CN101750608B - 扫描相干激光成像雷达程控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
扫描相干激光成像雷达程控装置及方法，它涉及激光雷达控制领域。它解决了现有扫描相干激光成像雷达控制系统不需添加外部控制器而能实现扫描控制的问题。本发明的装置包括在线可编程门阵列FPGA、数模转换器D/A、有源低通滤波器和信号整形功率放大器；本发明的方法为：首先确定雷达扫描振镜驱动信号的频率、雷达图像数据采集的频率以及雷达电源系统的控制时序，根据所述频率产生参数控制字，将所述参数控制字输出至各功能模块，最终实现控制雷达扫描振镜、雷达图像数据采集和雷达电源系统工作。本发明为获得应用于成像分析和辨识的高质量图像奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达控制领域，具体涉及一种扫描相干激光成像雷达程控装置及方法。
背景技术
扫描相干激光成像雷达为得到能够应用于成像分析和辨识的高质量图像，要求扫描信号应该具有相位可控、相位连续变化、高频率分辨率、高精度和可以根据实际需要随时修改等特点，同时也要求扫描相干激光成像雷达系统本身具有一定的控制功能。目前，多应用直接数字合成DDS芯片控制扫描相干激光成像雷达工作，但现有的直接数字合成DDS芯片一般功能固定，不具有控制功能，需要添加外部控制器提供相应的控制命令来产生一些特定需求的信号，在一些实际使用情况下不适用，而且价格昂贵、操作复杂。
发明内容
为了解决现有扫描相干激光成像雷达控制系统不需添加外部控制器而能实现扫描控制，本发明提供一种扫描相干激光成像雷达程控装置及方法。
本发明的扫描相干激光成像雷达程控装置，它包括在线可编程门阵列FPGA、数模转换器D/A、有源低通滤波器和信号整形功率放大器，在线可编程门阵列FPGA包括时钟倍频锁相电路和直接数字合成DDS软核，所述直接数字合成DDS软核包括控制字产生模块、正弦信号幅度编码生成模块、阶梯信号幅度编码生成模块和雷达数字控制信号生成模块，数模转换器D/A包括第一数模转换器D/A和第二数模转换器D/A，有源低通滤波器包括正弦信号滤波功率放大器和阶梯信号滤波器，外部输入的时钟信号输入至时钟倍频锁相电路的时钟信号输入端，所述时钟倍频锁相电路输出系统时钟信号同时至正弦信号幅度编码生成模块的时钟信号输入端、阶梯信号幅度编码生成模块的时钟信号输入端和雷达数字控制信号生成模块的时钟信号输入端，控制字产生模块分别输出参数控制字至正弦信号幅度编码生成模块的控制字输入端、阶梯信号幅度编码生成模块的控制字输入端和雷达数字控制信号生成模块的控制字输入端，正弦信号幅度编码生成模块输出正弦波幅度编码至第一数模转换器D/A的数字信号输入端，阶梯信号幅度编码生成模块输出阶梯波幅度编码至第二数模转换器D/A的数字信号输入端，第一数模转换器D/A输出模拟信号至正弦信号滤波功率放大器的模拟信号输入端，第二数模转换器D/A输出模拟信号至阶梯信号滤波器的模拟信号输入端，正弦信号滤波功率放大器输出雷达扫描振镜的正弦驱动信号，阶梯信号滤波器输出雷达扫描振镜的阶梯驱动信号；雷达数字控制信号生成模块输出13路数字信号至信号整形功率放大器的信号输入端，信号整形功率放大器输出信号处理板的控制信号和雷达电源系统的控制信号。
基于上述扫描相干激光成像雷达程控装置的扫描相干激光成像雷达程控方法为：
步骤一：确定雷达电源系统的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率，依据所述雷达电源的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率设定雷达扫描函数的参数，并依据参数设定后的雷达扫描函数配置在线可编程门阵列FPGA中的控制字产生模块，使所述控制字产生模块产生参数控制字；
步骤二：将外部的时钟信号输入时钟倍频锁相电路触发在线可编程门阵列FPGA开始工作，输出控制雷达扫描振镜的幅度编码，所述幅度编码包括正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码，并输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，
输出雷达扫描振镜的正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码的过程为：
将关于雷达扫描振镜的驱动信号频率的参数控制字分别输入到正弦信号幅度编码生成模块和阶梯信号幅度编码生成模块，正弦信号幅度编码生成模块和阶梯信号幅度编码生成模块分别产生1路数字信号，同时正弦信号幅度编码生成模块和阶梯信号幅度编码生成模块分别同步产生内部标志位进而相应输出按频率控制字累加的地址至正弦信号幅度编码生成模块中的波形ROM核和阶梯信号幅度编码生成模块中的波形ROM核，正弦信号幅度编码生成模块和阶梯信号幅度编码生成模块分别同步循环读取相应波形ROM核中的波形数据，且对所述相应的波形数据进行数据处理后相应输出正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码；
