匹配濾波技術(shù)在激光測(cè)高儀電子學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　激光測(cè)高技術(shù)是利用搭載在衛(wèi)星上的激光測(cè)高儀向地球發(fā)射激光脈沖，激光脈沖經(jīng)過地面或者海面反射后，由測(cè)高儀接收返回的激光脈沖回波?；夭úㄐ坞S激光足印內(nèi)的被測(cè)表面特征而發(fā)生變化，其中包含被測(cè)表面的粗糙度、傾斜度和反射率等重要信息。通過處理和分析可以得到地球表面的地殼、地貌、地球植被、海洋形態(tài)和海水參數(shù)等信息。激光測(cè)高儀不僅要具有普通的激光測(cè)距機(jī)的距離功能，還對(duì)回波波形的保真度提出了更高的要求。因此，對(duì)測(cè)高儀的電子學(xué)系統(tǒng)提出了更高的要求。激光測(cè)高儀電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

　　根據(jù)激光測(cè)高儀電子學(xué)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)所完成的功能，可以把整個(gè)電子學(xué)系統(tǒng)分成三大部分：回波信號(hào)采集和調(diào)理單元、激光飛行時(shí)間鑒別和處理單元、數(shù)據(jù)采集和接口控制單元。其中，回波信號(hào)采集和調(diào)理單元主要完成激光測(cè)高儀信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、增益調(diào)整及匹配濾波工作，為后繼信號(hào)的采集處理做好準(zhǔn)備。飛行時(shí)間鑒別和處理電路用于輔助完成激光測(cè)高儀的測(cè)距工作，提供測(cè)距值的一個(gè)備份。數(shù)據(jù)采集和接口控制單元實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)高儀信號(hào)的采集、信號(hào)增益的控制、激光輸出頻率的控制等一系列工作。

　　1 回波信號(hào)采集和調(diào)理單元

　　回波信號(hào)采集和調(diào)理單元由雪崩式光電二極管（APD）、前置放大電路、匹配濾波電路以及優(yōu)先觸發(fā)通道選擇組成,主要實(shí)現(xiàn)以最佳信噪比提取激光回波信號(hào)。APD將回波光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后,經(jīng)前置放大、匹配濾波等信號(hào)調(diào)理后，由優(yōu)先觸發(fā)選擇通道送入主控計(jì)算機(jī)的高速數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行波形采樣，記錄波形動(dòng)態(tài)信息，便于軟件分析波形的寬度和面積特征，最終為提取目標(biāo)信息提供參數(shù)。

　　1．1 APD光電探測(cè)器

　　激光測(cè)高儀選用探測(cè)器主要考慮兩個(gè)重要參數(shù)，即響應(yīng)時(shí)間和光譜響應(yīng)度。激光測(cè)高儀的發(fā)射脈沖寬度決定了對(duì)探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間的要求，通常要求探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要比光脈沖寬度短一個(gè)數(shù)量級(jí)以上；激光器的發(fā)射波長(zhǎng)決定了探測(cè)器的光譜響應(yīng)度，探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)盡量接近激光測(cè)高儀的工作波長(zhǎng)，光譜響應(yīng)度要高、且暗電流小。探測(cè)1 064 nm 波長(zhǎng)的激光測(cè)高儀回波信號(hào)常采用紅外增強(qiáng)硅-雪崩光二極管（Si-APD）接收。它具有體積小、響應(yīng)速度快、高頻特性好、低噪聲、高增益等特點(diǎn)。本項(xiàng)目中使用EGG公司生產(chǎn)的光電探測(cè)組件C30954E。C30954E主要參數(shù)如表1所示。

　　1．2前置放大電路

　　光電探測(cè)電路對(duì)前置放大器的帶寬、輸入偏置和噪聲有著嚴(yán)格的要求，合理地設(shè)計(jì)該電路對(duì)整體系統(tǒng)的探測(cè)能力起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)C30954E的時(shí)域響應(yīng)特性，可以計(jì)算出放大器的－3 dB帶寬應(yīng)達(dá)到125 MHz。在滿足帶寬要求的前提下，高輸入阻抗、低偏置輸入以及低噪聲電流便成為主要的設(shè)計(jì)選型因素。為此在前置放大電路設(shè)計(jì)中采用了TI公司的寬帶寬、低噪放大器THS4012來構(gòu)造基本的前置放大電路，電路設(shè)計(jì)的形式為帶電阻反饋的互阻放大電路。由于探測(cè)噪聲會(huì)隨著放大器帶寬的增加而增大，所以在前置放大電路設(shè)計(jì)中在反饋電阻上并聯(lián)了一個(gè)小的電容來限制噪聲，盡管會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，但通過合理選擇電容可有效地提高系統(tǒng)探測(cè)信噪比。前置放大電路的原理圖如圖2所示。

