劉秉剛，常建華,b，徐 帆，李紅旭，朱玲嬿，豆曉雷

(南京信息工程大學(xué)，a.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心;b.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210044)

0 引言

激光雷達(dá)是隨著激光器和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的一種新型主動(dòng)式光學(xué)遙感技術(shù)，具有測(cè)量范圍廣、時(shí)空分辨率高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空氣象領(lǐng)域，如大氣顆粒物、云層的探測(cè)[1]。激光雷達(dá)首先探測(cè)激光與大氣分子和氣溶膠粒子等介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的后向散射光信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)求解激光雷達(dá)方程，反演得到大氣成分參數(shù)。與傳統(tǒng)的微波雷達(dá)相比，激光的波長(zhǎng)更短，方向性更好，量子能量更大，更適合探測(cè)和分析大氣中微小粒子的相關(guān)特性[2-4]。

在常見(jiàn)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多利用國(guó)外通用的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)[5-7]：一方面，由于核心技術(shù)的封鎖，底層數(shù)據(jù)不對(duì)用戶開(kāi)放，無(wú)法依據(jù)采集需求的變化及時(shí)修改和升級(jí)軟硬件設(shè)計(jì)；另一方面，此類數(shù)據(jù)采集卡價(jià)格十分昂貴，后期維護(hù)不方便。面對(duì)我國(guó)航空領(lǐng)域?qū)τ诩す饫走_(dá)的強(qiáng)烈應(yīng)用需求，有必要推出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集方案可采用模擬方式或單光子計(jì)數(shù)方式。模擬方式采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器件獲取回波信號(hào)，適合測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度大、目標(biāo)距離近的目標(biāo)物。但是，激光雷達(dá)后向散射信號(hào)的強(qiáng)度隨距離的平方迅速衰減，往往探測(cè)到的回波信號(hào)非常微弱[8-9]。因此，采集方案更適合選用高增益、響應(yīng)快、寬頻帶的單光子計(jì)數(shù)方式[10-11]。為保證激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)作為主控芯片。相比于傳統(tǒng)的單片機(jī)和DSP器件，由于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率較低，DSP的數(shù)據(jù)處理部分采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿足激光雷達(dá)對(duì)高實(shí)時(shí)性的要求。FPGA的時(shí)鐘頻率非常高，內(nèi)部延遲低，控制邏輯均由硬件實(shí)現(xiàn)，具有高度靈活可配置性，利用強(qiáng)大的硬件描述語(yǔ)言和仿真工具，方便對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，可大幅改進(jìn)系統(tǒng)的丈量精度和采集速度，芯片內(nèi)剩余的邏輯資源根據(jù)采集需求的變化用于及時(shí)對(duì)系統(tǒng)升級(jí)改造。

本文針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)強(qiáng)度弱、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于FPGA的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)圍繞光子計(jì)數(shù)器展開(kāi)，通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器的乒乓操作實(shí)現(xiàn)無(wú)死區(qū)時(shí)間的信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)累加的結(jié)果做實(shí)時(shí)緩存處理，經(jīng)通用串行總線(USB)接口傳送到上位機(jī)做進(jìn)一步數(shù)據(jù)分析。本方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、時(shí)間分辨率高、全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，此外，可依據(jù)數(shù)據(jù)采集需求的變化及時(shí)修改軟硬件設(shè)計(jì)，滿足激光雷達(dá)在不同應(yīng)用場(chǎng)合的探測(cè)要求。

1 采集系統(tǒng)介紹

1.1 激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)

激光雷達(dá)作為大氣探測(cè)的主流技術(shù)手段，主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、光電接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)反演等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Diagram of the lidar structure

脈沖激光器產(chǎn)生固定頻率激光信號(hào)，利用耦合器將空間光耦合進(jìn)多芯Y型光纖，采用望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)激光的發(fā)射以及回波信號(hào)光的接收，利用收發(fā)同軸結(jié)構(gòu)解決了視場(chǎng)重疊因子的校正問(wèn)題?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)光纖傳輸后由窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)背景噪聲濾除，進(jìn)而由光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，之后進(jìn)行放大、濾波處理。最終，回波信號(hào)采集系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行高速計(jì)數(shù)累加，并將累加的結(jié)果緩存后傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行輸出反演處理。

1.2 光電探測(cè)

