一种高速全波形采集与高精度定位技术研究_黄武煌

第34卷第1期2013年1月

仪器仪表学报

Chinese Journal of Scientific Instrument

Vol.34No.1Jan．2013

收稿日期：2012-

04Received Date ：2012-04

*基金项目：中央高校基本科研基金（A03007023801217，A03008023801080）资助项目

一种高速全波形采集与高精度定位技术研究

*

黄武煌，王厚军，叶

芃

（电子科技大学自动化工程学院

成都611731）

摘

要：分析了新一代脉冲激光遥感对回波的全波形参量信息的需求，然后采用高精度时间间隔测量与全波形采集相结合的

构架，通过精确的触发定位与完整的波形数据存储来获得回波全波形的精确时间与幅度信息，最终实现了一种高速全波形数据采集与波形序列定位系统的设计。对脉冲时间间隔测量与全波形数据存储关键技术作了着重阐述，提出了一种双脉冲沿的时间间隔测量校正方法，并进行了误差和测试分析。结果表明，系统的波形采集与定位精度高、性能可靠且易于控制，应用在激光遥感系统中将提高后续的数据分拣与反演分析处理能力，从而提升复杂目标成像及其特征提取的精度（可达1．83cm ）。关键词：激光遥感；全波形采集；序列定位；时间间隔测量；双脉冲沿测量

中图分类号：TP274+

．2

文献标识码：A 国家标准学科分类代码：510．8040

Research on high-speed full-waveform acquisition and high-precision

positioning technology in laser remote sensing

Huang Wuhuang ，Wang Houjun ，Ye Peng

（School of Automation Engineering ，University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 611731，China ）

Abstract ：The requirement of echo full-waveform parameters in new generation pulsed laser remote sensing is ana-lyzed ；then adopting the combination architecture of high-accuracy time interval measurement and full-waveform ac-quisition ，the precise time and amplitude information of the echo full-waveform are obtained using accurate trigger po-sitioning and complete waveform data storage ；finally a system design of high-speed full-waveform data acquisition and

waveform-sequence positioning is achieved．In the paper ，the key technologies of pulse time interval measurement and

full-waveform data storage are elaborated ，

and a correction method of time interval measurement based on dual-pulse edge is proposed．At the same time ，error and test analysis is also performed．The result indicates that the system fea-tures high-accuracy waveform acquisition and positioning ，reliable performance and easy to control．Applied in laser remote sensing ，the system will improve the analysis and processing capability of follow-up data sorting and inversion ，and promote the accuracy of complex target imaging and feature extraction （up to 1．83cm ）．Keywords ：laser remote sensing ；full-waveform acquisition ；sequence positioning ；time interval measurement ；dual-pulse edge measurement

1引言

激光遥感技术由于具有较高距离、角度和速度分辨

率，能同时获取目标距离与强度等图像，以及强抗干扰性等特点，成为了复杂背景下最具潜力的目标探测模式，已广泛应用于森林调查、地貌测绘、武器制导等领域的目标图像绘制与识别

［1］

。

以往的激光探测主要通过获取发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔来获取距离图像信息，只能用于提供目标水平分布的信息，无法获得目标的特性及垂直结构信息，因为其中的回波波形所包含的丰富信息并没有得到充分利用。新一代脉冲激光成像系统采用了对回波波形进行全波形分析技术，其发射单次激光脉冲即可获取一个激光脚印内复杂目标的回波全波形信息，并可充分分

析其脉冲时间、幅度、脉宽及脉冲个数等综合信息

［2-3］。

74仪器仪表学报第34卷

该技术通过波形分拣和反演算法就可以实现复杂目标成像及其特征识别与提取，如在森林调查中对树木、作物等与地表的分离实现植被高度、稀疏程度等生物量的定量测算；在军事调查中对隐蔽在遮蔽物下的目标进行提取判别予以精确打击目标［4-8］。为此，精确获取目标回波的全波形参量信息成为了其中关键技术之一，是提高后续目标的实时成像处理及其特征识别与提取能力的基础［1］。

为了精确获得复杂目标的脉冲激光回波信号参量信息，国内外文献已有大量的研究。其中文献［9］在光子技术成像激光雷达中利用TDC测量单元对一个起始脉冲和多个回波停止脉冲进行多次触发测量，以获得各个回波脉冲的时间间隔信息。但当两个回波停止脉冲之间间隔较近或幅度相互交叠的情况下，就无法获得准确的回波全部信息。文献［10］阐述了激光回波的数字化原理，并实现了1ns的时间测量精度，但并未对各个采样时刻与起始发射脉冲作进一步高精度测量。文献［11］采用了以独立示波器为测量平台的脉冲回波全波形数字化来进行探测成像，但其不利于控制与轻型化。

