激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集卡在項(xiàng)目中的應(yīng)用分析：

當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)后, 可從回波中提取有關(guān)信息,，如實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的距離和空間角度定位,并由其距離和角度隨時(shí)間變化的規(guī)律中得到目標(biāo)位置的變化率，由此對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)跟蹤; 雷達(dá)的測(cè)量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力, 則可得到目標(biāo)尺寸和形狀的信息; 采用不同的極化方法,，可測(cè)量目標(biāo)形狀的對(duì)稱(chēng)性,。雷達(dá)還可測(cè)定目標(biāo)的表面粗糙度及介電特性等,。

1、雷達(dá)原理

目標(biāo)標(biāo)記：

目標(biāo)在空間,、陸地或海面上的位置, 可以用多種坐標(biāo)系來(lái)表示,。在雷達(dá)應(yīng)用中, 測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極(球)坐標(biāo)系統(tǒng), 如圖1.1所示。圖中, 空間任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個(gè)坐標(biāo)確定:

1,、目標(biāo)的斜距R,；2,、方位角α；仰角β,。 
如需要知道目標(biāo)的高度和水平距離, 那么利用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)就比較方便,。在這種系統(tǒng)中, 目標(biāo)的位置由以下三個(gè)坐標(biāo)來(lái)確定: 水平距離D，方位角α,，高度H,。            

系統(tǒng)原理：  

  由雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁能, 經(jīng)收發(fā)開(kāi)關(guān)后傳輸給天線, 再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速傳播, 如果目標(biāo)恰好位于定向天線的波束內(nèi), 則它將要截取一部分電磁能,。目標(biāo)將被截取的電磁能向各方向散射, 其中部分散射的能量朝向雷達(dá)接收方向,。雷達(dá)天線搜集到這部分散射的電磁波后, 就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開(kāi)關(guān)饋給接收機(jī)。接收機(jī)將這微弱信號(hào)放大并經(jīng)信號(hào)處理后即可獲取所需信息, 并將結(jié)果送至終端顯示,。

圖1.2  雷達(dá)系統(tǒng)原理圖

測(cè)量方法

1）.目標(biāo)斜距的測(cè)量

雷達(dá)工作時(shí), 發(fā)射機(jī)經(jīng)天線向空間發(fā)射一串重復(fù)周期一定的高頻脈沖,。如果在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在, 那么雷達(dá)就可以接收到由目標(biāo)反射回來(lái)的回波。由于回波信號(hào)往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間, 它將滯后于發(fā)射脈沖一個(gè)時(shí)間tr, 如圖1.3所示,。 我們知道電磁波的能量是以光速傳播的, 設(shè)目標(biāo)的距離為R, 則傳播的距離等于光速乘上時(shí)間間隔, 即2R=ct_r或

       圖1.3 雷達(dá)測(cè)距

 2). 目標(biāo)角位置的測(cè)量

  目標(biāo)角位置指方位角或仰角, 在雷達(dá)測(cè)量這兩個(gè)角位置基本上都是利用天線的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。雷達(dá)天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi), 當(dāng)軸時(shí)回天線波束軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí), 回波信號(hào)強(qiáng), 如圖1.4實(shí)線所示。當(dāng)目標(biāo)偏離天線波束波信號(hào)減弱, 如圖上虛線所示,。根據(jù)接收回波強(qiáng)時(shí)的天線波束指向, 就可確定目標(biāo)的方向, 這就是角坐標(biāo)測(cè)量的基本原理,。天線波束指向?qū)嶋H上也是輻射波前的方向。

 圖1.4  角坐標(biāo)測(cè)量

3). 相對(duì)速度的測(cè)量

對(duì)速度時(shí), 接有些雷達(dá)除確定目標(biāo)的位置外, 還需測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)速度, 例如測(cè)量飛機(jī)或?qū)楋w行時(shí)的速度,。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間存在相收到回波信號(hào)的載頻相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的載頻產(chǎn)生一個(gè)頻移, 這個(gè)頻移在物理學(xué)上稱(chēng)為多卜勒頻移, 它的數(shù)值為

式中, fd為多卜勒頻移,，單位為Hz; v_r為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度，單位為m/s; λ為載波波長(zhǎng),，單位為m,。

當(dāng)目標(biāo)向著雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí), v_r＞0, 回波載頻提高; 反之v_r ＜0, 回波載頻降低。雷達(dá)只要能夠測(cè)量出回波信號(hào)的多卜勒頻移fd, 就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對(duì)速度,。

4). 目標(biāo)尺寸和形狀

  如果雷達(dá)測(cè)量具有足夠高的分辨力, 就可以提供目標(biāo)尺寸的測(cè)量,。由于許多目標(biāo)的尺寸在數(shù)十米量級(jí), 因而分辨能力應(yīng)為數(shù)米或更小。目前雷達(dá)的分辨力在距離維已能達(dá)到, 但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的分辨力還遠(yuǎn)達(dá)不到, 增加天線的實(shí)際孔徑來(lái)解決此問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的,。然而當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)的各個(gè)部分有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí), 就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來(lái)獲得切向距離維的分辨力,。例如，裝于飛機(jī)和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達(dá), 與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,。 高分辨力雷達(dá)可以獲得目標(biāo)在距離和切向距離方向的輪廓(雷達(dá)成像)  

