海洋激光雷達軟件控制系統(tǒng)研究

范 米，程小勁*，曹建東，賀 巖

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機械研究所，上海 201800)

0 引 言

海洋激光雷達探測技術(shù)是海洋應(yīng)用中一種基于藍綠激光的先進探測技術(shù)，相較于傳統(tǒng)聲納探測技術(shù)而言，海洋激光雷達探測范圍比較小，但是由于激光的高亮度、方向性好、高相干性、傳播速度快等特點，它的探測效率以及探測點密度較高，因此在海水較淺的區(qū)域具有其獨特的優(yōu)勢[1]。

海洋激光雷達探測技術(shù)起源于20世紀60年代末，Syracuse大學(xué)的研究人員完成了激光海水深度測量系統(tǒng)的搭建，并初步驗證了激光測深的可行性[2]。1970到1990年間，海洋激光雷達探測技術(shù)的相關(guān)研究主要側(cè)重于實驗系統(tǒng)，1980年，美國NASA研制了機載水文激光雷達AOL(airborne oceangraphic)，采用重頻為400 Hz，功率為2 kW的氦氖激光器，成功繪制出深度小于10 m的海底地貌[3]。同年，澳大利亞的研究人員研制了WRELADS系統(tǒng)，在平均衰減系數(shù)為0.23的水域，可測深度為30 m[4]。1981年，瑞典的研究人員成功研制了機載的FLASH系統(tǒng)，在衰減系數(shù)為0.6的水域，可測深度為35 m[5]。隨著技術(shù)的逐漸成熟，海洋激光雷達從實驗室走向商業(yè)應(yīng)用，1994年，美國擁有了實用型的水文勘測系統(tǒng)SHOALS，采用綠光與紅外光共線掃描的方式，獨立的紅外和拉曼海面通道實現(xiàn)了20°天頂角以內(nèi)的精確定位[6]。而瑞典將FLASH系統(tǒng)升級為了HAWK EYE系統(tǒng)，進一步實現(xiàn)了全波形數(shù)據(jù)實時存儲，提高了采樣頻率、GPS定位精度、掃描精度[7]。同時，澳大利亞也將WRELADS升級為了LADS實用機載激光水文勘測系統(tǒng)，測深范圍為2 m～50 m[8-9]。國內(nèi)相關(guān)方面的研究起步較晚，80年代末開始研制機載海洋激光雷達系統(tǒng)，并于90年代成功進行了海上實驗。近些年在國家相關(guān)項目的資助下，由中國科學(xué)院上海光學(xué)機械精密研究所研發(fā)出了機載雙頻雷達Mapper5000，測深范圍為0.25 m～51 m，各項技術(shù)指標(biāo)，如測深能力、精度、掃描角度等，與目前國際上主要的機載激光測深系統(tǒng)接近[10]。

隨著雷達系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，以“硬件為核心，面向?qū)ｍ椆δ堋钡膫鹘y(tǒng)雷達系統(tǒng)正逐步轉(zhuǎn)向以“軟件技術(shù)為核心，面向?qū)嶋H需求”的雷達系統(tǒng)，優(yōu)秀的激光雷達系統(tǒng)軟件，不僅需要提供友好的交互操作，還能夠提升雷達系統(tǒng)的自動化水平和信息化水平[11]。該文針對水下激光雷達系統(tǒng)開發(fā)項目軟件控制系統(tǒng)的需求，利用多線程實現(xiàn)了一套海洋激光雷達系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計，并根據(jù)所采集的水體回波信號進行了濾波分析。

