一种新型激光雷达探测时序控制系统
阅读说明：本技术 一种新型激光雷达探测时序控制系统 (Novel laser radar detection time sequence control system ) 是由 周国清 李伟豪 周祥 林港超 李先行 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型机载激光雷达探测时序控制系统。该系统采用控制模块的STM32控制器作为门控信号发生器,控制激光模块的激光器和探测模块的PMT,通过调节门控信号的幅值、频率、周期以及占空比等参数,实现系统的时序控制,进而使得探测系统避免接收过强的水面回波信号。另外,该系统结合PMT可调增益技术,放大水底的微弱回波信号。在实际测量中,使用STM32代替传统的信号发生器,降低系统功耗,减轻载重。通过实验证明,该方法真实有效,实验结果显示该方法能够将水底信号最少放大6倍。(The invention discloses a novel airborne laser radar detection time sequence control system. The system adopts the STM32 controller of the control module as a gating signal generator, controls the laser of the laser module and the PMT of the detection module, realizes the time sequence control of the system by adjusting the amplitude, the frequency, the period, the duty ratio and other parameters of the gating signal, and further ensures that the detection system avoids receiving the over-strong water surface echo signal. In addition, the system combines the PMT adjustable gain technology to amplify weak echo signals at the water bottom. In practical measurement, STM32 is used to replace the traditional signal generator, so that the system power consumption is reduced, and the load is lightened. Experiments prove that the method is real and effective, and the experimental results show that the method can amplify the water bottom signals by 6 times at least.)
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及激光雷达水深测量中探测系统按照设定时序，阶段性接收水底回波信号的技术，能够避免过强的水面信号干扰，同时扩大微弱的水底信号，便于采集模块后续采集信号。
背景技术
机载激光雷达被广泛应用于测量内陆水域及浅水海岸的水深，由于水下地形比较复杂，水深变化较大，并且水体颗粒对激光能量有衰减，水对激光也有吸收，最终导致水底回波信号较弱。通过放大模块对信号进行放大时，水面信号过强又严重影响水底信号，因此，将高效、精准的门控技术和增益技术用于探测系统，对探测系统整体时序控制、观测和接收水底信号具有重要意义。
在过去几十年中，利用激光雷达对陆地、水、风和大气进行测量已成为一个重要手段。对于波形处理方面，软件方法可归纳为：高斯分解法，维纳滤波器反褶积法，峰值检测法，平均平方差函数法，四边形拟合法等；硬件方法可归纳为：偏振压缩，门控技术等。在这些方法中，许多模型较复杂，数据处理繁琐等，其具体存在的问题如下：
1)大部分软件模型针对的是陆地回波信号，不易对水下回波信号进行提取及分离；
2)硬件模块偏振压缩只是对回波信号大动态范围进行压缩，并不能完全消去水面信号对水底信号的影响；
3)之前出现的少数门控技术都还不成熟，并且其系统设计复杂，功耗大，仅能实现测试点开始及结束实时调试，并未解决水下回波信号微弱难以观测及采集的问题。
针对激光雷达测水时水面信号过强导致信号可能饱和的问题，本发明公开了一种新型激光雷达探测时序控制系统，该系统可以有效的避免水面信号的接收，同时放大微弱的水底信号。
发明内容
本发明公开了一种新型激光雷达探测时序控制系统，该系统的实现原理和技术方案如下。
本发明原理是：采用STM32控制器作为整体系统设计的时序控制器，通过控制器发出门控信号作用于探测模块中的门控型PMT，使得探测模块按照设计的时序接收目标返回激光信号，避免水面信号的接收；另外，系统结合PMT电压控制增益技术，在避免过强水面信号接收的前提下，放大微弱的水底回波信号，方便采集模块更容易采集后续水底信号。在工作过程中，激光器向目标发射激光后，控制器对探测部分进行时序控制，PMT将光信号转换为电信号后，通过匹配50Ω阻抗最终输出电压波形。
为了达到以上目的，本发明技术方案如下：
一种新型激光雷达探测时序控制系统将激光模块、探测模块、控制模块以及供电模块用线集成起来。通过上位机编写程序指令，写入控制模块的STM32控制器，使得STM32控制器发出具有特定时序的脉冲触发信号作为PMT的门控信号，进而控制探测模块中门控PMT的工作状态，同时STM32也控制激光模块的激光器启停，完成时序同步。
激光模块的激光器作为外触发使用。使用STM32控制器发出激光器相应的指令控制激光器，直接实现激光器的开启、关闭以及激光脉宽、重频、能量等参数的调节。
