激光雷达高速数据采集系统解决方案

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
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。
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
Input Signal
Pre
Post
Memory
Segment 1
Segment 2
Segment 3
……
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
Calibration Digitizer
ADC Interface DDR3 Ctrl

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。
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。
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)。
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。
发射脉冲
回波
t 噪声
tr
tr
t
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。
Trig Ctrl
Custom Real-Time Processing
System Monitoring
Clock/Sync Manager
DDR3 Ctrl
PCIe Gen2
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。

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
P R D H B
目标

O 雷达
a
正北
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。
INPUT
Pre-amp Attenuator
PGA
TO ADC INPUT
OFFSET ADJ
LPF
DC
Gain Adj
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。

AFE
REF CLK INPUT
CLK Generator
DDR3
DDR3
DDR3
DDR3
Trig/ GPIO
100MHz REF CLK
PCIE Gen2 8-Lanes BUS
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。
Start
Capture Data
Transfer Length Per DMA
Transfer To PC
DMA1
DMA2
DMA3
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
系统框图：
CH1 INPUT
AFE
DDR3
DDR3
DDR3
DDR3
ADC
CH2 INPUT AFE
CH3 INPUT
AFE
ADC
CH4 INPUT AFE
CH5 INPUT
AFE
ADC