CN101614814A

CN101614814A - 用于天基激光测高的智能化数据采集方法及系统

Info

Publication number: CN101614814A
Application number: CN200910063360A
Authority: CN
Inventors: 易帆; 黄春明; 余长明; 张云鹏; 张绍东; 岳显昌; 何裕金
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2009-12-30
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: CN101614814B

Abstract

本发明涉及一种用于天基激光测高的智能化数据采集方法及系统。本发明的智能化数据采集方法能够对数据采集过程进行控制并做异常处理，完成精确同步的双通道高速数据采集，实现实时的大容量、智能化数据存储；本发明的智能化数据采集系统主要由信号调理单元、信号切换开关、模数转换单元、数据缓存单元以及数据和控制单元组成，其中两个通道分别接收激光测高仪的发射波与回波。本发明具备系统结构紧凑、体积小，电路稳定可靠，检测的动态范围大，模数转换误差小，能够长期不间断地稳定工作，具有较高的精度和稳健性，能够实时采集、传输与存储所有的有用数据，能够为天基激光测高仪增加雷达探测功能，获取光斑范围内的地表高度分布和反射率的特点。

Description

用于天基激光测高的智能化数据采集方法及系统

技术领域

本发明涉及遥感探测技术领域，尤其涉及一种用于天基激光测高的智能化数据采集方法及系统。

背景技术

天基遥感探测技术是地球科学领域的重要技术，其中天基激光测高是利用卫星搭载激光测高仪、从太空对星球表面轮廓进行探测。天基激光测高的工作原理为，天基激光器持续地向地面发射激光，激光光束穿越大气到达地面后产生微弱的后向散射回波，该散射回波再次穿越大气被测高系统中的望远镜所接收；通过光电探测器将激光回波转换成电脉冲回波，通过分析该电脉冲回波的渡越时间TOF(time of flight)得到激光脉冲的渡越时间，从而得知地表光斑与测高系统间的距离R_m；然后通过下式计算激光光斑处的地表高度：

h_{s} = {[R_{s}^{2} + R_{m}^{2} - 2 R_{s} R_{m} \cos φ]}^{1 / 2} - R_{ref}

式中，R_s是卫星轨道半径，φ是激光光轴与卫星至地心连线的夹角，R_ref是地球参考表面的半径，通常为大地水准面；激光测高仪的联结方程(link equation)如下：

E_{r} = E_{t} \frac{A_{r}}{R_{m}^{2}} \frac{r_{s}}{π} τ_{a}^{2} τ_{s}

式中，E_r是回波脉冲能量，E_t是发射脉冲能量，A_r是接收望远镜的面积(平方米)，R_m是测高仪与地面光斑之间的距离，r_s是目标表面反射率(朗伯)，τ_a是单程的大气透过率，τ_s是系统透过率。显然，地表光斑内的高度分布和地表反射率都会对激光回波信号产生影响。因此，在A_r、r_s、τ_a和τ_s已知的情况下，如果能够获得发射脉冲信号与回波脉冲信号，就能够通过数据处理与分析获取地表光斑内的高度分布和反射率，从而为天基激光测高仪增加雷达探测功能。本发明就是针对天基激光测高仪而研制的智能化数据采集方法与系统。

配备了这一数据采集系统的天基激光测高仪不仅能够获取地球表面高度，建立全球三维数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)，修正地面目标的空间地心坐标和平面直角坐标，为定位目标提供必需的信息，还能获取海洋重力、海平面变化、海域气象、海流变化、海礁、南北极冰层形状和厚度等数据信息，以及陆地表面的植被覆盖情况(如树冠高度、植被覆盖率等)。可见，具有雷达探测能力的天基激光测高技术具有十分广泛的地球科学应用价值。

