CN101806889B - 一种优化调制激光雷达系统参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种在载波调制海洋激光雷达系统设计中使滤波带宽等参数最优化的系统和方法，可以真实模拟载波调制海洋激光雷达探测水下目标的过程，属电子与光电子技术领域。依照本发明的系统采用光路仿真模拟和电路实物设计结合的方式，将载波调制激光雷达系统中的光路部分进行理论仿真，使得信源和信道参数可调、设计灵活；将载波调制激光雷达系统中的电路部分通过实际的硬件模拟电路来实现，与计算机数字信号仿真相比，实际的硬件模拟电路更接近真实情况，更加有助于获取准确的系统设计参数。

Description

一种优化调制激光雷达系统参数的装置和方法

技术领域：

本发明涉及载波调制激光雷达系统，具体涉及一种使调制激光雷达系统参数最优化的系统和方法。

背景技术：

在激光水下探测应用方面，海水中随机分布的大量悬浮颗粒引起的后向散射光和目标反射光形成回波信号，由激光雷达方程给出：

$P\left(t\right)=P_0\left(t\right)\⊗h_w\left(t\right)=P_0\left(t\right)\⊗\frac{\mathrm{\ηF}{A}_r}{R^2}[{\mathrm{\ρ}}_b\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}^{-2\mathrm{av}{t}_i}\mathrm{\δ}(t-t_i)+{\mathrm{\ρ}}_t{e}^{-2\mathrm{av}{t}_t}\mathrm{\δ}(t-t_t)]---\left(1\right)$

其中公式(1)中各参数的意义如表1所示，下述所有公式中的参数也在表1中进行解释，并不再单独描述。

表1各参数所表示的意义

式(1)表示回波信号由海水中大量随机分布粒子产生的累加后向散射信号和目标反射信号组成。由于在回波时间段内目标信号受到后向散射噪声的严重干扰，这将导致目标对比度过低，目标检测困难，系统探测灵敏度降低。针对如何抑制海水后向散射噪声的问题，美国的Contarino等人提出了一种调制激光雷达系统(Modulator LIDARsystem)，经过计算机的仿真预测以及实验室实验和机载实验的验证，证明该系统能够有效抑制海水后向散射噪声，并申请了发明专利(专利号US5,822,047)。系统结构图如图1所示，包括由脉冲激光器、微波发生器、光路传输和光电探测转换等光路部分和有微波信号接收器、滤波器和信号处理等组成的电路部分。

由于海水浅水域粒子密集，即式(1)中N值足够大，据此将式(1)中随机发生的后向散射转换为连续形式，专利文献US5,822,047中给出傅立叶变换后得到的海水信道频域特性如下：

$H_W\left(f\right)=H_b\left(f\right)+H_t\left(f\right)=\frac{\mathrm{\ηF}{A}_r}{R^2}({\mathrm{\ρ}}_b\frac{1-e^{-2\mathrm{\αv}{t}_d}{e}^{-j2\mathrm{\πf}{t}_d}}{2\mathrm{\αv}+j2\mathrm{\πf}}+{\mathrm{\ρ}}_t{e}^{-2\mathrm{\αv}{t}_t}{e}^{-j2\mathrm{\πf}{t}_t})---\left(2\right)$

分别对两个信道进行仿真，得到如图2所示的频域特性对比。其中 $B_1=10{\log }_{10}(A{\mathrm{\ρ}}_b/2\mathrm{av})+{10\log }_{10}(1-e^{-2\mathrm{av}{t}_d}),$ $B_2={10\log }_{10}\left(A{\mathrm{\ρ}}_t\right)+10{\log }_{10}{e}^{-2\mathrm{av}{t}_t}.$

对上述信道特性进行分析并得出结论：海水后向散射信道具有低通的频域响应，对于高于截止频率f_c的高频信号产生急剧衰减，而目标反射频域响应则与频率无关，所有频率信号将一致通过。

在激光器中采用频率远高于后向散射低通截止频率f_c的微波信号作为副载波对光脉冲进行振幅调制，形成具有高频能量分布的探测脉冲，以这种被调制的激光脉冲作为信源信号可以进行水下目标探测。对应的调制脉冲激光雷达后向散射信号和目标反射信号的时域形式分别为：

$P_b\left(t\right)=P_0[1+m\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)][u\left(t\right)-u(t-t_n)]\⊗A{\mathrm{\ρ}}_b\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{e}^{-2\mathrm{\αv}{t}_i}\mathrm{\δ}(t-t_i)$ (3)

