CN117434516A - 一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡及其信号修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡及其信号修正方法，该采集卡设置有比较模块、处理模块和输出模块，其中处理模块包括计数单元、时间整合单元、直方图统计单元，可同时接收多个回波接收通道的信号，并可实时地进行数据直方图统计，并且具有较高的时间分辨率，可满足海洋单光子激光雷达水体探测任务的需求；同时该采集卡信号修正方法通过码密度的方法获取雷达信号的修正系数，在上位机中对直方图数据进行修正，修正效果良好。

Description

一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡及其信号修正方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡及其信号修正方法。

背景技术

海洋激光雷达由于其可穿透海-气界面、获取垂直剖面信息、可在夜间或高纬度地区工作，与被动遥感互补，可用于水下地形、海洋固有光学参数、浮游植物、有色溶解有机物测量等相关应用。特别是海洋单光子激光雷达，使激光雷达能够实现更长探测距离，同时保持高的信噪比。特别的，单光子激光雷达通过将探测灵敏度提升至单光子级别，使其在低激光脉冲能量和小口径望远镜条件下具备高性能检测能力，因此成为水下激光雷达应用的优先选择。

但是，对于海洋单光子激光雷达而言，在面对水体探测任务时，需要同时测量弹性、拉曼、荧光等信号，并需要实时地进行数据直方图统计，以及要求具有足够高的时间分辨率，现有的商用产品如Swabian Instruments的采集卡具有很高的分辨率，但是无法在采集卡里实现直方图统计，同时功耗较高；发明专利CN115220333A提供的采集卡分辨率较低，只能达到5ns左右。因此，需要一款适用于海洋单光子激光雷达的多通道数据采集卡。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术中存在的缺陷或问题，提供一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡及其信号修正方法，其可以同时接收多个回波接收通道的信号，并可实时地进行数据直方图统计，并且具有较高的时间分辨率，可满足海洋单光子激光雷达水体探测任务的需求。

为达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其包括：比较模块，其包括第一比较器和若干第二比较器；所述第一比较器基于所述海洋单光子激光雷达的激光发射时刻比较输出起始信号；所述第二比较器基于所述海洋单光子激光雷达的激光回波时刻比较输出停止信号；与所述第二比较器数量一致的处理模块，其包括计数单元、时间整合单元和直方图统计单元，每一所述处理模块分别连接所述第一比较器和其中一所述第二比较器；其中：计数单元，其与所述比较模块连接，并包括第一计数器、第二计数器和移相时钟组；所述第一计数器、第二计数器基于系统时钟交替计数，并输出所述起始信号和停止信号的粗时间；所述移相时钟组基于系统时钟输出所述起始信号和停止信号的细时间，所述细时间的刻度精度高于所述粗时间；时间整合单元，其接收所述粗时间和细时间，并整合为时间标签后，将对应于停止信号的时间标签与对应于起始信号的时间标签相减，以输出信号标时；直方图统计单元，其基于所述信号标时输出直方图统计数据；以及，输出模块，其接收所述直方图统计数据并输出至上位机或串口数据记录模块。

进一步的，所述时间整合单元在对应于所述起始信号的时间标签更新时，以更新后的对应于所述起始信号的时间标签对之后的对应于停止信号的时间标签进行相减操作以输出信号标时。

进一步的，所述移相时钟组是通过锁相环产生等相位差的时钟组合；所述细时间是通过所述起始信号或停止信号采样所述移相时钟组后获得的电平组合。

进一步的，所述第一计数器、第二计数器分别根据所述系统时钟的上升沿和下降沿独自进行计数；基于所述细时间，在所述起始信号或停止信号更接近于所述系统时钟是上升沿时，取所述第二计数器的时间值作为粗时间，在所述起始信号或停止信号更接近于所述系统时钟的下降沿时，取所述第一计数器的时间值作为粗时间。

进一步的，所述处理模块还包括第一FIFO单元和第二FIFO单元，所述第一FIFO单元接收并存储所述信号标时，并依据接收顺序依次输出至所述直方图统计单元；所述第二FIFO单元接收并存储所述直方图统计数据，并依据接收顺序依次输出至所述输出模块。

