激光雷达高速数据采集系统解决方案

激光雷达高速数据采集系统解决方案

0、引言

1、

当雷达探测到目标后, 可从回波中提取有关信息，如实现对目标的距离和空间角度定位,并由其距离和角度随时间变化的规律中得到目标位置的变化率，由此对目标实现跟踪; 雷达的测量如果能在一维或多维上有足够的分辨力, 则可得到目标尺寸和形状的信息; 采用不同的极化方法，可测量目标形状的对称性。雷达还可测定目标的表面粗糙度及介电特性等。接下来坤驰科技将为您具体介绍一下激光雷达在数据采集方面的研究。

1、雷达原理

目标标记：

目标在空间、陆地或海面上的位置, 可以用多种坐标系来表示。在雷达应用中, 测定目标坐标常采用极(球)坐标系统, 如图1.1所示。图中, 空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定:

1、目标的斜距R；

2、方位角α；仰角β。

如需要知道目标的高度和水平距离, 那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中, 目标的位置由以下三个坐标来确定: 水平距离D，方位角α，高度H。

图1.1 用极(球)坐标系统表示目标位置

系统原理：

由雷达发射机产生的电磁能, 经收发开关后传输给天线, 再由天线将此电磁能定向辐射于大气中。电磁能在大气中以光速传播, 如果目标恰好位于定向天线的波束内, 则它将要截取一部分电磁能。目标将被截取的电磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后, 就经传输线和收发开关馈给接收机。接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息, 并将结果送至终端显示。

图1.2 雷达系统原理图

测量方法

1）.目标斜距的测量

雷达工作时, 发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在, 那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间, 它将滞后于发射脉冲一个时间tr, 如图1.3所示。 我们知道电磁波的能量是以光速传播的, 设目标的距离为

R, 则传播的距离等于光速乘上时间间隔, 即2R=ct r 或

2

r

ct

R

图1.3 雷达测距

2). 目标角位置的测量

目标角位置指方位角或仰角, 在雷达测量这两个角位置基本上都是利用天

线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内, 当轴时回天线波束轴对准目标时, 回波信号最强, 如图1.4实线所示。当目标偏离天线波束波信号减弱, 如图上虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向, 就可确定目标的方向, 这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。

图1.4 角坐标测量

3). 相对速度的测量

对速度时, 接有些雷达除确定目标的位置外, 还需测定运动目标的相对速度, 例如测量飞机或导弹飞行时的速度。当目标与雷达站之间存在相收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移, 这个频移在物理学上称为多卜勒频移, 它的数值为

式中, fd 为多卜勒频移，单位为Hz; v r 为雷达与目标之间的径向速度，单位为m/s; λ为载波波长，单位为m 。

当目标向着雷达站运动时, v r ＞0, 回波载频提高; 反之v r ＜0, 回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多卜勒频移fd, 就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。

4). 目标尺寸和形状

如果雷达测量具有足够高的分辨力, 就可以提供目标尺寸的测量。由于许

λ

r

d v f 2=

多目标的尺寸在数十米量级, 因而分辨能力应为数米或更小。目前雷达的分辨力在距离维已能达到, 但在通常作用距离下切向距离(RQ)维的分辨力还远达不到, 增加天线的实际孔径来解决此问题是不现实的。然而当雷达和目标的各个部分有相对运动时, 就可以利用多卜勒频率域的分辨力来获得切向距离维的分辨力。例如，装于飞机和宇宙飞船上的SAR(综合孔径)雷达, 与目标的相对运动是由雷达的运动产生的。高分辨力雷达可以获得目标在距离和切向距离方向的轮廓(雷达成像)。

2、数据采集系统

坤驰科技自主研发的QT1138是一款同时具备直流耦合程控放大器和支持宽带通讯信号输入的高速数据采集卡。这些特性使得QT1138成为激光雷达系统数字处理模块中应用的理想工具。QT1138提供快速的PCI Express 2.0 x8数据传输接口，尤其适合于OEM应用。QT1138的采样率在8通道工作工作模式下为250Msps/CH。模拟带宽在交流输入模式下高达300MHz，适合宽带IF采样应用；在直流程控输入模式下高达100MHz，适合高速窄脉冲采集；开发套件允许用户自定义实时处理算法。

系统性能

●最大支持8通道同步采集。

●最高250MSPS采样率。

●采用250MSPS单芯片双通道ADC。

●16bit 转换精度。

●支持AC、DC藕合方式；支持高频

脉冲信号输入。

●最大板载4GB DDR3存储器。

●支持外部触发输入或输出。

●PCIe x8 Gen2数据传输接口，连续传输率3.0GB/s。

● 具有板载FPGA 支持高速实时信号处理能力 ● FPGA 支持用户自定义逻辑开发。 ● 快速PCIe 总线实时传输采集数据 ● 捕获宽带信号。

● 提供开放的QTex 逻辑开发平台 ● 用户可自定义开发FPGA ● 大容量板载存储器

● 缩短开发时间，加快系统搭建速度

● 硬件可接受定制修改，如有此需求请联系坤驰科技

系统框图：

JTAG

CH1 INPUT REF CLK INPUT

Trig/GPIO

CH2 INPUT

CH3 INPUT

CH4 INPUT

CH5 INPUT CH6 INPUT

CH7 INPUT CH8 INPUT

硬件功能：

PCI Express x8 总线

QT1138 通过PCI Express 8-lane 总线连接到计算机主机。每对Lane 支持5.0Gbps （Gen2）的数据传输速度。QT1138采集卡采用PCI Express 16-lane 插卡的机械结构，使用其中8-lane 物理连接。