$P_t\left(t\right)=P_0[1+m\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{m}t\right)][u\left(t\right)-u(t-t_n)]\⊗{\mathrm{A\ρ}}_t{e}^{-2\mathrm{av}{t}_t}\mathrm{\δ}(t-t_t)$

对式(3)做傅立叶变换，可得出调制脉冲激光雷达系统的海水后向散射信号频谱：

$P_b\left(\mathrm{\ω}\right)=P_{0}A{\mathrm{\ρ}}_b\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\exp (-2\mathrm{av}{t}_i)\left[\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{j\ω}}\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_i)(1-\exp (-j{\mathrm{\ωt}}_n))\\ +\frac{m}{2j(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)}\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_i)(1-\exp (-j(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t_n))\\ +\frac{m}{2j(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)}\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_i)(1-\exp (-j(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)t_n))\end{array}\right]\right\}---\left(4\right)$

调制脉冲激光雷达系统的水下目标反射信号频谱：

$P_t\left(\mathrm{\ω}\right)=P_{0}A{\mathrm{\ρ}}_t\exp (-2\mathrm{av}{t}_t)\left[\begin{array}{c}\frac{1}{\mathrm{j\ω}}(\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_t)-\exp (-\mathrm{j\ω}(t_t+t_n)))\\ +\frac{m}{2j(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)}\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_t)(1-\exp (-j(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_c)t_n))\\ +\frac{m}{2j(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)}\exp (-\mathrm{j\ω}{t}_t)(1-\exp (-j(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_c)t_n))\end{array}\right]---\left(5\right)$

仿真或实验可知当设置m＝1，f_m＝3GHz，典型参数下得到调制脉冲激光雷达接收信号能量分布如图3所示。

经调制后的回波信号中，后向散射信号将仍然以低频噪声分量为主，高频噪声分量由于受后向散射信道低通滤波作用而被抑制，而目标反射信号的高频分量则不受影响。通过在接收端对探测回波信号进行频域上的带通滤波处理去除低频分量，保留高频微波分量能够有效衰减后向散射噪声，使目标对比度相应地增强。

目前，对于调制激光雷达系统抑制海水后向散射噪声的系统设计指导主要通过纯计算机仿真研究和光纤模拟海水信道进行实验。计算机仿真实验通过设置不同的环境和系统参数能够模拟不同的实验结果，设计和优化各种系统参数。光纤模拟实验基于光在光纤和海水中具有可比拟的传输和散射特性，以光纤代替海水信道，并通过不同的光纤缠绕直径模拟不同的水质类型，通过某一位置处的过度缠绕模拟不同的水下目标，实验结果与计算机仿真结果一致，后向散射噪声被有效抑制，从而验证了这种调制加滤波的频域方法能够有效提高目标对比度。

尽管目前关于调制激光雷达系统的实验研究如光纤模拟实验已经验证了调制激光雷达在抑制海水后向散射从而提高目标对比度方面的优点，但在指导系统参数设计和优化上仍存在以下几个方面的不足。

1、现有的系统参数设计缺乏理论或实验指导，如微波频率调制最终导致高频回波信号的产生，对于调制滤波方法核心问题之一即调制频率的选择，仅有关于截止频率的理论分析和实验验证并表示调制频率要远高于截止频率，但是没有进一步讨论调制频率会受到哪些实际因素的约束，更没有关于调制频率选取的合适范围或最佳值的理论依据；另一方面，由于滤波器带宽与目标信号的带宽匹配直接影响了目标对比度的高低以及目标信号信息量是否完整，对于调制滤波方法核心问题之二即滤波带宽的选择，一般根据经验取值，设计方案不能体现出滤波器带宽对探测性能的影响，更没有对最佳滤波带宽展开进一步的研究；

2、载波调制激光雷达系统主要由光路部分和电路部分组成，光路部分是激光脉冲在水下传输并返回被探测器接收的过程，通过实验证明，理论与实际光路符合得很好，可以通过仿真来代替实际光路进行参数优化。但是计算机仿真模拟电路信号时，采用的是各种数字信号处理方法来完成的，这种数字信号处理方法和实际模拟电路设计存在着一定的差异，而且实际的模拟电路会受器件间的分布参数影响，所以根据该仿真得到的实际电路参数并不准确，不能够很好的指导实际电路的参数设计工作，对实际电路参数设计产生较大影响；而光纤模拟实验系统又因为信道设计不够灵活，可以改变的参数有限，很难凭借其来研究不同环境下系统的适用性及最佳设计问题。