输出4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号的过程为：将关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字和关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字输入到雷达数字控制信号生成模块，所述雷达数字控制信号生成模块输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，所述4路图像数据采集控制信号由关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字控制，所述9路雷达电源系统控制信号由关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字控制；
步骤三：13路数字信号输出至信号整形功率放大器，其中，4路图像数据采集控制信号经信号整形功率放大器输出至信号处理板，控制信号处理板进行雷达图像数据采集，同时9路雷达电源系统控制信号经信号整形功率放大器输出至雷达电源系统，控制雷达电源系统的工作时序；幅度编码输出至数模转换器D/A，所述数模转换器D/A输出模拟信号至有源低通滤波器，有源低通滤波器输出雷达扫描振镜驱动信号至雷达扫描振镜的驱动板，控制雷达扫描振镜工作。
本发明的有益效果为：本发明的有源低通滤波器滤除了模拟信号中的杂散波并对模拟信号进行了放大，使经过有源低通滤波器的模拟信号可以直接输出给雷达扫描振镜的驱动板，控制雷达扫描振镜工作；本发明的DDS软核实现了雷达扫描振镜的驱动信号的产生及控制，同时实现了集扫描函数产生、控制及雷达图像数据采集与雷达电源系统控制于一体。
附图说明
图1是本发明的扫描相干激光成像雷达程控装置的原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：根据说明书附图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的扫描相干激光成像雷达程控装置，它包括在线可编程门阵列FPGA1、数模转换器D/A2、有源低通滤波器3和信号整形功率放大器4，在线可编程门阵列FPGA1包括时钟倍频锁相电路1-1和直接数字合成DDS软核1-2，所述直接数字合成DDS软核1-2包括控制字产生模块1-21、正弦信号幅度编码生成模块1-22、阶梯信号幅度编码生成模块1-23和雷达数字控制信号生成模块1-24，数模转换器D/A2包括第一数模转换器D/A2-1和第二数模转换器D/A2-2，有源低通滤波器3包括正弦信号滤波功率放大器3-1和阶梯信号滤波器3-2，外部输入的时钟信号输入至时钟倍频锁相电路1-1的时钟信号输入端，所述时钟倍频锁相电路1-1输出系统时钟信号同时至正弦信号幅度编码生成模块1-22的时钟信号输入端、阶梯信号幅度编码生成模块1-23的时钟信号输入端和雷达数字控制信号生成模块1-24的时钟信号输入端，控制字产生模块1-21分别输出参数控制字至正弦信号幅度编码生成模块1-22的控制字输入端、阶梯信号幅度编码生成模块1-23的控制字输入端和雷达数字控制信号生成模块1-24的控制字输入端，正弦信号幅度编码生成模块1-22输出正弦波幅度编码至第一数模转换器D/A2-1的数字信号输入端，阶梯信号幅度编码生成模块1-23输出阶梯波幅度编码至第二数模转换器D/A2-2的数字信号输入端，第一数模转换器D/A2-1输出模拟信号至正弦信号滤波功率放大器3-1的模拟信号输入端，第二数模转换器D/A2-2输出模拟信号至阶梯信号滤波器3-2的模拟信号输入端，正弦信号滤波功率放大器3-1输出雷达扫描振镜6的正弦驱动信号，阶梯信号滤波器3-2输出雷达扫描振镜6的阶梯驱动信号；雷达数字控制信号生成模块1-24输出13路数字信号至信号整形功率放大器4的信号输入端，信号整形功率放大器4输出信号处理板5的控制信号和雷达电源系统7的控制信号。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一的进一步说明，具体实施方式一中所述控制字产生模块1-21输出的参数控制字由雷达扫描函数的参数确定。
本实施方式中的雷达扫描函数存在于系统顶层程序中，将所述系统顶层程序下载到在线可编程门阵列FPGA1并进行初始化产生控制字产生模块1-21。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一或二的进一步说明，具体实施方式一或二所述的雷达扫描函数的参数包括频率、初始相位、幅度调节值和程序内部延时，参数控制字相应为频率控制字、相位控制字、幅度调节控制字和延时控制字。
具体实施方式四：本实施方式是基于具体实施方式一、二或三所述的扫描相干激光成像雷达程控装置的扫描相干激光成像雷达程控方法，具体为：
