張俊逸

(河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)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(yè)經(jīng)濟學(xué)院,河南 鄭州 450000)

激光雷達實現(xiàn)了激光技術(shù)與雷達技術(shù)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(yīng)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(wù).與常規(guī)雷達相比，激光雷達的應(yīng)用優(yōu)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(lǐng)域的應(yīng)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(nèi)的一個熱門研究領(lǐng)域，本文主要以DSO2902虛擬示波器與VB為基礎(chǔ)，開發(fā)了一種脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統(tǒng)，其在信號處理、成像以及存儲等方面都具有較大的優(yōu)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(dāng)前，國內(nèi)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(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出來的硬件產(chǎn)品就包括高速高分辨率的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)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(shù)據(jù)的高速采集和實時處理的過程中，往往會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)、高頻信號干擾等等問題.因此，開發(fā)出一個新型的、能夠避免上述問題出現(xiàn)的激光雷達信號采集與處理系統(tǒng)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(xiàn)反射.因此，可在某一地設(shè)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(tǒng)框圖

若是想要激光器能夠?qū)δ繕藢ο蟮木嚯x、回波強度進行測量，則可在激光器前端增設(shè)一套光學(xué)設(shè)備，其能夠使激光器所發(fā)射的窄脈沖光波在平面上都有一定的角度偏移，數(shù)個光波發(fā)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(tǒng)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(yōu)勢就在于其能夠?qū)δ繕司嚯x進行測量，且測量精度、分辨率均和發(fā)射信號的帶寬相關(guān)，脈沖越窄，則性能就越好.通過窄脈沖的應(yīng)用，有利于避免觸發(fā)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(fā)射前的全部回波信號強度，然后將其送進數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過比較分析后得到全部數(shù)據(jù)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(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由三個部分所構(gòu)成：一是數(shù)據(jù)采集部分，該部分的核心為DSO2902虛擬示波器，主要的任務(wù)轉(zhuǎn)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(shù)字信號；二是成像系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用的是由VB6.0進行編寫的成像系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對已經(jīng)存儲到計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行處理和計算，并按照相關(guān)要求成強度像、距離像；三是數(shù)據(jù)存儲部分，本系統(tǒng)采用的是VB6.0與VB.NET混合進行編寫后得到的數(shù)據(jù)存數(shù)系統(tǒng)，其主要是將數(shù)據(jù)以XML格式的形式進行存儲，便于后期的調(diào)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(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)中主要應(yīng)用了DSO2902虛擬示波器、VB6.0與VB.NET混編的數(shù)據(jù)采集、成像與存儲系統(tǒng)，具有收發(fā)分置的特點，如下圖4所示即為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖.

圖4 脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4中所示，信號發(fā)生器一共會產(chǎn)生三路信號：(1)第一路正弦信號主要是用于將掃描振鏡驅(qū)動；(2)第二路脈沖信號主要是用于將激光器驅(qū)動，使其發(fā)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(qū)動，使其對雷達回波信號進行采集.其中，激光器所發(fā)射出來的激光脈沖會通過振鏡等光學(xué)設(shè)備，掃描目標對象，并由信號探測器接收回波信號，將其轉(zhuǎn)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(tǒng)中，最后所有的數(shù)據(jù)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(tǒng)組成

2.2.1 數(shù)據(jù)采集部分

在整個脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集部分是最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的部分，其性能的好壞直接影響到后續(xù)數(shù)據(jù)處理的準確性.本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用的是DSO2902虛擬示波器，并通過VB程序?qū)ζ溥M行控制，以實現(xiàn)后續(xù)成像系統(tǒng)的有效簡化.

在采集系統(tǒng)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(fā)采集卡的脈沖觸發(fā)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(fā)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(tǒng)測試圖

如圖5所示，在系統(tǒng)運行中所觸發(fā)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(diào)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(shù)，確保其能夠滿足實際的信號采集需要.