发明内容：

本发明改善了现有的载波调制激光雷达系统在参数设计上理论及仿真指导的不足，特别是对调制频率及滤波带宽等系统关键参数进行了优化设计。

本发明的目的是设计一种测试系统和方法，能够真实模拟载波调制激光雷达水下目标探测系统针对不同参数下的信源、信道和信号采集环境，低成本、快速全面测试调制激光雷达调制频率参数及相应滤波带宽参数，并在设定最优调制频率的基础上使滤波带宽最优化。本载波调制海洋激光雷达测试系统采用光路仿真模拟和电路实物设计结合的方法，将调制激光雷达系统中的光路部分通过理论与仿真来实现，信源和信道参数可调、设计灵活；将调制激光雷达系统中的电路部分通过实际模拟电路设计来实现，与计算机数字信号仿真相比，实际模拟电路更接近真实情况，获取准确的系统设计参数。

本发明的技术方案如下：

一种用于在载波调制海洋激光雷达系统设计中优化系统参数的装置，该装置包括：

工控机模拟平台，信号发生装置，信号滤波装置，信号放大装置，信号检波装置，信号采集装置和信号处理装置，其中，

工控机模拟平台产生的仿真回波信号通过信号发生装置的数模输出通道输出为实际电信号，该实际电信号经信号滤波装置滤波、信号放大装置放大和信号检波装置检波后，由信号采集装置的模数通道输入信号处理装置中，该信号处理装置对输入的信号进行处理并得到系统性能指标数据，并通过工控机模拟平台的实时监控系统显示上述系统性能指标数据；

其特征在于，通过工控机模拟平台修改输入信源和信道参数和/或通过切换信号滤波装置的带宽，实现对系统参数的修改，所述实时监控系统显示不同系统参数下的系统性能指标数据形成的曲线，所述曲线峰值位置所对应的系统参数即确定为最优化的系统参数。

本发明所述的工控机模拟平台包括仿真模块，所述的仿真回波信号由该仿真模块产生。

本发明所述的仿真模块包括控制模块、载波调制脉冲激光信源仿真模块、海水信道仿真模块、回波信号生成模块和数据记录模块；所述的输入信源和信道参数的修改通过在控制模块中设定数值来实现，即所述控制模块将设定数值的信源和信道参数输入到载波调制脉冲激光信源仿真模块和海水信道仿真模块中；所述的仿真回波信号由回波信号生成模块产生；所述数据记录模块对信号处理装置输出的系统性能指标数据进行存储，所述控制模块根据所述数据记录模块中存储的系统性能指标数据输出相应曲线。

本发明所述的载波调制脉冲激光信源仿真模块和所述海水信道仿真模块分别接收在控制模块中所设定的数值，并将所述数值分别代入到载波调制脉冲激光信源模型和海水信道仿真模型中，然后分别生成与各自数值对应的载波调制脉冲激光信号和海水信道传输特性方程；

所述回波信号生成模块接收由所述载波调制脉冲激光信源仿真模块输出的所述载波调制激光脉冲信号和由所述海水信道仿真模块输出的所述海水信道传输特性方程，并根据所述载波调制激光脉冲信号、所述海水信道传输特性方程和载波调制脉冲激光雷达方程，生成所述仿真激光雷达回波信号。

本发明所述的信号滤波装置由带宽不同的多路滤波器组成，各带宽之间能够相互切换。

本发明所述的信号采集装置接收所述信号发生装置输出的所述同步信号，在所述同步信号的触发下，对所述信号检波装置输出的经检波后的回波电信号进行采集，并输出经采集后的回波电信号。

本发明所述的信号处理装置接收所述信号采集装置输出的经采集后的回波电信号，并对所述经采集后的回波电信号进行分析和处理后得到系统性能指标数据，然后将所述系统性能指标数据反馈到所述工控机模拟平台中进行显示。

