脉冲扫描激光雷达信号采集与处理的研究

2016-12-12张俊逸

商丘师范学院学报 2016年12期

关键词：小虫示波器激光雷达

张俊逸

(河南牧业经济学院,河南郑州 450000)

脉冲扫描激光雷达信号采集与处理的研究

张俊逸

(河南牧业经济学院,河南郑州 450000)

激光雷达实现了激光技术与雷达技术的有机集合，具有较高的分辨率和抗干扰能力.在激光雷达的实际应用中，能够完成角跟踪、测距、目标对象速度测量以及超低空飞行目标跟踪等任务.与常规雷达相比，激光雷达的应用优势十分显著，如能量集中、全天候工作、能够在分子量级上探测目标等等，因此其在民用与军事领域的应用前景都极为广阔.基于此，激光雷达回波信号采集与处理成为了国内的一个热门研究领域，本文主要以DSO2902虚拟示波器与VB为基础，开发了一种脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统，其在信号处理、成像以及存储等方面都具有较大的优势，希望能够为今后的激光雷达信号的采集处理提供一定的借鉴.

脉冲扫描激光雷达；测量原理；信号采集；处理

当前，国内对于激光雷达信号采集与处理的研究一直不断，所采用的方法也十分多样，例如当前已经开发出来的硬件产品就包括高速高分辨率的模/数转换器(ADC)、数字信号处理器(DSP)及其高速存储器等等，但是上述硬件在进行数据的高速采集和实时处理的过程中，往往会出现系统不稳、高频信号干扰等等问题.因此，开发出一个新型的、能够避免上述问题出现的激光雷达信号采集与处理系统十分必要.

1 脉冲扫描激光雷达的测量原理

激光雷达在工作中，会向空间反射一串高频窄脉冲光波，若是遭遇障碍物，则会出现反射.因此，可在某一地设置激光雷达，通过分析光波回波信号的幅值、相位信息等等，确定目标物体的空间位置(见图1)[1].

图1 激光雷达系统框图

若是想要激光器能够对目标对象的距离、回波强度进行测量，则可在激光器前端增设一套光学设备，其能够使激光器所发射的窄脉冲光波在平面上都有一定的角度偏移，数个光波发射完成后，即完成了对平面的一次扫描(见图2).

图2 雷达系统原理图

电磁波是以光速进行传播，令R为目标对象距离，则传播距离如下所示：

2R=ctr

(1)

(2)

式中：R表示的是目标对象至激光雷达的单程距离，m，tr表示的是电磁波在目标对象与雷达之间往返所用的时间，s，c表示在空气中的传播速度，c=3×108m/s.激光雷达的一大优势就在于其能够对目标距离进行测量，且测量精度、分辨率均和发射信号的带宽相关，脉冲越窄，则性能就越好.通过窄脉冲的应用，有利于避免触发脉冲对回波信号的干扰，同时还能够增大激光强度，使得回波信号更加清晰.

在对目标对象的回波强度进行测量时，要求能够精确地采集到第N+1个激光脉冲发射前的全部回波信号强度，然后将其送进数据处理系统，通过比较分析后得到全部数据中的最大值，并将其作为激光脉冲N的回波信号强度，具体如图3所示[2].

图3 激光雷达强度测量

2 脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统设计

本系统主要由三个部分所构成：一是数据采集部分，该部分的核心为DSO2902虚拟示波器，主要的任务转化激光雷达回波模拟信号，使其成为能够存储到计算机中的数字信号；二是成像系统，本系统采用的是由VB6.0进行编写的成像系统，其主要任务是对已经存储到计算机内部的数据进行处理和计算，并按照相关要求成强度像、距离像；三是数据存储部分，本系统采用的是VB6.0与VB.NET混合进行编写后得到的数据存数系统，其主要是将数据以XML格式的形式进行存储，便于后期的调用以及处理[3].

2.1 脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统总体方案

本系统中主要应用了DSO2902虚拟示波器、VB6.0与VB.NET混编的数据采集、成像与存储系统，具有收发分置的特点，如下图4所示即为其系统结构示意图.

图4 脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统结构示意图

如图4中所示，信号发生器一共会产生三路信号：(1)第一路正弦信号主要是用于将扫描振镜驱动；(2)第二路脉冲信号主要是用于将激光器驱动，使其发射出激光脉冲；(3)第三路脉冲信号主要是用于将DSO2902虚拟示波器驱动，使其对雷达回波信号进行采集.其中，激光器所发射出来的激光脉冲会通过振镜等光学设备，扫描目标对象，并由信号探测器接收回波信号，将其转化为电信号，进入到虚拟示波器所模拟的通道A2口.通过USB 口将虚拟示波器采集的信号输送至计算机中，并用于成像系统中，最后所有的数据以XML格式存储至计算机硬盘.

2.2 脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统组成

2.2.1 数据采集部分

在整个脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统中，数据采集部分是最基础也是最关键的部分，其性能的好坏直接影响到后续数据处理的准确性.本数据采集系统应用的是DSO2902虚拟示波器，并通过VB程序对其进行控制，以实现后续成像系统的有效简化.

在采集系统的运行过程中，一共2路模拟信号进入，其中一路信号为触发采集卡的脉冲触发信号，而另外一路是探测器所探测到的回波信号.基于此，提出一个通过脉冲信号、波形信号发生器对两路进行模拟的测试方案(见图5)[4].

图5 虚拟示波器系统测试图

如图5所示，在系统运行中所触发的信号频率为16.6 kHz，而在测试时使用的是20 kHz的频率，一方面便于调试，另一方面则是可以确定虚拟示波器是否可以在更高的频率下运行.在完成验证后，可利用VB6.0语言更改虚拟示波器的参数，确保其能够满足实际的信号采集需要.