步骤一：确定雷达电源系统的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率，依据所述雷达电源的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率设定雷达扫描函数的参数，并依据参数设定后的雷达扫描函数配置在线可编程门阵列FPGA1中的控制字产生模块1-21，使所述控制字产生模块1-21产生参数控制字；
步骤二：将外部的时钟信号输入时钟倍频锁相电路1-1触发在线可编程门阵列FPGA1开始工作，输出控制雷达扫描振镜的幅度编码，所述幅度编码包括正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码，并输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，
输出雷达扫描振镜的正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码的过程为：
将关于雷达扫描振镜的驱动信号频率的参数控制字分别输入到正弦信号幅度编码生成模块1-22和阶梯信号幅度编码生成模块1-23，正弦信号幅度编码生成模块1-22和阶梯信号幅度编码生成模块1-23分别产生1路数字信号，同时正弦信号幅度编码生成模块1-22和阶梯信号幅度编码生成模块1-23分别同步产生内部标志位进而相应输出按频率控制字累加的地址至正弦信号幅度编码生成模块1-22中的波形ROM核和阶梯信号幅度编码生成模块1-23中的波形ROM核，正弦信号幅度编码生成模块1-22和阶梯信号幅度编码生成模块1-23分别同步循环读取相应波形ROM核中的波形数据，且对所述相应的波形数据进行数据处理后相应输出正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码；
输出4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号的过程为：将关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字和关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字输入到雷达数字控制信号生成模块1-24，所述雷达数字控制信号生成模块1-24输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，所述4路图像数据采集控制信号由关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字控制，所述9路雷达电源系统控制信号由关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字控制；
步骤三：13路数字信号输出至信号整形功率放大器4，其中，4路图像数据采集控制信号经信号整形功率放大器4输出至信号处理板5，控制信号处理板进行雷达图像数据采集，同时9路雷达电源系统控制信号经信号整形功率放大器4输出至雷达电源系统7，控制雷达电源系统7时序；幅度编码输出至数模转换器D/A2，所述数模转换器D/A2输出模拟信号至有源低通滤波器3，有源低通滤波器3输出雷达扫描振镜驱动信号至雷达扫描振镜6的驱动板，控制雷达扫描振镜工作。
本实施方式中所述的4路图像数据采集控制信号包括两路帧同步信号，一路行同步信号和一路点同步信号，帧同步信号用于控制每帧图像数据的采集，是频率为10Hz的方波信号，行同步控制一帧图像中每行数据的采集，频率为340Hz，即每帧图像包括34行，点同步信号控制一行中每个点数据的采集，频率21.3kHz，每行中包括64个点。
本实施方式中输出4路图像数据采集控制信号的过程为：在雷达数字控制信号生成模块1-24中构建3个计数器，使用统一的高速时钟进行控制，根据帧同步、行同步和点同步的频率进行分频，输出不同频率的信号。
本实施方式中输出9路雷达电源系统控制信号的过程为：在雷达数字控制信号生成模块1-24中构建一个统一的计数器，根据电源工作的时序在不同的时间间隔内输出电源控制信号。
本实施方式中所述的雷达扫描振镜驱动信号为两路模拟信号，所述两路模拟信号为正弦模拟信号和阶梯模拟信号，所述两路模拟信号的频率和幅度均由系统顶层程序控制，频率分辨率为0.30Hz，所述两路模拟信号同步输出，相位可程序调制，并且可根据实际需要设定初始相位。
本实施方式中控制雷达电源系统工作的雷达电源系统控制信号为经过整形放大的9路雷达电源系统控制信号，所述经过整形放大的9路雷达电源系统控制信号相对于控制雷达扫描振镜工作的两路模拟信号的延时可通过系统顶层程序设定，并可随时修改。