激光雷達(dá)回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大、強(qiáng)度隨距離平方快速衰減，當(dāng)探測(cè)距離較大時(shí)，回波信號(hào)極其微弱，在光強(qiáng)非常弱的情況下，把光當(dāng)作模擬量來(lái)探測(cè)是極其困難的[12]。為進(jìn)一步提高雷達(dá)的探測(cè)精度，本文采用單光子計(jì)數(shù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，每次激光脈沖發(fā)射后，往往在接收端還收不到一個(gè)光子，故讓激光器以固定的重復(fù)頻率連續(xù)發(fā)出激光脈沖，并在接收端采用累加取平均的方式，以減小計(jì)數(shù)誤差，提高探測(cè)精度。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要完成的工作包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)傳輸三部分，是激光雷達(dá)自動(dòng)化控制的中心，同時(shí)也是后續(xù)數(shù)據(jù)處理和物理反演的基礎(chǔ)。本文采用高精度的單光子計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，需要大幅度增強(qiáng)原微弱信號(hào)的強(qiáng)度，而光電倍增管(PMT)作為一種真空光電激發(fā)器件很好地滿足了此要求。PMT利用光電倍增系統(tǒng)使光電子二次激發(fā)，輸出信號(hào)強(qiáng)度可達(dá)到原輸入信號(hào)的上百倍。PMT的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由光入射窗、光陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)、倍增極和陽(yáng)極等部分組成。入射光經(jīng)入射窗射入光陰極，光陰極向真空中激發(fā)出光電子,這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大，放大后的電子被陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出[13-14]。內(nèi)部采用二次激發(fā)倍增系統(tǒng)，在可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)有很高的增益和較低的噪聲，非常適合激光雷達(dá)的微弱信號(hào)探測(cè)。

圖2 光電倍增管的結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Diagram of PMT

由于回波信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，單位時(shí)間內(nèi)回波信號(hào)微弱，探測(cè)器的選擇就顯得尤為重要。本文選用日本Hamamatsu公司的H7360- 02光電探測(cè)器，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍在300～650 nm，典型探測(cè)光功率為2×10-14～2×10-15W，最大計(jì)數(shù)率為6×106次/s，供電電源為DC-5V。圖3為探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖，內(nèi)部集成了PMT、脈沖放大器、鑒別器、脈沖整形器和供電系統(tǒng)等,能夠滿足從紫外到可見(jiàn)光波段的信號(hào)探測(cè)。探測(cè)器接收回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光子信號(hào)的倍增、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)放大和脈沖鑒別等功能，最終輸出脈沖寬度為9 ns的TTL型脈沖，光子計(jì)數(shù)器對(duì)其輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)累加。

圖3 光電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Diagram of photoelectric detector

1.3 數(shù)據(jù)累加原理

采集系統(tǒng)中，電子器件內(nèi)部的載流子會(huì)在工作時(shí)產(chǎn)生隨機(jī)熱噪聲，導(dǎo)致回波信號(hào)中包含大量熱噪聲，這些熱噪聲嚴(yán)重影響系統(tǒng)的測(cè)量精度。累加平均法是減少熱噪聲的高效方法，通過(guò)對(duì)各回波信號(hào)中相同采樣點(diǎn)處的信號(hào)累加平均實(shí)現(xiàn)。利用噪聲的隨機(jī)性和信號(hào)的穩(wěn)定性，在經(jīng)過(guò)多次累加求平均后可消除信號(hào)中夾雜的高斯白噪聲，從而提高信噪比

RS，N，N=10·lgN+RS，N

(1)

式中，RS，N，N為累加后的信噪比；RS，N為單個(gè)脈沖檢測(cè)的功率信噪比，經(jīng)過(guò)N次不同時(shí)刻采樣的累加平均可以使信噪比增加10·lgN[15-16]。信號(hào)累加的次數(shù)越多，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量越大，信噪比改善效果越好。當(dāng)存儲(chǔ)器件為16位時(shí)，可存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量最大為65 535，此時(shí)改善后的信噪比可達(dá)48 dB，且可充分利用硬件資源。

2 數(shù)據(jù)采集的邏輯設(shè)計(jì)

本文基于具有快速處理復(fù)雜數(shù)據(jù)能力的FPGA芯片，設(shè)計(jì)了激光雷達(dá)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，以激光器發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)作為時(shí)序參考，在時(shí)序電路的控制下，協(xié)調(diào)FPGA芯片、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)芯片、USB芯片的工作，對(duì)光電探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行高速計(jì)數(shù)采集，將采集的結(jié)果實(shí)時(shí)緩存到SDRAM中，待采集結(jié)束后將緩存數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Diagram of data acquisition system