进一步的，所述处理模块基于FPGA实现，所述直方图统计单元利用所述FPGA的RAM资源，采用状态机跳转方法实现所述信号标时的直方图统计。

进一步的，还包括数模转换模块，其与所述比较模块连接，以根据所述处理模块的指令输出所述第一比较器和第二比较器的门控电压。

进一步的，所述输出模块包括数据通路切换单元和协议转换单元；所述数据通路切换单元用于切换所述采集卡的输出通路至所述上位机或者串口数据记录模块；所述协议转换单元与所述数据通路切换单元连接，并用于将所述数据通路切换单元输出的直方图统计数据转换为可供上位机识别的USB数据。

进一步的，还包括信号整形放大模块，其基于所述起始信号向外部设备输出触发信号，以作为外部设备工作时的同步信号。

此外，本发明还提供一种采集卡信号修正方法，其用于修正如上述任一项所述的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡的输出信号，其包括以下步骤：向所述采集卡的第一比较器和第二比较器输入第一信号和第二信号，所述第一信号和第二信号适于表示所述海洋单光子激光雷达的激光发射时刻信号和激光回波时刻信号，且所述第一信号和第二信号的频率为非倍数关系，以保证所述第二信号相对第一信号随机分布；将预设的直方图统计时间内的直方图统计数据中的前N个组距bin的数值记为C_Bin-k，其中，k的范围为1至N；N的取值为所述采集卡中细时间对于粗时间的等分数；基于公式得到第k个组距bin的修正系数R_bin-k；基于公式R_bin-k＝R_bin-(N+k)，即可得到所有组距bin的修正系数；基于所述修正系数，对所述采集卡输出的直方图统计数据进行修正。

由上述对本发明的描述可知，相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，设置有比较模块、处理模块和输出模块，其中处理模块包括计数单元、时间整合单元、直方图统计单元，可同时接收多个回波接收通道的信号，并可实时地进行数据直方图统计，并且具有较高的时间分辨率，可满足海洋单光子激光雷达水体探测任务的需求。

其中，比较模块通过设置多个第二比较器，可接收多个通道的回波信号；计数单元中的第一计数器、第二计数器可分别根据系统时钟进行交替计数，在比较模块输出起始信号和停止信号后，可通过计数单元中的第一计数器、第二计数器和时钟移相组获取粗时间值和细时间值，并经过时间整合单元整合为信号标时，之后对出现的每一个停止信号进行相同的操作，直到再次出现起始信号的时候，对起始信号进行更新，并重复上述的操作。直方图统计单元可根据信号标时进行直方图统计，并通过输出模块输出至上位机。

其中，计数单元由于采用双计数器和移相时钟组的时刻记录方法，可以满足0.5ns或更高分辨率的时间分辨率要求。

此外，设置第一FIFO单元和第二FIFO单元，可实现数据的存储以及依照接收顺序的输出，有效匹配数据处理速度的不平衡，保证了满足幅值的输入信号不会被丢弃，同时能够实现高速率的连续的直方图统计，从而保证系统能够连续不间断的获取信号。其中第一FIFO单元可以起到存储缓冲效果，提高系统的瞬时计数率；第二FIFO单元可以临时存储直方图统计的结果，保证统计直方图的计算和存储资源可以尽快释放出前一帧的统计结果，及时投入下一帧的直方图统计，避免在高计数率下发生第一FIFO单元的数据溢出。

其中，第一计数器和第二计数器分别根据系统时钟的上升沿和下降沿独自进行计数，可保证起始信号和停止信号在输入至计数单元时，两个计数器中至少有一个计数器是稳定的，不会发生亚稳态现象。

其中，数模转换模块可根据指令输出对应的电压以分别作为各个比较器的门控电压，实现门控电压的灵活配置。同时，通过对门控电压的灵活配置，配合比较器的设置，可以灵活地剔除输入通道中不满足要求的信号。

