專利名稱：掃描相干激光成像雷達程控裝置及方法
技術領域：
本發明涉及激光雷達控制領域，具體涉及一種掃描相干激光成像雷達程控裝置及
方法。
背景技術：
掃描相干激光成像雷達為得到能夠應用于成像分析和辨識的高質量圖像，要求掃 描信號應該具有相位可控、相位連續變化、高頻率分辨率、高精度和可以根據實際需要隨時 修改等特點，同時也要求掃描相干激光成像雷達系統本身具有一定的控制功能。目前，多應 用直接數字合成DDS芯片控制掃描相干激光成像雷達工作，但現有的直接數字合成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應的控制命令來產生一些 特定需求的信號，在一些實際使用情況下不適用，而且價格昂貴、操作復雜。
發明內容
為了解決現有掃描相干激光成像雷達控制系統不需添加外部控制器而能實現掃 描控制，本發明提供一種掃描相干激光成像雷達程控裝置及方法。 本發明的掃描相干激光成像雷達程控裝置，它包括在線可編程門陣列FPGA、數模 轉換器D/A、有源低通濾波器和信號整形功率放大器，在線可編程門陣列FPGA包括時鐘倍 頻鎖相電路和直接數字合成DDS軟核，所述直接數字合成DDS軟核包括控制字產生模塊、正 弦信號幅度編碼生成模塊、階梯信號幅度編碼生成模塊和雷達數字控制信號生成模塊，數 模轉換器D/A包括第一數模轉換器D/A和第二數模轉換器D/A，有源低通濾波器包括正弦信 號濾波功率放大器和階梯信號濾波器，外部輸入的時鐘信號輸入至時鐘倍頻鎖相電路的時 鐘信號輸入端，所述時鐘倍頻鎖相電路輸出系統時鐘信號同時至正弦信號幅度編碼生成模 塊的時鐘信號輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊的時鐘信號輸入端和雷達數字控制信號 生成模塊的時鐘信號輸入端，控制字產生模塊分別輸出參數控制字至正弦信號幅度編碼生 成模塊的控制字輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊的控制字輸入端和雷達數字控制信號 生成模塊的控制字輸入端，正弦信號幅度編碼生成模塊輸出正弦波幅度編碼至第一數模轉 換器D/A的數字信號輸入端，階梯信號幅度編碼生成模塊輸出階梯波幅度編碼至第二數模 轉換器D/A的數字信號輸入端，第一數模轉換器D/A輸出模擬信號至正弦信號濾波功率放 大器的模擬信號輸入端，第二數模轉換器D/A輸出模擬信號至階梯信號濾波器的模擬信號 輸入端，正弦信號濾波功率放大器輸出雷達掃描振鏡的正弦驅動信號，階梯信號濾波器輸 出雷達掃描振鏡的階梯驅動信號；雷達數字控制信號生成模塊輸出13路數字信號至信號 整形功率放大器的信號輸入端，信號整形功率放大器輸出信號處理板的控制信號和雷達電 源系統的控制信號。 基于上述掃描相干激光成像雷達程控裝置的掃描相干激光成像雷達程控方法 為 步驟一確定雷達電源系統的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達掃
4描振鏡的驅動信號頻率，依據所述雷達電源的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達掃描振鏡的驅動信號頻率設定雷達掃描函數的參數，并依據參數設定后的雷達掃描函數配置在線可編程門陣列FPGA中的控制字產生模塊，使所述控制字產生模塊產生參數控制字； 步驟二 將外部的時鐘信號輸入時鐘倍頻鎖相電路觸發在線可編程門陣列FPGA開始工作，輸出控制雷達掃描振鏡的幅度編碼，所述幅度編碼包括正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼，并輸出13路數字信號，所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號， 輸出雷達掃描振鏡的正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼的過程為 將關于雷達掃描振鏡的驅動信號頻率的參數控制字分別輸入到正弦信號幅度編
碼生成模塊和階梯信號幅度編碼生成模塊，正弦信號幅度編碼生成模塊和階梯信號幅度編
碼生成模塊分別產生1路數字信號，同時正弦信號幅度編碼生成模塊和階梯信號幅度編碼
生成模塊分別同步產生內部標志位進而相應輸出按頻率控制字累加的地址至正弦信號幅
度編碼生成模塊中的波形ROM核和階梯信號幅度編碼生成模塊中的波形ROM核，正弦信號
幅度編碼生成模塊和階梯信號幅度編碼生成模塊分別同步循環讀取相應波形ROM核中的
波形數據，且對所述相應的波形數據進行數據處理后相應輸出正弦波幅度編碼和階梯波幅
度編碼； 輸出4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號的過程為將關于