本文针对以上问题提出了一种高速全波形采集与高精度波形序列时间定位相结合的技术，以精确获得激光回波脉冲的全波形参量信息，使得对回波信号的运算更加准确，从而达到复杂目标的精确成像及其特征的有效识别与提取。

2脉冲激光遥感系统结构

脉冲激光遥感是根据发射激光脉冲和接收回波脉冲之间的时间关系来确定距离及图像信息的，其系统改进型结构如图1所示，包括发射单元、接收单元、时间数字转换器（time-digital converter，TDC）及波形采集单元和系统控制及处理中心等［7-11］。激光发射单元按照一定的频率发出激光脉冲，照射到被测目标，然后激光接收单元接收由目标反射回来的激光回波脉冲并转换成电信号送至TDC及全波形采集单元进行全波形采集与时间序列定位。系统根据距离计算公式d=Δtc/2得出距离信息；根据发射脉冲的波形信息与回波波形信息并利用相应的分解及特征提取计算方法得出复杂目标的多层反射信息，从而进行多维成像与特征提取识别。其中d表示激光器与目标之间的距离，Δt表示激光脉冲的时间间隔，c表示光速。

3全波形采集的系统构架

从脉冲激光对复杂目标的探测原理可知，其关键在于精确测量激光脉冲的往返时间间隔和采集回波的全波形信息，即需要高精度地测量脉冲间的时间间隔且需同时获得各回波的全波形采样点与起始发射脉冲触发点的精确时间间隔关系。系统时间测量与全波形采集的工作原理如图2所示

。

激光器发射出在时域上具有高斯型的脉冲激光（幅度为A

s

，半幅度宽度为τ），照射到复杂目标，经多重反射叠加后形成了复杂的回波脉冲，其在时域上表现为由多个高斯型脉冲相互叠加而成的，且幅度上可能有多个凸出的峰值，进而反映出了目标高度与灰度等多方面的特性。系统工作时通过设定相应的触发阈值来测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt，同时对回波脉冲进行高速采样，并测量各个采样时刻与发射脉冲触发点的精确时间间隔，最终得出回波脉冲的全波形信息。由于采样时钟源与激光脉冲源并非同源的，也就是说采样时钟相位与激光回波脉冲的触发时刻是不相关的。于是为获得各个采样时刻与发射脉冲的触发时刻之间的时间间隔，需同时精确测量回波脉冲触发时刻与其之后的第1

个采样点d

f

之间的时间间隔，即t

f

。则d

f

与起始发射脉冲

触发点之间的时间间隔t

d

=Δt+t

f

，然后依采样周期关系就可以得出回波脉冲波形的每个采样点与起始发射脉冲之间的精确时间间隔关系，完成了对波形的精确定位，

故t

d

也称为波形序列定位时间。利用该精确定位信息就可以进一步完成复杂目标的高精度回波分解与特征提

取。因此，Δt和t

f

的测量精度对整个系统全波形采样时刻的测量精度起着决定性因素。根据Δt测量范围大、线性度好和精度高等特点的要求，选择了基于数字内插法的

专用测量芯片TDC-GP1来实现；而依t

f

测量范围小和高精度的要求，可选择时间脉冲展宽法来测量［12-14］。于是全波形采集系统的构架如图3所示。

第1期黄武煌等：一种高速全波形采集与高精度定位技术研究

75

图3全波形采集系统框图

Fig．3Block diagram of the full-waveform acquisition system 本系统基于FPGA+DSP的双处理器构架，采用软硬件结合的方式来控制信号采集、时间间隔测量模块及系统上位机通信的工作过程［14-15］。发射脉冲信号经调理通道送至触发比较器作为高精度时间间隔测量的起始信号。回波脉冲信号经调理通道分别送至模数转换器（analog digital convert-er，ADC）和触发比较器作为高速采样的输入信号和高精度时间间隔测量的停止信号。其中触发比较器的比较电平由FPGA控制DAC精确产生。时间间隔测量由2部分组成：时间数字转换器TDC1接收起始和结束信号并进行时间间隔Δt测量；由时间展宽电路（time pulse expended circuit，TPEC）搭建的时间数字转换器TDC2接收结束信号与采样时钟进行t

f

测量。FPGA作为系统的实时处理控制中心，控制ADC、TDC及DAC的工作过程，并且接收TDC的测量结果数据和ADC的采样数据进行存储与预处理。DSP是系统软件运行平台，与FPGA通信来控制整个系统的工作过程，并与上位机进行通信。