一种利用上述技术方案之一所述的装置对载波调制海洋激光雷达系统进行参数优化的方法，包括如下步骤：

步骤一，设置载波调制激光雷达信源参数和海水信道参数数值，设置信号滤波装置的带宽值；

步骤二，通过所述仿真控制模块控制所述装置对载波调制海洋激光雷达探测水下目标的光路过程进行仿真；

步骤三，通过所述仿真控制模块将此次仿真过程中对应的系统性能指标数据显示在工控机模拟平台的实时监控系统上；

步骤四，判断系统性能指标数据是否正确，如果不正确，丢弃该数据，转步骤一，如果正确，转步骤五；

步骤五，所述仿真控制模块存储上述系统系统性能指标数据；

步骤六，判断是否已获得预定的系统性能指标数据组数，如果是，则转到步骤七，如果否，则转到步骤一；

步骤七，输出预定组数的系统性能指标数据形成的曲线；

步骤八，确定上述曲线的峰值位置，以此确定出该峰值所对应的系统参数值，该系统参数值即为最优值。

进一步地，在步骤四中，当系统性能指标数据超过预定的正常范围内数值时，该组数据不正确。

本发明中所提出的在载波调制海洋激光雷达系统设计中使滤波带宽等参数最优化的系统和方法具有以下优点：

1、光路部分的仿真环境设计相对制作容易，参数可调、灵活性强、实现了低成本、快速测试，并提高了试验的安全性；2、电路部分通过实物硬件平台对参数进行优化，提高参数设计的准确性；3、提高了系统的开发效率，降低了系统进行实际平台应用的风险及成本；4、具有通用性，解决了模拟信源和信道环境的困难，软件实现部分容易修改，应用前景广泛。

附图说明

图1是调制激光雷达系统结构图；

图2是后向散射和目标反射信道的频域响应；

图3是调制脉冲激光雷达接收信号频域能量分布特性对比；

图4是使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的系统结构框图；

图5是仿真控制模块的结构框图；

图6是使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的方法流程图；

图7是调制频率为1GHz时，系统性能与滤波带宽关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所涉及的使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的系统和方法作进一步说明。

如图4所示，是依照本发明实施例的系统结构示意图，该系统包括以下几个部分：工控机模拟平台1，信号发生装置2，信号滤波装置3，信号放大装置4、信号检波装置5，信号采集装置6以及信号处理装置7；其中工控机模拟平台1还包括仿真控制模块11。工控机模拟平台1通过信号发生装置2(优选任意波形发生器)的数模输出通道将信号输出，经信号滤波装置3滤波、信号放大装置4放大、信号检波装置5检波后，由信号采集装置6(优选高速数据采集卡)的模数通道输入信号处理装置7，然后该信号处理装置7对输入的信号进行后向散射抑制能力、目标对比度提升等多参数分析，并通过工控机模拟平台1的实时监控系统显示，同时可通过实时监控系统修改仿真模型，优化参数设置。工控机模拟平台1与上述真实的信号滤波、放大、检波和采集装置构成一个闭环测试系统，完全模拟载波调制海洋激光雷达探测水下目标系统的真实情况，从而可以实现对该系统的全面测试，对载波调制海洋激光雷达系统的调制频率及滤波带宽进行匹配和优化。

下面对组成上述系统的各模块的功能和相互之间的连接关系进行详细描述：

工控机模拟平台1的作用是作为系统运行的平台，借助工控机模拟平台1，各模块可以协同工作以模拟载波调制海洋激光雷达探测水下目标的过程。工控机模拟平台1可以采用带通用AC的PXI机箱和PXI系列控制器组成，PXI机箱可选用恩艾公司(美国国家仪器公司，National Instruments，简称NI)支持3U PXI和CompactPCI模块的4插槽机箱1031，控制器可选用NI PXI 8106控制器来完成，并在工控机模拟平台上安装Windows等操作系统和相应的设备驱动。

工控机模拟平台1由其中的仿真控制模块11进行控制。优选地，仿真控制模块11可以通过以下方式实现：在工控机模拟平台1上通过NI PXI 8106控制器编写的仿真与控制软件。在仿真控制模块11的控制下，系统对调制激光雷达水下探测信号的光发生过程、光传输过程、光接收过程、光电转过程进行仿真，最终得到调制激光雷达回波信号的仿真电信号。

仿真控制模块11包括控制模块111、载波调制脉冲激光信源仿真模块112、海水信道仿真模块113、回波信号生成模块114和数据记录模块115。

其中，控制模块111对载波调制脉冲激光信源仿真模块112、海水信道仿真模块113、回波信号生成模块114、数据记录模块115分别进行控制，以及根据需要设置或修改其所控制的各模块中的参数。

其中，载波调制脉冲激光信源仿真模块112接收控制模块111所设置的参数，并将所述参数代入到下述的载波调制脉冲激光信源信源模型中，然后生成由所述参数限定的载波调制脉冲激光信号。所述载波调制脉冲激光信源模型是在常规激光脉冲信源方程的基础上加载调制信号而得到的，其数学表达式如下：

P_m(t)＝P₀(t)[1+mcos(2πf_mt)](6)