目前，世界主要发达国家都在大力发展天基激光测高技术，美国明显处于世界领先地位。受美国海军和导弹防御组织支持的位于著名的麻省理工大学的林肯实验室，为美国军方研制了一系列的军用激光测高系统。而由美国国家航天航空局NASA(NationalAeronautics and Space Administration)组织研制的一系列已经出色完成太空任务的民用天基激光测高系统，同样能够反映这一研究领域的世界最新水平。其中最具代表性的是美国地球观测系统EOS(Earth Observing System)中的地球科学激光测高系统GLAS(Geoscience Laser Altimeter System)。这是第一个用于连续全球观测的激光测高系统，能够测量冰被地形和相应的温度变化，同时也监测云层和大气的特性。此外，由NASA地球科学探路者计划资助研制出的植被覆盖雷达VCL(Vegetation Canopy Lidar)能够通过测量植被的垂直和水平结构以及土壤表面地形来描述地球的三维结构。航天激光测高系统SLA(Shuttle Laser Altimeter)计划受到由NASA总部和Goddard空间飞行中心GSFC(Goddard Space Flight Center)发起的行星地球任务计划的支持。由于采用了高速的模数采集电路，该装置能够分析光斑范围内的地表高度变化。于1996年11月7号升空的火星勘探号MGS(Mars Global Surveyor)宇宙飞船所携带的激光测高系统MOLA(MarsOrbiter Laser Altimeter)-2的距离分辨率为37cm，能够探测到间距约为300m的火星表面轮廓。

天基激光测高发射波与回波的特点是，脉冲本身的宽度很小(发射波持续时间20-40ns，回波持续时间20-1000ns)，而两个相邻的发射脉冲、两个相邻的回波脉冲以及某一发射脉冲与其回波脉冲之间的时间间隔很宽。通常激光器的工作频率为10-40Hz，因此两个相邻的发射脉冲和两个相邻的回波脉冲之间的时间间隔约为25-100ms。天基测高仪的轨道高度通常高于250km，考虑到地球上最高的山峰不超过10km，那么某一发射脉冲与其回波脉冲之间的时间间隔大于

T = \frac{2 (250 - 10) \cdot 1000}{c} = 1601 μs

(这里光速c＝299，792，458ms^-1)。因此对于窄的发射波与回波，采样速率要足够高，如400M SPS，而对于没有有用信号的时间段，需要停止采集数据。这样，既能采集到完整的发射波和回波数据，又能够剔除无用的数据，降低数据传输和存储的压力。因此，用于激光测高的数据采集必须实现智能化，精确定位有用时间段和无用时间段。

其次，由于现有的硅雪崩光电探测器APD(Avalanche Photodiode Detector)的带宽最高为200MHz，那么从理论上讲，400M SPS就能够真实地再现所接收到的电脉冲信号了。因此，用于天基激光测高的高速数据采集系统最合适的采样率是400M SPS，既实现了波形的完整保存，又不会有冗余的数据造成数据存储和传输的压力。而在采样率高于100M SPS时，采样率越高，实时实现越困难。本发明利用双通道200M模拟/数字转换器ADC(Analog-to-digital Converter)实现了400M的采样率，完成了实时存储和传输，大大提高了系统可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于天基激光测高的智能化数据采集方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于天基激光测高的智能化数据采集方法，包括如下步骤：

①向主控机发出采集参数和时钟设置要求，主控机通过USB接口响应要求，传送采集参数和系统时间，对数据采集系统的采集参数和本地时钟进行设置；

②向主控机发出启动命令，等待激光器发出发射同步触发信号；

③接收到激光器发射同步触发信号后，开始进行发射脉冲的阈值甄别，记录过阈值点、过阈值点之前的MB个点以及过阈值点之后的MA个点的数据，其中10≤MB≤20，20≤MA≤40；

④根据卫星轨道高度来设定回波甄别开始时间，所述回波甄别开始时间是指开始判断回波是否超过阈值的时间与发射波过阈值时间之间的时间间隔；

⑤检测到回波过阈值点之后，记录渡越时间，所述渡越时间是指回波过阈值点与发射波过阈值点之间的时间间隔，记录过阈值点、过阈值点之前的NB个点以及过阈值点之后的NA个点的回波数据，其中30≤NB≤40，300≤NA≤500；

