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荣奇 孙
(核探测与核电子学国家重点实验室)
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大气能见度激光雷达数据采集系统
摘要：针对大气能见度激光雷达，本文设计了一套双通道高速数据采集系统。系统硬件基于FPGA设计，支持在门控信号输入与激光雷达同步工作。通过硬件逻辑，可实现双通道数据的实时计数，并完成多次数据的实时累加和数据存储。本系统通过USB2.0高速接口与计算机进行互联。上位机软件的编写由Labwindows/CVI可视化虚拟仪器编写。此外该系统功耗低，成本低廉，探测距离大，可以满足大气能见度激光雷达的数据采集需求。
关键词：大气能见度；FPGA；数据采集；USB
文章分类： 3 硬件环境与基础设施
1. 引言
相比于其他探测方式，激光雷达作为一种新型的大气探测工具，可以更加精确地反映大气对传输于其中的激光的衰减作用，因此激光雷达在大气能见度探测方面有着重要应用。探测中要求数据采集系统速度快，死时间小，针对这种需求，设计了一套专用的双通道数据采集系统。
2. 能见度探测原理
大气能见度跟大气消光系数存在确定的数量关系。其中大气消光系数跟激光回波的强度存在关系。因此激光雷达探测大气能见度时，首先发射一定波长的激光束，将回波转换为电信号进行数据采集，从而得到回波功率随距离变化的曲线，进而进行大气消光系数的反演以及能见度计算。
3. 系统框架
双通道信号以及触发信号通过一个甄别器后，转换为标准TTL电平送入FPGA，门控信号触发FPGA跟激光雷达同步工作，信号送入FPGA计数。比较器的阈值由FPGA通过DAC输出。FPGA与上位机之间的通信是通过USB接口芯片实现的。
4. 系统设计
FPGA是系统的核心，采用Altera公司的EP1C12Q240C8N芯片。FPGA内部主要由存储器，计数器，锁存器以及控制逻辑组成。比较器的阈值由串行DAC输出。BIN宽度是通过计数器分频时钟来实现的。为了提高信噪比，需要将数据多次累加以减少随机误差，而累加次数的设定是通过设定触发次数比较器输入端来实现的。两个计数器进行乒乓计数，以减少计数死时间。一个计数器记录一个BIN宽度的数据。下一个计数周期到来时，将上一次记录的数据Load进计数器里进行累加。累加到一定次数时，上位机读取数据。USB芯片从总线上取走数据，等待上位机取走数据。数据采集完毕后，采集完成的标志位置高，将RAM和读写地址产生器清零。
5. 软件设计
USB接口芯片为Cypress公司的CY7C68013，其内部集成了一个可运行USB固件程序的8051增强型内核。该程序实现命令和数据在上位机和下位机之间传送。上位机软件采用虚拟仪器技术，使用Labwindows/CVI编写。界面简洁，功能齐全。
6. 结论
整套系统可实现对数据的高速采集，工作稳定。系统探测距离为61.440千米，整机功率仅为0.77瓦特，适用于低功耗场合，可以满足能见度激光雷达的数据采集要求。
Primary author
Mr
荣奇 孙
(核探测与核电子学国家重点实验室)
