基于主動遙感技術(shù)和匹配濾波技術(shù)的電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

激光測高技術(shù)是利用搭載在衛(wèi)星上的激光測高儀向地球發(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)的被測表面特征而發(fā)生變化，其中包含被測表面的粗糙度、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。激光測高儀不僅要具有普通的激光測距機(jī)的距離功能，還對回波波形的保真度提出了更高的要求。因此，對測高儀的電子學(xué)系統(tǒng)提出了更高的要求。激光測高儀電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

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

1 回波信號采集和調(diào)理單元

回波信號采集和調(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,主要實現(xiàn)以最佳信噪比提取激光回波信號。APD將回波光信號轉(zhuǎn)換為電信號后,經(jīng)前置放大、匹配濾波等信號調(diào)理后，由優(yōu)先觸發(fā)選擇通道送入主控計算機(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光電探測器

激光測高儀選用探測器主要考慮兩個重要參數(shù)，即響應(yīng)時間和光譜響應(yīng)度。激光測高儀的發(fā)射脈沖寬度決定了對探測器響應(yīng)時間的要求，通常要求探測器的響應(yīng)時間要比光脈沖寬度短一個數(shù)量級以上；激光器的發(fā)射波長決定了探測器的光譜響應(yīng)度，探測器的峰值響應(yīng)波長應(yīng)當(dāng)盡量接近激光測高儀的工作波長，光譜響應(yīng)度要高、且暗電流小。探測1 064 nm 波長的激光測高儀回波信號常采用紅外增強(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)。本項目中使用EG&G公司生產(chǎn)的光電探測組件C30954E。C30954E主要參數(shù)如表1所示。

1．2前置放大電路

光電探測電路對前置放大器的帶寬、輸入偏置和噪聲有著嚴(yán)格的要求，合理地設(shè)計該電路對整體系統(tǒng)的探測能力起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)C30954E的時域響應(yīng)特性，可以計算出放大器的－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)計選型因素。為此在前置放大電路設(shè)計中采用了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)計的形式為帶電阻反饋的互阻放大電路。由于探測噪聲會隨著放大器帶寬的增加而增大，所以在前置放大電路設(shè)計中在反饋電阻上并聯(lián)了一個小的電容來限制噪聲，盡管會影響系統(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)確記下信號的波形以供后續(xù)分析。系統(tǒng)在此對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。其次，濾波器在以最大信噪比提取信號的基礎(chǔ)上還要保持信號的波形，這樣才能繼續(xù)對經(jīng)波形瞬態(tài)記錄儀采樣后的數(shù)字信號進(jìn)行脈沖寬度和能量的測量。綜合以上兩個方面的考慮，激光測高系統(tǒng)中選用具有恒定群時延特性的貝塞爾濾波器。考慮到系統(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)級聯(lián)實現(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)計中了解到匹配濾波器的截止頻率是由濾波信號的半高寬度確定的。但是由于目標(biāo)地面的特性以及大氣傳輸?shù)纫蛩氐挠绊懀す鉁y高系統(tǒng)的回波信號半高寬度τ是一個變量。對于固定結(jié)構(gòu)的匹配濾波器，τ的變化會使信號與濾波器不匹配，則輸出信噪比會減小，影響回波探測。為了解決這一問題，系統(tǒng)中采用多通道接收，以滿足對不同地形、地物特征的識別。各通道匹配濾波參數(shù)可在大量觀測回波信號的基礎(chǔ)上，由回波信號的統(tǒng)計特性得出，由表2給出。

激光測高儀在進(jìn)行測量的過程中會時時遇到不同的地形、地物特征，但對于某一特定目標(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輸出。為此在電路設(shè)計中加入了優(yōu)先觸發(fā)選擇通道的設(shè)計。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路高速單級電子開關(guān)來實現(xiàn)的。對不同的地形、地物，4路匹配濾波器輸出的信噪比不同并同時存在一定的時延，只有與該測量目標(biāo)物特性最匹配的通道輸出信號的時延最小，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)時間都為納秒量級。