通过控制模块111的人机交互接口，可以对该载波调制脉冲激光信源信源模型的脉宽、峰值功率、微波调制频率、调制深度等参数在合理范围内进行设置或修改。

其中，海水信道仿真模块113接收控制模块111所设置的参数，并将所述参数代入到下述的海水信道仿真模型中，然后得到由所述参数限定的海水信道传输特性方程。所述海水信道仿真模型主要包含海水后向散射特征函数H_b(t)和目标回波信号特征函数H_t(t)，分别由下述公式(7)和公式(8)表示。通过控制模块111，可以对海水信道的衰减系数、后向散射率、目标反射率、目标深度、海水深度等信道参数进行设置或修改。具体参数修改体现在海水后向散射特征函数H_b(t)和目标回波信号特征函数H_t(t)中。

$H_b\left(t\right)=\frac{\mathrm{\ηF}{A}_r}{R^2}\left[\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ρ}}_i{e}^{-2\mathrm{\αv}{t}_i}\mathrm{\δ}(t-t_i)\right]---\left(7\right)$

$H_t\left(t\right)=\frac{\mathrm{\ηF}{A}_r}{R^2}{\mathrm{\ρ}}_t{e}^{-2\mathrm{\αv}{t}_t}\mathrm{\δ}(t-t_t)---\left(8\right)$

其中，回波信号生成模块114接收由载波调制脉冲激光信源仿真模块112输出的载波调制激光脉冲信号和由海水信道仿真模块113输出的海水信道传输特性方程后，根据所述载波调制激光脉冲信号和海水信道传输特性方程并结合载波调制激光脉冲雷达方程，生成仿真载波激光雷达回波信号。

回波信号生成的原理如下：根据信号卷积理论，信号经过海水信道传输后，在接收端接收的信号为信源信号和信道传输函数的卷积方程，即根据公式(3)得到后向散射和目标回波信号的调制脉冲激光雷达方程

$P\left(t\right)=P_m\left(t\right)\⊗(H_b\left(t\right)+H_t\left(t\right))=P_b\left(t\right)+P_t\left(t\right)---\left(9\right)$

其中：

(10)

在式(10)中，u(t)为阶跃函数，回波信号包括P_L和P_H两部分，分别由探测信号中的低频分量和高频分量产生。

P_t(t)为目标回波信号方程，由下式表示：

$P_t\left(t\right)=P_{0}A{\mathrm{\ρ}}_t{e}^{-2\mathrm{av}{t}_t}[u(t-t_t)-u(t-t_t-t_n)]\{1+m\cos [2\mathrm{\π}{f}_m(t-t_t)\left]\right\}---\left(11\right)$

在仿真载波激光雷达回波信号经过信号发生装置2、信号滤波装置3、信号放大装置4、信号检波装置5、信号采集装置6以及信号处理装置7的处理之后，仿真控制模块11对信号处理装置7输出的分析处理结果进行存储，并且根据该分析处理结果输出系统性能指标参数曲线，以此确定出该曲线峰值所对应的参数值为最优值

信号发生装置2接收由工控机模拟平台1上的仿真控制模块11生成的激光雷达回波信号，并输出该回波信号对应的电信号。优选地，信号发生装置2可以采用PXI系列高速D/A装置，即任意波形发生器来实现，如NI PXI5441，该任意波形发生器具有16位分辨率，信号发生时可由PFI端口生成同步信号以用于多模块同步。PXI系列任意波形发生器可以采用直插式插入到PXI系列工控机的插槽中，直接受工控机模拟平台1控制。PXI系列任意波形发生器包含一个同步信号输出端口和一个信号输出端口。所述同步信号输出端口通过同轴线连接至信号采集装置6的触发端，用于在产生信号的同时输出一个同步信号，从而触发信号采集装置6的同步采集信号。所述信号输出端口与信号滤波装置3的输入端口相连接。在仿真控制模块11的控制下，信号发生装置2输出回波电信号的同时输出一个同步信号，因为硬件电路没有延时，该同步信号同时触发信号采集装置6同步采集经信号检波装置检波后的信号，信号流程图如图4所示。

信号滤波装置3接收信号发生装置2输出的回波电信号，对该回波电信号进行滤波，并输出经滤波后的回波电信号。信号滤波装置3采用多通道带通滤波器实现，优选地，可采用为6通道的巴特沃斯带通滤波器，得到的6路中心频率同为3GHz、带宽从100MHz到800MHz的带通滤波器组，滤波器组采用统一输入输出端口，可以通过选择开关分别选通某一路滤波器用于带宽测试。滤波器组的输入输出端分别与信号发生装置2的信号输出端口、信号放大装置4的输入端口通过同轴电缆线相连接。本发明中的测试系统需要中心频率和带宽增益积都较高的带通滤波器，该带通滤波器采用平行耦合微带线设计方法实现，并可以通过ADS软件(安捷伦公司的“高级设计系统”软件，Advanced Design System)进行仿真验证，保证所设计带通滤波器的性能稳定性。

