實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)募す饫走_(dá)能見度儀設(shè)計(jì)

蔣立輝，黃 煒，馮 帥

(1.中國民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300; 2.中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)募す饫走_(dá)能見度儀設(shè)計(jì)

蔣立輝1，黃 煒1，馮 帥2

(1.中國民航大學(xué)天津市智能信號(hào)與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300; 2.中國民航大學(xué)工程技術(shù)訓(xùn)練中心，天津 300300)

基于實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)姆椒?，設(shè)計(jì)了一臺(tái)激光雷達(dá)能見度儀。該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，以嵌入式計(jì)算機(jī)PCM－3370作為系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理單元，通過門控電路控制系統(tǒng)各模塊的工作時(shí)序。針對(duì)強(qiáng)背景光照條件下信噪比惡化的實(shí)際情況，采用了一種新的實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償與采用閾值分割的移動(dòng)平均法相結(jié)合的方法處理信號(hào)，大幅度地提高了信噪比。最后通過數(shù)值仿真和外場對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性。

激光雷達(dá);實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償;閾值分割;移動(dòng)平均法

1 引 言

隨著我國低空空域的逐漸開放，通用航空領(lǐng)域已進(jìn)入一個(gè)迅猛發(fā)展的階段。其中，能見度的判斷直接影響著機(jī)場和民航客機(jī)的安全，能見度儀的設(shè)計(jì)研發(fā)有著很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。激光雷達(dá)能見度儀是繼透射式、前向散射式之后的一種新型后向散射式能見度觀測工具，具有高探測靈敏度和空間分辨率等顯著的優(yōu)點(diǎn)。激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)在白天工作時(shí)，易受到背景噪聲的影響，該背景噪聲主要來自于太陽和天空的光輻射，且隨地點(diǎn)、時(shí)間和天氣狀況不同而變化，有效抑制背景噪聲能夠大幅度地提高能見度儀的測量范圍和精度。以往的激光雷達(dá)能見度儀，通常采用恒定背景噪聲補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖幚砘夭ㄐ盘?hào)，即選定最大探測范圍附近的一點(diǎn)，近似認(rèn)為該距離采樣點(diǎn)上接收到的回波強(qiáng)度為所有距離采樣點(diǎn)上的背景噪聲強(qiáng)度。但是由于自然或人為等因素，在探測時(shí)間內(nèi)背景噪聲的強(qiáng)度存在著變化，這種近似的估計(jì)往往存在著誤差。

本文基于后向散射的原理，進(jìn)行了激光雷達(dá)能見度儀的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，采取了模塊化的設(shè)計(jì)思路，使整個(gè)能見度系統(tǒng)非常小巧、便攜。在系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理上，采用嵌入式計(jì)算機(jī)PCM－3370作為數(shù)據(jù)處理單元，既滿足了數(shù)據(jù)處理性能的要求，同時(shí)通過其集成的有線網(wǎng)口又實(shí)現(xiàn)了儀器的遠(yuǎn)程控制。此外，又針對(duì)濾光片帶寬不足以有效濾除強(qiáng)背景光的實(shí)際情況，采取了實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ行б种屏税滋鞆?qiáng)光條件下的背景噪聲。結(jié)合采用閾值分割的移動(dòng)平均法處理補(bǔ)償后信號(hào)，提高了后續(xù)的能見度反演精度，顯著增強(qiáng)了激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)的探測性能。

2 工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以劃分為光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、光學(xué)接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)三部分，其工作時(shí)序由門控電路控制。

本激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足了便攜式的要求，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)由表1所示。靈活小巧的接收/發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和各工作模塊全部封裝于210 mm×170 mm×140 mm的鋁結(jié)構(gòu)便攜箱體中。

圖1 激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)

光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)包括激光器、光束耦合器和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡三部分。