2 激光飛行時間鑒別和處理單元

在系統(tǒng)設(shè)計方案中，對于距離測量這一功能，設(shè)計了兩套技術(shù)方案：一是直接利用高速數(shù)據(jù)采集得到光觸發(fā)信號與回波在時域的分布信息，換算出距離值。采用這種技術(shù)方案可以在實現(xiàn)對回波波形采樣的同時根據(jù)波形信息計算出距離信息，具有方便、快捷的優(yōu)點(diǎn)，這是軟件實現(xiàn)的距離測量。另一套技術(shù)方案就是采用硬件設(shè)計，基于延時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，保證激光測高儀測距的有效性。TDC-GP1是ACAM公司基于0.8μmCMOS工藝設(shè)計的高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，可對兩個脈沖或多個脈沖之間的時間間隔進(jìn)行精確測量，單通道測量精度為250 ps，雙通道耦合精度可達(dá)150 ps，測量范圍從3 ns~200 ms不等，圖5所示為包含GP1的激光測高飛行時間測量結(jié)構(gòu)圖。

工作過程為在主控計算機(jī)控制激光器發(fā)射激光的同時先產(chǎn)生Start信號進(jìn)入GP1作為測量開始信號，在激光發(fā)射出去的同時有部分光被耦合進(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，以得到因光路和電路而產(chǎn)生的距離漂移誤差，同時為避免激光調(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，則兩個停止信號與一個開始信號之間的時間間隔被測出后直接相減，再加上光在光纖中傳播的距離就可得到目標(biāo)物與測高儀之間的距離，整個飛行時間測量模塊是以TDC-GP1為工作核心。

3 數(shù)據(jù)采集和接口控制單元

激光測高儀整機(jī)的運(yùn)行都是圍繞著主控計算機(jī)進(jìn)行的，主控計算機(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接口電路共同實現(xiàn)對激光測高儀系統(tǒng)工作狀態(tài)以及時序的控制。在電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中采用了一個采樣率高達(dá)2 GHz的數(shù)據(jù)采集卡，通過調(diào)用采集卡動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)對該采集卡的二次開發(fā)。通過一個數(shù)字輸入輸出卡和外圍接口電路配合，依托虛擬軟件平臺實現(xiàn)對激光脈沖頻率控制電路以及溫度檢測電路的調(diào)整。

激光測高儀高速數(shù)據(jù)采集采用基于PCI的數(shù)字化板卡CompuScope 82 G。單通道實時采集率為2 GHz/s，雙通道實時采集率為1 GHz/s，存儲深度為2 MB。信號帶寬為500 MHz，最大為1.2 GHz。信號傳輸采用Bus Mastering傳輸格式。傳輸速率為80 MB/s。激光測高儀的主控計算機(jī)通過數(shù)字I/O口來完成對外圍電路的控制、檢測工作。接口電路在硬件設(shè)計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)動電路以及數(shù)字量輸入信號調(diào)理電路，所以可方便地實現(xiàn)對外部數(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現(xiàn)主控計算機(jī)對激光測高儀的控制工作。該控制工作包括：通過控制CPLD實現(xiàn)對激光器輸出脈沖的調(diào)整；根據(jù)回波信號幅度調(diào)整主級放大器的增益，改變主級放大器的增益帶寬及耦合方式等。

4 實驗和結(jié)論

從測高原理可以看出高精度、實時地測定激光測高儀到被測物體之間的距離是測高儀滿足各項測高功能的必要條件。因此，激光測高儀的關(guān)鍵在于激光測距精度。下面給出激光測高儀系統(tǒng)設(shè)計完成后的一些具體的實驗數(shù)據(jù)。根據(jù)需求，激光測高儀要求在500 km的衛(wèi)星軌道高度進(jìn)行對地測量時，測距精度達(dá)到±1 m。因為實驗條件的限制， 這里采用消光法模擬500 km的測程，目標(biāo)物為1.3 km外的靶場,在靶場室內(nèi)放置一塊1 m×1 m、對1 064 nm激光波長反射率為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，采用高速計數(shù)法來計算參考脈沖的峰值和回波信號的峰值之間的距離，得到如圖7的實驗結(jié)果。

在上述實驗裝置中，平行于墻面緩慢移動漫反射板，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量的平均間距為3.86 m，與實際距離3.9 m非常吻合。從圖8中可以看出，回波中的兩個峰值分別對應(yīng)著激光光束作用在漫反射板和墻面的位置。這兩個目標(biāo)物可以清楚地分辨開來?；夭ǚ逯档牟煌且驗榧す夤馐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。從上述實驗結(jié)果可以看出，測高儀的高精度距離測量和回波信號的保真度都得到了保證。