⑥将有用的数据，包括回波放大器增益、渡越时间、发射脉冲数字信号、回波脉冲数字信号以及系统时间存储在FLASH卡中，系统时间的精度要求为0.2毫秒级，系统时间能够由主控机通过USB接口作调整，每10分钟自动调整一次；

⑦当预定采集过程结束后，等待主控机传送数据指令，该指令到达后将回波数据和采集参数通过USB接口上传至主控机；

⑧将数据传送并以数据文件的形式存储在主控机上，每10分钟的数据打包成一个数据文件。

在步骤①中，所述的采集参数包括发射波阈值、回波阈值、发射波阈值前和发射波阈值后的采集字节数、回波阈值前和回波阈值后的采集字节数、回波甄别开始时间、持续工作时间等。

一种用于天基激光测高的智能化数据采集系统，包括：

第一信号调理单元3、第二信号调理单元4、信号切换开关5、第一A/D转换单元6、第一数据缓存单元8、第二A/D转换单元7、第二数据缓存单元9、数据和控制单元10、时间控制单元11、增益切换单元12、电平变换单元14、时钟单元15、FLASH卡16、电源变换单元17、USB2.0接口18和人机界面19；

发射波电脉冲信号1与回波电脉冲信号2，分别经过第一信号调理单元3和第二信号调理单元4的调理后，送入信号切换开关5；

信号切换开关5对两路输入信号选择一路通过，信号切换开关5由数据和控制单元10通过时间控制单元11进行控制；

信号切换开关5的输出同时送给第一A/D转换单元6和第二A/D转换单元7，再分别经过第一数据缓存单元8和第二数据缓存单元9，送入数据和控制单元10；

数据和控制单元10将控制信号送入增益切换单元12，增益切换单元12与第二信号调理单元4电连接，电平变换单元14接收外部输入的触发信号13，并且电平变换单元14与数据和控制单元10相互连接。

还包括时钟单元15、FLASH卡16、电源变换单元17、USB2.0接口18、人机界面19；

时钟单元15为整个系统提供基准时钟信号，电源变换单元17为整个系统提供必需的工作电源，FLASH卡16、USB2.0接口18、人机界面19分别与数据和控制单元10相互连接。

所述用于天基激光测高的智能化数据采集系统主要由现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC、高精度时钟芯片、FLASH卡构成，能够实现发射波与回波数据的高速、实时采集和存储。

所述第一信号调理单元3和第二信号调理单元4采用运算放大器设计实现，其中第二信号调理单元4能够实现信号的分档放大。

所述第一A/D转换单元6和第二A/D转换单元7采用200M ADC构成，能够组合实现400M的采样率。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)系统结构紧凑、体积小，电路稳定可靠，检测的动态范围大，模数转换误差小；

2)解决了弱信号检测中的噪声干扰问题，能够长期不间断地稳定工作，具有较高的精度和稳健性；

3)解决了海量数据的智能化提取问题，能够实时传输与存储所有的有用数据；

4)配备了本发明的天基激光测高仪不仅能够测高，而且能够实现雷达探测功能，获取光斑范围内的地表高度分布和反射率。

附图说明

图1是本发明用于天基激光测高的智能化数据采集系统结构框图。

其中，

1-发射波电脉冲信号、2-回波电脉冲信号、3-第一信号调理单元、4-第二信号调理单元、5-信号切换开关、6-第一A/D转换单元、7-第二A/D转换单元、8-第一数据缓存单元、9-第二数据缓存单元、10-数据和控制单元、11-时间控制单元、12-增益切换单元、13-触发信号，14-电平变换单元，15-时钟单元、16-FLASH卡、17-电源变换单元、18-USB2.0接口、19-人机界面。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