其中，设置信号整形放大模块，可输出触发信号，作为外部设备的同步信号，例如激光器、探测器的同步信号，从而避免了专用触发设备的冗余体积，有利于提高集成度，还可避免同步信号的抖动问题，提高了系统的时间精度。

此外，由于本发明提供的采集卡中细时间是基于移相时钟组获取的，而移相时钟组受到FPGA内部资源的限制，以及系统工作电压、温度的影响，会导致移相时钟组的相位差的不均匀，这种不均匀会导致采集卡输出的直方图数据中组距bin的宽度的不均匀，为此，本发明还提供该采集卡的信号修正方法，其可通过模拟的或实际采集的第一信号和第二信号，通过相应的计算对特定采集卡的输出信号进行修正，从而降低采集卡输出的直方图统计数据的偏离程度，使得修正后的直方图统计结果更平顺，更真实地反映不同通道激光回波的分布情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡的实施例的结构示意图；

图2为图1中直方图统计单元的状态切换示意图；

图3为本发明提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡的直方图统计结果示意图；

图4为基于本发明提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡获得的雷达回波信号示意图；

图5为基于本发明提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡获得的雷达回波信号修正前后对比图。

主要附图标记说明：

比较模块10；第一比较器11；第二比较器12；处理模块200；计数单元20；第一计数器21；第二计数器22；移相时钟组23；时间整合单元30；第一FIFO单元40；直方图统计单元50；第二FIFO单元60；输出模块70；数据通路切换单元71；协议转换单元72；数模转换模块80；信号整形放大模块90；上位机100；串口数据记录模块110；外部设备120。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的优选实施例，且不应被看作对其他实施例的排除。基于本发明实施例，本领域的普通技术人员在不作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

实施例1

本发明实施例1提供一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，参照图1，该采集卡包括比较模块10、多个处理模块200和输出模块70，其中，每一处理模块200均包括计数单元20、时间整合单元30、第一FIFO单元40、直方图统计单元50和第二FIFO单元60。

此外，本实施例中，该采集卡还包括数模转换模块80和信号整形放大模块90。

其中，比较模块10包括第一比较器11和若干第二比较器12；第一比较器11基于海洋单光子激光雷达的激光发射时刻比较输出起始信号；第二比较器12基于海洋单光子激光雷达的激光回波时刻比较输出停止信号。

具体的，第一比较器11和第二比较器12为高速比较器，其可以是差分比较器或是单端输出比较器，例如，比较器的型号可以是ADCMP604BKSZ-R2，或者TLV3501AIDR。在本实施例中，比较模块10设置有一个第一比较器11和三个第二比较器12，三个第二比较器12可以接收三个海洋单光子激光雷达的回波通道信号，例如弹性通道信号、拉曼通道信号和荧光通道信号。第一比较器11数量为一个，用于接收海洋单光子激光雷达的激光发射时刻的信号。

本领域技术人员了解，在通过海洋单光子激光雷达进行水体探测时，激光雷达会向水体发送特定波长的激光，之后再接收激光回波信号。在该过程中，采集卡即可基于激光雷达的发射时刻，通过第一比较器11比较输出一个起始信号，这个起始信号作为接收到的回波信号的比较基准。参照图1，以第一个第二比较器12为例，其可接收激光回波信号中的弹性通道信号，并通过比较后持续地输出多个停止信号，每一个停止信号均可表示不同回波距离的弹性通道信号。其中，第一比较器11和第二比较器12的门控电压，也就是第一比较器11和第二比较器12能否输出信号的阈值电压，可由数模转换模块80进行控制，而数模转换模块80与处理模块200连接以接收处理模块200的指令。

