多波长LED光源雷达信号采集系统设计

发布时间：2020-07-19 06:46

【摘要】：为了实现近地面、多波长气溶胶时空探测,克服激光雷达光源波长可选择性不足的问题,课题组利用LED丰富的光谱特性设计了一种新型发光二极管(LED)光源雷达。因为该系统为白光LED光源雷达,所以需要对其进行分光,从而获得不同波长的回波信号。为了采集不同波长的回波信号作为大气气溶胶反演的数据基础,本文设计了一种多通道同步雷达回波信号数据采集系统。本文主要研究内容如下:首先阐述了白光LED光源雷达系统的组成及工作原理,并对雷达回波信号的特点进行了分析,然后根据雷达回波信号的相关特性,确定数据采集系统的参数要求,并以此为依据,提出了基于FPGA和千兆以太网的多通道同步雷达回波信号数据采集系统方案,并比较了不同条件下的三种雷达回波信号数据反演算法。然后进行系统各模块硬件选型和电路设计,包括FPGA核心板电路、四路A/D采集电路、触发电路、以太网传输电路等。接着对各模块硬件电路进行原理图设计、PCB整体布局及绘制,最后完成数据采集电路板的焊接与调试。其次完成了雷达回波数据采集系统软件设计,在Quartus II开发平台上进行数据采集系统下位机程序的设计与仿真,主要包括四路A/D采集模块、异步FIFO数据缓存模块、以太网数据传输模块和A/D采集时钟模块的软件设计。并利用LabVIEW设计系统上位机程序部分,包括雷达回波数据的累加平均、存储与显示。最后将设计的数据采集系统应用于实验室的多波长LED光源雷达系统,通过系统实测验证本文设计的多通道同步数据采集系统的正确性,并将采集到的四路雷达回波数据进行了平滑滤波、距离平方校正和反演计算。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN957.51
【图文】：

道数较少、体积大、价格昂贵，不具备多通道同步采集和采集数据远程实时传输能力，所以多见于科研院所的实验室。多通道数据采集板卡是目前多波长雷达回波信号数据采集较为常用的方案，这种类型的数据采集板卡是在工控机的基础上进行工作的，因为不清楚数据采集板卡的底层代码工作方式，所以并不一定适合特定的雷达系统数据采集需求，同时不利于整个雷达系统的小型化和便携化发展。在国外进行雷达数据采集一方面以泰克、力克和安捷伦等公司的高性能示波器为主一方面以美国 NI 等公司设计生产的多通道数据采集板卡为主。例如，力克公司的一款产品最高采样率可以达到 2.5GSPS，采样位数 16bit，带宽 1G 的高性能；NI 公司的 PCI-611多通道数据采集板卡最高采样率可达到20Msps，并实现四个通道同步采集，采样精度14b但是这些国外高速示波器和多通道采集板卡普遍价格昂贵，使得雷达数据采集系统的成本变得极其高昂，不利于推广。目前国内进行雷达回波数据采集主要利用的是凌华和阿尔泰等公司研发的多通道数据采集板卡以及一些科研院所研发的基于嵌入式和 FPGA 的数据采集系统。其中凌华的PCI-1714-UL-BE 可以实现 4 通道同步采集，采样率达到 30MHz，采样分辨率达到 12bit。图 1-1 为凌华公司的四通道数据采集板卡。

图 3-3AD9240 内部结构图Fig.3-3 Inter structure of 92402 所示，为 AD9240 的各个引脚介绍。AD9240 可通过引脚配置，选或内部参考电压，本设计使用其内部参考电压，SENSE 端与 REFCO部参考电压。表 3-2AD9240 引脚介绍Tab.3-2AD9240 pin introduction 引脚介绍1 并行输出数据位，共 14 位 基准电压选择引脚基准电压引脚 共模基准电压输入输出引脚SS 数字地/模拟地 数字信号输出驱动地端

图 3-13 FPGA 最小系统 PCB 设计图Fig. 3-13 FPGAminimum system PCB design图 3-14A/D 模块 PCB 设计图

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本文编号：2762072