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激光雷达多通道信号接收处理电路研制

作　者: 沈姝钰
导　师: 韩香娥
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 光学
关键词: 激光雷达双基地雷达 CPLD 多通道通信
分类号: TN958.98
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

激光雷达系统多通道回波信号实时检测、判别和处理对于雷达系统总体性能实现具有重要意义。本论文针对双基地激光雷达24通道信号接收系统设计了双基地激光雷达多通道信号采集处理方案,并研制了激光雷达多通道信号接收处理电路。本文首先简要介绍了激光雷达相关理论和激光雷达接收系统多通道信号处理方案。在介绍单/双基地激光雷达系统结构和工作原理基础上,针对该系统对回波信号采集处理的要求,设计出激光雷达多通道信号采集电路和信号处理电路。信号采集电路可对激光雷达回波信号实时接收,在强背景光工作环境中,噪声峰峰幅值低于40 mV。信号处理电路借助高速比较器和MAX3000A系列的CPLD芯片,完成了24通道信号的实时准确检测与判别;借助TDC芯片,完成高精度(125 ps)时间间隔测量;利用QUARTUS II软件设计完成了通道号信息辅助定位信息的输出;在激光回波脉冲高重频(10 kHz)情况下,实现TDC、CPLD与单片机的多芯片通信,完成信号的实时处理;编写通信程序,实现单片机和计算机间的高速(921600bit/s)数据传输。另外,依据系统时标同步的要求,设计光纤传输方案和光纤收发器接口电路。最后对各电路进行了性能测试和分析,以及在双基地激光雷达原理系统中的总体测试。测试结果表明研制的电路合理可行,满足激光雷达原理样机对信号采集、处理的要求。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 研究背景和意义  7-8
  1.2 激光雷达信号处理原理及应用  8-13
  1.3 本文的研究内容与结构安排  13-15
第二章单/双基激光雷达原理及相关技术概述  15-23
  2.1 单/双基地激光雷达方程  15-17
    2.1.1 单/双基地激光雷达基本原理  15-16
    2.1.2 单/双基地激光雷达方程  16-17
  2.2 激光回波信号的统计特性  17-18
  2.3 单双基地激光雷达原理系统介绍  18-21
  2.4 本章小结  21-23
第三章双基接收系统多通道信号采集处理硬件设计  23-45
  3.1 总体要求和设计方案  23-24
  3.2 激光雷达系统信号接收采集  24-27
    3.2.1 光电探测器  24-26
    3.2.2 信号采集电路板的设计  26-27
  3.3 双基地接收系统信号处理电路硬件设计  27-39
    3.3.1 接收调理模块（Input Channels）设计  28-29
    3.3.2 信号处理模块（CPLD）  29-32
    3.3.3 时间间隔测量模块（TDC）  32-36
    3.3.4 系统控制模块(MCU)  36-37
    3.3.5 串口通信模块（RS422）  37
    3.3.6 电源模块（Power）  37-39
  3.4 硬件设计中的关键问题  39-42
    3.4.1 CPLD 的设计与调试  39-40
    3.4.2 PCB 板图的设计规则  40-41
    3.4.3 PCB 布线的基本流程  41-42
  3.5 双基地激光雷达时间同步的硬件实现  42-43
  3.6 本章小结  43-45
第四章双基地激光雷达系统信号处理电路软件设计  45-53
  4.1 CPLD 程序设计  45-49
    4.1.1 开发软件Quartus II 简介  45-46
    4.1.2 CPLD 程序设计  46-49
  4.2 MCU 程序设计  49-52
    4.2.1 单片机的基本设置  49
    4.2.2 单片机程序设计流程  49-50
    4.2.3 系统函数简介  50-52
  4.3 本章小结  52-53
第五章激光雷达系统硬件电路研制及测试  53-67
  5.1 硬件电路介绍  53-57
    5.1.1 信号采集电路  53-54
    5.1.2 信号处理电路  54-57
  5.2 信号采集处理与传输性能测试  57-66
    5.2.1 不同背景下接收系统噪声测量  57-61
    5.2.2 激光雷达系统固定时延测量  61-63
    5.2.3 脉冲激光往返时间测试  63
    5.2.4 24 通道接收测试  63-64
    5.2.5 信号处理传输时间测试  64-65
    5.2.6 24 通道信号处理板与上位机的通信  65-66
  5.3 本章小结  66-67
第六章总结与展望  67-69
致谢  69-71
参考文献  71-75
研究成果  75-77
附录单片机中程序设计子函数清单  77-78

激光雷达多通道信号接收处理电路研制

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