1 系統(tǒng)硬件組成

典型海洋激光雷達系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，主要包括：激光器、電機、ARM工控板、硬盤、4通道高速AD采集卡、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)擴展板、溫度傳感器、深度傳感器、姿態(tài)傳感器、溫濕度傳感器以及光電倍增管(PMT)，其中PMT1、PMT2接收近場回波信號，PMT3、PMT4為門控型PMT，用于接收遠場回波信號。電腦(PC)、高速AD采集卡以及工控板通過交換機進行通信。以下將高速AD采集卡、FPGA擴展板一并稱為FPGA。FPGA主要實現(xiàn)以下功能：通過RS232串口轉(zhuǎn)發(fā)PC下發(fā)的指令以控制激光器、電機；設(shè)置PMT高壓(增益)、采樣參數(shù)，為激光器提供外觸發(fā)模式下的重頻和調(diào)Q信號，以及進行采樣控制、存儲控制；上傳設(shè)備狀態(tài)、AD采樣數(shù)據(jù)、指令計數(shù)以及傳感器數(shù)據(jù)。工控板與深度傳感器、溫濕度傳感器以及姿態(tài)傳感器采用RS232串口進行通信，溫度傳感器則是連接到工控板的12位ADC轉(zhuǎn)換的引腳。工控板定時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，并將各傳感器數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)體的形式進行封裝，其中包括了工控板GPS(global positioning system)周和秒，通過RS232串口一并發(fā)送到FPGA，由FPGA上傳。為確保工控板系統(tǒng)時間與PC系統(tǒng)時間的一致性，與PC通過UDP實現(xiàn)了時間同步功能。

圖1 海洋激光雷達系統(tǒng)硬件組成

2 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成和控制功能的需求，將系統(tǒng)控制軟件設(shè)計分成通信協(xié)議設(shè)計、功能模塊設(shè)計、多線程設(shè)計和界面設(shè)計四個部分。

2.1 UDP通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)基于UDP實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，相較于TCP(transmission control protocol)，UDP具有程序結(jié)構(gòu)簡單、速度快等優(yōu)點，UDP協(xié)議的報文格式由幀頭、指令計數(shù)、指令、包號、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、和校驗以及幀尾組成。幀頭、和校驗以及幀尾用于判斷幀的正確性；幀計數(shù)用于記錄軟件發(fā)送幀的次數(shù)；幀中數(shù)據(jù)長度為有效數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)區(qū)大小為定值，未使用部分以0填充，當(dāng)數(shù)據(jù)超過最大長度時，將利用包號對數(shù)據(jù)進行分幀以及組合處理[12]。

為了提高UDP協(xié)議的可靠性，采用了停止等待的自動重傳請求(stop-and-wait automatic repeat-request，SW_ARQ)協(xié)議保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕舅悸窞椋喊l(fā)送方每一次發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時，同時設(shè)置定時器，等待接收方收到的回復(fù)確認后，再進行下一次發(fā)送，如果接收方回復(fù)為錯誤數(shù)據(jù)幀或者在定時時間內(nèi)無返回時，則發(fā)送方重新發(fā)送。

2.2 功能模塊設(shè)計

模塊劃分對軟件設(shè)計起著非常重要的作用，良好的模塊劃分具有諸多優(yōu)點：使程序設(shè)計更加清晰，提高程序編寫效率；對模塊進行單元測試，可以增加程序穩(wěn)定性；便于對某個功能的維護、修改，甚至是未來功能的擴展[13]。針對項目需求，將功能劃分為7個模塊：(1)激光器模塊：激光重頻、電流、外觸發(fā)參數(shù)設(shè)置以及出關(guān)光、錯誤復(fù)位、狀態(tài)查詢功能；(2)電機模塊：電機初始化功能(電機光學(xué)歸零，即光學(xué)窗口出射中心點)，并提供了兩種工作模式(基于光學(xué)零位，根據(jù)當(dāng)前折射率進行電機角度轉(zhuǎn)換后的定位模式和掃描模式)，同時還可以設(shè)置電機轉(zhuǎn)動速度；(3)擴展板模塊：PMT高壓(增益)設(shè)置以及門控型PMT偏移時間設(shè)置；(4)采樣模塊：采樣參數(shù)設(shè)置，包括采樣長度、抽樣頻率、提取起始點以及提取長度。采樣時，可以選擇是否將將AD預(yù)覽數(shù)據(jù)以及當(dāng)前設(shè)置參數(shù)保存至當(dāng)?shù)匚募?，以便于后續(xù)處理；(5)硬盤存儲模塊：通過檢索硬盤空閑區(qū)域，可以將AD數(shù)據(jù)存儲至硬盤，后續(xù)可以使用硬盤回收功能將數(shù)據(jù)進行回收至本地；(6)圖形顯示模塊：可以根據(jù)通道勾選情況，實時顯示多個通道的AD采樣波形，并提供了坐標(biāo)軸范圍、自動調(diào)整坐標(biāo)軸設(shè)置、水體回波信號濾除功能以及根據(jù)折射率進行的坐標(biāo)軸變換功能；(7)信息顯示模塊：可以顯示時間、計數(shù)、電機、激光器、傳感器等狀態(tài)信息，并提供了時間同步功能(精確到秒)。