信号放大装置4接收信号滤波装置3输出的信号，对该回波电信号进行放大，并输出经放大后的回波电信号。信号放大装置4采用高速、低失真的运算放大器。优选地，可采用德州仪器(TI)公司的OPA842型号的宽带低失真单位增益稳定的电压反馈运算放大器实现。

信号检波装置5接收信号放大装置4输出的信号，对该信号进行检波，输出经检波得到的回波电信号。优选地，信号检波装置5可采用低势垒肖特基二极管类型的大频率范围检波器，如型号系列为SCI0的检波器，其频率动态范围可达10MHz～12.4GHz，频率响应失真低于0.3dB。该系列检波器能满足本系统中高频信号的检波要求。信号检波装置5的输入端与信号放大装置4的输出端连接，输出端通过BNC接口和同轴电缆线与信号采集装置6的输入通道相连接。

信号采集装置6接收信号检波装置5输出的信号，并对该信号进行采集，输出经采集后的回波电信号。优选地，信号采集装置6可采用接口统一的PXI系列A/D装置，即高速数据采集卡来实现。信号采集装置6采用直插式插入到PXI系列工控机的插槽中，其输入端口通过同轴电缆线与信号检波装置5的输出端口相连接，其触发端通过同轴线连接至PXI波形发生器的同步信号输出端口，从而接收从信号发生装置产生的同步触发信号。信号采集装置6将采集到的电信号直接通过PXI插槽送入信号处理装置7进行后期信号处理与分析。优选地，信号采集装置6可采用NI PXI5152高速数据采集卡实现，该数据采集卡有8bit精度，可采取触发方式采集信号。

信号处理装置7接收由信号采集装置6输出的经采集的回波电信号，并对该回波电信号进行分析和处理，然后将结果反馈给仿真控制模块，由仿真控制模块控制进行存储和实时显示。信号处理装置7主要分析系统性能指标数据。信号处理装置7可由数字信号处理芯片实现。优选地，信号处理装置7的功能可以通过PXI控制器中的CPU实现。例如，可以通过NI PXI 8106控制器中的CPU对回波电信号进行分析和处理，在控制器系统上编写信号处理程序以从采集得到的信号中提取系统性能指标参数。系统性能指标参数主要包括滤波前后的后向散射噪声抑制能力和目标对比度提升等参数。将信号滤波装置3和信号检波装置5设为全通，即完全通过回波信号，不对其做任何处理得到的噪声信号数据积分得到处理前噪声能量为E_b(这里表示的是完全不经过滤波和检波等信号处理的初始信号状态)，对经过信号滤波、放大及检波后由信号采集装置采集得到的回波信号数据中的噪声数据积分，得到处理后噪声信号能量为E_bf，由此得未经滤波的后向散射噪声的抑制能力为ATT_b＝10lg(E_b/E_bf)；将信号滤波装置和检波装置设为全通，即完全通过回波信号，不对其做任何处理得到的回波信号中的目标信号数据积分得到处理前目标信号能量为E_s，经过信号滤波、放大及检波后，对由信号采集装置采集得到的回波信号数据中的目标信号数据积分，得到处理后目标信号能量为E_sf，由此得到经过频域滤波后的后向散射噪声的抑制能力为ATT_s＝10lg(E_s/E_sf)；定义目标对比度提升的公式为：ATT_com＝ATT_b-ATT_s，即可得到目标对比度提升这一参数。仿真及控制模块可实时显示提取得到的系统性能指标参数，方便操作者根据该指标参数调节对应的参数从而使系统达到最佳性能。

本系统具有参数修改灵活、仿真环境真实和参数优化设计准确的优点，集光路模拟和电路实物设计于一体，可广泛应用于不同应用环境下的载波调制激光雷达参数优化设计。

本发明还提出了一种使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的方法。该方法是利用前面所述使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的系统来实现的。如图6所示，是依照本发明实施例的方法的操作流程图。通过该方法，可以得到系统性能指标参数与滤波带宽的关系，然后据此得到最优化的系统参数。