雷达电源系统控制信号经雷达电源系统分别控制激光器调Q脉冲发生器电源、水泵电源、鉴频器电源、压电陶瓷控制器电源、前放供电电源、激光器射频电源、脉冲触发卡电源、中放供电电源和雷达扫描振镜驱动电源，所述的雷达电源系统控制信号为同步的时序控制信号，所述时序控制信号相互之间的信号延时不同，根据需要通过系统顶层程序对信号延时进行控制，控制雷达电源系统按照需要的时序依次进行工作。
本实施方式完成了三个方面的控制：雷达扫描振镜的控制，雷达图像数据采集的控制以及雷达电源系统的时序控制，
1)根据雷达扫描振镜和扫描相干成像雷达的工作原理，采用阶梯波和正弦波对振镜进行两路控制；
2)雷达图像采集控制信号，均为方波信号，包括两路帧同步信号、一路行同步信号，一路点同步信号，共4路控制信号，帧同步信号是扫描激光成像雷达进行一帧图像采集的帧头控制信号，频率为10Hz，即控制雷达每秒采集10帧图像，行同步信号为一帧图像每一行的数据采集控制信号，在每一帧图像中包括34行，则行同步信号频率为334Hz，点同步信号为一行中每一点的数据采集控制信号，在每一行中包括64个点，则行同步信号频率为21.3kHz，四路信号均为同步信号，有统一的时序；
3)由于雷达系统各部分的工作时序不同，所以对各部分供电系统的控制时序也不同，一共分为9路控制信号，各路信号均为方波数字信号，具有固定的时序关系。
本实施方式中所述系统顶层程序采用硬件描述语言VHDL进行编译。
针对本实施方式，进行实例分析：
本实施方式获得的扫描相干激光成像雷达程控装置的具体功能参数为：
①同步输出的两路模拟信号的频率：
正弦模拟信号的频率为：100Hz～500Hz，
阶梯模拟信号的频率为：6Hz～25Hz；
②数模转换器D/A的分辨率≥13位；
③输出的两路模拟信号的频率误差范围：-2％～+2％；
④输出的两路模拟信号初始相位可调，调节范围：0°～360°
⑤输出的正弦模拟信号的幅度：
可程控，双极性输出，信号峰峰值VPP≤6V
⑥输出的阶梯模拟信号的幅度：
可程控，双极性输出，信号峰峰值VPP≤6V
⑦输出的经过整形放大的13路数字信号的电平：
输出高电平VOH≥3.0V，
输出低电平VOL≤0.4V；
⑧输出的经过整形放大的13路数字信号的标准宽度为4μs，占空比可程控。
Claims (4)
1.扫描相干激光成像雷达程控装置，其特征在于它包括在线可编程门阵列FPGA(1)、数模转换器D/A(2)、有源低通滤波器(3)和信号整形功率放大器(4)，在线可编程门阵列FPGA(1)包括时钟倍频锁相电路(1-1)和直接数字合成DDS软核(1-2)，所述直接数字合成DDS软核(1-2)包括控制字产生模块(1-21)、正弦信号幅度编码生成模块(1-22)、阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)和雷达数字控制信号生成模块(1-24)，数模转换器D/A(2)包括第一数模转换器D/A(2-1)和第二数模转换器D/A(2-2)，有源低通滤波器(3)包括正弦信号滤波功率放大器(3-1)和阶梯信号滤波器(3-2)，
外部输入的时钟信号输入至时钟倍频锁相电路(1-1)的时钟信号输入端，所述时钟倍频锁相电路(1-1)输出系统时钟信号同时至正弦信号幅度编码生成模块(1-22)的时钟信号输入端、阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)的时钟信号输入端和雷达数字控制信号生成模块(1-24)的时钟信号输入端，控制字产生模块(1-21)分别输出参数控制字至正弦信号幅度编码生成模块(1-22)的控制字输入端、阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)的控制字输入端和雷达数字控制信号生成模块(1-24)的控制字输入端，正弦信号幅度编码生成模块(1-22)输出正弦波幅度编码至第一数模转换器D/A(2-1)的数字信号输入端，阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)输出阶梯波幅度编码至第二数模转换器D/A(2-2)的数字信号输入端，第一数模转换器D/A(2-1)输出模拟信号至正弦信号滤波功率放大器(3-1)的模拟信号输入端，第二数模转换器D/A(2-2)输出模拟信号至阶梯信号滤波器(3-2)的模拟信号输入端，正弦信号滤波功率放大器(3-1)输出雷达扫描振镜(6)的正弦驱动信号，阶梯信号滤波器(3-2)输出雷达扫描振镜(6)的阶梯驱动信号；雷达数字控制信号生成模块(1-24)输出13路数字信号至信号整形功率放大器(4)的信号输入端，信号整形功率放大器(4)输出信号处理板(5)的控制信号和雷达电源系统(7)的控制信号。
2.根据权利要求1所述的扫描相干激光成像雷达程控装置，其特征在于控制字产生模块(1-21)输出的参数控制字由雷达扫描函数的参数确定。
3.根据权利要求2所述的扫描相干激光成像雷达程控装置，其特征在于所述雷达扫描函数的参数包括频率、初始相位、幅度调节值和程序内部延时，参数控制字相应为频率控制字、相位控制字、幅度调节控制字和延时控制字。
4.基于权利要求1所述的扫描相干激光成像雷达程控装置的扫描相干激光成像雷达程控方法，其特征在于所述程控方法为：