激光器采用脈沖激光二極管模塊，該激光器具有低脈沖能量和高脈沖重復(fù)頻率的特點(diǎn)，既滿足了人眼安全的標(biāo)準(zhǔn)，又能保證單位時(shí)間脈沖積累的數(shù)目，提供了足夠的平均發(fā)射功率。光學(xué)耦合器是將激光器發(fā)射的激光束轉(zhuǎn)換為光纖中的光波的器件，用來聚焦和準(zhǔn)直激光的發(fā)射光束，降低激光發(fā)射過程中的能量損耗。發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將激光匯聚成平行光束發(fā)射至探測空間，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡自外向內(nèi)由平鏡和兩個(gè)透鏡組成，后端連接至光纖。

表1 激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)

2.2 光學(xué)接收系統(tǒng)

光學(xué)接收系統(tǒng)由接收望遠(yuǎn)鏡和窄帶濾光片構(gòu)成。

接收望遠(yuǎn)鏡由一組組合透鏡構(gòu)成，接收與大氣相互作用后散射回的激光雷達(dá)回波信號(hào)。窄帶濾光片位于透鏡組的最前端，以濾除工作波長帶外的背景光和雜散光。之后是平鏡和兩個(gè)透鏡的組合，最后回波信號(hào)被匯聚到接收光纖，輸送到光電探測器。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

針對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)相對(duì)微弱的特點(diǎn)，此處選用低噪聲、高量子效率，可實(shí)現(xiàn)單光子探測的雪崩光電二極管探測器，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

采集數(shù)據(jù)是光子計(jì)數(shù)卡完成的，此處選用的為MCS-pci，其具有多通道、高采集速率的特點(diǎn)，從而保證了對(duì)光電探測器輸出的有效采集。

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理由嵌入式計(jì)算機(jī)完成，考慮到整個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)的便攜性和數(shù)據(jù)處理性能要求，選用了PCM－3370E作為數(shù)據(jù)的處理單元，其集成的有線網(wǎng)口還可以實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)程控制，可以實(shí)現(xiàn)多種測量設(shè)備的組網(wǎng)和統(tǒng)一控制。

2.4 工作時(shí)序控制

激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)通過門控電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)序。

觸發(fā)信號(hào)分別觸發(fā)激光器、光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，接收觸發(fā)的器件開始工作，否則停止工作。

3 系統(tǒng)校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理

3.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

本文設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)系統(tǒng)采用離軸模式且收發(fā)分離。在采集數(shù)據(jù)之前應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證光路的準(zhǔn)直性，以滿足回波信號(hào)能被順利的接收，到達(dá)光電探測器的光敏面;盡可能的匯聚發(fā)射激光光束，減小發(fā)射激光發(fā)散角，增加在大氣中的探測距離。此外，還需進(jìn)行幾何重疊因子和收發(fā)同步的校準(zhǔn)。

3.1.1 幾何重疊因子校準(zhǔn)

本激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)工作在離軸模式下，激光發(fā)射系統(tǒng)和激光接收系統(tǒng)的光軸平行，發(fā)射視場與接收視場之間由完全分離逐漸過渡到部分重合直至完全重合，從而引入了幾何重疊因子的概念。這樣的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)存在探測的盲區(qū)，近場回波信號(hào)只能部分的被接收，從而導(dǎo)致能見度的反演結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差，故必須進(jìn)行系統(tǒng)幾何重疊因子的校準(zhǔn)。幾何重疊因子可以由系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算得到，但一般實(shí)際值與理論值偏差較大，通常選擇實(shí)驗(yàn)法在天氣晴朗、自然對(duì)流占主要地位的夜晚測得。

激光雷達(dá)接收到距離r處的回波信號(hào)功率P (r)可以由激光雷達(dá)方程確定:

式中，P(r)是探測距離r處的大氣散射回波信號(hào)能量;E0是發(fā)射的激光脈沖能量;c是光速;Ar是接收望遠(yuǎn)鏡有效接收面積;Tsys是系統(tǒng)的總透過率。