2.2.2 成像系統(tǒng)部分

在成像系統(tǒng)中，利用VB語言使得數(shù)據(jù)圖形化具有較大的優(yōu)勢，復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖形后更為直觀，可以直接看出數(shù)據(jù)的變化情況，并分析、對比得到相應(yīng)的結(jié)果.在VB環(huán)境下，成像的要求不同，則具體的應(yīng)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(fā)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(qū)，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?qū)﹂T看了看，然后開門進去了。進了屋，小蟲叫了聲姑父，無人回應(yīng)。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(guān)著，小蟲放心地進了電梯，下了樓，騎上摩托車風(fēng)馳電掣地走了。

(1)VB提供的繪圖功能

VB語言的一大應(yīng)用優(yōu)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l(fā)mage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(shè)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(diào)用圖形設(shè)備接口API函數(shù)

圖形設(shè)備接口API函數(shù)，能夠提供管理系統(tǒng)所需要的各種圖形設(shè)備函數(shù)，包含了顯示器與打印機，同時，其還能夠?qū)σ恍┳煮w、畫筆以及基本圖形的繪制函數(shù)進行定義.但是，API函數(shù)在具有強大功能的同時，難免存在實現(xiàn)復(fù)雜、易出錯的問題，所以Microsoft從VB中將大部分的API函數(shù)排除在外，僅僅留下了一些較為精巧且VB不易完成的函數(shù).

(3)合適的ActiveX控件

ActiveX控件，也被稱之為OCX，其是在COM技術(shù)的基礎(chǔ)上所構(gòu)建的獨立軟件模塊，同具體的編程語言并無關(guān)系.ActiveX控件的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)編程的有效簡化，其也是針對Internet應(yīng)用開發(fā)的重要基礎(chǔ).

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

2.2.3 數(shù)據(jù)存儲

通過VB語言進行數(shù)據(jù)存儲的方法十分多，并且各自具有優(yōu)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(shù)據(jù)進行顯示與操作，其能夠?qū)?nèi)含字符串、圖片的表格進行排序，或是將數(shù)據(jù)插入、對格式進行編排等等.VB內(nèi)MS Flex Grid控件的應(yīng)用主要具有便捷的優(yōu)勢，接收到的初速能夠按照所規(guī)定的參數(shù)，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(shù)據(jù)傳送至目標PC機中，而通過MS Flex Grid控件，可以將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入到界面內(nèi)，直接進行顯示和保存.當(dāng)前，該種方法憑借著操作簡單、方便的優(yōu)點，得到了較為廣泛的應(yīng)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(guī)范，同時該控件并不具有分析、處理數(shù)據(jù)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(tǒng)中.

(2)利用VB對SQL數(shù)據(jù)庫進行操作

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

(3)利用XML語言對數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)化表示數(shù)據(jù).利用XML語言對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換提供便利.

通過上述三種數(shù)據(jù)存儲方式的分析、對比后發(fā)現(xiàn)，XML語言具有簡單、靈活、調(diào)用方便等優(yōu)勢，因此本系統(tǒng)最終巨鼎采用XML語言對數(shù)據(jù)進行存儲.

3 系統(tǒng)試驗及其結(jié)果分析

在對脈沖掃描激光雷達信號采集與處理系統(tǒng)進行測試時，主要有以下幾個步驟：(1)連接信號采集系統(tǒng)、激光雷達系統(tǒng)，完成連接后對測試數(shù)據(jù)采集部分，通過VB6.0程序?qū)SO2902虛擬示波器進行控制，以20 MHz、4.32 V的觸發(fā)電平以及A2通道作為觸發(fā)通道的模式，采集觸發(fā)信號，根據(jù)采集系統(tǒng)檢測圖筆名，該采集系統(tǒng)能夠正常工作，觸發(fā)信號能夠觸發(fā)DSO2902虛擬示波器，以達到采集數(shù)據(jù)的目的.(2)檢測成像系統(tǒng).如圖6所示即為成像系統(tǒng)檢測示意圖，因為光線干擾、采集系統(tǒng)前端放大器的工作不夠穩(wěn)定，導(dǎo)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(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，以提高數(shù)據(jù)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(tǒng)檢測示意圖

圖7 濾波后所得成像示意圖

4 結(jié)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(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢顯著，其對于信號的處理速度快、精度大，成像效果好，且數(shù)據(jù)存儲靈活，便于后期的調(diào)用，十分值得進一步的推廣應(yīng)用.

[1]萬福,馬銳,蔡敏.一種脈沖激光雷達回波信號自適應(yīng)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(lián)合探測卷云微物理特性[J].激光與光電子學(xué)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(tǒng)的產(chǎn)品化研發(fā)及實驗觀測研究[J].量子電子學(xué)報,2013,30(1):123-128.

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

[責(zé)任編輯：徐明忠]

2016-09-10

張俊逸(1988-)，男，河南武陟人，河南牧業(yè)經(jīng)濟學(xué)院助教，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀博士，主要從事電子通信的研究.

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