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激光雷达高速数据采集系统解决方案_鸣鱼AGV资讯网

2021-11-25 18:59 阅读 18

北京坤驰科技有限公司

0.介绍

雷达探测到目标时,可以从回波中提取相关信息,如定位目标的距离和空间角度,从距离和角度随时间的变化规律中获取目标位置的变化率,从而对目标进行跟踪;如果雷达测量能够在一个或多个维度上具有足够的分辨率,就可以获得目标尺寸和形状的信息。可以使用不同的偏振方法来测量目标形状的对称性。雷达还可以测量目标的表面粗糙度和介电特性。

1.雷达原理

目标标签:

目标在空间、陆地或海面上的位置可以用各种坐标系来表示。在雷达应用中,经常使用极(球)坐标系测量目标坐标,如图1.1所示。在图中,任何目标P在空间中的位置都可以通过以下三个坐标:来确定。

1.目标的倾斜距离r;2.方位角;仰角。

如果需要知道目标的高度和水平距离,使用圆柱坐标系比较方便。在该系统中,目标的位置由以下三个坐标确定:水平距离D、方位角和高度h。

图1.1显示了极(球)坐标系下的目标位置。

系统原理:

雷达发射机产生的电磁能量通过收发开关传输到天线,然后天线将电磁能量定向辐射到大气中。电磁能在大气中以光速传播。如果目标恰好在定向天线的波束内,就会拦截一部分电磁能量。将截获的目标电磁能量向各个方向散射,其中部分散射能量面向雷达接收方向。雷达收集到这种散射的电磁波后,通过传输线和收发器开关将其馈送给接收器。接收机将这个微弱的信号放大,经过信号处理后,就可以获得所需的信息,并将结果发送到终端进行显示。


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=ctr

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; vr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, vr>0, 回波载频提高; 反之vr <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QT1144是一款同时具备直流耦合程控放大器和支持单、双极性宽带信号输入的高速数据采集卡;板载FPGA具备实时信号处理能力,这些特性使QT1144成为激光雷达、光电倍增管应用以及光纤传感等领域进行信号采集和分析的理想工具。QT1144提供快速的PCI Express 2.0 x8数据传输接口,以及灵活配置的硬件组合,获得性能、功耗和成本之间的最佳平衡,尤其适合于OEM应用。

系统性能

l  最大支持4通道同步采集;

l  最高250MSPS采样率;

l  16bit/14bit转换精度;

l  支持交/直流耦合,50欧姆输入阻抗;

l  支持4档位程控增益控制;

l  板载4GB DDR3存储器;

l  支持外部触发输入或输出,支持高级触发功能;

l  支持多个用户自定义扩展IO;

l  PCIe x8 Gen2数据传输接口,连续传输率2.8GB/s。

l  FPGA支持用户自定义逻辑开发。

系统框图:

系统硬件:

PCI Express x8 总线

QT1144 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。QT1144采集卡采用PCI Express 8-lane 插卡的机械结构,兼容PCI Express 16-lane插槽。

QT1144使用PCI Express Gen2 X8传输协议时,连续数据传输速度为2.8GB/s。

模拟信号输入

QT1144具有4个独立的模拟信号输入通道为用户提供3种输入方式选择:

-交流(AC)耦合

l  采用差分放大器交流耦合单端输入。

l  输入阻抗50Ω,默认输入范围2Vpp。

l  默认输入带宽1KHz ~500MHz(TBD)。

-直流(DC)耦合

l  采用差分运算放大器直流耦合,单端输入。

l  输入阻抗50Ω,默认输入范围2Vpp。

l  抗混叠低通滤波器。

-带程控增益(VG)的直流耦合输入

l  直流耦合,单端输入。

l  支持软件程控增益设置。

l  输入阻抗50Ω,输入范围±250mVpp,±500mV,±1Vpp和±2Vpp,4个档位(其它量程请联系厂家)。

l  抗混叠低通滤波器。

l  具有直流偏置调节功能。

由于激光探测器输出信号或光电倍增管输出信号为单极性,如果采集模块信号调理电路没有直流偏置功能,ADC输入将不能达到满幅度,导致精度损失几乎一半;QT1144针对单极性输入信号增加了直流偏置调接功能,相比无直流偏置情况精度增加一倍。

 

直流偏置使采集精度达到最优

板载采集存储器

QT1144标配4GB容量、64位宽的DDR3存储器用于缓存采集数据。DDR3读写数据率为1600MHz,能为用户提供最大100Gb/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

采集时钟的随机抖动会劣化采集系统的信噪比,而且随着输入信号频率的增加,采集时钟的抖动对信噪比的影响会越来越明显。因此QT1144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。 

QT1144具备三种时钟模式:

-内部参考输入

使用板载100MHz TCXO作为时钟模块的参考时钟,可以使板卡进行独立的采集工作。

 -外参考输入

采用外部输入的参考时钟作为时钟模块的参考时钟,可以使ADC的采样时钟同参考时钟系统同步。

-外采样时钟输入

外部采样时钟可直接驱动ADC的采样时钟。

通用输入输出接口

前面板有2个通用IO(GPIO)可以使用,每个GPIO均能单独控制方向。用户可以通过编程自定义这些IO的用途;同时这些IO通过软件设置,可作为输入、输出触发信号使用。

GPIO可以作为同步数字信号端口,与ADC模拟采集数据同步。作为同步数字输入信号时,可以通过软件设置将采集到数字输入信号放到模拟采样数据的低位,取代对应位置的模拟采样数据位。也可独立一个通道作为纯数字输入采集模式,该通道全部为数字输入信号。

