摘 要

随着激光雷达技术的不断发展，对雷达的信号处理系统也提出了更高的要求。传统的低采样速率、低分辨率、低处理速率的信号采集处理系统已无法满足处理高速、高精度信号的需求。因此，需要设计更高速率、更高精度的实时信号处理系统。

本文设计了一种以FPGA为核心，四片ADC芯片以及时钟发生器为基本框架的信号采集处理模块。首先，为了满足高采样速率的要求，本文采用四片低速ADC，利用时钟发生器为其提供时序和相移控制，构造出高速的采样速率。其次，本文详细介绍了信号采集之后的储存、重构、滤波和时刻鉴别等信号处理方法。本文还对信号采集与处理所需的相关知识与原理进行了介绍。

设计结果表明，本设计具有可基本实现所期望的要求，实现对激光雷达的数字信号处理，鉴别出回波信号返回时刻。

关键词：激光雷达，信号处理，FPGA，FIR滤波器，时刻鉴别

Abstract

With the development of lidar technology, the performance of radar signal processing system is more and more demanding. The traditional signal acquisition and processing system with low sampling rate, low resolution and low processing rate can no longer meet the needs of processing high-speed and high-precision signals. Therefore, we need to design a real-time signal processing system with higher speed and accuracy.

In this paper, a signal acquisition and processing module based on FPGA, four ADC and clock generator is designed. Firstly, in order to meet the requirements of high sampling rate, this paper adopts a four-piece low-speed ADC, which provides timing and phase shift control by using a clock generator to construct a high-speed sampling rate. Secondly, this paper introduces in detail the signal processing methods such as storage, reconstruction, filtering and time discrimination after signal acquisition. This paper also introduces the knowledge and principle of signal acquisition and processing.

The design results show that the design has the basic requirements to achieve the desired, realize the digital signal processing of lidar, and identify the return time of echo signal.

Key Words: Lidar, signal acquisition, field programmable logic gate array, A/D converter

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 激光雷达概述 1

1.3 高速信号采集技术概述 2

1.4 本论文的主要内容 2

第2章 激光雷达系统方案设计 4

2.1 总体方案设计 4

2.2 信号采集相关原理 4

2.2.1 采样定理 5

2.2.2 量化方法 5

2.3 数字信号处理原理 7

2.3.1 数字信号处理的实现 7

2.3.2 FIR滤波器的FPGA实现方法 8

2.4 激光探测原理 10

2.5 本章小结 11

第3章 系统实现方法 12

3.1 高速A/D采集与信号重构的实现 12

3.2 提高重构信号信噪比 14

3.3 回波信号的鉴别方法 14

3.3.1 前沿时刻鉴别法 14

3.3.2 恒比定时鉴别法 16

3.3.3 高通阻容时刻鉴别法 17

3.4 本章小结 18

第4章 系统仿真与结果分析 19

4.1 FPGA选型及软件总体框架 19

4.1.1 FPGA选型 19

4.1.2 软件总体设计 19

4.2 采样信号重构设计与结果分析 20

4.3 采样数据处理设计与结果分析 22

4.4 时刻鉴别方法验证 23

4.5 本章小结 26

第5章 总结与展望 27

5.1 工作总结 27

5.2 未来展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

激光雷达是一种以激光为信号源的设备，它向目标发射激光束，通过对比反射回来的回波信号与发射的激光信号，计算两者的时间差、相位差来获取目标信息，并以此确定目标的姿态、距离、方位等。与传统毫米波雷达相比较，激光雷达的工作频率更高，其信号源为激光束，具有分辨率高，隐蔽性、抗干扰能力强，稳定性强的特点，并且设备的体积更小、质量较轻。目前，激光雷达被广泛应用于生产生活中的各个领域，在机载雷达、导弹制导和无人驾驶等领域取得了显著的效益，展现了良好的发展前景。近几年，激光雷达的行业规模在高速增长。未来随着技术的逐渐成熟，将会有更加广泛的应用。但是以目前的技术，激光雷达工作时受天气影响较大，成本较高。因此，开发成本低、性能更稳定的激光雷达系统成为当前的研究重点。

激光雷达自1970年发明以来，国外一直推进激光雷达的研究，且有了很大的发展。1994 年美国发射了世界上第一台星在激光雷达—LITE，并取得了满意的观测效果。2003年，美国进一步发射了主要用于了解极地冰雪变化、观测大气、云层和陆地信息的GLAS激光测高系统。欧洲多个国家在过去的几十年里也进行了多项激光雷达试验；1996年，欧洲航天局发射了第一个空间激光雷达项目ATLID，主要用于云层边界层的测量。此外，德国、日本、加拿大、澳大利亚等发达国家也有很多激光雷达研究项目^[1]。

我国的激光雷达技术也在过去的几十年里不停地提高，并取得了不少科研成果。嫦娥一号、二号上使用了激光高度计，利用该系统对卫星下方月表的地形高度数据实现了精确测量。2009年以来，我国在激光雷达领域发表的论文数超过法国和德国成为世界第二，并且在大气科学、气象科学、生态与环境科学领域已有了较大成果。但是，我国在海洋探测开发、水下目标探测等其他领域仍然较发达国家有较大的差距，并且目前我国的研究重心还停留在光学基础研究及器件和系统开发上，仍缺少高水平的研究成果^[2]。总体来说，国外的激光雷达技术仍领先于我国，不过我国也正在努力地缩减与外国的差距。

1.2 激光雷达概述

激光是一种由原子受激辐射出的光，具有很高的能量，可实现光波能量在频率、方向和时间上高度集中。它可以实现定向发射，并且发出光束的波长范围非常窄，单色性非常好，具有“集中性”的特征，是继计算机、核能、半导体之后，人类的又一重大发明。