控制模块的STM32控制器代替传统信号发生器发出脉冲触发信号，作为门控型PMT的门控信号，进而实现按照设定的时序控制门控PMT的启停。具体是通过上位机编程，调整门控信号相应参数的值，做到门控信号的脉宽、重频、周期及占空比等可调节。
探测模块的探测器PMT带门控功能，并且该门控型PMT的工作状态与外界输入的门控信号存在特定的时序关系，开启与否取决于门控信号的特征。
在实际测量中实现激光进水后再开启探测模块中的门控PMT，避免接收过强水面信号，调节PMT的增益，放大微弱的水底信号，同时实现测试点开始、结束的实时调试，以及任意时间段的回波接收及观测。
本发明的有益效果是：公开了一种新型激光雷达探测时序控制系统，由激光模块、控制模块、探测模块和电源模块构成。该系统能够完成激光雷达测试开始点、结束点任意可调控和可观测，避免接收水面信号，放大微弱的水底回波信号，利于采集后续回波信号，降低门控模块功耗，减轻载重。
附图说明
图1一种新型激光雷达探测时序控制系统流程
图2NN型门控PMT启停状态与门控信号关系图
图3NN型门控PMT输出信号图
图4室内整体实验
图5无控制器PMT接收信号
图6有控制器PMT接收信号
图7室外整体实验
图8无控制器泵浦功率300-1300mW波形图
图9有控制器泵浦功率300-1300mW波形图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，结合附图对本发明具体实施作进一步详细说明。
实施例：
S1.结合图1说明系统搭建。
将激光模块、探测模块、控制模块以及供电模块用线集成起来。激光模块采用VENUS-M系列532nm脉冲激光器，输出平均功率高达2W，工作脉宽1ns-100ns可调，重频500Hz-500kHz可调，方便调节实验参数。探测模块采用H11526-20型PMT作为探测模块的探测器，该NN型PMT工作状态的改变与门控信号存在一定的时延，上升时间8ns，延时80ns，NN型PMT在给定门控信号的情况下工作关闭，具体的工作启停状态与工作时间段取决于给定门控信号的脉宽、重频等，并且对532nm激光有较高增益。控制模块采用STM32F103ZET6控制板作为控制器，包括上位机编写程序，烧录到STM32控制板，利用内部时钟倍频放大信号，预分频，计数器计数，外部中断，输出作为门控信号的PWM脉冲信号。供电模块用来给整个系统提供12V和15V电源。
S2.结合图2、3说明采用控制模块STM32控制器作为整体系统的时序控制器，设定激光器相关参数、门控信号的脉宽、重频、周期等参数。
①设定门控信号的脉宽具体如下。结合理论进行分析，激光雷达探测系统水下通道避免接收到水面回波信号仅接收到水底回波信号的条件为：STM32控制器发出激光开启指令的同时，发出门控信号，给PMT提供门控信号使其处于关闭状态，等待激光到达水面后断开门控信号，使PMT处于正常工作情况。因此，该系统对飞机飞行高度有限定，即飞行高度大于PMT上升时间和延时时间内激光发射的距离，设定此距离为h1，延时时间为t1，上升时间为t2，下降时间为t3，设定光速为c，激光扫描角为θ，飞行高度为h，激光发射口距离水面距离为S。所以存在以下关系：
h1＝c(t1+t2) (1)
并且需要满足：
h＞h1 (2)
由三角函数可得：
设定从发射激光起到接收到水面回波信号的时间为t，则：
设定测量点水面到水底的距离为l，从发射激光起到接到水底回波信号的时间为T，则：
由式(5)、(6)得出，l＞0时，T＞t，设定门控信号的脉宽为tG，由以上分析得出：
②门控信号输出具体如下。对控制器中通用定时器3进行相关配置，自行改变自动装载器arr、预分频系数psc等值，调节输出脉冲信号的频率及占空比。具体配置如下：初始化并使能定时器3时钟、GPIO及AFIO复用功能模块时钟；初始化GPIO，设置PA7引脚为复用输出推挽输出模式，输出速度50MHz；初始化定时功能，设置arr及psc，设置时钟分割为0，定时器向上计数模式；初始化定时器通道2的PWM模式，选择定时器脉冲宽度调制为模式2，比较输出使能。
完成定时器配置后，根据公式(7)，调节修改arr及psc的值，来调节PWM的输出信号频率和占空比。
式中，f为控制器输出脉冲的频率，Tclk为控制器内部定时器固有时钟频率，arr为自动装载值，psc为预分频系数。
S3，结合图4、5、6说明室内实验。
整个室内实验装置如图4所示，包括LiDAR系统、电源、示波器、亚克力材质水槽、平面镜和黑色挡板。首先不使用门控功能，使PMT正常接收信号，波形如图5所示；然后添加门控功能，调节参数使得门控信号占空比为80％，使门控PMT在每个周期内的80％时间关闭，波形如图6所示。
根据分析可得：1.通过图5可明显看出，水面回波信号远大于水底回波信号，并且两个信号的时间差为19.897ns，结合水槽固有长度3m，可得该实验数据真实有效，并且误差在1ns左右；2.通过图6可明显看出，无任何信号；3.该方法可以按照给定的时序控制PMT的启停，从而控制探测模块是否接收信号，方法具有可行性。
S4，结合图7、8、9说明室外实验。
实验在教学楼走廊进行，整个实验装置如图7所示，包括LiDAR系统、电源、示波器、平面镜和黑色水桶。首先不使用门控功能，使PMT正常接收信号，波形如图8所示；然后添加门控功能，调节参数使得激光进水后再开启PMT，同时调节PMT增益，此时波形如图9所示。
结论如下：1.通过图8可得，水面信号远大于水底信号，随着激光泵浦功率300mw递增至1300mw，水底信号幅值不断增大，并且无明显饱和趋势；2.通过图9可得，增加控制器并且调节增益后，能够不接收水面信号，并水底信号幅值放大，调节控制电压使得增益大且波形不失真的前提下，能够将水底信号至少放大6倍，放大效果取决于信号的强弱程度，信号越弱放大倍数越大。
根据以上室内、室外实验验证，实现了激光雷达测试开始点、结束点任意可调控和可观测，能够避免水面信号的接收，放大微弱的水底信号，有利于后续的波形采集等，证明了本发明公开的一种新型激光雷达探测时序控制系统的正确性及可行性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。
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