4测量关键技术

从以上分析得出，系统测量的关键技术包括时间间隔参数测量与全波形数据存储控制，以下将作进一步分析。4．1Δt的精确测量

影响Δt测量精度的因素有信号调理带宽、传输延迟及其抖动、TDC测量精度等。为提高信号调理精度，需使用高精度宽带模拟器件进行幅度和电平调整，以适合ADC 与TDC-GP1的测量输入要求，且两个调理通道和触发电平需保持较高的一致性。其中两个通道的传输延迟直接影响着系统Δt的测量结果，设发射脉冲和回波脉冲的传输延

迟分别为t

1、t

2

，则测量结果需校正为Δt－（t

1

－t

2

）。

TDC测量模块是Δt测量结果的直接来源，也是系统测量最关键参数之一。为充分发挥TDC-GP1的性能，需

采取相应的校正、使用低抖动温补晶振频率源等手段，来进行温度补偿，提高系统的精确度。但该芯片测量时间间隔的最小值t

min

为3ns，并不为零，即所测时间间隔大

于t

min

。于是为了能测得从零开始且不超出芯片的最大

测量时间间隔t

max

的时间间隔，则系统设计需满足：

t 1+t

min

≤t

2

≤t

1

+t

max

（1）

在传输的路径上引入的抖动会增加测量结果的不确定性，降低了测量结果的精度。设其引入的抖动方差为σ2

td

，TDC测量模块的测量精度方差σ2

tdc

，则Δt的测量结果表达式需进一步校正为：

Δt－（t

1

－t

2

）?σ2

td

+σ2

槡tdc（2）

4．2t

f

的精确测量

时间间隔t

f

是回波脉冲触发点与其之后第1个采样

点之间的时间间隔，其范围为（0，T

s

］，具有时间间隔短、控制复杂等特点。为此，系统选用FPGA+TPEC构架作为实现方案，可以获得较高的性能与可控性。通过两个被测信号上升沿形成一个窄脉冲，送至TPEC单元进行脉冲展宽，然后送回FPGA进行计数，以达到窄脉冲高精度测量目的