2.2.2 成像系统部分

在成像系统中，利用VB语言使得数据图形化具有较大的优势，复杂的数据转化为图形后更为直观，可以直接看出数据的变化情况，并分析、对比得到相应的结果.在VB环境下，成像的要求不同，则具体的应用方法也存在一定的差异，如下所示即为三种VB语言绘图方法.

可以说，小虫的这次行动计划非常缜密。在姑妈进了水池后，玉敏迅速给小虫发了信息，告诉他钻戒放在床头柜抽屉里。小虫早就到了姑妈家的小区，候在大门外。接到了信息，小虫才进去。小虫知道姑父肯定不在家，为了安全起见，还是先编好借口，然后才上了电梯。敲了半天的门，确认姑父家里没人了，小虫又向对门看了看，然后开门进去了。进了屋，小虫叫了声姑父，无人回应。小虫直接进了卧室，小心地取出钻戒，放在兜里。出门时见对门的门仍关着，小虫放心地进了电梯，下了楼，骑上摩托车风驰电掣地走了。

(1)VB提供的绘图功能

VB语言的一大应用优势就在于其具有强大的绘图功能，可以提供3种控件：Form、Picture Box以及lmage来显示图像，其中涵盖了Print、Line、Circle、Point、Pest以及Paint Picture等等绘图方法，此外还可以对控件的Draw Mode属性进行设置，达到选择特殊的像素绘制方法.同时，VB语言支持多种坐标系的定义，例如：用户自己所定义坐标系等等.

(2)调用图形设备接口API函数

图形设备接口API函数，能够提供管理系统所需要的各种图形设备函数，包含了显示器与打印机，同时，其还能够对一些字体、画笔以及基本图形的绘制函数进行定义.但是，API函数在具有强大功能的同时，难免存在实现复杂、易出错的问题，所以Microsoft从VB中将大部分的API函数排除在外，仅仅留下了一些较为精巧且VB不易完成的函数.

(3)合适的ActiveX控件

ActiveX控件，也被称之为OCX，其是在COM技术的基础上所构建的独立软件模块，同具体的编程语言并无关系.ActiveX控件的应用能够实现编程的有效简化，其也是针对Internet应用开发的重要基础.

综合考虑上述几种成像方法后，本系统最终决定采用ActiveX控件实现激光回波信号的成像.

2.2.3 数据存储

通过VB语言进行数据存储的方法十分多，并且各自具有优缺点，如下所示即为几种较为常见的存储方法：

MS Flex Grid控件的主要做账用是对表格数据进行显示与操作，其能够对内含字符串、图片的表格进行排序，或是将数据插入、对格式进行编排等等.VB内MS Flex Grid控件的应用主要具有便捷的优势，接收到的初速能够按照所规定的参数，直接在MS Flex Grid的窗口处显示出来.如：利用测量获得某遥控器4个被测量：一是电流；二是辐射度；三是辐射角；四是清晰度.其后，利用串口通信将数据传送至目标PC机中，而通过MS Flex Grid控件，可以将这些数据导入到界面内，直接进行显示和保存.当前，该种方法凭借着操作简单、方便的优点，得到了较为广泛的应用，但是MS Flex Grid控件也存在一定的不足，即存储功能较为单一，显示格式也并不规范，同时该控件并不具有分析、处理数据的功能，因此使用局限性较大，比较适用于存储功能、存储量不大的系统中.

(2)利用VB对SQL数据库进行操作

SQL Server 2000是微软公司锁门开发的关系型数据库，其主要具有功能强大、使用简单、扩展性十分好的优势，因此成为了当前使用最为广泛的数据库产品之一.在VB中，使用较为广泛的连接数据库方法主要包括以下几种：①数据控件(Data)；②数据访问对象(DAO)；③远程数据对象(RDO)；④Active X数据对象(ADO).目前，SQL数据库的分析、存储数据功能已经相当完备，将其应用于脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统中前景十分的广阔.

(3)利用XML语言对数据进行存储

XML与HTML存在一定的类似之处，其具有语法简单、易懂的特点，同时灵活性与扩展性能都十分好，能够允许用户对任意的具有明确含义的标记进行定义，并可将标记进行正确的、互不重叠的嵌套，按照一定的层次结构化表示数据.利用XML语言对数据进行存储，形式灵活，能够适用于任何平台，为不同语言、组件见的数据交换提供便利.

通过上述三种数据存储方式的分析、对比后发现，XML语言具有简单、灵活、调用方便等优势，因此本系统最终巨鼎采用XML语言对数据进行存储.

3 系统试验及其结果分析

在对脉冲扫描激光雷达信号采集与处理系统进行测试时，主要有以下几个步骤：(1)连接信号采集系统、激光雷达系统，完成连接后对测试数据采集部分，通过VB6.0程序对DSO2902虚拟示波器进行控制，以20 MHz、4.32 V的触发电平以及A2通道作为触发通道的模式，采集触发信号，根据采集系统检测图笔名，该采集系统能够正常工作，触发信号能够触发DSO2902虚拟示波器，以达到采集数据的目的.(2)检测成像系统.如图6所示即为成像系统检测示意图，因为光线干扰、采集系统前端放大器的工作不够稳定，导致在强度成像图中存在较为明显的毛刺，轮廓也不够清晰，对此需要在后期对回波数据进行相应的处理，以提高数据的进度以及成像的清晰度.如图7所示即为滤波后所得到的成像.