信號處理板的數據采集頻率的參數控制字和關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字
輸入到雷達數字控制信號生成模塊，所述雷達數字控制信號生成模塊輸出13路數字信號，
所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號，所述4
路圖像數據采集控制信號由關于信號處理板的數據采集頻率的參數控制字控制，所述9路
雷達電源系統控制信號由關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字控制； 步驟三13路數字信號輸出至信號整形功率放大器，其中，4路圖像數據采集控制
信號經信號整形功率放大器輸出至信號處理板，控制信號處理板進行雷達圖像數據采集，
同時9路雷達電源系統控制信號經信號整形功率放大器輸出至雷達電源系統，控制雷達電
源系統的工作時序；幅度編碼輸出至數模轉換器D/A，所述數模轉換器D/A輸出模擬信號至
有源低通濾波器，有源低通濾波器輸出雷達掃描振鏡驅動信號至雷達掃描振鏡的驅動板，
控制雷達掃描振鏡工作。 本發明的有益效果為本發明的有源低通濾波器濾除了模擬信號中的雜散波并對模擬信號進行了放大，使經過有源低通濾波器的模擬信號可以直接輸出給雷達掃描振鏡的驅動板，控制雷達掃描振鏡工作；本發明的DDS軟核實現了雷達掃描振鏡的驅動信號的產生及控制，同時實現了集掃描函數產生、控制及雷達圖像數據采集與雷達電源系統控制于一體。
圖1是本發明的掃描相干激光成像雷達程控裝置的原理示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一 根據說明書附圖1具體說明本實施方式，本實施方式所述的掃
5描相干激光成像雷達程控裝置，它包括在線可編程門陣列FPGA1、數模轉換器D/A2、有源低通濾波器3和信號整形功率放大器4，在線可編程門陣列FPGA1包括時鐘倍頻鎖相電路1-1和直接數字合成DDS軟核l-2，所述直接數字合成DDS軟核l-2包括控制字產生模塊1_21、正弦信號幅度編碼生成模塊l-22、階梯信號幅度編碼生成模塊l-23和雷達數字控制信號生成模塊1-24，數模轉換器D/A2包括第一數模轉換器D/A2-l和第二數模轉換器D/A2-2，有源低通濾波器3包括正弦信號濾波功率放大器3-1和階梯信號濾波器3-2，外部輸入的時鐘信號輸入至時鐘倍頻鎖相電路1-1的時鐘信號輸入端，所述時鐘倍頻鎖相電路1-1輸出系統時鐘信號同時至正弦信號幅度編碼生成模塊1-22的時鐘信號輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊1-23的時鐘信號輸入端和雷達數字控制信號生成模塊1-24的時鐘信號輸入端，控制字產生模塊1-21分別輸出參數控制字至正弦信號幅度編碼生成模塊1-22的控制字輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊1-23的控制字輸入端和雷達數字控制信號生成模塊1-24的控制字輸入端，正弦信號幅度編碼生成模塊1-22輸出正弦波幅度編碼至第一數模轉換器D/A2-1的數字信號輸入端，階梯信號幅度編碼生成模塊1-23輸出階梯波幅度編碼至第二數模轉換器D/A2-2的數字信號輸入端，第一數模轉換器D/A2-1輸出模擬信號至正弦信號濾波功率放大器3-1的模擬信號輸入端，第二數模轉換器D/A2-2輸出模擬信號至階梯信號濾波器3-2的模擬信號輸入端，正弦信號濾波功率放大器3-1輸出雷達掃描振鏡6的正弦驅動信號，階梯信號濾波器3-2輸出雷達掃描振鏡6的階梯驅動信號；雷達數字控制信號生成模塊1-24輸出13路數字信號至信號整形功率放大器4的信號輸入端，信號整形功率放大器4輸出信號處理板5的控制信號和雷達電源系統7的控制信號。
具體實施方式
二 本實施方式是對具體實施方式
一的進一步說明，具體實施方式
一中所述控制字產生模塊1-21輸出的參數控制字由雷達掃描函數的參數確定。
本實施方式中的雷達掃描函數存在于系統頂層程序中，將所述系統頂層程序下載到在線可編程門陣列FPGA1并進行初始化產生控制字產生模塊1-21。
具體實施方式
三本實施方式是對具體實施方式
一或二的進一步說明，具體實施
方式一或二所述的雷達掃描函數的參數包括頻率、初始相位、幅度調節值和程序內部延時，
參數控制字相應為頻率控制字、相位控制字、幅度調節控制字和延時控制字。 具體實施方式
四本實施方式是基于具體實施方式
一、二或三所述的掃描相干激