2,、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

坤馳科技自主研發(fā)的QT1138是一款同時(shí)具備直流耦合程控放大器和支持寬帶通訊信號(hào)輸入的高速數(shù)據(jù)采集卡。這些特性使得QT1138成為激光雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)字處理模塊中應(yīng)用的理想工具,。QT1138提供快速的PCI Express 2.0 x8數(shù)據(jù)傳輸接口,，尤其適合于OEM應(yīng)用。QT1138的采樣率在8通道工作工作模式下為250Msps/CH。模擬帶寬在交流輸入模式下高達(dá)300MHz,，適合寬帶IF采樣應(yīng)用,；在直流程控輸入模式下高達(dá)100MHz，適合高速窄脈沖采集,；開(kāi)發(fā)套件允許用戶自定義實(shí)時(shí)處理算法,。

 系統(tǒng)性能

•  大支持8通道同步采集。

•  高250MSPS采樣率,。

•  采用250MSPS單芯片雙通道ADC,。

•  16bit 轉(zhuǎn)換精度。

•  支持AC,、DC藕合方式,；支持高頻脈沖信號(hào)輸入。

•  大板載4GB DDR3存儲(chǔ)器,。

•  支持外部觸發(fā)輸入或輸出,。

•  PCIe x8 Gen2數(shù)據(jù)傳輸接口，連續(xù)傳輸率3.0GB/s,。

•  具有板載FPGA支持高速實(shí)時(shí)信號(hào)處理能力

•  FPGA支持用戶自定義邏輯開(kāi)發(fā),。

•  快速PCIe總線實(shí)時(shí)傳輸采集數(shù)據(jù)

•  捕獲寬帶信號(hào)。

•  提供開(kāi)放的QTex邏輯開(kāi)發(fā)平臺(tái)

•  用戶可自定義開(kāi)發(fā)FPGA

•  大容量板載存儲(chǔ)器

•  縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,，加快系統(tǒng)搭建速度

•  硬件可接受定制修改,，如有此需求請(qǐng)聯(lián)系坤馳科技
  

系統(tǒng)框圖：

硬件功能：
PCI Express x8 總線

QT1138 通過(guò)PCI Express 8-lane 總線連接到計(jì)算機(jī)主機(jī)。每對(duì)Lane支持5.0Gbps（Gen2）的數(shù)據(jù)傳輸速度,。QT1138采集卡采用PCI Express 16-lane 插卡的機(jī)械結(jié)構(gòu),，使用其中8-lane物理連接。

QT1138使用PCI Express Gen2傳輸協(xié)議時(shí),，連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度為3.0GB/s,。對(duì)于一些較老的主板可能不支持PCI Express Gen2傳輸，QT1138 將自動(dòng)降為PCI Express Gen1協(xié)議傳輸,，此時(shí)連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)速度為1.4GB/s。

模擬信號(hào)輸入

QT1138具有8個(gè)獨(dú)立的模擬信號(hào)輸入通道為用戶提供4種輸入方式選擇：

選擇：

標(biāo)配:交流耦合

• 采用Balun耦合,，單端輸入

•  輸入阻抗50Ω,，輸入范圍2Vpp

•  默認(rèn)輸入帶寬100KHz ~300MHz

-OPT2:直流耦合

•  采用運(yùn)算放大器直流耦合，單端輸入

•  輸入阻抗50Ω,，輸入范圍2Vpp,，軟件可配置

•  默認(rèn)輸入帶寬DC~100MHz

-OPT3:帶程控增益輸入

• 直流耦合，單端輸入

•  支持軟件程控增益設(shè)置

•  輸入阻抗50Ω,，輸入范圍±50mVpp到±5Vpp,，軟件可配置

•  輸入帶寬DC~100MHz 具有直流偏置調(diào)節(jié)功能

板載采集存儲(chǔ)器

  QT1138板載128位寬DDR3存儲(chǔ)器用于緩存采集數(shù)據(jù)。DDR3讀寫(xiě)數(shù)據(jù)率為1033MHz，能為用戶提供大128Gb/s的數(shù)據(jù)吞吐率,，支持各種采集模式下的數(shù)據(jù)并發(fā)讀寫(xiě),。

采集時(shí)鐘發(fā)生器

QT1138采用超低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生模塊配合高穩(wěn)定、低相位噪聲時(shí)鐘參考源來(lái)保證采集時(shí)鐘的性能,。時(shí)鐘發(fā)生器采用獨(dú)立的屏蔽模塊,，支持板載參考源、外部參考時(shí)鐘源以及同步接口參考時(shí)鐘輸入,。

FPGA開(kāi)發(fā)包：

QT1138支持用戶自定義邏輯開(kāi)發(fā),，提供完整的FPGA邏輯工程，并提供Verilog-HDL的用戶邏輯接口源代碼,。FPGA開(kāi)發(fā)軟件使用XILINX ISE 14.5,。

   同時(shí)開(kāi)放FPGA JTAG 調(diào)試接口。用戶可以使用XILINX USB-JTAG電纜和ChipScope 軟件進(jìn)行邏輯在線調(diào)試,。

3,、應(yīng)用領(lǐng)域

•  寬帶雷達(dá)系統(tǒng)

•  激光雷達(dá)系統(tǒng)

•  寬帶通信系統(tǒng)

•  高能物理測(cè)試

•  光電倍增管采集系統(tǒng)

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