1 绪论1.1 研究背景及意义
激光雷达是通过大气中的分子、粒子或气溶胶颗粒对激光的散射来遥感探测大气，从而得到大气的参量信息[1,2]。由于大气探测具有高动态范围的特点，而激光雷达的高分辨率探测可以较好地解决这一问题，因此，激光雷达大气探测在近现代环境问题所导致的大气参量探测问题中应用特别广泛。尤其信号处理方法的发展及计算机行业的兴起，引发了一大批激光雷达研究人员对激光雷达大气探测系统的不断改进，推动了激光雷达的广泛应用。激光雷达的光电探测系统是激光雷达遥感大气系统开发的重要环节。
激光雷达是通过望远镜接收大气散射回来的回波信号进行大气分析。因为需要探测十几甚至几十公里外的大气参量信息，其信号特别微弱，若是单纯的靠增大望远镜的口径已经无法满足探测需求[3,4]。需要对后期的信号提取处理以及数据采集系统进行更深层次的开发研究，以达到激光雷达日益增长的探测需求。
关于光电信号转换，目前已有相对成熟的光电转换器件完成。然而经过转换后的信号还是较为微弱，且夹杂着一定的背景噪声，所以对于此信号的提取具有重要的研究意义。并且因大气参量的大动态范围以及持续观测性，激光雷达系统需要长时间连续工作。会产生激光雷达庞大的数据量，容易导致数据采集系统由于数据处理速度造成的数据丢失问题，严重阻碍了大气观测的连续性[5,6]。基于以上激光雷达发展存在的问题，激光雷达光电探测系统的研究与开发还有很大的提升空间。
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1.2 课题研究现状
激光雷达几十年的发展中从无到有，由于其探测方式的独特性使得激光雷达的应用领域更加广泛，从功能的单一化应用到目前多元化应用。激光雷达发展的初始阶段只是应用于航天探测领域或者军工方面，后来随着激光雷达的兴起，在激光测距、激光扫描以及激光成像等多方面广泛应用[7]。关于本课题的研究，国内外有许多学者从不同的角度进行了有意义的探讨，为此次研究提供可借鉴的思路。有关的研究情况大致从激光大气回波信号的采集与控制方面进行分析[8,9]。
如图 1-1 所示，目前激光雷达回波信号的探测方式主要有两种：一种是光子计数探测方式，即统计单位时间里所捕获到的光子数目，此种探测手段常用于远距离微弱信号的探测，由于其具有较高的灵敏度与信噪比，无法探测较强的信号。另一种是模数转换探测方式，即将光电转换之后的信号采用数据采集卡进行采集或通过高速示波器直接探测，此种探测手段常用于近距离较强信号的探测，并且在激光雷达大气探测中应用更加广泛[10]。
大气探测中常常需要探测大气参量垂直方向上十几公里的时空分布，具有回波信号的大动态范围特性，同时，多参量和长时间探测使得激光雷达的数据量极其庞大。由于环境噪声和本身系统所造成的噪声影响，回波信号高效准确的获取变得尤为重要，数据采集系统作为整个激光雷达大气探测的核心部分具有重要的研究意义。因此，一套高性能的数据采集模块对于任何激光雷达探测系统整体性能有着巨大的提升作用。
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2 模块化方案设计
2.1 激光雷达探测原理
激光雷达进行大气探测的基本原理是激光器发射出的光信号与大气中的分子和粒子发生相互作用，散射回来信号被望远镜所接收，然后通过光电转换器件转换为电信号再经数字化得到离散数据，最后对这些离散信号进行解析，即得到被探测的大气参量信息。如图 2-1所示为激光雷达探测原理。
2.1.1 激光雷达探测方式
1、非相干探测
非相干探测是光电转换器件将望远镜接收回来的光信号通过光强解调的方式转换为能被识别的电流信号[18]。在激光雷达系统中由于要进行多参量的探测，回波信号首先需要经过分光系统分成多路所需要的信号再进入探测器中，分光系统由分光片与滤光片组成，每通过一片镜子会造成约 5%的信号损失，并且系统中伴随着一定的系统噪声。最终进入光电探测器件的信号极其微弱，最小光功率可达到 1nW，所以一般光电探测器件带有较大的信号放大倍数。
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2.2 信号获取需求分析
本课题采用非相干探测方式与单探测器模式进行系统开发，搭建激光雷达光电探测系统首先需要对回波信号的获取需求进行分析。激光雷达探测的核心是数据采集系统，是联系整个收发系统的重要组成部分，本节从数据采集系统的采集需求、整个探测系统的控制需求、数据流向的控制需求以及激光雷达数据库展开分析。
2.2.1 信号采集需求
非相干探测方式的激光雷达系统光强信息的探测只通过时域参量来体现，即其回波信号的时空分布规律随时间的变化而改变。根据此特性，我们将接收回来的大气参量进行光电转换并数字化后提供给数据采集系统，由上节可知，最终得到的信号与光强的变化成一定的比例关系。具体时域参量分析如下：
微弱信号的探测需要高增益的探测系统来完成，而光电探测器增益与信号放大电路的两级增益可以实现对激光雷达信号的探测。其中大部分激光雷达系统选择 PMT 作为探测器（增益约 106~107），但其增益还是远远不足以达到探测效果，因此后期的信号放大电路不仅实现了光电转换后的信号调理，并可以对信号进一步的放大以便于数据采集系统采集。