当作为异步数字IO管脚使用时,这些前面板GPIO的两个IO可独立设置为输入或者输出。当设置为输入时,可读取管脚的值;当设置为输出时,可设置输出0、1、或者内部多种触发信号、或者占空比及周期可编程的周期脉冲信号。

同步数字信号输入

扩展输入输出(GPIO)接口

QT1144同时在板卡后部具有20个通用GPIO。这些通过双排2.00mm通用连接器直接连接到FPGA上,并同时输出2.5V或3.3V电源,方便用户电平转换。-GPIO选项可为用户定制GPIO接口转接PCB,如可以按需求将这些GPIO连接到QT1144相邻插槽的前面板上。

采集功能

QT1144具备多种采集模式:

l  有限点单次触发采集模式:一次触发启动采集一次,采集数据存储在板载内存上。

l  无限点单次触发采集模式:一次触发启动采集一次,采集数据通过板载内存缓冲后连续不断的上传到计算机主内存中。

l  有限点多次触发采集模式:采集卡被激活后可以接收多次触发,可将板载内存分成多段分别存储这些触发数据;

l  无限点多次触发采集模式:在无限点单次触发采集模式基础上,增加无限次接受触发功能,将每次触发的数据分段后源源不断的上传到计算机主内存中。

l  ABA采集模式:在以上模式下的增加变速采集功能。

支持环形缓冲的采集模式

QT1144设计了环形缓冲功能,因此可以采集触发时刻以前的信号。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将会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。环形缓冲功能也同时支持FIFO模式和多次触发模式。

超长预触发功能(-PTRIG 选项)可以使QT1144具备超大的预触发环形缓冲区,从而支持长达总共1G采样点预触发长度,特别适合像雷电定位系统这样的应用。

无限点采集模式

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。

ABA采集模式

ABA模式用于变速采样的场景,A代表低速采样率,B代表高速采样。ABA模式可实现双采样率采集,也可以实现分频模式采集。

无限点采集模式下的定时上传功能

为QT1144 PCIe DMA具有两种工作模式:

l  高效率工作模式:采用较大的缓冲空间,每次DMA载荷比较多,从而较高的效率和较大的传输速度;适合连续采集信号的应用场景,如相控阵雷达信号采集以及宽带通信信号采集等。

 

l  定时上传工作模式:上面高效工作模式需要预填充一个较大的缓冲空间才能启动一次DMA上传数据。对于基于脉冲式分段采集应用,由于每次触发采集的数据量相对缓冲空间较小,所以需要很多次触发后上位机才能得到数据,从而产生较大的延迟。

为满足如医学成像,超声扫描等应用系统对实时数据获取要求,QT1144的PCIe DMA机制经过专门优化,可灵活配置DMA数据包大小和定时上传时间,从而实现扫描系统的实时数据刷新。该功能特别适合超声显微镜以及OCT等应用。

触发功能

通用触发功能

QT1144支持多种触发模式,通过软件选择

l  软件触发。

l  通道触发,任意模拟通道均能设置为触发源,触发方式有上升沿、下降沿、双沿(窗口)、高电平、低电平触发。

l  外触发,前面板上任意一个数字IO管脚均可被设置为外触发输入,或者输出触发信号。可设置外触发的上升沿、下降沿、双沿(窗口)触发,并具有触发延迟可设置。

高级触发功能

QT1144结合GPIO或扩展GPIO可支持多种高级触发功能:

l  GPS同步触发

l  导航雷达方位触发

l  扫描系统触发          

l  占空比及周期可编程内部脉冲触发

时间戳(timestamp)

QT1144采集卡提供在AD数据流中打入时间戳(timestamp)信息的功能,可选的时间戳信息有GPS时间戳及用户自定义时间戳(如计数器)。

用户FPGA开发包

   QT1144支持用户自定义逻辑开发。我们提供完整的FPGA逻辑工程,并提供基于Verilog-HDL编写的用户逻辑接口源代码。FPGA开发软件使用XILINX ISE 14.7。

  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。

有三种FPGA容量可以供用户选择

l  XC7K160T-2 FPGA

l  XC7K325T-2 FPGA

l  XC7K410T-2 FPGA

实时信号处理模块

累加/平均模块 –AVG

累加/平均模块通过多次触发采集模式,分段累加或平均周期信号,能将高斯分布的噪声逐渐减小,同时将有用的微弱信号逐渐增强,显著提高信号信噪比。该模块全由FPGA逻辑实时处理,不回占用上位机CPU资源。

峰值检测模块–PD

峰值检测模块可以实时检测预设长度内的信号的最大波峰值和最小波谷值;同时可以对这些信号进行积分,计算每个脉冲的能量/功率。该模块全由FPGA逻辑实时处理,不回占用上位机CPU资源,通过实时上传波峰、波谷值以及它们的位置、能量/功率等信息,从而大大减小数据传输带宽。

数字下变频模块 –DDC

数字下变频(Digital Down Converter)模块具有带NCO的IQ解调器,数字低通滤波器以及数字抽取器组成。

软件支持

Windows 设备驱动

QT1144提供64位Windows 7以及64位windows 10设备驱动程序。可以使用Visual C++, Visual Studio 201x,LabView,Labwindows/CVI,Python以及Matlab进行二次开发。

QTCapture Lab

QTCapture Lab是功能强大,直观的交互式测量软件。运行QTCapture Lab即可开始进行测量,无需编程。QTCapture Lab集成硬件设置、数据显示、示波器、瞬态记录、分析和保存数据等功能,并在易于使用的统一界面下完成以上所有功能。

3、应用领域

l  宽带雷达系统

l  激光雷达系统

l  宽带通信系统

l  高能物理测试

l  光电倍增管采集系统

 

分类: 管理软件 关键词: 数据采集系统
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