激光束在晴朗大氣條件下水平傳播時(shí)，大氣近似均勻分布，此時(shí)的大氣消光系數(shù)σ(r)、后向散射系數(shù)β(r)均可視為常數(shù)。由式(2)可得系統(tǒng)的幾何重疊因子Y(r)為:

式中，A=E0cArTsys/2為激光雷達(dá)系統(tǒng)常數(shù)。

3.1.2 收發(fā)同步校準(zhǔn)

數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置的單通道采集時(shí)間為100 ns，由于激光器的啟動(dòng)存在響應(yīng)時(shí)間，激光束的發(fā)射大約滯后觸發(fā)信號(hào)100 ns，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的收發(fā)同步，故去掉第一個(gè)采樣值，從第二個(gè)采樣值開始采集。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償

由于本系統(tǒng)采用的濾光片帶寬為10 nm，在白天強(qiáng)光照條件下進(jìn)行探測會(huì)有大量背景光進(jìn)入激光雷達(dá)系統(tǒng)，造成接收信號(hào)的嚴(yán)重惡化。而且背景噪聲的隨機(jī)性很大，隨地點(diǎn)、時(shí)間和天氣狀況不同，其變化與多種因素有關(guān)，往往不是一個(gè)常數(shù)，為了更精確的測量，本文設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)引入了一種實(shí)時(shí)的背景補(bǔ)償方式，對(duì)含噪聲的回波信號(hào)進(jìn)行處理。

本設(shè)計(jì)中，激光器、光電探測器和數(shù)據(jù)采集卡受門控電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)控制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作時(shí)序的控制。首先，通過觸發(fā)信號(hào)控制，在激光器發(fā)射一次脈沖信號(hào)時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)采集卡在每個(gè)探測距離采樣點(diǎn)上分別采集一次夾雜背景噪聲的回波和一次純背景噪聲回波。然后，以此循環(huán)測量累加，并以向后平均的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，獲得剔除背景噪聲后的回波信號(hào)，達(dá)到提高信噪比的目的。

在硬件實(shí)現(xiàn)上，通過門控電路發(fā)送觸發(fā)信號(hào)控制激光器和數(shù)據(jù)采集卡的門電路，采用接通或切斷的方式，產(chǎn)生交替的“信號(hào)+噪聲”和“噪聲”的計(jì)數(shù)，并輸入到同步計(jì)數(shù)系統(tǒng)。此時(shí)，光電探測器一直設(shè)置工作在“接通”狀態(tài)。在一個(gè)脈沖周期內(nèi)具體過程為:

(1)當(dāng)激光器的門電路處于“接通”狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡的門電路也處于“接通”狀態(tài)時(shí)，來自放大器－鑒別器的是信號(hào)和噪聲之和，數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)結(jié)果記為aij，i為采樣點(diǎn)編號(hào)，取值為1～N，N為每個(gè)距離采樣點(diǎn)上進(jìn)行采樣的次數(shù);j為距離采樣點(diǎn)編號(hào)，取值為1～134，分別對(duì)應(yīng)15 m～2 km的探測距離。

(2)當(dāng)激光器的門電路處于“切斷”狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡的門電路處于“接通”狀態(tài)時(shí)，此時(shí)光電倍增管的所有輸出脈沖都是背景噪聲，數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)結(jié)果記為bij;

如圖2所示為系統(tǒng)工作時(shí)序情況。在一個(gè)激光脈沖時(shí)間內(nèi)，激光器響應(yīng)滯后觸發(fā)信號(hào)100 ns。當(dāng)提取“信號(hào)+噪聲”時(shí)，激光器開啟，數(shù)據(jù)采集卡同步開啟接收回波;當(dāng)提取“噪聲”時(shí)，激光器處于關(guān)閉狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡開啟采集數(shù)據(jù)，且與第一次采集時(shí)間相同。

