第34卷第1期2013年1月仪器仪表学报ChineseJournalofScientificInstrumentVol.34No.1Jan．2013

收稿日期：2012-04ReceivedDate：2012-04*基金项目：中央高校基本科研基金（A03007023801217，A03008023801080）资助项目一种高速全波形采集与高精度定位技术研究*黄武煌，王厚军，叶芃（电子科技大学自动化工程学院成都611731）摘要：分析了新一代脉冲激光遥感对回波的全波形参量信息的需求，然后采用高精度时间间隔测量与全波形采集相结合的构架，通过精确的触发定位与完整的波形数据存储来获得回波全波形的精确时间与幅度信息，最终实现了一种高速全波形数据采集与波形序列定位系统的设计。对脉冲时间间隔测量与全波形数据存储关键技术作了着重阐述，提出了一种双脉冲沿的时间间隔测量校正方法，并进行了误差和测试分析。结果表明，系统的波形采集与定位精度高、性能可靠且易于控制，应用在激光遥感系统中将提高后续的数据分拣与反演分析处理能力，从而提升复杂目标成像及其特征提取的精度（可达1．83cm）。关键词：激光遥感；全波形采集；序列定位；时间间隔测量；双脉冲沿测量中图分类号：TP274+．2文献标识码：A国家标准学科分类代码：510．8040Researchonhigh-speedfull-waveformacquisitionandhigh-precisionpositioningtechnologyinlaserremotesensingHuangWuhuang，WangHoujun，YePeng（SchoolofAutomationEngineering，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu611731，China）Abstract：Therequirementofechofull-waveformparametersinnewgenerationpulsedlaserremotesensingisana-lyzed；thenadoptingthecombinationarchitectureofhigh-accuracytimeintervalmeasurementandfull-waveformac-quisition，theprecisetimeandamplitudeinformationoftheechofull-waveformareobtainedusingaccuratetriggerpo-sitioningandcompletewaveformdatastorage；finallyasystemdesignofhigh-speedfull-waveformdataacquisitionandwaveform-sequencepositioningisachieved．Inthepaper，thekeytechnologiesofpulsetimeintervalmeasurementandfull-waveformdatastorageareelaborated，andacorrectionmethodoftimeintervalmeasurementbasedondual-pulseedgeisproposed．Atthesametime，errorandtestanalysisisalsoperformed．Theresultindicatesthatthesystemfea-tureshigh-accuracywaveformacquisitionandpositioning，reliableperformanceandeasytocontrol．Appliedinlaserremotesensing，thesystemwillimprovetheanalysisandprocessingcapabilityoffollow-updatasortingandinversion，andpromotetheaccuracyofcomplextargetimagingandfeatureextraction（upto1．83cm）．Keywords：laserremotesensing；full-waveformacquisition；sequencepositioning；timeintervalmeasurement；dual-pulseedgemeasurement1引言激光遥感技术由于具有较高距离、角度和速度分辨率，能同时获取目标距离与强度等图像，以及强抗干扰性等特点，成为了复杂背景下最具潜力的目标探测模式，已广泛应用于森林调查、地貌测绘、武器制导等领域的目标图像绘制与识别［1］。