［15］。其测量原理如图4所示。

图4展宽脉冲形成原理及测试方案分析

Fig．4Principle of the expended pulse forming

and its test scheme analysis

回波脉冲的触发信号s

tri

的上升沿与其之后的第1

个采样时钟sclk上升沿形成测量脉冲pluse

e

送至TDC2进行展宽测量。由于TPEC在进行脉冲展宽时都有特定的线性区间，故展宽脉冲形成时需加入固定时间长度的

脉冲进行预拓展，本文以加入2个sclk时钟周期T

s

为例，其实现原理如图5所示，使用了4个D触发器和1个

与门［12-15］。该方式简单，易于实现，但当t

f

处于临界时，

即出现如图4所示的触发信号s

tri2

处于dclk的上升沿附近时，由于信号抖动和触发器亚稳态的因素存在，系统会

随机出现2种完全不同的展宽脉冲pluse

e1

、pluse

e2

（为相差1个

T

s

的2个不同脉冲），将造成测量结果的错误。

图5展宽脉冲拓展的实现原理

Fig．5Implementation principle of the expended

pulse expending

这种测量错误在脉冲激光成像系统中是不允许存在的，所以本文在原有方案基础上提出双脉冲沿测量方案，即同时测量回波脉冲的触发沿与其之后的数据同步时钟

76仪器仪表学报第34卷

sclk的上升沿和下降沿的时间间隔，然后根据测量结果

进行校正。校正的方法为：若回波信号的触发信号为s

tri2

时，则其与sclk上升沿形成的展宽脉冲处于临界状态，而

与sclk下降沿形成的展宽脉冲为pluse

es

，此时，故应选取

前者作为展宽测量结果T

pes

；同理，若回波信号的触发信

号处于sclk的下降沿附近时，则其与sclk下降沿形成的

展宽脉冲处于临界状态，此时与sclk上升沿形成的展宽

脉冲为确定状态，故应选取后者作为展宽测量结果T

pe

。

为实现方便，选取sclk边沿中点作为判断依据，即当

T s /4＜T

pe

≤3T

s

/4时，选取T

pe

作为测量结果，否则选取

T

pes

作为测量结果。

设TDC2测量总方差为σ2

TPEC ，则若测量结果选T

pe

时，t

f 测量结果表达式为T

pe

?σ2

槡TPEC；若测量结果选T pes

时，t

f

测量结果表达式为：

T pes －

T

s

2

?σ2

槡TPEC（3）

式中：当T

pes ＜T

s

/2时，表示测量的触发时刻在采样时钟

上升沿时刻之后，反之则表示测量的触发时刻在采样时钟上升沿时刻之前。

双脉冲测量方法有效地解决了单脉冲测量可能带来的测量错误问题，为系统准确的时间间隔测量与全波形精确采样提供了有力的保障。

4．3全波形数据存储机制

脉冲激光成像系统在进行数据分拣与反演运算时需获取回波脉冲的全波形信息，即需要回波脉冲完整的波形采样数据。于是数据采集系统就需要存储回波信号触发点前后足够数量的采样点数据，这就给以往仅从触发点开始存储数据的采样存储方式提出了严峻的挑战。为此，本文引入以数字存储示波器为代表的数据采集系统中所采用的预触发和后触发的存储方式，可有效地存储完整的回波脉冲波形，具体方法详见文献［14-16］。5系统测试结果与分析

系统测试分析时需从时间间隔测量精度和精确波形采样性能2方面进行。t

d

的精确测量取决于Δt和t

f

时间测量结果，而后者测量的精确性又取决于其传输路径、TDC 测量、时钟晶振源等抖动因素。为此，在电路设计上需充分考虑传输路径上的信号完整性问题，尽量减小反射、串扰等问题，同时应采用高稳定性晶振以提高测量精度。

测试分析采用整体与分项测量相结合的方式，以系统的上位机作为控制中心。上位机软件是整机测量与控制的中心，如图6所示，其主要功能包括：调节控制输入发射同步信号与回波信号的幅度、偏移等参数，并测量二者之间的时间间隔；调节采样时基、幅度档位，显示回波脉冲完整波形，并校正显示时间间隔测量结果；记录回波

脉冲的数量；可导出回波波形采样值以作进一步数据分拣与反演的成像处理等。

图6系统测试上位机软件界面

Fig．6The interface window of the

system test host PC software

系统测试的标准脉冲与高频正弦波由泰克AWG5014B任意波形发生器产生；实测电路时采用泰克DP0/DSA70404B，这2台仪器能很好地满足本系统性能的测试要求。

表1Δt测试结果统计表

Table1Statistical table ofΔt test results ns 标准时间间隔Δt测量最小值Δt min测量最大值Δt max测量均值Δt标准差σΔt 1000．001000．121000．291000．210．09 20000．0020000．1120000．2820000．190．10 300000．00300000．08300000．28300000．180．12 4000000．004000000．104000000．274000000．180．11

5．1Δt测试结果分析

Δt的测试由任意波形发生器产生2路具有一定脉宽的可调时间间隔脉冲，分别输入到测试电路的起始发射脉冲与停止回波脉冲输入通道中。在经过系统校正后，2个脉冲的时间间隔分别进行100次测量，结果如表1所示。

由表1可知，时间间隔测量的标准差小于0．12ns，

对应的测距误差小于1．8cm；而Δt的均值结果比标准值大约0．19ns，依式（2）可知，其为t

1

－t

2

的值，也就是回波脉冲的调理通道传输延迟比发射脉冲的大0．19ns。

最终的测量结果表示为Δt－0．19?σ

Δt

。

第1期黄武煌等：一种高速全波形采集与高精度定位技术研究77

5．2

t f 测试结果分析

t f 测量是以外部展宽电路TPEC 进行的，故需先对该

电路的线性度与精度进行测试。该测试采用以固定展宽倍数方式、由校准源产生不同的标准窄脉冲输入其中。线性度测试以步进0．50ns 的标准脉冲、经50次测量取

均值，

其结果如图7所示

。图7固定展宽倍数的TPEC 测试分析图（步进0．50ns ）Fig．7TPEC test analysis diagram for fixed expending multiple （stepper 0．50ns ）