光成像雷達程控裝置的掃描相干激光成像雷達程控方法，具體為 步驟一確定雷達電源系統的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達掃描振鏡的驅動信號頻率，依據所述雷達電源的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達掃描振鏡的驅動信號頻率設定雷達掃描函數的參數，并依據參數設定后的雷達掃描函數配置在線可編程門陣列FPGA1中的控制字產生模塊1-21，使所述控制字產生模塊1-21產生參數控制字； 步驟二 將外部的時鐘信號輸入時鐘倍頻鎖相電路1-1觸發在線可編程門陣列FPGA1開始工作，輸出控制雷達掃描振鏡的幅度編碼，所述幅度編碼包括正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼，并輸出13路數字信號，所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號， 輸出雷達掃描振鏡的正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼的過程為 將關于雷達掃描振鏡的驅動信號頻率的參數控制字分別輸入到正弦信號幅度編碼生成模塊1-22和階梯信號幅度編碼生成模塊1-23，正弦信號幅度編碼生成模塊1-22和階梯信號幅度編碼生成模塊1-23分別產生1路數字信號，同時正弦信號幅度編碼生成模塊1-22和階梯信號幅度編碼生成模塊1-23分別同步產生內部標志位進而相應輸出按頻率控制字累加的地址至正弦信號幅度編碼生成模塊1-22中的波形ROM核和階梯信號幅度編碼生成模塊1-23中的波形ROM核，正弦信號幅度編碼生成模塊1-22和階梯信號幅度編碼生成模塊1-23分別同步循環讀取相應波形ROM核中的波形數據，且對所述相應的波形數據進行數據處理后相應輸出正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼； 輸出4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號的過程為將關于信號處理板的數據采集頻率的參數控制字和關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字輸入到雷達數字控制信號生成模塊l-24，所述雷達數字控制信號生成模塊1-24輸出13路數字信號，所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號，所述4路圖像數據采集控制信號由關于信號處理板的數據采集頻率的參數控制字控制，所述9路雷達電源系統控制信號由關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字控制；
步驟三13路數字信號輸出至信號整形功率放大器4，其中，4路圖像數據采集控制信號經信號整形功率放大器4輸出至信號處理板5，控制信號處理板進行雷達圖像數據采集，同時9路雷達電源系統控制信號經信號整形功率放大器4輸出至雷達電源系統7，控制雷達電源系統7時序；幅度編碼輸出至數模轉換器D/A2，所述數模轉換器D/A2輸出模擬信號至有源低通濾波器3，有源低通濾波器3輸出雷達掃描振鏡驅動信號至雷達掃描振鏡6的驅動板，控制雷達掃描振鏡工作。 本實施方式中所述的4路圖像數據采集控制信號包括兩路幀同步信號， 一路行同
步信號和一路點同步信號，幀同步信號用于控制每幀圖像數據的采集，是頻率為10Hz的方
波信號，行同步控制一幀圖像中每行數據的采集，頻率為340Hz，即每幀圖像包括34行，點
同步信號控制一行中每個點數據的采集，頻率21. 3kHz，每行中包括64個點。 本實施方式中輸出4路圖像數據采集控制信號的過程為在雷達數字控制信號生
成模塊1-24中構建3個計數器，使用統一的高速時鐘進行控制，根據幀同步、行同步和點同
步的頻率進行分頻，輸出不同頻率的信號。 本實施方式中輸出9路雷達電源系統控制信號的過程為在雷達數字控制信號生成模塊1-24中構建一個統一的計數器，根據電源工作的時序在不同的時間間隔內輸出電源控制信號。 本實施方式中所述的雷達掃描振鏡驅動信號為兩路模擬信號，所述兩路模擬信號為正弦模擬信號和階梯模擬信號，所述兩路模擬信號的頻率和幅度均由系統頂層程序控制，頻率分辨率為0. 30Hz，所述兩路模擬信號同步輸出，相位可程序調制，并且可根據實際需要設定初始相位。 本實施方式中控制雷達電源系統工作的雷達電源系統控制信號為經過整形放大的9路雷達電源系統控制信號，所述經過整形放大的9路雷達電源系統控制信號相對于控制雷達掃描振鏡工作的兩路模擬信號的延時可通過系統頂層程序設定，并可隨時修改。
