小阵列激光雷达信号采集电路的设计

发布时间：2020-03-23 06:44

【摘要】：激光雷达是激光技术与光电技术和信息处理技术结合的产物。激光雷达是利用激光进行探测和测量,与无源电光传感器或微波雷达相比,激光雷达分辨率高、工作频率高、隐蔽性好、体积小、重量轻、可靠性高,抗有源干扰的能力很强,因此更具竞争性。激光雷达可快速、实时、准确采集和处理大量数据,是重要的遥感技术之一,可用于各种距离测量,方位探测,高度测量,三维成像等,在军事和民用领域,空间和地面都有着广泛的应用。激光雷达基本由发射系统、接收系统、信号处理系统组成。本文重点研究和设计了一种可接收多路回波信号的激光雷达信号并行处理系统。根据激光雷达通过测距成距离像的原理,采用基于飞行时间的测距技术,构建了激光回波信号处理的硬件架构,包括激光回波信号探测系统、微弱信号检测系统、计时系统和距离像显示系统。采用雪崩光电二极管阵列作为光电探测器,将激光回波信号转换为电信号。由于转换出的电信号很微弱,通过采用跨阻放大器和电压放大器等弱信号检测技术,把激光回波信号进行放大处理。采用前沿时刻鉴别法,通过电压比较器确定回波信号的到达时间,为后续计时电路接收信号做好准备。采用FPGA实现计时、控制激光发射和向上位机传送数据等功能。计时模块采用数字技术由高速并行计数器实现,可准确记录发射的激光脉冲和激光回波脉冲间的时间间隔,为测距和成距离像提供数据。FPGA通过USB接口向上位机传送数据,在上位机中通过软件开发可实现脉冲激光雷达的距离像。所完成的激光雷达信号处理系统经仿真验证表明,可实现64路激光回波信号的并行处理,测距最大距离为3km,精度为小于0.5m,可实现激光雷达的距离成像,该系统全部采用通用元器件搭建,并具有可扩展的优点。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文生电路接收到 start/stop 信号后，产生 PULSE 信号，PULSE 信号的宽度与 start/stop信号到第二个最近参考时钟脉冲的时间间隔成正比。这样 PULSE 信号具有一个参考时钟周期的最小宽度和两个周期的最大宽度。PULSE 信号由 TAC 转换为电压TAC_OUTPUT，，然后由 ADC 转换为 16 位数字字，处理前存储在 FPGA 内的缓冲区中，处理后的数据经 USB 送入计算机。FPGA 还负责计算 start 和 stop 信号到达之间参考时钟周期的数量。该 TDC 精度为 0.17ps，最大测量速率为 200Hz。

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之间参考时钟周期的数量。该 TDC 精度为 0.17ps，最大测量速率为 200Hz。图 1-1 TDC 功能框图[14]2017 年芬兰报道了一款为激光测距仪接收信号通道设计的专用芯片[15]，由全差分跨导放大器和定时鉴别器组成，如图 1-2 所示虚线包围的区域，该芯片由0.35μm CMOS 工艺实现。激光脉冲回波信号经接收通道放大进入后级的多通道时间-数字转换器（TDC），TDC 用于测量发射和接收的激光脉冲之间的时间间隔。该设计适合毫米-厘米级精确度数十米范围内非合作目标的测距。研究人员表示后续会把接收器通道与 TDC 集成在一块芯片上，进一步减小信号处理电路的体积。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98

【参考文献】