圖2 系統(tǒng)工作時(shí)序圖

需要特別指出的是，為了準(zhǔn)確地進(jìn)行上述的測量，必須對(duì)激光器和數(shù)據(jù)采集卡的門電路設(shè)置合理的選通時(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)脈沖寬度加以仔細(xì)調(diào)整，使數(shù)據(jù)采集卡在一個(gè)激光脈沖時(shí)間內(nèi)的兩次選通脈沖寬度相同，如圖2所示，即t1=t2。在實(shí)際工程應(yīng)用中，數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)信號(hào)頻率設(shè)置為門控電路觸發(fā)信號(hào)的倍頻即可。

3.2.2 移動(dòng)平均法

針對(duì)實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償處理過的回波信號(hào)(尤其是弱信噪比部分)仍然存在較多“毛刺”，易造成后續(xù)能見度反演計(jì)算不準(zhǔn)確的實(shí)際問題，在數(shù)據(jù)處理上對(duì)補(bǔ)償后的回波信號(hào)采用了移動(dòng)平均法來進(jìn)行平滑，提高能見度的反演精度。

對(duì)于實(shí)際的信號(hào)，其強(qiáng)信噪比部分經(jīng)過補(bǔ)償處理后仍具有強(qiáng)信噪比，只存在很少的“毛刺”，對(duì)其進(jìn)行平滑處理會(huì)使每個(gè)距離采樣點(diǎn)與鄰近點(diǎn)進(jìn)行平均，改變了實(shí)際接收的數(shù)值，反而會(huì)增加信號(hào)的誤差;而對(duì)于弱信噪比部分，對(duì)其進(jìn)行移動(dòng)平均法處理能大幅度消除背景補(bǔ)償后存在的“毛刺”，提高后續(xù)反演精度。具體做法為，設(shè)置一個(gè)閾值分割信號(hào)，在強(qiáng)信噪比部分保留原回波信號(hào)，在弱信噪比部分進(jìn)行移動(dòng)平均處理。

設(shè)移動(dòng)平均處理后距離采樣點(diǎn)上的回波信號(hào)為C'(j)，弱信噪比回波的首個(gè)采樣點(diǎn)編號(hào)為j'，則移動(dòng)平均法處理后為:

如此進(jìn)行多次移動(dòng)平均處理，最終得到處理后的回波信號(hào)。

4 數(shù)值仿真及外場試驗(yàn)

4.1 數(shù)值仿真

首先設(shè)置一組高斯噪聲序列，驗(yàn)證對(duì)采樣點(diǎn)以向后平均的方式處理能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)噪聲的實(shí)時(shí)強(qiáng)度，進(jìn)而驗(yàn)證本文所采用的實(shí)時(shí)背景補(bǔ)償法的合理性和有效性。此處，設(shè)置一組均值μ=3，方差σ2=2，序列長度N=500的高斯噪聲序列來模擬在某個(gè)距離采樣點(diǎn)上采集的500個(gè)采樣值。如圖3所示，采集到的噪聲序列圍繞噪聲均值上下無規(guī)律波動(dòng)。

圖3 序列長度N=500的高斯噪聲序列

在采集到的噪聲序列中，隨著采集到點(diǎn)數(shù)的增加，對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行向后平均。設(shè)采樣點(diǎn)為si，i為采樣點(diǎn)編號(hào)，則向后平均值s表示為:

此處，n為參與向后平均的點(diǎn)數(shù)。

圖4所示為向后平均值s隨向后平均采樣點(diǎn)數(shù)增加的變化情況。由圖4(a)可見，隨著采樣點(diǎn)數(shù)的增加，向后平均值s逐漸趨近噪聲序列的預(yù)設(shè)均值，即滿足收斂特性，且收斂于噪聲序列的均值。圖4(b)為隨著采樣點(diǎn)數(shù)增加，向后平均值的誤差情況，可知向后平均點(diǎn)數(shù)n≥300以后，誤差小于0.3%，表明該向后平均值能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際噪聲序列的強(qiáng)度。