雷達電源系統控制信號經雷達電源系統分別控制激光器調Q脈沖發生器電源、水泵電源、鑒頻器電源、壓電陶瓷控制器電源、前放供電電源、激光器射頻電源、脈沖觸發卡電源、中放供電電源和雷達掃描振鏡驅動電源，所述的雷達電源系統控制信號為同步的時序控制信號，所述時序控制信號相互之間的信號延時不同，根據需要通過系統頂層程序對信號延時進行控制，控制雷達電源系統按照需要的時序依次進行工作。 本實施方式完成了三個方面的控制雷達掃描振鏡的控制，雷達圖像數據采集的控制以及雷達電源系統的時序控制， 1)根據雷達掃描振鏡和掃描相干成像雷達的工作原理，采用階梯波和正弦波對振鏡進行兩路控制； 2)雷達圖像采集控制信號，均為方波信號，包括兩路幀同步信號、一路行同步信號， 一路點同步信號，共4路控制信號，幀同步信號是掃描激光成像雷達進行一幀圖像采集的幀頭控制信號，頻率為10Hz，即控制雷達每秒采集IO幀圖像，行同步信號為一幀圖像每一行的數據采集控制信號，在每一幀圖像中包括34行，則行同步信號頻率為334Hz，點同步信號為一行中每一點的數據采集控制信號，在每一行中包括64個點，則行同步信號頻率為21. 3kHz，四路信號均為同步信號，有統一的時序； 3)由于雷達系統各部分的工作時序不同，所以對各部分供電系統的控制時序也不同，一共分為9路控制信號，各路信號均為方波數字信號，具有固定的時序關系。
本實施方式中所述系統頂層程序采用硬件描述語言VHDL進行編譯。
針對本實施方式，進行實例分析 本實施方式獲得的掃描相干激光成像雷達程控裝置的具體功能參數為 ①同步輸出的兩路模擬信號的頻率 正弦模擬信號的頻率為100Hz 500Hz， 階梯模擬信號的頻率為6Hz 25Hz ; ②數模轉換器D/A的分辨率^ 13位； ③輸出的兩路模擬信號的頻率誤差范圍_2% +2% ; ④輸出的兩路模擬信號初始相位可調，調節范圍0° 360° ⑤輸出的正弦模擬信號的幅度 可程控，雙極性輸出，信號峰峰值VPP《6V 輸出的階梯模擬信號的幅度 可程控，雙極性輸出，信號峰峰值VPP《6V ⑦輸出的經過整形放大的13路數字信號的電平 輸出高電平V0H > 3. 0V， 輸出低電平V。L《0. 4V ; ⑧輸出的經過整形放大的13路數字信號的標準寬度為4ii s，占空比可程控。
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權利要求
掃描相干激光成像雷達程控裝置，其特征在于它包括在線可編程門陣列FPGA(1)、數模轉換器D/A(2)、有源低通濾波器(3)和信號整形功率放大器(4)，在線可編程門陣列FPGA(1)包括時鐘倍頻鎖相電路(1-1)和直接數字合成DDS軟核(1-2)，所述直接數字合成DDS軟核(1-2)包括控制字產生模塊(1-21)、正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)、階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)和雷達數字控制信號生成模塊(1-24)，數模轉換器D/A(2)包括第一數模轉換器D/A(2-1)和第二數模轉換器D/A(2-2)，有源低通濾波器(3)包括正弦信號濾波功率放大器(3-1)和階梯信號濾波器(3-2)，外部輸入的時鐘信號輸入至時鐘倍頻鎖相電路(1-1)的時鐘信號輸入端，所述時鐘倍頻鎖相電路(1-1)輸出系統時鐘信號同時至正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)的時鐘信號輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)的時鐘信號輸入端和雷達數字控制信號生成模塊(1-24)的時鐘信號輸入端，控制字產生模塊(1-21)分別輸出參數控制字至正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)的控制字輸入端、階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)的控制字輸入端和雷達數字控制信號生成模塊(1-24)的控制字輸入端，正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)輸出正弦波幅度編碼至第一數模轉換器D/A(2-1)的數字信號輸入端，階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)輸出階梯波幅度編碼至第二數模轉換器D/A(2-2)的數字信號輸入端，第一數模轉換器D/A(2-1)輸出模擬信號至正弦信號濾波功率放大器(3-1)的模擬信號輸入端，第二數模轉換器D/A(2-2)輸出模擬信號至階梯信號濾波器(3-2)的模擬信號輸入端，正弦信號濾波功率放大器(3-1)輸出雷達掃描振鏡(6)的正弦驅動信號，階梯信號濾波器(3-2)輸出雷達掃描振鏡(6)的階梯驅動信號；雷達數字控制信號生成模塊(1-24)輸出13路數字信號至信號整形功率放大器(4)的信號輸入端，信號整形功率放大器(4)輸出信號處理板(5)的控制信號和雷達電源系統(7)的控制信號。
2. 根據權利要求1所述的掃描相干激光成像雷達程控裝置，其特征在于控制字產生模 塊(1-21)輸出的參數控制字由雷達掃描函數的參數確定。