2.3 多線程設(shè)計

在進行耗時操作(處理大量數(shù)據(jù))時，避免用戶界面失去響應(yīng)[14]，軟件采用如圖2所示的多線程設(shè)計，主要劃分為：主界面線程、數(shù)據(jù)幀封裝線程、UDP發(fā)送線程、UDP接收線程、數(shù)據(jù)幀解析線程以及AD數(shù)據(jù)解析線程。

圖2 多線程設(shè)計框架

主界面線程為人機交互界面，可以通過按鍵實現(xiàn)對設(shè)備的控制、狀態(tài)監(jiān)測，采樣參數(shù)設(shè)置，對AD采樣數(shù)據(jù)進行本地存儲或硬盤存儲，硬盤數(shù)據(jù)回收，預(yù)覽AD采樣波形以及濾除AD采樣波形背景，實現(xiàn)與工控板實現(xiàn)時間同步等功能。數(shù)據(jù)幀封裝線程將待發(fā)送指令以及數(shù)據(jù)進行封裝，然后通過UDP發(fā)送線程到FPGA，由FPGA進行轉(zhuǎn)發(fā)或處理，并回復(fù)。UDP接收線程接收FPGA回發(fā)的數(shù)據(jù)幀，通過數(shù)據(jù)幀解析線程，對接收的數(shù)據(jù)幀進行解析與驗證，根據(jù)解析的指令做相應(yīng)的處理，包括：將傳感器參數(shù)以及設(shè)備狀態(tài)等參數(shù)提交到主界面線程以更新界面信息，AD采樣數(shù)據(jù)存儲至本地以及提交到AD數(shù)據(jù)解析線程，經(jīng)由AD數(shù)據(jù)解析線程解析后，再提交到主界面線程以預(yù)覽AD采樣波形。

2.4 界面設(shè)計

為了實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互操作，根據(jù)系統(tǒng)的功能劃分，設(shè)計了如圖3所示的系統(tǒng)界面。界面的左邊為控制部分，主要控制激光器、電機、擴展板、采樣和硬盤。界面的中間為波形顯示部分，可以設(shè)置坐標(biāo)軸、設(shè)置折射率、坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換、背景波形濾除和選擇顯示通道。界面的右邊為狀態(tài)參數(shù)顯示部分，主要包括采樣參數(shù)、時間同步和狀態(tài)信息。

圖3 用戶界面

3 海洋激光雷達功能實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和模塊設(shè)計，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)電機角度轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)軸變換、時間同步以及水體回波信號濾除等功能。

3.1 電機角度轉(zhuǎn)換

海洋激光雷達在水下進行工作時，如圖4所示，出射激光經(jīng)過反射鏡后，通過光學(xué)窗口出射，激光實際出射角度會因為介質(zhì)的折射率不同而發(fā)生變化，為便于用戶設(shè)置激光實際的出射角度，通過用戶對折射率的設(shè)置，對電機轉(zhuǎn)動角度做了相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。

iairsinθair=iwatersinθwater

(1)