2.1 計(jì)數(shù)采集

計(jì)數(shù)采集圍繞光子計(jì)數(shù)器展開(kāi)，信號(hào)采集的輸入為光電探測(cè)器輸出的脈沖信號(hào)和外部觸發(fā)信號(hào)。其中脈沖信號(hào)是TTL型電平脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)一個(gè)光子。激光器發(fā)出外部觸發(fā)信號(hào)，同為TTL型電平信號(hào)，作為系統(tǒng)門控電路的時(shí)序參考。系統(tǒng)將采集的結(jié)果通過(guò)先入先出隊(duì)列(FIFO)實(shí)時(shí)緩存到SDRAM中。

為盡可能減少計(jì)數(shù)的死區(qū)時(shí)間，利用每個(gè)激光脈沖的回波信號(hào)相互獨(dú)立的特征，采用兩個(gè)計(jì)數(shù)器通過(guò)乒乓操作依次交替工作實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)。如圖5所示，由觸發(fā)器控制的時(shí)間開(kāi)關(guān)，在循環(huán)計(jì)數(shù)時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù)器接收數(shù)據(jù)并計(jì)數(shù)，另一個(gè)計(jì)數(shù)器則將先前計(jì)數(shù)的結(jié)果緩存發(fā)送到SDRAM控制器，通過(guò)兩個(gè)計(jì)數(shù)器的并行操作實(shí)現(xiàn)對(duì)光電探測(cè)器輸出信號(hào)的無(wú)死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)。

圖5 計(jì)數(shù)器的工作時(shí)序圖Fig.5 Time sequence diagram of counters

2.2 數(shù)據(jù)緩存

在激光雷達(dá)信號(hào)采集系統(tǒng)中，采集結(jié)果的數(shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)性要求高，需要速度快、容量大的存儲(chǔ)器件對(duì)數(shù)據(jù)高速緩存。SDRAM具有容量大、體積小、控制便捷、讀寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，本文選用美國(guó)Micron公司的MT48LC32M16A2型號(hào)的SDRAM芯片，其存儲(chǔ)容量為256 Mibit(4 Mi×4 Banks×16 bit)，滿足雷達(dá)信號(hào)對(duì)存儲(chǔ)器件的要求。

本文設(shè)計(jì)的基于FPGA的SDRAM控制器，配置全頁(yè)突發(fā)讀寫(xiě)以及自動(dòng)刷新操作模式，運(yùn)用兩個(gè)異步FIFO與用戶邏輯進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。圖6為SDRAM控制器系統(tǒng)框圖，主要包括上電初始化、刷新操作、讀寫(xiě)操作等，各個(gè)模塊利用獨(dú)立有限狀態(tài)機(jī)的形式實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)工作時(shí)，控制器配合兩個(gè)異步FIFO對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作：一方面存儲(chǔ)計(jì)數(shù)的結(jié)果；另一方面待上位機(jī)發(fā)出讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求且一次測(cè)量完成時(shí)，將保存的數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖6 SDRAM控制器系統(tǒng)框圖Fig.6 Diagram of SDRAM controller

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

為了將采集到的激光雷達(dá)信號(hào)高速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，數(shù)據(jù)傳輸接口采用USB接口。本文選用美國(guó)Cypress公司的CY7C68013A芯片，芯片內(nèi)部集成USB2.0收發(fā)器、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、串行接口引擎以及可編程外部接口等。芯片采用FX2體系結(jié)構(gòu)，F(xiàn)X2將USB端點(diǎn)FIFO和外設(shè)FIFO合二為一，大幅度提高了讀取外界數(shù)據(jù)的速度。

USB作為一種典型的主從設(shè)備，在讀寫(xiě)過(guò)程中，首先由上位機(jī)的應(yīng)用程序發(fā)起操作請(qǐng)求，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序接口調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)操作，驅(qū)動(dòng)程序控制USB控制器向CY7C68013A發(fā)送數(shù)據(jù)，CY7C68013A的串行接口引擎對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后根據(jù)內(nèi)部的固件程序不斷向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 編譯仿真

