM技術的基礎上所構建的獨立軟件模塊，同具體的編程語言并無關系.ActiveX控件的應用能夠實現編程的有效簡化，其也是針對Internet應用開發的重要基礎.

綜合考慮上述幾種成像方法后，本系統最終決定采用ActiveX控件實現激光回波信號的成像.

2.2.3 數據存儲

通過VB語言進行數據存儲的方法十分多，并且各自具有優缺點，如下所示即為幾種較為常見的存儲方法：

MS Flex Grid控件的主要做賬用是對表格數據進行顯示與操作，其能夠對內含字符串、圖片的表格進行排序，或是將數據插入、對格式進行編排等等.VB內MS Flex Grid控件的應用主要具有便捷的優勢，接收到的初速能夠按照所規定的參數，直接在MS Flex Grid的窗口處顯示出來.如：利用測量獲得某遙控器4個被測量：一是電流；二是輻射度；三是輻射角；四是清晰度.其后，利用串口通信將數據傳送至目標PC機中，而通過MS Flex Grid控件，可以將這些數據導入到界面內，直接進行顯示和保存.當前，該種方法憑借著操作簡單、方便的優點，得到了較為廣泛的應用，但是MS Flex Grid控件也存在一定的不足，即存儲功能較為單一，顯示格式也并不規范，同時該控件并不具有分析、處理數據的功能，因此使用局限性較大，比較適用于存儲功能、存儲量不大的系統中.

(2)利用VB對SQL數據庫進行操作

SQL Server 2000是微軟公司鎖門開發的關系型數據庫，其主要具有功能強大、使用簡單、擴展性十分好的優勢，因此成為了當前使用最為廣泛的數據庫產品之一.在VB中，使用較為廣泛的連接數據庫方法主要包括以下幾種：①數據控件(Data)；②數據訪問對象(DAO)；③遠程數據對象(RDO)；④Active X數據對象(ADO).目前，SQL數據庫的分析、存儲數據功能已經相當完備，將其應用于脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統中前景十分的廣闊.

(3)利用XML語言對數據進行存儲

XML與HTML存在一定的類似之處，其具有語法簡單、易懂的特點，同時靈活性與擴展性能都十分好，能夠允許用戶對任意的具有明確含義的標記進行定義，并可將標記進行正確的、互不重疊的嵌套，按照一定的層次結構化表示數據.利用XML語言對數據進行存儲，形式靈活，能夠適用于任何平臺，為不同語言、組件見的數據交換提供便利.

通過上述三種數據存儲方式的分析、對比后發現，XML語言具有簡單、靈活、調用方便等優勢，因此本系統最終巨鼎采用XML語言對數據進行存儲.

3 系統試驗及其結果分析

在對脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統進行測試時，主要有以下幾個步驟：(1)連接信號采集系統、激光雷達系統，完成連接后對測試數據采集部分，通過VB6.0程序對DSO2902虛擬示波器進行控制，以20 MHz、4.32 V的觸發電平以及A2通道作為觸發通道的模式，采集觸發信號，根據采集系統檢測圖筆名，該采集系統能夠正常工作，觸發信號能夠觸發DSO2902虛擬示波器，以達到采集數據的目的.(2)檢測成像系統.如圖6所示即為成像系統檢測示意圖，因為光線干擾、采集系統前端放大器的工作不夠穩定，導致在強度成像圖中存在較為明顯的毛刺，輪廓也不夠清晰，對此需要在后期對回波數據進行相應的處理，以提高數據的進度以及成像的清晰度.如圖7所示即為濾波后所得到的成像.

圖6 成像系統檢測示意圖

圖7 濾波后所得成像示意圖

4 結束語

綜上所述，基于DSO2902虛擬示波器與VB語言的脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統的應用優勢顯著，其對于信號的處理速度快、精度大，成像效果好，且數據存儲靈活，便于后期的調用，十分值得進一步的推廣應用.

[1]萬福,馬銳,蔡敏.一種脈沖激光雷達回波信號自適應處理[J].雷達與對抗,2010(1):27-29.

[2]王敏,卜令兵,高愛臻,等.微脈沖激光雷達和毫米波雷達聯合探測卷云微物理特性[J].激光與光電子學進展,2013(7):8-12.

[3]閆慶,華燈鑫,李仕春,等.微脈沖米散射激光雷達系統的產品化研發及實驗觀測研究[J].量子電子學報,2013,30(1):123-128.

[4]楊騰蛟,史建業,丁尚,等.激光雷達窄脈沖回波信號采集系統設計[J].傳感器與微系統,2015,34(8):76-79.

[責任編輯：徐明忠]

2016-09-10

張俊逸(1988-)，男，河南武陟人，河南牧業經濟學院助教，中國農業大學在讀博士，主要從事電子通信的研究.

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