其中，iair、iwater分別為空氣折射率和水的折射率，θair、θwater分別為激光出射角度以及激光的實際出射角度。根據(jù)式(1)，即可得到實際電機定位的角度θair?；谏鲜龉剑诒鞠到y(tǒng)中電機可轉(zhuǎn)動±15°，而在折射率為1.33的淡水中，實際從光窗出射的角度為±11.5°。

圖4 出射光路示意圖

3.2 坐標(biāo)軸變換

AD原始數(shù)據(jù)為采樣時間點以及采樣點值，單位采樣時間點代表1 ns，單位采樣點值代表2.44 mV。為了使用戶可以更加直觀地獲取采樣的距離和幅值信息，軟件提供了坐標(biāo)軸變換功能，橫坐標(biāo)可以在采樣時間和采樣距離之間切換，同樣，縱坐標(biāo)也可以在采樣點值和采樣幅值之間變換，采樣距離實際距離與水的折射率有關(guān)，采樣距離與采樣時間點的轉(zhuǎn)換可由式(2)、式(3)導(dǎo)出。

vwater=clight/iwater

(2)

d=vwater*t/2

(3)

其中，vwater為激光在水中的傳播速度，clight為光速，t為激光往返時間，d為激光距離。

3.3 時間同步

AD數(shù)據(jù)包含的時間信息由工控板提供，而PC與工控板的時間不一定具有同步性，這樣會導(dǎo)致進行采樣操作時的時間與保存的AD數(shù)據(jù)時間信息不一致，所以需要對PC和工控板進行時間同步?；诰W(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議NTP(network time protocol)思想[15]，如圖5所示，由PC發(fā)送消息，通知工控板準備進行時間同步。工控板回復(fù)PC時，將工控板當(dāng)前系統(tǒng)時間t1存入數(shù)據(jù)幀。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時延δ，由PC接收，接收時將系統(tǒng)時間t2存入，發(fā)送時將系統(tǒng)時間t3存入。經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)時延δ，工控板接收到時，取系統(tǒng)時間t4。將以上時間參數(shù)代入式(6)計算，即可獲得工控板與PC的時間差，實現(xiàn)時間同步。

圖5 時間同步

設(shè)PC與工控板相差時間為Δ，則可得到如下關(guān)系式：

t2=t1+δ+Δ

(4)

t3=t4-δ+Δ

(5)

由式(4)、式(5)推導(dǎo)可得時間差：

Δ=[(t2+t3)-(t1+t4)]/2

(6)

3.4 水體回波信號濾除

對AD數(shù)據(jù)進行解析后，獲取的波形如圖6(b)所示，該波形具有兩個波峰，第一個為水體回波信號，第二個為目標(biāo)回波信號。用戶可以在當(dāng)前環(huán)境下以及配置參數(shù)下，先采樣獲取水體回波信號(見圖6(a))，將文件保存至本地，再讀入該文件，軟件將對水體回波信號保存多次平均后的數(shù)據(jù)結(jié)果，再對目標(biāo)進行采樣，通過水體回波信號濾除功能將采樣數(shù)據(jù)與之前保存的環(huán)境水體回波數(shù)據(jù)相減，即可獲取目標(biāo)回波信號(見圖6(c))。

(a)水體回波信號

(b)總回波信號

(c)濾除后的目標(biāo)信號

4 結(jié)束語

軟件控制在激光雷達系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用，該文在搭建完海洋激光雷達硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過軟件實現(xiàn)了對海洋激光雷達系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的可靠控制、狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)測、以及AD數(shù)據(jù)處理與波形顯示。接下來將從兩個方面對軟件控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，一方面通過預(yù)存儲技術(shù)，通過將數(shù)據(jù)預(yù)先存入容器中，再由專門的線程進行寫入本地文件，從而提高處理速度，進而實現(xiàn)實時本地存儲。

另外在波形預(yù)覽方面，可以進一步采用時間累積的方式實現(xiàn)偽彩色圖像，進而更加直觀地觀測到目標(biāo)距離的變化。