在本实施例中，基于FPGA，也就是现场可编程逻辑门阵列，实现该采集卡中的处理模块200。该采集卡中，包括与第二比较器12数量一致的处理模块200，该些处理模块200均位于同一FPGA上，每一个处理模块200均包括计数单元20、时间整合单元30、第一FIFO单元40、直方图统计单元50和第二FIFO单元60。其中，计数单元20，其与比较模块10连接，并包括第一计数器21、第二计数器22和移相时钟组23；第一计数器21、第二计数器22基于系统时钟交替计数，并输出起始信号和停止信号的粗时间；移相时钟组23基于系统时钟输出起始信号和停止信号的细时间，细时间的刻度精度高于粗时间；时间整合单元30，其接收粗时间和细时间，并整合为时间标签后，将对应于停止信号的时间标签与对应于起始信号的时间标签相减，以输出信号标时；直方图统计单元50，其基于信号标时输出直方图统计数据。

其中，移相时钟组23是指，通过FPGA的锁相环产生等相位差的时钟组合，其可以产生刻度精度更高的细时间。具体的，通过起始信号或停止信号采样移相时钟组23后获得一电平组合，该电平组合即可作为细时间，细时间可在粗时间的基础上标记刻度精度更高的时点。同时，第一计数器21、第二计数器22分别根据系统时钟的上升沿和下降沿独自进行计数。也就是说，系统时钟会向计数单元20发送时钟信号，此处的时钟信号可以时FPGA自带的时钟信号，之后，第一计数器21可根据系统时钟信号的脉冲的上升沿进行计数，第二计数器22可根据系统时钟信号的脉冲的下降沿进行计数，从而保证起始信号和停止信号无论在何时出现，两个计数器中至少存在一个可以稳定计数的计数器，不会发生亚稳态现象。细时间可以在粗时间的基础上，添加精度更高的时间点。

应当注意的是，针对于起始信号和停止信号，粗时间和细时间的获取是分别进行的，同时多个停止信号之间，粗时间和细时间的获取也是分别进行的。

进一步的，粗时间的获取采用以下方式：基于细时间，在起始信号或停止信号更接近于系统时钟的上升沿时，取第二计数器22的时间值作为粗时间，在起始信号或停止信号更接近于系统时钟的下降沿时，取第一计数器21的时间值作为粗时间。也就是说，粗时间的获取实际上与细时间相关，由于系统时钟脉冲存在变化的阶段，在该阶段出现的起始信号或停止信号无法准确地被归纳于相应的上升沿或下降沿，因此，基于刻度精度更高的细时间，可对起始信号或停止信号的出现时点进行更精确的判断，并根据判断的结果，选择以第一计数器21或第二计数器22的时间值作为粗时间。从而，实现粗时间的准确获取。

通过上述方式，可以满足直方图统计中0.5ns或更高分辨率的时间分辨率要求。

在通过计数单元20获得粗时间和细时间后，起始信号、停止信号的粗时间和细时间均被发送至时间整合单元30，时间整合单元30可以将粗时间和细时间整合为时间标签，并将对应于停止信号的时间标签与对应于起始信号的时间标签相减，以输出信号标时。在该过程中，起始信号的时间标签即是作为比较的基准，不同的停止信号均与同一个起始信号的时间标签进行相减，以得到对应于不同的停止信号的信号标时。

同时，时间整合单元30在对应于起始信号的时间标签更新时，以更新后的对应于起始信号的时间标签对之后的对应于停止信号的时间标签进行相减操作以输出信号标时。如此，可对多次的激光探测任务的回波信号进行分别的处理，而不会出现混淆。

处理模块200中的第一FIFO单元40，为先进先出存储器件，其接收并存储信号标时，并依据接收顺序依次输出至直方图统计单元50。通过第一FIFO单元40，可实现数据的存储以及依照接收顺序的输出，有效匹配数据处理速度的不平衡，提高系统的瞬时计数率，从而实现高速率的连续的直方图统计。应当注意的是，第一FIFO单元40需要由足够的深度，例如1024或更大，以起到更好的存储缓冲效果。

处理模块200中的第二FIFO单元60，也为先进先出存储器件，其接收并存储直方图的数据，并依据接收顺序依次输出至输出模块70。通过第二FIFO单元60，可以临时存储直方图统计的结构，保证直方图统计模块可以尽快释放出前一帧的统计结果，及时投入下一帧的直方图统计，避免在高计数率下发生第一FIFO单元40的数据溢出。