本发明提供的用于天基激光测高的智能化数据采集方法，采用如下步骤：

在该步骤中，所述的采集参数包括发射波阈值、回波阈值、发射波阈值前和发射波阈值后的采集字节数、回波阈值前和回波阈值后的采集字节数、回波甄别开始时间、持续工作时间等。

③接收到激光器发射同步触发信号后，开始进行发射脉冲的阈值甄别，记录过阈值点、过阈值点之前MB(MB取值范围为：10≤MB≤20)个点以及过阈值点之后的MA(MA取值范围为：20≤MA≤40)个点的数据；

在该步骤中，由于发射脉冲基本为高斯波，脉冲宽度与幅度变化很小，发射脉冲阈值通常设置为激光器正常工作时高斯脉冲幅度的四分之一；如果激光器发射脉冲的半高全宽低于30ns，则该高斯脉冲的3σ全宽低于

\frac{30}{2.355} \times 6 \approx 76 ns,

因此以400M的采集速率采集48个点，持续时间为2.5×48＝120ns，就可以完整记录发射波了；这时，可以取MA＝16，MB＝32，即在过阈值点前后各记录40和80ns的数据。

例如，卫星轨道高度为280km，考虑到地球上最高的山峰不超过10km，那么甄别开始时间对应于卫星轨道高度减去10km，即

T = \frac{2 (280 - 10) \cdot 1000}{c},

从而求得甄别开始时间为1801μs，也即距离发射波过阈值时间1801μs后，开始甄别回波是否超过阈值。

⑤检测到回波过阈值点之后，记录渡越时间，所述渡越时间是指回波过阈值点与发射波过阈值点之间的时间间隔，记录过阈值点、过阈值点之前的NB(NB取值范围为：30≤NB≤40)个点以及过阈值点之后的NA(NA取值范围为：300≤NA≤500)个点的回波数据；

在该步骤中，回波脉冲的3σ全宽不大于1000ns，脉冲波形、脉冲宽度与幅度都变化较大，采集电路中对回波信号进行了分档放大，以保持尽量大的幅度，降低相对的量化误差。具体实现中回波脉冲的最大幅度为0.9V，分四档放大：

当回波幅度为0.3-0.9V时，放大1倍；当回波幅度为0.1-0.3V时，放大3倍；当回波幅度为0.03-0.1V时，放大9倍；当回波幅度为0.0-0.03V时，放大30倍。如果回波脉冲的最大宽度为1000ns，那么每个回波共记录2.5×(400+32)＝1080ns的数据就足以完整记录波形了；这时可以取NB＝32，NA＝400，即在过阈值点前后各记录80和1000ns的数据。

⑥将有用的数据，即回波放大器增益、渡越时间、发射脉冲数字信号、回波脉冲数字信号以及系统时间存储在FLASH卡中，系统时间的精度要求为0.2毫秒级，系统时间能够由主控机通过USB接口作调整，每10分钟自动调整一次；

本发明提供的用于天基激光测高的智能化数据采集系统，如图1所示，采用如下的技术方案：

该用于天基激光测高的智能化数据采集系统主要包括第一信号调理单元3、第二信号调理单元4、信号切换开关5、第一A/D转换单元6、第一数据缓存单元8、第二A/D转换单元7、第二数据缓存单元9、数据和控制单元10、时间控制单元11、增益切换单元12、电平变换单元14，此外还包括部分外围电路单元，即时钟单元15、FLASH卡16、电源变换单元17、USB2.0接口18、人机界面19。