針對(duì)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)要求高等特點(diǎn)，采用速度快、密度高、功耗低及可重構(gòu)性強(qiáng)的FPGA作為主控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制。選用美國(guó)Altera公司生產(chǎn)的Cyclone Ⅳ系列的EP4CE10F17C8芯片，該芯片采用60 nm工藝技術(shù)，在芯片精度和運(yùn)行速度上都有較好的表現(xiàn)，最高工作頻率可達(dá)275 MHz，擁有豐富的邏輯單元和內(nèi)部嵌入式存儲(chǔ)器和乘法器，提供10 320個(gè)邏輯單元、793個(gè)寄存器單元、2個(gè)通用鎖相環(huán)(PLL)以及179個(gè)用戶I/O接口等資源供用戶使用。采用硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，使得電路設(shè)計(jì)更加靈活、便捷，產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本得到大幅度縮減。

利用Quartus Prime軟件對(duì)數(shù)據(jù)采集的邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯后，得到邏輯性能和資源利用情況如表1所示。

表1 邏輯性能和資源利用情況

系統(tǒng)總共消耗了1685個(gè)邏輯單元，占總邏輯單元的10%，其中，組合邏輯與時(shí)序邏輯的比例為4:3，使用了85個(gè)用戶引腳，1個(gè)PLL?？梢钥闯觯到y(tǒng)還有大量的資源沒(méi)有使用，剩余資源可以在系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和升級(jí)時(shí)得到充分使用。

3.2 時(shí)序仿真

為驗(yàn)證采集系統(tǒng)時(shí)序的正確性，在軟件環(huán)境下，對(duì)計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真操作，驗(yàn)證電路的行為和設(shè)計(jì)意圖的一致性。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 采集電路的時(shí)序圖Fig.7 Time sequence diagram of acquisition circuit

從圖中可以看出，在門控電路的控制下，兩個(gè)光子計(jì)數(shù)器交替工作，并將計(jì)數(shù)結(jié)果不斷地存入FIFO中。當(dāng)門控電路Gate_Control為高時(shí)，計(jì)數(shù)器A開(kāi)始工作，每次脈沖信號(hào)輸入，計(jì)數(shù)器A便進(jìn)行計(jì)數(shù)累加，當(dāng)Write_To_Fifo為低時(shí)，從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。檢測(cè)到Add_En為高時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果與讀取的結(jié)果相累加，并將累加結(jié)果再次寫(xiě)入FIFO中。最后，當(dāng)CounterA_Empty信號(hào)到來(lái)時(shí)，將計(jì)數(shù)器A清零并準(zhǔn)備下一次計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器B進(jìn)行類似的操作，依次循環(huán)交替操作。仿真結(jié)果表明，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠正確地實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)和緩存功能。

3.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)所設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將采集系統(tǒng)接入米散射微脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)分析，激光雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。為了驗(yàn)證采集系統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)和數(shù)據(jù)緩存效果，通過(guò)多次測(cè)量對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析。

表2 米散射微脈沖激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

觀察發(fā)現(xiàn)，消光系數(shù)強(qiáng)度具有先快速增強(qiáng)，到達(dá)最高點(diǎn)后再平滑衰落的特點(diǎn)，符合大氣后向散射信號(hào)功率隨距離的變化快速衰減的特征。為驗(yàn)證采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，選取具有代表性且較為平緩的2.5～6 km 高度處的消光系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，本采集系統(tǒng)相對(duì)于光子計(jì)數(shù)器的均方誤差為8%，與商用光子計(jì)數(shù)器測(cè)量的結(jié)果相比具有良好的一致性，可以很好地實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀黜?xiàng)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)采集的特殊要求，提出了一種基于FPGA實(shí)現(xiàn)無(wú)縫光子計(jì)數(shù)的激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。首先通過(guò)高增益的光電探測(cè)器將回波信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大處理，雙計(jì)數(shù)模塊構(gòu)造的光子計(jì)數(shù)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)信號(hào)采集卡。兩個(gè)計(jì)數(shù)器的循環(huán)交替工作，有效地避免了光子脈沖丟失所引起的計(jì)數(shù)誤差。采用累加平均的方法提高信噪比，將采集系統(tǒng)應(yīng)用于激光雷達(dá)系統(tǒng)觀測(cè)，并與商用光子計(jì)數(shù)器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該采集系統(tǒng)的均方誤差為8%，具有良好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。此外，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可依據(jù)不同的應(yīng)用需求，在不修改雷達(dá)內(nèi)部硬件的前提下重組資源，以適應(yīng)激光雷達(dá)對(duì)于特殊應(yīng)用領(lǐng)域的探測(cè)要求。