直方图统计单元50位于第一FIFO单元40和第二FIFO单元60之间，其接收第一FIFO单元40输出的数据，并向第二FIFO单元60输出直方图统计数据。具体的，参照图2，直方图统计单元50利用FPGA的RAM资源，采用状态机跳转方法实现信号标时的直方图统计。其中，直方图统计单元50包括7个模式，即初始化模式、空闲模式、读模式、写模式、存储模式、等待模式和清零模式。系统上电后，进入初始化模式，清零进行直方图统计的RAM存储空间，之后进入空闲模式；在空闲模式中，如果第一FIFO单元40里有数据，则进入读模式；在读模式过程中，从第一FIFO单元40获取数据作为RAM存储器的读取地址，之后进入等待模式；经过一个时钟周期的等待模式后，获取到RAM存储区的数值，然后把该数值加上1后写入到原来的位置，此过程即为写模式；写模式完成后，判断是否已满足一帧直方图的统计时间设定，如满足则进入存储模式，如不满足则判断第一FIFO单元40里是否有数据，如果有则进入读模式，如果没有则进入空闲模式；存储模式中，把存储在RAM的直方图统计结果转存到第二FIFO单元60，转存完成后，进入清零模式；在清零模式中，把存储在RAM里的数据清零，之后进入空闲模式。参照图3，通过直方图统计单元50，可得到相应回波信号的时间分布直方图。

之后，输出模块70接收直方图统计数据并输出至上位机100或者串口数据记录模块110。输出模块70包括数据通路切换单元71和协议转换单元72；数据通路切换单元71用于切换采集卡的输出通路至上位机100；协议转换单元72与数据通路切换单元71连接，并用于将数据通路切换单元71输出的直方图数据转换为可供上位机100识别的USB数据。

具体的，数据通路切换单元71分别与串口数据记录模块110和协议转换单元72连接，协议转换单元72再与作为上位机100的计算机连接。数据通路切换单元71包括两个数据通路，分别与串口数据记录模块110和协议转换单元72连接，通过向数据通路切换单元71发送相关指令，可使数据通路切换单元71将数据通路切换至串口数据记录模块110或切换至协议转换单元72。若是数据通路切换至串口数据记录模块110，即可直接将直方图统计数据存储至串口数据记录模块110，若是数据通路切换至协议转换单元72，则协议转换单元72可将直方图统计数据转换为可供计算机识别的USB数据，并输送至计算机进行处理。

应当注意的是，多个信号通道对应的多个处理模块200，均连接至同一输出模块70，以通过该输出模块70向上位机100输送直方图统计数据。

此外，还设置由信号整形放大模块90，信号整形放大模块90基于起始信号向外部设备120输出触发信号，以作为外部设备120工作时的同步信号。具体的，该信号整形放大模块90的输入端与处理模块200连接，输出端与外部设备120连接，此处的外部设备120可以是激光器或是探测器。在处理模块200通过比较器接收到起始信号的时候，处理模块200可输出一脉冲信号至信号整形放大模块90，经过信号整形放大模块90后，向外部设备120输出触发信号，该触发信号可作为外部设备120工作时的同步信号，从而使得外部设备120可以与该采集卡同步工作。

上述的采集卡，在实际使用中的大致流程如下：

系统上电，初始化完成之后，获取海洋单光子激光雷达的激光发射时刻至第一比较器11，并通过处理模块200中的计数单元20和时间整合单元30确定起始信号的时间标签；获取海洋单光子激光雷达的多个通道的激光回波时刻信号至对应的第二比较器12，通过处理模块200中的计数单元20和时间整合单元30，确定停止信号的时间标签，并据此输出不同时刻回波信号的信号标时。同步地，将信号标时输送至第一FIFO单元40，直方图统计单元50读取第一FIFO模块里的数据并进行直方图统计，直方图统计数据输出至第二FIFO单元60，再通过输出模块70输出至串口数据记录模块110或计算机。同时，利用系统时钟，产生多路与起始信号同步的脉冲信号，经过信号整形放大模块90后输出触发信号至外部设备120，作为外部设备120的同步信号。