经直线拟合后可以看出，在［5．00ns ，12．20ns ］区间中有较好的线性度，为此选用添加2个T s 的固定时间进行测量脉冲的预拓展，使得处于TPEC 的展宽时间线性区间［

8．00ns ，12．00ns ］中。精度测试用固定的2个与3个T s 的时间间隔送至TPEC 中进行5000次测量，得出如图8所示的测量折线图。经计算，

测量数据的均值为803．8与1208．6、标准差为2．1与2．3。换算后，它们的展宽倍数N 为402．4，对应的均值为7．99ns 、12．01ns ，标准差为0．021ns 、0．023ns 。由此得知，σTPEC =0．023ns ，均值与标准脉冲宽度偏差较小，测量精度高

。

图8TPEC 精度测试图（上：8．00ns 、下：12．00ns ）Fig．8TPEC precision test diagram （top ：8．00ns ，bottom ：12．00ns ）

在Δt 测试的同时，可进行t f 测试，测试结果如图9所

示。

从图中可知，t f 的范围分布在1个T s 的展宽时间间隔范围T E 1（=NT s ）里，

其中T E 2为固定增加的2个T s 时间间隔展宽范围，但T E 2并不等于2T E 1。经分析表明，T E 2超出2T E 1的部分是在形成测试脉冲时引入了传输延迟。另

外，经在不同的温度环境下进行相同的测试，发现结果随温度有一定的变化，

于是需在不同的温度环境下进行相应的测量校正［13］

。

图9

t f 测试时展宽脉冲的实测图

Fig．9Real test graph of t f expended pulse

5．3

t d 测试及系统分析

波形定位时间t d 的测量结果由Δt 与t f 间接测量结果

组成的，其经等精度测量的结果表达式为：

t d =t d ?ks t d

=（t f +Δt ）?k

σ2t f

+σ2

Δ槡

t 式中：k 为置信因子。结合Δt 与t f 测量结果可得出t d 的测量标准差为0．122ns 。除t d 外，全波形激光遥感还要对高速采样后的波形数据进行分拣和反演运算才能最终得出复杂目标信息，

所以系统的采样性能也是目标成像精度的关键因素之一。为此，还需对系统的采样性能作测试分析：由标准信号源输出100MHz 正弦波信号至系统中，再把采样的数据进行FFT （fast Fourier transform ）分析，得出如图10所示测试图。经计算得出，其信噪比为38．89dB ，有效位数为6．17b ，能较好地满足系统要求。

图10正弦波100MHz 的采样数据FFT 分析图

Fig．10FFT analysis diagram of sampling data

for a 100MHz sine wave

78仪器仪表学报第34卷

6结论

本文以新一代脉冲激光遥感系统对激光回波全波形采样的需求为基础，采用时间间隔测量与波形采样相结合的系统构架方式，提出了一种基于双脉冲沿测量的时间间隔测量校正方法，设计实现了一种高速的全波形采集与精确系统。经测试表明，系统的波形序列定位精度达0．122 ns，整体性能可靠且易于控制，应用在脉冲激光遥感中将提高后续的数据分拣与反演运算的精确分析，从而提升复杂目标成像及其特征提取的精度（可达1．83cm），对激光遥感的发展与应用具有重要的实际意义。

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pling systems ［J ］．Journal of Electronic Measurement and Instrument ，

2010，24（2）：167-171．

作者简介

黄武煌，于2007和2010年在电子科技大学分别获得学士学位和硕士学位，现为电子科技大学博士研究生，主要研究方向为信号获取与处理、电子测量仪器等。

E-mail ：huangwuhuang@163．com Huang Wuhuang received B．Sc．and M．

Sc．degrees both from University of Electronic Science and Tech-nology of China （UESTC ）in 2007and 2010，respectively．Now he is a doctorial candidate in UESTC．His research interests are signal acquisition and processing ，electronic measurement

instrument．

王厚军，

1982年于北京航空航天大学获得学士学位，

分别于1985和1991年在电子科技大学获得硕士和博士学位，现任电子科技大学教授、博士生导师，主要研究方向信号获取与处理、测试技术与理论等。

E-mail ：hjwang@uestc．edu．cn

Wang Houjun received bachelor degree from Beihang Univer-sity in 1982，and obtained M．Sc．and Ph．D．degrees both from University of Electronic Science and Technology of China in 1985and 1991，respectively．He is currently a professor and Ph．D．su-pervisor in School of Automation Engineering ，

UESTC．His re-search interests include signal acquisition and processing ，test technology and its theory．