依照本发明实施例的使载波调制海洋激光雷达系统参数最优化的方法步骤如下：

步骤一，将工控机模拟平台1、信号发生装置2、信号滤波装置3、信号放大装置4、信号检波装置5、信号采集装置6以及信号处理装置7连接成一个系统，具体连接方式如下：所述信号发生装置2和所述信号采集装置6分别采用直插式插接到所述工控机模拟平台1的插槽中，将所述信号发生装置2的信号输出端口与所述信号滤波装置3的信号输入端口相连接，且将所述信号发生装置2的同步信号输出端口与所述信号采集装置6的触发端口相连接，将所述信号滤波装置3的信号输出端口与所述信号放大装置4的信号输入端口相连接，将所述信号放大装置4的信号输出端口与所述信号检波装置5的信号输入端口相连接，将所述信号检波装置5的信号输出端口与所述信号采集装置6的信号输入端口相连接，将所述信号采集装置6的信号输出端口与所述信号处理装置7的输入端口相连接，将所述信号处理装置7的输出端口与所述工控机模拟平台1相连接；

步骤一，设置载波调制激光雷达信源参数和海水信道参数数值和信号滤波装置(3)的带宽值；

步骤二，通过所述仿真控制模块(11)控制所述装置对载波调制海洋激光雷达探测水下目标的光路过程进行仿真；

步骤三，通过所述仿真控制模块(11)将此次仿真过程中对应的系统性能指标数据显示在工控机模拟平台(1)的实时监控系统上；

步骤四，判断系统性能指标数据是否正确，如果不正确，丢弃该数据，转步骤1，如果正确，转步骤五；

步骤五，所述仿真控制模块(11)存储上述系统性能指标数据；

步骤六，判断是否已获得预定的系统性能指标数据组数，如果是，则转到步骤七，如果否，则转到步骤一；

步骤七，输出预定组数的系统性能指标数据形成的曲线；

步骤八，确定上述曲线的峰值位置，以此确定出该峰值所对应的参数值为最优值。

以下给出3组典型的系统参数数据，并通过依照本发明的方法测试各种参数下系统性能跟滤波带宽的关系，从而找到对应的最优系统滤波带宽。各组系统参数设置如表1所示：

表1所选取的三组系统参数

组别	调制频率	脉宽	调制深度	目标反射率	目标深度	衰减系数	后向散射系数
								1	1GHz	5ns	0.8	0.2	10m	0.2	0.002
2	2GHz	10ns	0.5	0.2	10m	0.15	0.0027
								3	3GHz	20ns	0.4	0.2	10m	0.1	0.003

按照上述使载波调制激光雷达滤波带宽最优化方法的步骤，得到采用第1组系统参数时的实验结果如以表2和图7所示。

表2采用第1组系统参数时，系统性能与滤波带宽的关系

带宽(MHz)	125	175	225	275	325	375
							后向散射抑制(dB)	17.3	18.1	18.5	18.7	18.6	18.4
目标抑制(dB)	1.9	0.9	0.7	0.7	0.8	0.9
							对比度提升(dB)	15.4	17.2	17.8	18	17.8	17.5

如图7所示，曲线ATT_b表示后向散射噪声抑制能力随滤波器带宽的变化(15～20dB)，曲线ATT_s表示目标信号衰减随滤波器带宽的变化(0～3dB)，曲线ATT_CON表示目标对比度提升能力与滤波器带宽的关系，。由该曲线可知，目标对比度的提升能力在275MHz时达到峰值。即由峰值位置可以判定该参数条件下系统最优带宽为275MHz。

同理可得采用第2组和第3组系统参数时，在对应参数条件下系统性能与滤波带宽的关系，并可判断对应的最优带宽分别为200MHz和150MHz。

表3采用第二组系统参数时，系统性能与滤波带宽的关系

带宽(MHz)	100	150	200	250	300	400
							后向散射抑制(dB)	24.2	25.0	25.5	25.5	25.4	25.2
目标抑制(dB)	5.0	4.7	4.6	4.7	4.8	4.9
							对比度提升(dB)	19.2	20.3	20.9	20.8	20.6	20.3

表4采用第三组系统参数时，系统性能与滤波带宽的关系

带宽(MHz)	100	150	200	250	300	400
							后向散射抑制(dB)	26.2	27.3	27.2	27.0	26.9	26.7
目标抑制(dB)	4.4	4.5	4.6	4.6	4.6	4.6
							对比度提升(dB)	21.8	22.8	22.6	22.4	22.3	22.1

上述实验结果表明，本发明的技术方案已经给出了一种使调制激光雷达系统参数最优化得方法，弥补了目前调制激光雷达系统设计过程中参数设计没有理论及实验指导的缺陷。

通过参照本发明的实施例，上文中已经对本发明的技术方案进行了描述。本领域技术人员可以根据本发明在形式上和细节上作出各种改变和变形，但是这些改变和变形都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于在载波调制海洋激光雷达系统设计中优化系统参数的装置，该装置包括：