　　1．3 匹配濾波電路

　　激光測(cè)高儀要關(guān)心脈沖波形的保真度，以便高速采集卡準(zhǔn)確記下信號(hào)的波形以供后續(xù)分析。系統(tǒng)在此對(duì)濾波器提出了以下兩點(diǎn)要求：首先它要以最大的信噪比提取信號(hào)。其次，濾波器在以最大信噪比提取信號(hào)的基礎(chǔ)上還要保持信號(hào)的波形，這樣才能繼續(xù)對(duì)經(jīng)波形瞬態(tài)記錄儀采樣后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行脈沖寬度和能量的測(cè)量。綜合以上兩個(gè)方面的考慮，激光測(cè)高系統(tǒng)中選用具有恒定群時(shí)延特性的貝塞爾濾波器?？紤]到系統(tǒng)的體積和功耗要求，濾波器的體積和功耗都不宜過大,所以選擇正反饋的Sallen-key雙二次濾波器節(jié)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)貝塞爾低通濾波器，階數(shù)為5階，其傳遞函數(shù)為：

　　依據(jù)傳遞函數(shù)可求出5階貝塞爾低通濾波器的最終級(jí)聯(lián)式電路，如圖3所示。

　　1．4 優(yōu)先觸發(fā)通道選擇單元

　　在匹配濾波器的選擇、設(shè)計(jì)中了解到匹配濾波器的截止頻率是由濾波信號(hào)的半高寬度確定的。但是由于目標(biāo)地面的特性以及大氣傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?，激光測(cè)高系統(tǒng)的回波信號(hào)半高寬度τ是一個(gè)變量。對(duì)于固定結(jié)構(gòu)的匹配濾波器，τ的變化會(huì)使信號(hào)與濾波器不匹配，則輸出信噪比會(huì)減小，影響回波探測(cè)。為了解決這一問題，系統(tǒng)中采用多通道接收，以滿足對(duì)不同地形、地物特征的識(shí)別。各通道匹配濾波參數(shù)可在大量觀測(cè)回波信號(hào)的基礎(chǔ)上，由回波信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性得出，由表2給出。

　　激光測(cè)高儀在進(jìn)行測(cè)量的過程中會(huì)時(shí)時(shí)遇到不同的地形、地物特征，但對(duì)于某一特定目標(biāo),4路匹配濾波通道只能有1路信噪比最大的通道有信號(hào)輸出。為此在電路設(shè)計(jì)中加入了優(yōu)先觸發(fā)選擇通道的設(shè)計(jì)。優(yōu)先觸發(fā)通道選擇電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　優(yōu)先觸發(fā)通道的選擇是通過CPLD器件控制4路高速單級(jí)電子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)不同的地形、地物，4路匹配濾波器輸出的信噪比不同并同時(shí)存在一定的時(shí)延，只有與該測(cè)量目標(biāo)物特性最匹配的通道輸出信號(hào)的時(shí)延最小，信噪比最高。其中CPLD為－7型器件，電子開關(guān)以及高速比較器的響應(yīng)時(shí)間都為納秒量級(jí)。

　　2 激光飛行時(shí)間鑒別和處理單元

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，對(duì)于距離測(cè)量這一功能，設(shè)計(jì)了兩套技術(shù)方案：一是直接利用高速數(shù)據(jù)采集得到光觸發(fā)信號(hào)與回波在時(shí)域的分布信息，換算出距離值。采用這種技術(shù)方案可以在實(shí)現(xiàn)對(duì)回波波形采樣的同時(shí)根據(jù)波形信息計(jì)算出距離信息，具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，這是軟件實(shí)現(xiàn)的距離測(cè)量。另一套技術(shù)方案就是采用硬件設(shè)計(jì)，基于延時(shí)線的方法直接解算出距離信息[7]。兩套技術(shù)方案互為備份，保證激光測(cè)高儀測(cè)距的有效性。TDC-GP1是ACAM公司基于0.8μmCMOS工藝設(shè)計(jì)的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，可對(duì)兩個(gè)脈沖或多個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔進(jìn)行精確測(cè)量，單通道測(cè)量精度為250 ps，雙通道耦合精度可達(dá)150 ps，測(cè)量范圍從3 ns~200 ms不等，圖5所示為包含GP1的激光測(cè)高飛行時(shí)間測(cè)量結(jié)構(gòu)圖。

　　工作過程為在主控計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)射激光的同時(shí)先產(chǎn)生Start信號(hào)進(jìn)入GP1作為測(cè)量開始信號(hào)，在激光發(fā)射出去的同時(shí)有部分光被耦合進(jìn)入光纖引導(dǎo)直接進(jìn)入接收望遠(yuǎn)鏡產(chǎn)生Stop1自校正信號(hào)，以得到因光路和電路而產(chǎn)生的距離漂移誤差，同時(shí)為避免激光調(diào)Q影響內(nèi)校正光路的波形；發(fā)射光發(fā)射出去經(jīng)目標(biāo)物反射后被接收單元接收產(chǎn)生Stop2信號(hào)，則兩個(gè)停止信號(hào)與一個(gè)開始信號(hào)之間的時(shí)間間隔被測(cè)出后直接相減，再加上光在光纖中傳播的距離就可得到目標(biāo)物與測(cè)高儀之間的距離，整個(gè)飛行時(shí)間測(cè)量模塊是以TDC-GP1為工作核心。