随着激光雷达技术的发展，目前激光器通常发出 10ns 至 100ns 脉冲宽度的激光脉冲进行激光雷达探测，所以激光雷达回波信号的带宽约在 10~100MHz 之间，一般探测器带宽足够满足此范围的信号转换，信号放大电路中运算放大器的选型需要大于 100MHz 才能使回波信号不失真的采集。
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3.1 信号探测模块........................................13
3.1.1 光电探测器.............................................13
3.1.2 信号放大电路的设计与集成.................................14
4 应用软件开发.................................................. 25
4.1 数据采集子程序......................................25
4.1.1 采集卡驱动特性......................................25
4.1.2 A/D 转换与缓存控制................................26
5 系统整体调试............................................... 39
5.1 系统整体调试..........................................................39
5.2 实验结果.......................................42
5 系统整体调试
5.1 系统整体调试
（1）应用软件测试：测试环境如图 5-1 所示。
测试工具：信号发生器，工控机，显示屏等。
通道部分的调试：利用任意波形函数发生器输出适当的信号到某一通道，分别改变通道波形参数并用采集系统观察经过模拟通道后输出的波形是否与函数发生器的波形一致。若是采集系统输出的波形与函数发生器的波形变化一致，说明光电探测系统硬件系统功能正常。若是两者变化不一致，首先对检测软件系统中通道设置、触发源选择、采样率以及硬件系统的电气接口是否设置正确，其次检查程序的控制流程及逻辑是否正确，最后再检测硬件系统中函数发生器以及采集卡的设置是否存在问题。如图 5-2(a)所示，通道 1 输入幅值为 1V 的正弦信号，通道 2 输入幅值为 1V 的锯齿波信号，频率都为 100kHz 接入数据采集模块中实时采集效果图；图 5-2(b)所示，通道 1 输入幅值为 1V 的正弦信号，频率有 100kHz，通道 2输入幅值为 1V 的正弦波形，频率为 50kHz，接入数据采集模块中实时采集效果图。两幅图采集的信号与输入信号一致，数据采集功能基本实现。
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6 总结与展望
本论文是基于 PXI 高速数据采集卡研发了一套激光雷达光电探测及应运软件开发系统，主要完成了信号探测模块的设计、集成与调试以及数据采集应用软件的开发与测试。在课题研发过程中，先是对激光雷达的研究背景与数据采集系统的研究现状进行了深入的了解，接着分析了激光雷达发展至今回波信号获取系统的各种采集需求，再对回波探测软硬件系统构建进行了设计与调试，最后完成整个光电探测系统的组建以及整体调试。研制的样机可以应用于实际激光雷达系统，并且已经进行了数月的大气探测，系统整体性能稳定，可以胜任目前激光雷达数据采集的需求。
本毕业设计中，笔者查阅了大量有关激光雷达数据采集系统和 PXI 数据采集卡开发的论文以及项目资料，借鉴了前辈的经验及研究成果，最终通过不断的尝试与调整，如期完成了课题的设计目标。主要工作内容总结如下：
（1）深入研究了激光雷达的探测方式以及信号的探测模式。由于本课题涉及的激光雷达系统多进行的是远场信号的探测所以选择相干探测方式与单探测器模式进行系统设计。分析了激光雷达光电探测系统的采集需求，信号采集需求主要包括激光雷达的动态范围、信号增益、信号的带宽需求以及 AD 的采样率以及精度。系统控制需求主要包括光电探测模块的高低压供电控制、数据采集系统控制以及激光器的控制。数据流向需求主要包括数据缓存、数据处理与数据传输。数据库主要是对激光雷达数据的规范管理。基于以上的激光雷达光电探测系统的采集需求最终设计了激光雷达光电探测及应用软件模块化框架，主要包括信号探测模块、数据采集模块以及软件控制模块。
（2）设计并集成了回波信号探测模块，其由光电探测器件与信号放大电路构成。光电探测器是通过分析本系统的采集需求选择现有的产品，主要是将光学接收系统接收到的微弱光信号转换为电流信号，其信号增益约为 106~107；信号放大电路分前置放大器与二级放大电路，主要是将电流信号转换为电压信号并进行放大，其信号增益约为 103~105。实现了对激光雷达微弱信号的放大，最终输出一个可被识别的电信号供给数据采集模块进行数据采集工作。基于 PXI 采集卡构建了数据采集模块，对数据采集模块的硬件结构及工作模式的进行了相关分析。主要包括采集卡的时钟分频模式与其数据采集触发模式，在此基础上完成了时钟、触发以及存储控制的底层程序编写。
参考文献（略）