工控机模拟平台(1)，信号发生装置(2)，信号滤波装置(3)，信号放大装置(4)，信号检波装置(5)，信号采集装置(6)和信号处理装置(7)，其中，

工控机模拟平台(1)产生的仿真回波信号通过信号发生装置(2)的数模输出通道输出为实际电信号，该实际电信号经信号滤波装置(3)滤波、信号放大装置(4)放大和信号检波装置(5)检波后，由信号采集装置(6)的模数通道输入信号处理装置(7)中，该信号处理装置(7)对输入的信号进行处理并得到系统性能指标数据，并通过工控机模拟平台(1)的实时监控系统显示上述系统性能指标数据；

其特征在于，通过工控机模拟平台(1)修改输入信源和信道参数和/或通过切换信号滤波装置(3)的带宽，实现对系统参数的修改，所述实时监控系统显示不同系统参数下的系统性能指标数据形成的曲线，所述曲线峰值位置所对应的系统参数即确定为最优化的系统参数。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的工控机模拟平台(1)包括仿真控制模块(11)，所述的仿真回波信号由该仿真控制模块(11)产生。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述仿真控制模块(11)包括控制模块(111)、载波调制脉冲激光信源仿真模块(112)、海水信道仿真模块(113)、回波信号生成模块(114)和数据记录模块(115)；

所述的输入信源和信道参数的修改通过在控制模块(111)中设定数值来实现，即所述控制模块(111)将设定数值的信源和信道参数输入到载波调制脉冲激光信源仿真模块(112)和海水信道仿真模块(113)中；

所述的仿真回波信号由回波信号生成模块(114)产生；

所述数据记录模块(115)对信号处理装置(7)输出的系统性能指标数据进行存储，所述控制模块(111)根据所述数据记录模块(115)中存储的系统性能指标数据输出相应曲线。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述载波调制脉冲激光信源仿真模块(112)和所述海水信道仿真模块(113)分别接收在控制模块(111)中所设定的数值，并将所述数值分别代入到载波调制脉冲激光信源模型和海水信道仿真模型中，然后分别生成与各自数值对应的载波调制脉冲激光信号和海水信道传输特性方程；

所述回波信号生成模块(114)接收由所述载波调制脉冲激光信源仿真模块(112)输出的载波调制激光脉冲信号和由所述海水信道仿真模块(113)输出的所述海水信道传输特性方程，并根据所述载波调制激光脉冲信号、所述海水信道传输特性方程和载波调制脉冲激光雷达方程，生成仿真激光雷达回波信号。

5.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述的信号滤波装置(3)由带宽不同的多路滤波器组成，各带宽之间能够相互切换。

6.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述信号采集装置接收所述信号发生装置(2)输出的同步信号，在所述同步信号的触发下，对所述信号检波装置(5)输出的经检波后的回波电信号进行采集，并输出经采集后的回波电信号。

7.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述的信号处理装置接收所述信号采集装置(6)输出的经采集后的回波电信号，并对所述经采集后的回波电信号进行分析和处理后得到系统性能指标数据，然后将所述系统性能指标数据反馈到所述工控机模拟平台(1)中进行显示。

8.一种利用上述权利要求2-7之一所述的装置对载波调制海洋激光雷达系统进行参数优化的方法，包括如下步骤：

步骤一，设置载波调制激光雷达信源参数和海水信道参数数值，设置信号滤波装置(3)的带宽值；

步骤二，通过所述仿真控制模块(11)控制所述装置对载波调制海洋激光雷达探测水下目标的光路过程进行仿真；

步骤三，通过所述仿真控制模块(11)将此次仿真过程中对应的系统性能指标数据显示在工控机模拟平台(1)的实时监控系统上；

步骤四，判断系统性能指标数据是否正确，如果不正确，丢弃该数据，转步骤一，如果正确，转步骤五；

步骤五，所述仿真控制模块(11)存储上述系统性能指标数据；

步骤六，判断是否已获得预定的系统性能指标数据组数，如果是，则转到步骤七，如果否，则转到步骤一；

步骤七，输出预定组数的系统性能指标数据形成的曲线；

步骤八，确定上述曲线的峰值位置，以此确定出该峰值所对应的系统参数值，该系统参数值即为最优值。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤四中，当系统性能指标数据超过预定的正常范围内数值时，该组数据不正确。

Images