脉冲激光回波信号采集技术

激光器 重频 Ｈ ｚ
１ ０
１ ０ ０ ｏ ｌ ０ ｏ ｏ ０
系统持续采集时间 Ｓ
１ ６ ３ ． ９
１ ． ６ ４ ０． １ ６ ４
预触发技术是利用 回波信号作为采集系统 的外触发信号启 动采 集 系统的工作 。首先设 置触 发条件和采集数据长度 ， 包括预触 发电平 、 触 发前／ 后沿 、 预触发采集 的数 据个数 以及触发后 采集的数据个数 。当 回 波信号 电平不满足 触发条件 时 ， 采集卡将 采集数据 以循 环存储 的方 式 暂存在存储器 中， 循环存储器 的长度等于设置 的预触发数据长度 ； 当满 足预置电平的回波信号到达触发电路时 ， 采集的数据从循环存储器开始依 次缓 存 ， 直 到采 集 的数 据 长度 等 于设 置 的数据 总 长度 （ 见 图１ （ ｂ ） ） 。 预触发采集 方式对 于较高信噪 比的脉 冲激光 回波 ， 可 以最大 限度地 减 少采集存储 的数据量 ， 且无需 目标距离 的先验知识 ， 因此 尤其适 合高速 运动和机动 目标 回波 的采集 。但 是 ， 由于预 触发是利用 回波信号作 为 触发源 ， 当 回波信 号信 噪 比较低 时 ， 会带来较 大的虚警率 ， 同时会 降低 探测概率。 将距离波 门技术 和预触 发技 术结合 ， 可 以降低虚惊率 ， 但 是不会 增 加探测概率 ， 通 常当 回波信噪 比小 于 ６ ｄ Ｂ 时， 基于距离波 门的回波信号 采集是保证探测概率 、 降低虚警率的唯一方式 。
Ｃ ｏ ｍ ｐ ｕ ｓ ｃ ｏ ｐ ｅ Ｂ Ａ Ｓ Ｅ 一 ８ 是一 款具 有多 种触 发 方式 的高 速数 据 采集 卡， 具有 ５ ０ ０ Ｍ Ｓ ／ ｓ 的最 大采样率 ， Ａ Ｄ Ｃ 分 辨率 ８ ｂ ｉ ｔ ， 板上 内存 ８ Ｍ Ｂ ， 采用 Ｐ Ｃ Ｉ 总线接 口， 提供 Ｃ ／ Ｃ ＃ 、 ＭＡＴ Ｌ ＡＢ和 Ｌ ａ ｂ Ｖ Ｉ ＥＷ软件开发工具箱 。系统 以最大采样率 ５ ０ ０ Ｍ Ｓ ／ ｓ 采集数 据时 ， ８ Ｍ Ｂ 板上存储器可连续采集 １ ６ ｍ ｓ ， 实际应 用中需要采集系统持续采集 的时 间通常远 大于 １ ６ ｍ ｓ 。表 １ 给出 了不同激光器重频条件下采用距离波 门技术和预触发技术 的系统持续 采集时间。可见 ， 采用距离波 门或预触发模式时 ， 系统连续采集 时间主 要 取决于激光 器的重频 和板上存储器大 小 ， 当采集 卡的板上存储器存 满后 ， 需要 通过软件将采集数据 经Ｐ Ｃ Ｉ 总线送至计算机 内存 。 为了实现对 回波信 号的持续采集 和存储 ， 在 软件开发 中， 将８ Ｍ Ｂ 存 储 空间分成等容量的两个独立空间 ， 当其 中一个空 间存满数据后 ， 启动 数据传输程 序将采 集数据通 过 Ｐ Ｃ Ｉ 总线送 计算机 内存 ， 由于采集卡在 工作模 式设置后处于 自 主运行状态 ， 因此在数据传输 的同时 ， 数据采集
要。 工作 也在 同时进来自行 ， 满足 了实际应 用 中对 回波数据 长时 间采 集的需
求 。图 ２ 是采用预触发方式采集的重复频率为 １ ０ ｋ Ｈ ｚ 的激光 回波信号 ， 触发电平 １ ０ ０ ｍ Ｖ， 预触发数据 １ ２ ８ 个， 每个记 录的数据长度 ７ ６ ８ 个， 激光 回波信 号半高宽 ３ ０ ０ ｎ ｓ 。 表１ 采用距离波门或预触发模式系统持续 采集 时间