参照图4，通过该采集卡，可同时获得多个回波接收通道的回波信号在不同距离的分布情况。

本发明提供的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，设置有比较模块10、处理模块200和输出模块70，其中处理模块200包括计数单元20、时间整合单元30、直方图统计单元50，可同时接收多个回波接收通道的信号，并可实时地进行数据直方图统计，并且具有较高的时间分辨率，可满足海洋单光子激光雷达水体探测任务的需求。

实施例2

本发明实施例2提供一种采集卡信号修正方法，其用于修正上述实施例1提供的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡的输出信号，其包括以下步骤：向所述采集卡的第一比较器和第二比较器输入第一信号和第二信号，所述第一信号和第二信号适于表示所述海洋单光子激光雷达的激光发射时刻信号和激光回波时刻信号，且所述第一信号和第二信号的频率为非倍数关系，以保证所述第二信号相对第一信号随机分布；将预设的直方图统计时间内的直方图统计数据中的前N个组距bin的数值记为C_Bin-k，其中，k的范围为1至N；N的取值为所述采集卡中细时间对于粗时间的等分数；基于公式得到第k个组距bin的修正系数R_bin-k；基于公式R_bin-k＝R_bin-(N+k)，即可得到所有组距bin的修正系数；基于所述修正系数，对所述采集卡输出的直方图统计数据进行修正。

本发明实施例1所提供的采集卡中，细时间是基于移相时钟组获取的，而移相时钟组受到FPGA内部资源的限制，以及系统工作电压、温度的影响，会导致移相时钟组的相位差的不均匀，这种不均匀会导致采集卡输出的直方图数据中组距bin的宽度的不均匀。

为此，本发明实施例2提供上述的采集卡信号修正方法，该信号修正方法可针对每一块采集卡进行输出信号的修正，修正系数的获取可在实验室中完成，在实际的探测场景中，将该修正系数应用至实际探测即可。其中，第一信号和第二信号可用信号发生器产生，并发送至采集卡的第一比较器和第二比较器。当然，第一信号和第二信号也可以实际采集，例如实际采集对应的激光发射时刻信号和激光回波时刻信号，再通过调制设备对这两个信号的频率进行调制即可。特别的，在该信号修正方法中，要求第一信号的频率和第二信号的频率为非倍数关系，具体而言，可将第一信号的频率设定为1.003MHz，将第二信号的频率设定为30MHz，由此可以保证第二比较器输出的停止信号相对于第一比较器输出的起始信号的起点是随机的。

此外，在该信号修正方法中，还包括参数N，N的取值为采集卡中细时间相对于粗时间的等分数，例如，采集卡的细时间将粗时间等分为10等份，则直方图统计数据中的组距bin的周期为10，则N的取值也为10。其中，由于N个组距bin的总长度为固定值，即粗时间的周期，因此每个组距bin的时间长度与落在该组距bin里的光子数成正比，由此可以得到相应的公式基于该公式可得到特定组距bin的修正系数R_bin-k。

通过上述修正方法，可以对采集卡得到的直方图统计数据进行修正，降低采集卡输出的直方图统计数据的偏离程度，使得修正后的直方图统计结果更平顺，更真实地反映不同通道激光回波的分布情况。

上述说明书和实施例的描述，用于解释本发明保护范围，但并不构成对本发明保护范围的限定。通过本发明或上述实施例的启示，本领域普通技术人员结合公知常识、本领域的普通技术知识和/或现有技术，通过合乎逻辑的分析、推理或有限的试验可以得到的对本发明实施例或其中一部分技术特征的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，包括：

比较模块(10)，其包括第一比较器(11)和若干第二比较器(12)；所述第一比较器(11)基于所述海洋单光子激光雷达的激光发射时刻比较输出起始信号；所述第二比较器(12)基于所述海洋单光子激光雷达的激光回波时刻比较输出停止信号；

与所述第二比较器(12)数量一致的处理模块(200)，其包括计数单元(20)、时间整合单元(30)和直方图统计单元(50)，每一所述处理模块(200)分别连接所述第一比较器(11)和其中一所述第二比较器(12)；其中：

