基于匹配滤波技术的激光测高仪电子学系统的设计与实现

2 激光飞行时间鉴别和处理单元  

在系统设计方案中，对于距离测量这一功能，设计了两套技术方案：一是直接利用高速数据采集得到光触发信号与回波在时域的分布信息，换算出距离值。采用这种技术方案可以在实现对回波波形采样的同时根据波形信息计算出距离信息，具有方便、快捷的优点，这是软件实现的距离测量。另一套技术方案就是采用硬件设计，基于延时线的方法直接解算出距离信息。两套技术方案互为备份，保证激光测高仪测距的有效性。TDC-GP1是ACAM公司基于0.8μmCMOS工艺设计的高精度时间数字转换芯片，可对两个脉冲或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量，单通道测量精度为250 ps，双通道耦合精度可达150 ps，测量范围从3 ns"200 ms不等，图5所示为包含GP1的激光测高飞行时间测量结构图。  


  
工作过程为在主控计算机控制激光器发射激光的同时先产生Start信号进入GP1作为测量开始信号，在激光发射出去的同时有部分光被耦合进入光纤引导直接进入接收望远镜产生Stop1自校正信号，以得到因光路和电路而产生的距离漂移误差，同时为避免激光调Q影响内校正光路的波形；发射光发射出去经目标物反射后被接收单元接收产生Stop2信号，则两个停止信号与一个开始信号之间的时间间隔被测出后直接相减，再加上光在光纤中传播的距离就可得到目标物与测高仪之间的距离，整个飞行时间测量模块是以TDC-GP1为工作核心。  

3 数据采集和接口控制单元  

激光测高仪整机的运行都是围绕着主控计算机进行的，主控计算机通过集成在其内部的数字I/O接口板卡、高速数据采集卡以及外部信号接口电路共同实现对激光测高仪系统工作状态以及时序的控制。在电子学系统设计中采用了一个采样率高达2 GHz的数据采集卡，通过调用采集卡动态链接库，实现对该采集卡的二次开发。通过一个数字输入输出卡和外围接口电路配合，依托虚拟软件平台实现对激光脉冲频率控制电路以及温度检测电路的调整。  

激光测高仪高速数据采集采用基于PCI的数字化板卡CompuScope 82 G。单通道实时采集率为2 GHz/s，双通道实时采集率为1 GHz/s，存储深度为2 MB。信号带宽为500 MHz，最大为1.2 GHz。信号传输采用Bus Mastering传输格式。传输速率为80 MB/s。激光测高仪的主控计算机通过数字I/O口来完成对外围电路的控制、检测工作。接口电路在硬件设计上其模拟电路部分被移到了一块背负式电路板上，使得模拟地与数字地完全隔离，减少了PCI总线与模拟输入部分之间的信号交扰。控制卡采用凌华公司PCI－7250数字控制卡，其工作原理如图6所示。  


  
该卡基于32位PCI总线，即插即用，具有8路继电器输出，8路光电隔离数字量输入。板上带有继电器驱动电路以及数字量输入信号调理电路，所以可方便地实现对外部数字信息的读取以及输出数字量控制外部接口状态。数据控制卡通过DB37数据线与接口控制板卡一起实现主控计算机对激光测高仪的控制工作。该控制工作包括：通过控制CPLD实现对激光器输出脉冲的调整；根据回波信号幅度调整主级放大器的增益，改变主级放大器的增益带宽及耦合方式等。  

4 实验和结论  

从测高原理可以看出高精度、实时地测定激光测高仪到被测物体之间的距离是测高仪满足各项测高功能的必要条件。因此，激光测高仪的关键在于激光测距精度。下面给出激光测高仪系统设计完成后的一些具体的实验数据。根据需求，激光测高仪要求在500 km的卫星轨道高度进行对地测量时，测距精度达到±1 m。因为实验条件的限制， 这里采用消光法模拟500 km的测程，目标物为1.3 km外的靶场,在靶场室内放置一块1 m×1 m、对1 064 nm激光波长反射率为99.25 %的漫反射板，距离墙壁3.9 m。当激光束分别作用在漫反射板和墙面时，采用高速计数法来计算参考脉冲的峰值和回波信号的峰值之间的距离，得到如图7的实验结果。  


  
在上述实验装置中，平行于墙面缓慢移动漫反射板，当激光的光斑部分(用He-Ne光作为参考光)作用在漫反射板上，剩余部分作用在墙上。可以获得如图8所示的波形。可以看出，两次测距精度都在±0.4 m以下(sd=0.375和sd=0.396)，从图中还可以得出两次测量的平均间距为3.86 m，与实际距离3.9 m非常吻合。从图8中可以看出，回波中的两个峰值分别对应着激光光束作用在漫反射板和墙面的位置。这两个目标物可以清楚地分辨开来。回波峰值的不同是因为激光光束作用在目标物的能量分布得不相等和目标物的粗糙度不同造成的。从上述实验结果可以看出，测高仪的高精度距离测量和回波信号的保真度都得到了保证。