以往的激光探测主要通过获取发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔来获取距离图像信息，只能用于提供目标水平分布的信息，无法获得目标的特性及垂直结构信息，因为其中的回波波形所包含的丰富信息并没有得到充分利用。新一代脉冲激光成像系统采用了对回波波形进行全波形分析技术，其发射单次激光脉冲即可获取一个激光脚印内复杂目标的回波全波形信息，并可充分分析其脉冲时间、幅度、脉宽及脉冲个数等综合信息［2-3］。74仪器仪表学报第34卷该技术通过波形分拣和反演算法就可以实现复杂目标成像及其特征识别与提取，如在森林调查中对树木、作物等与地表的分离实现植被高度、稀疏程度等生物量的定量测算；在军事调查中对隐蔽在遮蔽物下的目标进行提取判别予以精确打击目标［4-8］。为此，精确获取目标回波的全波形参量信息成为了其中关键技术之一，是提高后续目标的实时成像处理及其特征识别与提取能力的基础［1］。为了精确获得复杂目标的脉冲激光回波信号参量信息，国内外文献已有大量的研究。其中文献［9］在光子技术成像激光雷达中利用TDC测量单元对一个起始脉冲和多个回波停止脉冲进行多次触发测量，以获得各个回波脉冲的时间间隔信息。但当两个回波停止脉冲之间间隔较近或幅度相互交叠的情况下，就无法获得准确的回波全部信息。文献［10］阐述了激光回波的数字化原理，并实现了1ns的时间测量精度，但并未对各个采样时刻与起始发射脉冲作进一步高精度测量。文献［11］采用了以独立示波器为测量平台的脉冲回波全波形数字化来进行探测成像，但其不利于控制与轻型化。本文针对以上问题提出了一种高速全波形采集与高精度波形序列时间定位相结合的技术，以精确获得激光回波脉冲的全波形参量信息，使得对回波信号的运算更加准确，从而达到复杂目标的精确成像及其特征的有效识别与提取。2脉冲激光遥感系统结构脉冲激光遥感是根据发射激光脉冲和接收回波脉冲之间的时间关系来确定距离及图像信息的，其系统改进型结构如图1所示，包括发射单元、接收单元、时间数字转换器（time-digitalconverter，TDC）及波形采集单元和系统控制及处理中心等［7-11］。激光发射单元按照一定的频率发出激光脉冲，照射到被测目标，然后激光接收单元接收由目标反射回来的激光回波脉冲并转换成电信号送至TDC及全波形采集单元进行全波形采集与时间序列定位。系统根据距离计算公式d=Δtc/2得出距离信息；根据发射脉冲的波形信息与回波波形信息并利用相应的分解及特征提取计算方法得出复杂目标的多层反射信息，从而进行多维成像与特征提取识别。其中d表示激光器与目标之间的距离，Δt表示激光脉冲的时间间隔，c表示光速。3全波形采集的系统构架从脉冲激光对复杂目标的探测原理可知，其关键在于精确测量激光脉冲的往返时间间隔和采集回波的全波形信息，即需要高精度地测量脉冲间的时间间隔且需同时获得各回波的全波形采样点与起始发射脉冲触发点的精确时间间隔关系。系统时间测量与全波形采集的工作原理如图2所示。

激光器发射出在时域上具有高斯型的脉冲激光（幅度为As，半幅度宽度为τ），照射到复杂目标，经多重反射叠加后形成了复杂的回波脉冲，其在时域上表现为由多个高斯型脉冲相互叠加而成的，且幅度上可能有多个凸出的峰值，进而反映出了目标高度与灰度等多方面的特性。系统工作时通过设定相应的触发阈值来测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt，同时对回波脉冲进行高速采样，并测量各个采样时刻与发射脉冲触发点的精确时间间隔，最终得出回波脉冲的全波形信息。由于采样时钟源与激光脉冲源并非同源的，也就是说采样时钟相位与激光回波脉冲的触发时刻是不相关的。于是为获得各个采样时刻与发射脉冲的触发时刻之间的时间间隔，需同时精确测量回波脉冲触发时刻与其之后的第1个采样点df之间的时间间隔，即tf。则df与起始发射脉冲触发点之间的时间间隔td=Δt+tf，然后依采样周期关系就可以得出回波脉冲波形的每个采样点与起始发射脉冲之间的精确时间间隔关系，完成了对波形的精确定位，故td也称为波形序列定位时间。利用该精确定位信息就可以进一步完成复杂目标的高精度回波分解与特征提取。因此，Δt和tf的测量精度对整个系统全波形采样时刻的测量精度起着决定性因素。