计数单元(20)，其与所述比较模块(10)连接，并包括第一计数器(21)、第二计数器(22)和移相时钟组(23)；所述第一计数器(21)、第二计数器(22)基于系统时钟交替计数，并输出所述起始信号和停止信号的粗时间；所述移相时钟组(23)基于系统时钟输出所述起始信号和停止信号的细时间，所述细时间的刻度精度高于所述粗时间；

时间整合单元(30)，其接收所述粗时间和细时间，并整合为时间标签后，将对应于停止信号的时间标签与对应于起始信号的时间标签相减，以输出信号标时；

直方图统计单元(50)，其基于所述信号标时输出直方图统计数据；

以及，

输出模块(70)，其接收所述直方图统计数据并输出至上位机(100)或串口数据记录模块(110)。

2.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述时间整合单元(30)在对应于所述起始信号的时间标签更新时，以更新后的对应于所述起始信号的时间标签对之后的对应于停止信号的时间标签进行相减操作以输出信号标时。

3.如权利要求2所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述移相时钟组(23)是通过锁相环产生等相位差的时钟组合；所述细时间是通过所述起始信号或停止信号采样所述移相时钟组(23)后获得的电平组合。

4.如权利要求3所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述第一计数器(21)、第二计数器(22)分别根据所述系统时钟的上升沿和下降沿独自进行计数；基于所述细时间，在所述起始信号或停止信号更接近于所述系统时钟的上升沿时，取所述第二计数器(22)的时间值作为粗时间，在所述起始信号或停止信号更接近于所述系统时钟的下降沿时，取所述第一计数器(21)的时间值作为粗时间。

5.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述处理模块(200)还包括第一FIFO单元(40)和第二FIFO单元(60)，所述第一FIFO单元(40)接收并存储所述信号标时，并依据接收顺序依次输出至所述直方图统计单元(50)；所述第二FIFO单元(60)接收并存储所述直方图统计数据，并依据接收顺序依次输出至所述输出模块(70)。

6.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述处理模块(200)基于FPGA实现，所述直方图统计单元(50)利用所述FPGA的RAM资源，采用状态机跳转方法实现所述信号标时的直方图统计。

7.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，还包括数模转换模块(80)，其与所述比较模块(10)连接，以根据所述处理模块(200)的指令输出所述第一比较器(11)和第二比较器(12)的门控电压。

8.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，所述输出模块(70)包括数据通路切换单元(71)和协议转换单元(72)；所述数据通路切换单元(71)用于切换所述采集卡的输出通路至所述上位机(100)或者串口数据记录模块(110)；所述协议转换单元(72)与所述数据通路切换单元(71)连接，并用于将所述数据通路切换单元(71)输出的直方图统计数据转换为可供上位机识别的USB数据。

9.如权利要求1所述的一种应用于海洋单光子激光雷达的采集卡，其特征是，还包括信号整形放大模块(90)，其基于所述起始信号向外部设备(120)输出触发信号，以作为外部设备(120)工作时的同步信号。

10.一种采集卡信号修正方法，其用于修正如权利要求1-9任一项所述的应用于海洋单光子激光雷达的采集卡的输出信号，其特征是，包括以下步骤：

向所述采集卡的第一比较器(11)和第二比较器(12)输入第一信号和第二信号，所述第一信号和第二信号适于表示所述海洋单光子激光雷达的激光发射时刻信号和激光回波时刻信号，且所述第一信号和第二信号的频率为非倍数关系，以保证所述第二信号相对第一信号随机分布；

将预设的直方图统计时间内的直方图统计数据中的前N个组距bin的数值记为C_Bin-k，其中，k的范围为1至N；N的取值为所述采集卡中细时间对于粗时间的等分数；

基于公式得到第k个组距bin的修正系数R_bin-k；

基于公式R_bin-k＝R_bin-(N+k)，即可得到所有组距bin的修正系数；

基于所述修正系数，对所述采集卡输出的直方图统计数据进行修正。