　　3 數(shù)據(jù)采集和接口控制單元

　　激光測(cè)高儀整機(jī)的運(yùn)行都是圍繞著主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行的，主控計(jì)算機(jī)通過集成在其內(nèi)部的數(shù)字I/O接口板卡、高速數(shù)據(jù)采集卡以及外部信號(hào)接口電路共同實(shí)現(xiàn)對(duì)激光測(cè)高儀系統(tǒng)工作狀態(tài)以及時(shí)序的控制。在電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)采樣率高達(dá)2 GHz的數(shù)據(jù)采集卡，通過調(diào)用采集卡動(dòng)態(tài)鏈接庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)該采集卡的二次開發(fā)。通過一個(gè)數(shù)字輸入輸出卡和外圍接口電路配合，依托虛擬軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激光脈沖頻率控制電路以及溫度檢測(cè)電路的調(diào)整。

　　激光測(cè)高儀高速數(shù)據(jù)采集采用基于PCI的數(shù)字化板卡CompuScope 82 G。單通道實(shí)時(shí)采集率為2 GHz/s，雙通道實(shí)時(shí)采集率為1 GHz/s，存儲(chǔ)深度為2 MB。信號(hào)帶寬為500 MHz，最大為1.2 GHz。信號(hào)傳輸采用Bus Mastering傳輸格式。傳輸速率為80 MB/s。激光測(cè)高儀的主控計(jì)算機(jī)通過數(shù)字I/O口來完成對(duì)外圍電路的控制、檢測(cè)工作。接口電路在硬件設(shè)計(jì)上其模擬電路部分被移到了一塊背負(fù)式電路板上，使得模擬地與數(shù)字地完全隔離，減少了PCI總線與模擬輸入部分之間的信號(hào)交擾?？刂瓶ú捎昧枞A公司PCI－7250數(shù)字控制卡，其工作原理如圖6所示。

　　該卡基于32位PCI總線，即插即用，具有8路繼電器輸出，8路光電隔離數(shù)字量輸入。板上帶有繼電器驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)字量輸入信號(hào)調(diào)理電路，所以可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)字信息的讀取以及輸出數(shù)字量控制外部接口狀態(tài)。數(shù)據(jù)控制卡通過DB37數(shù)據(jù)線與接口控制板卡一起實(shí)現(xiàn)主控計(jì)算機(jī)對(duì)激光測(cè)高儀的控制工作。該控制工作包括：通過控制CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出脈沖的調(diào)整；根據(jù)回波信號(hào)幅度調(diào)整主級(jí)放大器的增益，改變主級(jí)放大器的增益帶寬及耦合方式等。

　　4 實(shí)驗(yàn)和結(jié)論

　　從測(cè)高原理可以看出高精度、實(shí)時(shí)地測(cè)定激光測(cè)高儀到被測(cè)物體之間的距離是測(cè)高儀滿足各項(xiàng)測(cè)高功能的必要條件。因此，激光測(cè)高儀的關(guān)鍵在于激光測(cè)距精度。下面給出激光測(cè)高儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后的一些具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)需求，激光測(cè)高儀要求在500 km的衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行對(duì)地測(cè)量時(shí)，測(cè)距精度達(dá)到±1 m。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的限制， 這里采用消光法模擬500 km的測(cè)程，目標(biāo)物為1.3 km外的靶場(chǎng),在靶場(chǎng)室內(nèi)放置一塊1 m×1 m、對(duì)1 064 nm激光波長(zhǎng)反射率為99.25 %的漫反射板，距離墻壁3.9 m。當(dāng)激光束分別作用在漫反射板和墻面時(shí)，采用高速計(jì)數(shù)法來計(jì)算參考脈沖的峰值和回波信號(hào)的峰值之間的距離，得到如圖7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

　　在上述實(shí)驗(yàn)裝置中，平行于墻面緩慢移動(dòng)漫反射板，當(dāng)激光的光斑部分(用He-Ne光作為參考光)作用在漫反射板上，剩余部分作用在墻上?？梢垣@得如圖8所示的波形?？梢钥闯?，兩次測(cè)距精度都在±0.4 m以下(sd=0.375和sd=0.396)，從圖中還可以得出兩次測(cè)量的平均間距為3.86 m，與實(shí)際距離3.9 m非常吻合。從圖8中可以看出，回波中的兩個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)著激光光束作用在漫反射板和墻面的位置。這兩個(gè)目標(biāo)物可以清楚地分辨開來。回波峰值的不同是因?yàn)榧す夤馐饔迷谀繕?biāo)物的能量分布得不相等和目標(biāo)物的粗糙度不同造成的。從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，測(cè)高儀的高精度距離測(cè)量和回波信號(hào)的保真度都得到了保證。