下面进一步描述该系统的电路连接关系及工作方式：

该系统将接收到的模拟电信号1和模拟电信号2分别转换为数字电信号，计算这两路数字电信号之间的渡越时间，并存储数字电信号和渡越时间，同时将其传送给主控机。体现在该电路连接关系上，可具体参见图1，本系统采用双通道模数转换器来对发射波电脉冲信号1和回波电脉冲信号2进行采集；发射波电脉冲信号1经过第一信号调理单元3的调理后，送入信号切换开关5；回波电脉冲信号2经过第二信号调理单元4的调理后，也送入信号切换开关5；信号切换开关5对两路输入信号选择一路通过；信号切换开关的输出同时送入第一A/D转换单元6和第二A/D转换单元7，再分别经过第一数据缓存单元8和第二数据缓存单元9，送入数据和控制单元10；数据和控制单元10将控制信号送入增益切换单元12，增益切换单元12与第二信号调理单元4电连接，以实现信号2的分档放大；数据和控制单元10将系统时间信号送入时间控制单元11，时间控制单元11与信号切换开关5电连接，以实现分时输出发射波信号和回波信号；电平变换单元14接收外部输入的触发信号13，经过电平变换后传送给数据和控制单元10。

进一步地，该系统还包括外围电路单元，其连接关系为：时钟单元15为整个系统提供基准时钟信号，电源变换单元17为整个系统提供必需的工作电源，FLASH卡16、USB2.0接口18、人机界面19分别与数据和控制单元10相互连接。

根据本发明的一个实施例，具体的部件可以采用如下器件构成：

用于天基激光测高的智能化数据采集系统主要由现场可编程门阵列FPGA、高速模数转换器ADC、高精度时钟芯片、FLASH卡构成，能够实现发射波与回波数据的高速、实时采集和存储；本实施例中的数据和控制单元之所以采用现场可编程门阵列FPGA，是因为其能够大大简化数字逻辑设计，提高装置的集成度和可靠性，简化印制电路板PCB(Printed Circuit Board)的制作，减少PCB板的面积，并为系统的升级优化提供方便。系统中的千兆级海量存储器采用Flash存储卡，该存储卡属于全固态半导体存储器，其芯片或芯片组以物理方式固定在一起，没有任何可以移动的部分，与普通的机械式温切斯特硬盘相比，不受温度变化、外力冲击和外界环境的影响，并且功耗低，体积小，数据存储速度快，满足上卫星的要求，同时，它出色的宽温、标准化和便携特性非常适合于微处理器控制系统。

主要由现场可编程门阵列FPGA构成的数据和控制单元10采用Verilog硬件描述语言来编程实现，共包含三个顶层模块，即模数转换控制顶层模块、数据固态存储顶层模块、USB2.0接口通信顶层模块；其中，模数转换控制模块又包含9个子模块，即渡越时间计算模块、发射激光脉冲信号模数转换逻辑控制模块、发射激光脉冲信号模数转换数据流控制模块、激光脉冲回波信号模数转换逻辑控制模块、激光脉冲回波信号模数转换数据流控制模块、时钟记录模块、扇区数据流控制模块、帧序列计数模块和扇区数据流写入控制模块；数据固态存储顶层模块完成数据存储与传输；USB2.0通信接口顶层模块，完成扇区数据流控制。

第一信号调理单元3和第二信号调理单元4采用运算放大器设计实现，其主要用途为：1)提供输入信号与ADC的隔离，同时具有增益放大、信号滤波的功能；2)降低输出阻抗，为高速ADC提供低阻抗的输入信号源；

第一A/D转换单元6和第二A/D转换单元7采用200M ADC构成。在采用双通道模数转换单元来对发射波或回波进行采集时，将两个A/D转换器的采集时间错开2.5ns，单独进行记录并存储在波形数组的奇和偶的存储单元中，从而组合实现400M的采样率。

本发明提供的用于天基激光测高的智能化数据采集系统能够增加天基激光测高仪的功能，使其不仅仅能够测量卫星与地表光斑之间的距离，而且可以监控激光器的工作状态，并获得光斑范围内的地表高度分布。