捞
豚 油激 光 回 波信 号 采集 技 术
装备 学 院 樊桂 花 张延 华
［ 摘 要］ 本文针对 高采样率的脉 冲激光 回波采集处理的应用需 求， 设计 了基 于通用高速数据采集卡的回波信号采集处理 系统 ， 提出 了不 同应 用背景 下的脉 中 激光回波采集触发控制 方案 ， 解 决了板 上有限存储 空间与回波信号持续采集存储 的矛盾 ， 对脉 冲激 光回波 信号采集的 工程 实现具有借鉴意义 。 ［ 关键词］ 信号采集 脉冲激光回波 距 离选通 预 触发
脉 冲激光 回波信号 的占空 比高达 １ ： １ ０ ， 对于１ ０ ｋ Ｈ ｚ 的高重频激 光 回波信 号 占空 比也达到 １ ： １ ０ ， 也就是说 ， 有效 的 回波信 号持续时 间相 对发射激光周期来说 非常短 ， 若将全部 的回波信号数字化 ， 一方 面对数 据的缓存 和处理速度 提出 了很高 要求 ， 另一 方面极大增 加了系统 的虚 警率 。文中采用通 用高速数据采 集卡 ， 提 出了两种有效 回波信号采 集 触发控制方案 ， 降低 了采集数据量 ， 提高 了系统性能 。 １ ． 脉冲激光 回波信号采集触发控制方案 降低 回波信号采 集数据量 的有效途径是 ， 在激光 回波达到接 收光 学系统时开始数据采集 ， 将完 整 回波采集后停止采集工作 ， 这样 每次 发 射激光后 只对有效 的回波信号进 行数字化 ， 大大减小 了 回波信号采 集 处理数据 量 ， 提 高了回波信号 采集处理 系统的实时性 。 由于 只是针 对 有效 回波的采集处理 ， 因此系统 的虚警率也大大降低 。 根据不 同应用 ， 回波信号采集触发控制策略有两种 ： 一种 是距离波 门技术 ， 另一种是基于 回波信号 的预触发技术 。 距离波 门技术是利 用 已知 的 目 标 距离对 回波信号进行 选通采集 。 系统需 要预先 已知或估计 目标距 离 Ｒ ， 依 此计算 发射激光 到达 目标 的 往返飞行 时间 ｔ ， 设置 系统 的触发延迟时 间略小 于ｔ ， 当延迟时 间到时触 发采集系统开始工作 （ 见图１ （ ａ ） ） 。为 了保证 系统 在工作 过程中回波信 号始终处 于波 门内 ， 需 要对 目 标距 离有较 高的估计精度 。对于低速 运 动 目标运动或对地探测 时 ， 可以适当增加波 门宽度 ， 保证距离波 门能够 始终 “ 套住 ” 激光 回波 ， 但 是对 于高速运 动 目标 或机动 目标 ， 由于很 难 准确 估 计 目标 距 离 ， 而进 一 步增 加 波 门会 增加 回波 采 集 的数 据量 。 在这种情 况下 ， 基 于距离波 门的 回波采集 触发方式就 满足不 了应用 需
０ ． 引 言
随着激光 器技 术的发展 ， 高 峰值 功率的脉 冲激 光器在机载／ 星载地 面探测 、 林 业资源 勘探 、 激光 主动探测 、 激 光测距等领域 具有广泛 的应 用前景ｕ ～ Ｉ 。通过对 回波波形 的数 字化和采集 数据的分 析处 理 ， 可 以反 演 目标的特征信息 ， 同时通过 回波信 号的采集处理 ， 可 以有效提 高系统 性 能 。