步骤一：确定雷达电源系统的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率，依据所述雷达电源的控制时序、信号处理板的数据采集频率以及雷达扫描振镜的驱动信号频率设定雷达扫描函数的参数，并依据参数设定后的雷达扫描函数配置在线可编程门阵列FPGA(1)中的控制字产生模块(1-21)，使所述控制字产生模块(1-21)产生参数控制字；
步骤二：将外部的时钟信号输入时钟倍频锁相电路(1-1)触发在线可编程门阵列FPGA(1)开始工作，输出控制雷达扫描振镜的幅度编码，所述幅度编码包括正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码，并输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，
输出雷达扫描振镜的正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码的过程为：
将关于雷达扫描振镜的驱动信号频率的参数控制字分别输入到正弦信号幅度编码生成模块(1-22)和阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)，正弦信号幅度编码生成模块(1-22)和阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)分别产生1路数字信号，同时正弦信号幅度编码生成模块(1-22)和阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)分别同步产生内部标志位进而相应输出按频率控制字累加的地址至正弦信号幅度编码生成模块(1-22)中的波形ROM核和阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)中的波形ROM核，正弦信号幅度编码生成模块(1-22)和阶梯信号幅度编码生成模块(1-23)分别同步循环读取相应波形ROM核中的波形数据，且对所述相应波形ROM核中的波形数据进行数据处理后相应输出正弦波幅度编码和阶梯波幅度编码；
输出4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号的过程为：将关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字和关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字输入到雷达数字控制信号生成模块(1-24)，所述雷达数字控制信号生成模块(1-24)输出13路数字信号，所述13路数字信号包括4路图像数据采集控制信号和9路雷达电源系统控制信号，所述4路图像数据采集控制信号由关于信号处理板的数据采集频率的参数控制字控制，所述9路雷达电源系统控制信号由关于雷达电源系统的控制时序的参数控制字控制；
步骤三：13路数字信号输出至信号整形功率放大器(4)，其中，4路图像数据采集控制信号经信号整形功率放大器(4)输出至信号处理板(5)，控制信号处理板进行雷达图像数据采集，同时9路雷达电源系统控制信号经信号整形功率放大器(4)输出至雷达电源系统(7)，控制雷达电源系统(7)的工作时序；幅度编码输出至数模转换器D/A(2)，所述数模转换器D/A(2)输出模拟信号至有源低通滤波器(3)，有源低通滤波器(3)输出雷达扫描振镜驱动信号至雷达扫描振镜(6)的驱动板，控制雷达扫描振镜(6)工作。
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| 孙剑峰 |
| 孙剑峰;李琦;陆威;王骐.相关滤波器与支持向量机结合的激光成像雷达目标识别算法.《红外与激光工程》.2008,第37卷(第5期), * |
| 张宏铭 |
| 张宏铭;沈鹏.CO2激光相干成像雷达及其应用.《中国雷达》.2009,(第2期), * |
| 李琦 |
| 李琦;迟欣;王骐.基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术.《激光与红外》.2006,第36卷(第12期), * |
| 沈鹏.CO2激光相干成像雷达及其应用.《中国雷达》.2009,(第2期), |
| 王骐.基于盖革模式APD阵列的单脉冲3D激光雷达原理和技术.《激光与红外》.2006,第36卷(第12期), |
| 王骐.相关滤波器与支持向量机结合的激光成像雷达目标识别算法.《红外与激光工程》.2008,第37卷(第5期), |
| 迟欣 |
| 陆威 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101750608A (zh) | 2010-06-23 |
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