QT1138使用PCI Express Gen2传输协议时，连续数据读写速度为

3.0GB/s。对于一些较老的主板可能不支持PCI Express Gen2传输，

QT1138 将自动降为PCI Express Gen1协议传输，此时连续数据读写速

度为1.4GB/s。

模拟信号输入

QT1138 具有8个独立的模拟信号输入通道为用户提供4种输入方式选择：

标配:交流耦合

●采用Balun耦合，单端输入

●输入阻抗50Ω，输入范围2Vpp

●默认输入带宽100KHz ~300MHz

-OPT2:直流耦合

●采用运算放大器直流耦合，单端输入

●输入阻抗50Ω，输入范围2Vpp，软件可配置

●默认输入带宽DC~100MHz

-OPT3:带程控增益输入

●直流耦合，单端输入

●支持软件程控增益设置

●输入阻抗50Ω，输入范围±50mVpp到±5Vpp，软件可配置

●输入带宽DC~100MHz

●具有直流偏置调节功能

INPUT

板载采集存储器

QT1138板载128位宽DDR3存储器用于缓存采集数据。DDR3读写

数据率为1033MHz ，能为用户提供最大128Gb/s 的数据吞吐率，支持各种采集模式下的数据并发读写。 采集时钟发生器

QT1138采用超低抖动时钟信号产生模块配合高稳定、低相位噪声时钟参考源来保证采集时钟的性能。

时钟发生器采用独立的屏蔽模块，支持板载参考源、外部参考时钟源以及同步接口参考时钟输入。

通用输入输出接口

Xilinx

Virtex 6FPGA

Direction

XIO1XIO2XIO3XIO4

MMCX 1MMCX 2MMCX 3MMCX 4

前面板有4个通用IO 可以使用。可以通过编程自定义这些IO 用途；同时这些IO 可通过软件设置，作为输入、输出触发信号使用。

散热方式：

QT1135提供两种散热方式，用户可以根据自己的机箱尺寸和安装条件进行选择： 标配: 轴流风扇散热

采集功能以及选项：

环形缓冲采集模式

QT1138设计了环形缓冲功能，因此具备采集触发时间前数据的能力。一旦采集卡满足触发条件，触发前的采集数据和触发后的数据同时存入板载的大容量存储器中；随后通过PCI Express总线读入到主机中。在一次触发-采集过程中，用户可以自由设置触发前采集数据长度和触发后采集数据长度，这两个长度之和为一次采集数据总长度。

F IFO采集模式

该功能将板载内存虚拟为一个大容量FIFO，允许采集数据由该FIFO缓冲后连续不断的通过PCI Express 总线传输到主机内存或硬盘中。在FIFO模式下，系统会预先设置FIFO容量和实时监测FIFO 状态，并自动启动PCI Express DMA操作，进行数据搬运工作。FIFO 模式工作后，其采集数据长度容许无限长，限制条件为主机的内存容量或硬盘容量。

多次触发采集模式

多次触发采集模式将存储空间分成N个子段，可以接收连续触发操作。系统自动将每次触发前后采集的数据存入对应的存储器子段，这个过程不需要软件干预，采集卡也不需要重新启动。存储空间分段

的数量受设置的每次采集数据长度和板载内存容量大小限制；FIFO 模式下分段数量不受限制。

Trigger

Memory

触发模式选项

QT1138支持多种触发模式：

●软件触发

●通道触发，任意4个通道均能设置为触发源，触发方式有上升沿

大于、下降沿小于阈值触发；阈值窗口触发。

●外触发，前面板上的4个通用IO均能作为触发源使用，可上沿

或下沿触发或各个IO组合逻辑触发。

逻辑开发：

用户FPGA开发包：

QT1138支持用户自定义逻辑开发，提供完整的FPGA逻辑工程，并提供Verilog-HDL的用户逻辑接口源代码。FPGA开发软件使用XILINX ISE 14.5。

FPGA

同时开放FPGA JTAG 调试接口。用户可以使用XILINX USB-JTAG电缆和ChipScope 软件进行逻辑在线调试。

FPGA 开发包选项：

-标配:采用XC6VLX240T-2 FPGA

-OPT14:采用XC6VSX315T-2 FPGA

软件以及选项：

Windows 设备驱动

QT1138提供32位Windows XP、Windows 7以及64位windows 7设备驱动程序。可以使用Visual C++，Visual Studio 2010，LabWindows/CVI

QTCapture Lab

QTCapture Lab应用软件基于Windows 32位/64位平台，具有虚拟示波器功能，方便设置硬件，读取/保存数据以及波形显示/频谱分析功能。第三方软件支持

QT1138提供LabView，LabWidows/CVI以及MATLAB程序接口。以上程序均提供例程。

动态技术指标：

噪声和失真：

SNR(dBFs) ENOB(Bits)

71.5 11.6

时钟抖动：

分频)

3、应用领域

●宽带雷达系统

●激光雷达系统

●宽带通信系统

●高能物理测试

●光电倍增管采集系统