圖4 向后平均值及誤差隨采樣點(diǎn)增加的變化情況

需要特別指出的是，由于實(shí)際情況下噪聲序列的均值和方差的差異，為了能更準(zhǔn)確反映噪聲序列強(qiáng)度，進(jìn)行的向后平均所需的采樣點(diǎn)數(shù)會(huì)有所不同。

4.2 外場試驗(yàn)

對(duì)本系統(tǒng)在實(shí)際外場條件下進(jìn)行仿真測試，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)為白天強(qiáng)光照條件下，未進(jìn)行實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)脑蓟夭ㄐ盘?hào)。可以看到，系統(tǒng)的濾光片由于帶寬的原因不能有效濾除工作波長外的背景噪聲，回波信號(hào)淹沒在背景噪聲中，且回波信號(hào)存在較強(qiáng)的近場噪聲。首先利用距離選通的方法濾除近場噪聲，然后采用實(shí)時(shí)背景噪聲補(bǔ)償?shù)姆椒ㄌ幚砘夭ㄐ盘?hào)，有效的抑制了噪聲，回波信號(hào)得到明顯的提取，極大地提高了信號(hào)的信噪比。

在實(shí)時(shí)背景補(bǔ)償法獲得的回波信號(hào)基礎(chǔ)上，采用移動(dòng)平均法進(jìn)一步平滑處理回波信號(hào)，仿真結(jié)果如圖6所示。圖中虛線部分為移動(dòng)平均法處理前的回波信號(hào)，實(shí)線為移動(dòng)平均法處理之后的回波信號(hào)，可以看到，回波信號(hào)得到明顯平滑，增加了后續(xù)能見度反演計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖5 實(shí)時(shí)背景補(bǔ)償前后回波信號(hào)

圖6 采用移動(dòng)平均法平滑處理后的回波信號(hào)

激光雷達(dá)能見度儀全天測量數(shù)據(jù)如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)標(biāo)識(shí)了探測的具體時(shí)刻，縱坐標(biāo)表示該時(shí)刻的能見度。

從圖7中可以看出，當(dāng)日的上午10點(diǎn)左右能見度為1.8 km，能見度情況不佳，有輕霧;10點(diǎn)之后霧氣消散，能見度情況略微好轉(zhuǎn)，能見度在2.1 km左右波動(dòng)。將本次外場測量結(jié)果及之后的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與美國Belford前向散射式能見度儀進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，相對(duì)測量誤差總體集中在20%以內(nèi)，這表明本激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)具有較好的全天候工作性能，同時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。

圖7 能見度系統(tǒng)全天測量結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)能見度儀結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶進(jìn)行外場測量，特別是進(jìn)行斜程能見度的探測不需要合作目標(biāo)，充分滿足了機(jī)場的應(yīng)用需求。經(jīng)過全天候外場對(duì)比實(shí)驗(yàn)，表明本激光雷達(dá)能見度系統(tǒng)總體達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有較高的測量精度，有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Design of laser visibility meter based on real-time background com pensation

JIANG Li-hui1，HUANGWei1，F(xiàn)ENG Shuai2
(1.Tianjin Key Laboratory for Advanced Signal Processing，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China; 2.Engineering Techniques Training Center，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China)

Based on themethod of real-time background noise compensation，a lidar for visibilitymeasurement，named as laser visibilitymeter is designed.The system adopts amodular design concept，and takes the embedded computer PCM-3370 as the control and data processing core.To deal with the signal-to-noise ratio degrading under the strong background light，a new method that combines the real-time background noise compensation with the moving average method using threshold segmentation is adopted to process the signal，which greatly improves the signal-to-noise ratio. Finally，the accuracy and effectiveness of the design is verified by numerical simulation and field tests.

lidar;real-time background compensation;threshold segmentation;moving average

TN958.98

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2014.04.011

1001-5078(2014)04-0399-06

蔣立輝(1964－)，男，教授，主要研究方向?yàn)楣怆娮蛹夹g(shù)及其在航空氣象探測中的應(yīng)用。

2013-07-10;

2013-08-07