水下高重頻激光測距系統設計與實現

丁元昊,梁善永,宗思光

(中國人民解放軍91428部隊,湖北 武漢 430033)

1 引 言

脈沖式水下激光測距作為一種新型探測技術,憑借其距離分辨率高、探測距離遠、對光源相干性要求低等優點,可實現對水下復雜環境中弱小目標的偵察、探測、識別、定位。鑒于聲吶探測只能探測大直徑、聚集的水下目標,難以實現對離散的水下小目標的探測,利用該系統可以有效彌補聲吶探測技術的不足,使測距精度更高、定位更精準,這也為艦艇的出海安全航行提供了一種新的思路。

水下微弱目標探測在水下無人平臺避障及導航、水下障礙物定位搜索等軍用和民用領域有著非常重要的地位和作用[1]。高重頻水下激光測量系統可實現對水下小目標高精度探測,是實現海底地形地貌測繪、無人潛航器避障的基礎。

水下漁網、三角錐等弱小目標的激光探測是在強水體混響背景下的弱目標檢測,目標的激光回波強度與近程水體散射強度相當,導致檢測系統的目標回波信噪比低。若減小激光能量,則遠處目標信號減小很多甚至消失,若增大激光能量,近距水體散射會造成目標回波信號飽和。此時水下高重頻激光測距系統需盡可能的屏蔽近距水體散射、增強微弱目標檢測能力及微弱目標探測距離。

為實現對水下漁網、三角錐等弱小目標的高精度探測,設計了激光發射/接收非同軸、高精度的高重頻水下激光測距軟硬件系統。開展了水下不同距離、不同強度目標的激光測距探測實驗,結果表明,高重頻激光測距系統能夠對水中小目標進行有效探測,探測精度為15 cm。作為一種快速精確的水下激光探測設備,該系統的設計和應用為水下這一復雜環境中探測微小目標提供了切實可行的新思路,在研究和勘探海洋復雜地質環境中應用前景廣闊。

2 系統組成

2.1 系統整體設計

在水下激光探測系統中,為使得探測系統在保證高精度的前提下又能兼顧探測距離。應著重考慮接收系統,保證接收系統對水下的微弱光具有高靈敏度的實時探測能力。由于近處水體引起光的近場飽和,使接收系統無法收到遠處回波信號的問題,擬定采取在近場水體強光散射抑制解決方案、光學盲區抑制方案、可變接收方案,以此來增大水下激光探測信號的動態范圍。

系統采用激光發射系統、激光接收光學系統、激光回波APD接收處理系統構建了不同目標、不同水質條件下的水下高重頻激光探測實驗系統。脈沖發射子系統發射532 nm高重頻的脈沖式藍綠激光對水下不同距離處的目標進行探測[2-3];激光接收光學系統實現對目標激光回波的匯聚接收,激光回波APD接收處理系統通過將反射回波中的電信號轉換成電信號,并及時進行放大處理以便得到示波器能夠采集到的電信號數據。

當激光探測系統工作時,由激光器發射脈沖激光照射在物體上,與水中被探測物體發射碰撞產生漫反射,隨即反射回波被接收系統接收。在接收處理子系統中芯片將接收到的光信號轉換為電信號,通過放大電路以及相關放大器件的處理,將多級放大后電流信號進一步變為電壓信號,圖1為水下高重頻激光測距探測總體設計圖。

圖1 水下高重頻激光測距探測總體設計圖

接收系統和物體之間的距離是通過發射脈沖的飛行時間來計算的,通過計時電路的計時功能開始對每個測量波束分析其回波信號。信息處理電路進行低通濾波和閾值比較,得到激光發射和回波信號之間的時間間隔t,通過距離值解算出發射光源到探測目標之間的距離R。其精度取決于:激光脈沖的上升沿、接收通道帶寬、探測器信噪比和時間間隔精確度。