根据Δt测量范围大、线性度好和精度高等特点的要求，选择了基于数字内插法的专用测量芯片TDC-GP1来实现；而依tf测量范围小和高精度的要求，可选择时间脉冲展宽法来测量［12-14］。于是全波形采集系统的构架如图3所示。第1期黄武煌等：一种高速全波形采集与高精度定位技术研究75图3全波形采集系统框图Fig．3Blockdiagramofthefull-waveformacquisitionsystem本系统基于FPGA+DSP的双处理器构架，采用软硬件结合的方式来控制信号采集、时间间隔测量模块及系统上位机通信的工作过程［14-15］。发射脉冲信号经调理通道送至触发比较器作为高精度时间间隔测量的起始信号。回波脉冲信号经调理通道分别送至模数转换器（analogdigitalconvert-er，ADC）和触发比较器作为高速采样的输入信号和高精度时间间隔测量的停止信号。其中触发比较器的比较电平由FPGA控制DAC精确产生。时间间隔测量由2部分组成：时间数字转换器TDC1接收起始和结束信号并进行时间间隔Δt测量；由时间展宽电路（timepulseexpendedcircuit，TPEC）搭建的时间数字转换器TDC2接收结束信号与采样时钟进行tf测量。FPGA作为系统的实时处理控制中心，控制ADC、TDC及DAC的工作过程，并且接收TDC的测量结果数据和ADC的采样数据进行存储与预处理。DSP是系统软件运行平台，与FPGA通信来控制整个系统的工作过程，并与上位机进行通信。4测量关键技术从以上分析得出，系统测量的关键技术包括时间间隔参数测量与全波形数据存储控制，以下将作进一步分析。4．1Δt的精确测量影响Δt测量精度的因素有信号调理带宽、传输延迟及其抖动、TDC测量精度等。为提高信号调理精度，需使用高精度宽带模拟器件进行幅度和电平调整，以适合ADC与TDC-GP1的测量输入要求，且两个调理通道和触发电平需保持较高的一致性。其中两个通道的传输延迟直接影响着系统Δt的测量结果，设发射脉冲和回波脉冲的传输延迟分别为t1、t2，则测量结果需校正为Δt－（t1－t2）。TDC测量模块是Δt测量结果的直接来源，也是系统测量最关键参数之一。为充分发挥TDC-GP1的性能，需采取相应的校正、使用低抖动温补晶振频率源等手段，来进行温度补偿，提高系统的精确度。但该芯片测量时间间隔的最小值tmin为3ns，并不为零，即所测时间间隔大于tmin。于是为了能测得从零开始且不超出芯片的最大测量时间间隔tmax的时间间隔，则系统设计需满足：t1+tmin≤t2≤t1+tmax（1）在传输的路径上引入的抖动会增加测量结果的不确定性，降低了测量结果的精度。设其引入的抖动方差为σ2td，TDC测量模块的测量精度方差σ2tdc，则Δt的测量结果表达式需进一步校正为：Δt－（t1－t2）±σ2td+σ2槡tdc（2）4．2tf的精确测量时间间隔tf是回波脉冲触发点与其之后第1个采样点之间的时间间隔，其范围为（0，Ts］，具有时间间隔短、控制复杂等特点。为此，系统选用FPGA+TPEC构架作为实现方案，可以获得较高的性能与可控性。通过两个被测信号上升沿形成一个窄脉冲，送至TPEC单元进行脉冲展宽，然后送回FPGA进行计数，以达到窄脉冲高精度测量目的［15］。其测量原理如图4所示。图4展宽脉冲形成原理及测试方案分析Fig．4Principleoftheexpendedpulseforminganditstestschemeanalysis回波脉冲的触发信号stri的上升沿与其之后的第1个采样时钟sclk上升沿形成测量脉冲plusee送至TDC2进行展宽测量。由于TPEC在进行脉冲展宽时都有特定的线性区间，故展宽脉冲形成时需加入固定时间长度的脉冲进行预拓展，本文以加入2个sclk时钟周期Ts为例，其实现原理如图5所示，使用了4个D触发器和1个与门［12-15］。该方式简单，易于实现，但当tf处于临界时，即出现如图4所示的触发信号stri2处于dclk的上升沿附近时，由于信号抖动和触发器亚稳态的因素存在，系统会随机出现2种完全不同的展宽脉冲plusee1、plusee2（为相差1个Ts的2个不同脉冲），将造成测量结果的错误。图5展宽脉冲拓展的实现原理Fig．5Implementationprincipleoftheexpendedpulseexpending这种测量错误在脉冲激光成像系统中是不允许存在的，所以本文在原有方案基础上提出双脉冲沿测量方案，即同时测量回波脉冲的触发沿与其之后的数据同步时钟