3. 根據權利要求2所述的掃描相干激光成像雷達程控裝置，其特征在于所述雷達掃描 函數的參數包括頻率、初始相位、幅度調節值和程序內部延時，參數控制字相應為頻率控制 字、相位控制字、幅度調節控制字和延時控制字。
4. 基于權利要求1所述的掃描相干激光成像雷達程控裝置的掃描相干激光成像雷達 程控方法，其特征在于所述程控方法為步驟一 確定雷達電源系統的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達掃描振 鏡的驅動信號頻率，依據所述雷達電源的控制時序、信號處理板的數據采集頻率以及雷達 掃描振鏡的驅動信號頻率設定雷達掃描函數的參數，并依據參數設定后的雷達掃描函數配 置在線可編程門陣列FPGA(l)中的控制字產生模塊(l-21)，使所述控制字產生模塊(1-21) 產生參數控制字；步驟二將外部的時鐘信號輸入時鐘倍頻鎖相電路(1-1)觸發在線可編程門陣列 FPGA(l)開始工作，輸出控制雷達掃描振鏡的幅度編碼，所述幅度編碼包括正弦波幅度編碼 和階梯波幅度編碼，并輸出13路數字信號，所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制 信號和9路雷達電源系統控制信號，輸出雷達掃描振鏡的正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼的過程為 將關于雷達掃描振鏡的驅動信號頻率的參數控制字分別輸入到正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)和階梯信號幅度編碼生成模塊(l-23)，正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22) 和階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)分別產生l路數字信號，同時正弦信號幅度編碼生成 模塊(1-22)和階梯信號幅度編碼生成模塊(1-23)分別同步產生內部標志位進而相應輸出 按頻率控制字累加的地址至正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)中的波形ROM核和階梯信 號幅度編碼生成模塊(1-23)中的波形ROM核，正弦信號幅度編碼生成模塊(1-22)和階梯 信號幅度編碼生成模塊(1-23)分別同步循環讀取相應波形ROM核中的波形數據，且對所述 相應的波形數據進行數據處理后相應輸出正弦波幅度編碼和階梯波幅度編碼；輸出4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制信號的過程為將關于信號 處理板的數據采集頻率的參數控制字和關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字輸入 到雷達數字控制信號生成模塊(l-24)，所述雷達數字控制信號生成模塊(1-24)輸出13路 數字信號，所述13路數字信號包括4路圖像數據采集控制信號和9路雷達電源系統控制 信號，所述4路圖像數據采集控制信號由關于信號處理板的數據采集頻率的參數控制字控 制，所述9路雷達電源系統控制信號由關于雷達電源系統的控制時序的參數控制字控制；步驟三13路數字信號輸出至信號整形功率放大器(4)，其中，4路圖像數據采集控制 信號經信號整形功率放大器(4)輸出至信號處理板(5)，控制信號處理板進行雷達圖像數 據采集，同時9路雷達電源系統控制信號經信號整形功率放大器(4)輸出至雷達電源系統 (7)，控制雷達電源系統(7)的工作時序；幅度編碼輸出至數模轉換器D/A(2)，所述數模轉 換器D/A(2)輸出模擬信號至有源低通濾波器(3)，有源低通濾波器(3)輸出雷達掃描振鏡 驅動信號至雷達掃描振鏡(6)的驅動板，控制雷達掃描振鏡(6)工作。
全文摘要
掃描相干激光成像雷達程控裝置及方法，它涉及激光雷達控制領域。它解決了現有掃描相干激光成像雷達控制系統不需添加外部控制器而能實現掃描控制的問題。本發明的裝置包括在線可編程門陣列FPGA、數模轉換器D/A、有源低通濾波器和信號整形功率放大器；本發明的方法為首先確定雷達掃描振鏡驅動信號的頻率、雷達圖像數據采集的頻率以及雷達電源系統的控制時序，根據所述頻率產生參數控制字，將所述參數控制字輸出至各功能模塊，最終實現控制雷達掃描振鏡、雷達圖像數據采集和雷達電源系統工作。本發明為獲得應用于成像分析和辨識的高質量圖像奠定了基礎。
文檔編號G01S17/00GK101750608SQ20091031228
公開日2010年6月23日 申請日期2009年12月25日 優先權日2009年12月25日
發明者姚睿, 孫劍峰, 李琦, 王騏, 薛凱 申請人:哈爾濱工業大學