發射激光系統采用被動調Q技術532 nm、5 uJ脈沖激光器,波長為532 nm,激光器重頻可調,最高重頻5 kHz。

激光接收光學系統帶有窄帶濾波功能的光學聚焦系統,光學系統具有532 nm窄帶透過功能,可有效濾除其他波段自然光的干擾。

激光回波APD接收處理系統選取對532 nm的峰值波長響應度較高的探測器,以便提高探測系統的探測距離、探測精度以及信噪比。光電探測器選用FIRST SENSOR公司的雪崩光電二極管(APD),在接收激光束時具有高增益、高靈敏度、實時性好的優點。同時系統采用跨阻放大器控制高靈敏度接收芯片的增益。

系統設計兩塊PCB,包括定子PCB和轉子PCB,FPGA開發板和定子PCB之間的信號交互會經過一個電平轉換電路,激光測距傳感器的電源以及信號線會從定子PCB通過導電滑環連接到轉子PCB,然后傳給激光探測傳感器。在定子驅動原理圖的設計中,電機驅動部分包括光耦隔離電路、電機驅動電路、電源電路部分、FPGA接口電路和接收電路部分。其中通過電機驅動芯片來實現電機驅動電路的正常導通,通過遲滯比較器對接收器輸出的信號進行整型[2-10]。最后,FPGA開發板和探測系統之間通過排線進行通信。圖2為本次實驗中脈沖激光接收系統的實物圖,圖3為脈沖激光處理系統內部結構圖。

圖2 脈沖激光處理系統實物圖(正面)

圖3 脈沖激光處理系統的內部結構圖

2.2 APD寬帶高增益放大器的確定及設計

APD的輸出為μA量級的微弱電流信號,對于它的電流-電壓轉換(I-V)采用高性能運放組成跨導放大器來實現,如圖4所示。

圖4 跨阻放大器IRGTR(I-V)轉化

該方法雖然對放大器件性能和工藝要求較高,容易產生自激效應,但憑借其低噪聲、高靈敏度和寬帶寬的性能,不會引入除系統以外的其他噪聲,可以有效實現對水下低信噪比信號的接收。

高精度、低噪聲、大帶寬的跨導放大器的電路原理圖如圖5所示。

圖5 寬帶跨導放大器電路結構圖

其中,穩壓電阻和穩壓電容在電路中用來減小由運算放大器輸入偏置電流引起的直流和交流誤差,同時起到保護電路的作用。

2.3 光電放大電路的設計與實現

在脈沖激光器的接收模塊和放大器模塊本實驗裝置采用了光電雪崩光電二極管。作為一種PN結型的光檢測二極管,它具有高速、高互阻抗增益、低噪聲的功能[10-11]。工作時加較大反向偏壓達到雪崩倍增狀態。通過光電探測器內部載流子的雪崩倍增效應來放大光信號以提高靈敏度。在光敏面接收532 nm波長過程中,為增大其探測距離,提高光敏面的增益比,采用濾波電路設計以及多級放大理論對其進行內部電路設計,光電放大電路的內部結構如圖6所示。

圖6 光電放大電路的內部結構

3 系統軟件設計

系統基于Keil軟件對STM單片機進行C語言編程和算法設計,在水下高重頻激光測量系統,激光硬件設計硬件基礎上,實現整套系統協調工作。主要編制示波器通信代碼、距離值解算核心代碼、計算機點云顯示代碼。

將數據采集模塊輸出數據為極坐標,通過坐標轉換模塊將極坐標先轉換為直角坐標,再轉換為圖像坐標,以方便后續圖像疊加。若上板調試結果異常,還需在代碼中添加調試信息,通過FPGA內置的邏輯分析工具把信號抓取出來進行分析,找到異常的代碼進行修改。

4 實驗及結果分析

為驗證水下高重頻激光測量系統水下弱小目標激光探測的可行性,開展了以下實驗測試。

(1)探測精度實驗。包括對被測物體距離的測量并求平均值以及誤差分析,并與實際距離值進行對比;

(2)激光接收系統的功能驗證和性能測試。包括測量水下接收到的不同距離和強度的激光波形,以及對接收的放大信號的采集和波形的分析。

利用激光測距傳感器在空氣中進行探測實驗,首先為利用激光測距傳感器在空氣中進行探測實驗。通過與實際距離值比對,進一步論證其水下探測的實際可行性。

下面以白色目標作為參照物利用該探測系統對空氣中不同距離的目標(15 m,10 m,5 m)進行探測實驗。將示波器導入的assic碼數據進行歸一化處理,并利用Matlab處理繪制出空氣中不同距離處的脈沖激光接收的波形圖,如圖7所示。