本发明提供的用于天基激光测高的智能化数据采集系统完成如下工作：

1)对天基激光测高仪从发射到接收的整个工作过程进行控制；2)对发射波与回波进行实时、同步、智能化的采集和存储；3)实现实时的数据存储和传输。

由于发射波与回波都是窄脉冲，而发射波与回波之间的间隔大于远大于发射波与回波的宽度，这意味着需要采集波形的时间与测高系统的总工作时间相比要小得多；所谓智能化的采集和存储是指如何在相邻两个激光器发射同步触发信号的间隔时间内，分别判断出发射波与回波所在的时间区间，然后将有用的数据保留，无用的数据剔除。在本发明中，智能化的采集和存储是通过时间窗设置和过阈值判断来实现的；时间窗设置的依据是卫星飞行的轨道高度和地球表面的起伏大小，而阈值的大小则根据噪声水平和信噪比来确定。

在采用双通道200M ADC来对发射波和回波进行采集时，如果将两个模数转换器的采集时间错开2.5ns，单独进行记录并存储在波形数组的奇和偶的存储单元中，就可以实现400M的数据采集。

本发明提供的用于天基激光测高的智能化数据采集系统所达到的功能和技术指标如下：

能够以400M SPS的采样率准确捕捉并完整存储发射波与回波；能够完全保证发射波与回波的精确同步；能够存储发射波与回波之间的渡越时间；能够根据测高仪的硬件指标和回波的具体情况调整采集参数；能够实现实时的采集和存储；能够实现自动采集并进行异常处理；

采样率：400MSPS；采样分辨率：8位；固态存储容量：1G。

Claims

1.一种用于天基激光测高的智能化数据采集方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于天基激光测高的智能化数据采集方法，其特征在于：

3.一种用于天基激光测高的智能化数据采集系统，其特征在于，包括：

第一信号调理单元(3)、第二信号调理单元(4)、信号切换开关(5)、第一A/D转换单元(6)、第一数据缓存单元(8)、第二A/D转换单元(7)、第二数据缓存单元(9)、数据和控制单元(10)、时间控制单元(11)、增益切换单元(12)、电平变换单元(14)、时钟单元(15)、FLASH卡(16)、电源变换单元(17)、USB2.0接口(18)和人机界面(19)；

发射波电脉冲信号(1)与回波电脉冲信号(2)，分别经过第一信号调理单元(3)和第二信号调理单元(4)的调理后，送入信号切换开关(5)；

信号切换开关(5)对两路输入信号选择一路通过，信号切换开关(5)由数据和控制单元(10)通过时间控制单元(11)进行控制；

信号切换开关(5)的输出同时送给第一A/D转换单元(6)和第二A/D转换单元(7)，再分别经过第一数据缓存单元(8)和第二数据缓存单元(9)，送入数据和控制单元(10)；

数据和控制单元(10)将控制信号送入增益切换单元(12)，增益切换单元(12)与第二信号调理单元(4)电连接，电平变换单元(14)接收外部输入的触发信号(13)，并且电平变换单元(14)与数据和控制单元(10)相互连接。

4.根据权利要求3所述的用于天基激光测高的智能化数据采集系统，其特征在于：

还包括时钟单元(15)、FLASH卡(16)、电源变换单元(17)、USB2.0接口(18)、人机界面(19)；

时钟单元(15)为整个系统提供基准时钟信号，电源变换单元(17)为整个系统提供必需的工作电源，FLASH卡(16)、USB2.0接口(18)、人机界面(19)分别与数据和控制单元(10)相互连接。

5.根据权利要求3或4所述的用于天基激光测高的智能化数据采集系统，其特征在于：

6.根据权利要求3或4所述的用于天基激光测高的智能化数据采集系统，其特征在于：

所述第一信号调理单元(3)和第二信号调理单元(4)采用运算放大器设计实现，其中第二信号调理单元(4)能够实现信号的分档放大。

7.根据权利要求3或4所述的用于天基激光测高的智能化数据采集系统，其特征在于：

所述第一A/D转换单元(6)和第二A/D转换单元(7)采用200M ADC构成，能够组合实现400M的采样率。