圖7 空氣中不同距離處激光接收回波信號圖

圖7中第一個脈沖為激光器發射到15 m反射回來的激光,此時恰好被該探測系統的接收模塊所接收。第二個脈沖即為激光器發射出的激光探測到位于接收模塊前的10 m,5 m處的障礙物反射形成。通過測得相鄰兩個脈沖峰值之間的時間差,求得被測物體與激光器之間的距離。因為多次平均的效果可以降低噪聲,所以用示波器對探測目標時采用平均模式觀察具體波形。在采集示波器得到的png圖像中,始終顯示已以滿屏為策略,來決定采樣的多少。

下面利用實驗室18 m水池,構建水下高重頻激光測量系統實驗平臺。在實驗室模擬的渾濁度近似相同的水下環境中,分別改變目標位置、接收增益。除了測量距離和接收增益這兩個變量外,確保實驗其他外部環境均相同,利用該探測系統對水中不同距離的目標進行探測實驗。典型的目標激光探測回波如圖8所示。

圖8 距離玻璃窗口3.0 m處的水下接收波形圖

圖中第一個脈沖為激光器發射的激光參考信號。第二個脈沖為水下目標的激光回波。通過計算出兩個脈沖峰值之間的時間差,進而求得被測物體與探測系統前玻璃透鏡之間的距離,也即該接收系統與水下被探測目標之間的距離。

在系統設計上采用了非同軸的光學發射、接收系統,由于發射接收有幾何盲區,在最遠處會遵從理想狀態下的規律。但在近處時,由于進場的問題限制住了探測系統的進場,使從水槽玻璃口處透射出來的光無法被接收,所以越近信號相反會越弱。因此在接收到的信號波形采集圖中總會有一個最強的回波接收峰值。

在進行水下實驗時,共測量了從1.5 m到11.0 m不等的各個位置的水下目標,存儲數據共計22組。如圖9所示,從圖中可以發現,一開始近處波形較強,這是因為水體近處散射較強,所以導致出現該現象的發生;此后激光接收回波信號逐漸減弱,這是由于出現了光學接收視場的盲區,導致激光散射的回波沒有被完全接收到,因此信號波形會出現下降的現象。在50 ns左右,發現激光散射回波又繼續增強,這是因為隨著距離的增加,導致發射視場與接收視場完全重合,峰值達到最強,正如圖10所示。

圖9 水下1.5 m到11.0 m不等的各個位置處接收回波信號圖

圖10 水下3 m,5 m,8.5 m,10.5m距離處接收回波信號圖

為驗證激光測距數據的穩定性及精度,對多次測量的高重頻激光測量得到的目標距離值進行統計,并與目標實際距離真值進行比較。統計分析水下激光測距性能,水下目標探測實驗逐點對比結果如表1所示。

從表格中可以清晰地看出,采用激光高重頻探測可實現對目標的高穩定性探測,探測精度誤差在15 cm以內。分析水下激光測距的誤差來源主要有以下兩點。

(1)水下水分子顆粒成分較多,因此導致水體后向散射較大,水下噪聲環境復雜。通過增加脈沖重復累積次數的方法來提高信噪比,以此減小水體的噪聲干擾來提高探測性。

(2)實驗器材本身存在著系統誤差,通過更換聚焦效果更好的透鏡或者接收效果更好的芯片使得可變增益進一步增大,以此來提高水下探測系統的分辨率和探測效果。

5 結 論

水下漁網、三角錐等弱小目標的激光探測是在強水體混響背景下的弱目標檢測,目標的激光回波強度與近程水體散射強度相當,導致檢測系統的目標回波信噪比低。設計了激光發射/接收非同軸、高精度的高重頻水下激光測距軟硬件系統。開展了水下不同距離、不同強度目標的激光測距探測實驗,并針對水下不同距離目標批量距離值的回波信號進行分析,結果表明該系統有效解決了傳統激光測距領域無法適應水下強水體散射的問題,可對近場水體強光散射以及光學盲區進行有效抑制,并實現了對水下弱小目標的高精度激光探測。