【虹科案例】虹科高速數(shù)字化儀在光探測和測距 (LIDAR) 系統(tǒng)中的應(yīng)用

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引言

50 多年前激光技術(shù)的發(fā)展催生了光探測和測距 (LIDAR) 系統(tǒng)，該系統(tǒng)在距離計算方式上取得了突破。LIDAR 的原理與雷達(dá)使用的原理非常相似。主要區(qū)別在于雷達(dá)系統(tǒng)檢測物體反射的無線電波，而激光雷達(dá)使用激光信號。這兩種技術(shù)通常采用相同類型的飛行時間方法來確定物體的距離。然而，由于激光的波長比無線電波的波長短得多，因此激光雷達(dá)系統(tǒng)可提供卓越的測量精度。激光雷達(dá)系統(tǒng)還可以檢查反射光的其他屬性，例如頻率內(nèi)容或偏振，以揭示有關(guān)物體的其他信息。

激光雷達(dá)系統(tǒng)現(xiàn)在被用于越來越多的應(yīng)用領(lǐng)域。這包括但不限于自動駕駛、地質(zhì)和地理測繪、地震學(xué)、氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、監(jiān)視、測高、林業(yè)、導(dǎo)航、車輛跟蹤、測量和環(huán)境保護。

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激光雷達(dá)配置

為了匹配許多不同的應(yīng)用，激光雷達(dá)系統(tǒng)有多種設(shè)計和配置。每個系統(tǒng)都需要合適的光電傳感器和合適的數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備。光檢測系統(tǒng)要么是非相干的，其中直接能量通過反射信號的幅度變化來測量，要么是相干的，其中反射信號的頻率偏移，例如由多普勒效應(yīng)引起的偏移，或其相位被觀察到。類似地，光源可以是低功率微脈沖設(shè)計，其中傳輸間歇性脈沖序列，也可以是高能量設(shè)計。微脈沖系統(tǒng)非常適合“人眼安全”操作必不可少的應(yīng)用（例如測量和地面車輛跟蹤），而高能系統(tǒng)通常部署在會遇到長距離和低水平反射的地方 （如大氣物理學(xué)和氣象學(xué)研究）。

大氣激光雷達(dá)掃描

每個激光雷達(dá)系統(tǒng)都需要使用合適的傳感器來檢測反射的激光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號。最常見的傳感器類型是光電倍增管 (PMT) 和固態(tài)光電探測器（例如光電二極管）。通常，PMT 用于使用可見光的應(yīng)用，而光電二極管在紅外系統(tǒng)中更為常見。然而，這兩種傳感器類型都被廣泛使用，選擇在很大程度上取決于需要檢測的光特性、所需的性能水平和成本。

最重要的是，傳感器會產(chǎn)生需要采集和分析的快速電信號。對于大多數(shù) LIDAR 應(yīng)用，最流行的信號捕獲卡類型是 PCIe，因為這使它們能夠直接安裝在大多數(shù)現(xiàn)代 PC 中。 PCIe 是許多數(shù)字化儀供應(yīng)商提供的一種類型，這是創(chuàng)建功能強大、易于使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的簡單方法。 由于 PCIe 總線提供非常高的數(shù)據(jù)吞吐率，信號采集、數(shù)據(jù)傳輸和分析功能通常比其他更傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)快得多。 虹科Spectrum還提供其他的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如 digitizerNETBOX，一種基于 LXI/以太網(wǎng)的緊湊型設(shè)備或 PXIe，它們是具有空間限制或振動問題的移動環(huán)境（例如機載或移動 LIDAR）的不錯選擇。

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激光雷達(dá)性能等級

對于 LIDAR 應(yīng)用，存在三個獨立的性能等級：

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對于最快的光脈沖

為了捕獲和分析非?？斓男盘枺杉ㄐ枰哌_(dá) 10 GS/s 的采樣率和超過 1 GHz 的高帶寬。此類數(shù)字化儀的一個示例是虹科M5i.33xx 系列，它在 PCIe 平臺上為每張卡提供多達(dá) 2 個通道，具有 12 位分辨率和高達(dá) 6.4 GS/s 的采樣率。虹科M4i.22xx 系列在 PCIe 和 PXIe 平臺上為每張卡提供多達(dá) 4 個通道，在 LXI 平臺上提供多達(dá) 24 個通道。這種組合使這些卡非常適合與產(chǎn)生納秒甚至亞納秒范圍內(nèi)的脈沖的快速傳感器一起使用。 此外，5 GS/s 的快速采樣率可實現(xiàn)亞納秒分辨率的定時測量。它非常適用于需要檢測和測量小頻移的情況，例如由多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻移。

虹科M4i.22xx 系列

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適用于低電平信號和高靈敏度

當(dāng)需要寬信號動態(tài)范圍和非常高的靈敏度時，采集卡需要能夠以幾百 MS/s 的采樣率和匹配的帶寬采集幅度降至毫伏范圍的信號。垂直分辨率要高，最好是16位。一個示例是 虹科 M4i.44xx 系列，在 500 MS/s 時具有 14 位分辨率或在 250 MS/s 時具有 16 位分辨率。這些裝置還具有從 ±200 mV 到 ±10 V 的可編程滿量程增益范圍，使其適用于需要觀察和測量低電平信號和小幅度變化的應(yīng)用。

虹科M4i.44xx 系列

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具有成本效益的中檔性能

第三組適用于需要高靈敏度但對時序要求不高的應(yīng)用。高達(dá) 100 MS/s 的采樣率和 16 位垂直分辨率，如虹科M2p.59xx 系列產(chǎn)品，適合該應(yīng)用領(lǐng)域。這些裝置用于需要高信號靈敏度的遠(yuǎn)程 LIDAR 應(yīng)用，也用于需要高密度、多通道記錄的情況。

虹科M2p.59xx 系列

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激光雷達(dá)應(yīng)用中需要滿足的高級功能

數(shù)字化儀包括多種不同的采集模式，可有效使用數(shù)字化儀的板載內(nèi)存并提供超快觸發(fā)功能，因此不會遺漏任何重要事件。這些模式包括多采集和門控采集，帶有時間戳、FIFO 流或基于 FPGA 的高速塊平均。

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如何處理海量數(shù)據(jù)？

第一種方法只是將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機 PC 的 CPU。這種傳統(tǒng)方法提供了一種簡單的解決方案。用戶可以根據(jù)供應(yīng)商的API編寫自己的分析程序，也可以使用第三方測量軟件，如虹科SBench 6、MATLAB和LabVIEW。整體性能和測量速度隨后受到 CPU 可用資源的限制。在要求苛刻的應(yīng)用程序中，這是一個問題，因為 CPU 與 PC 系統(tǒng)的其余部分共享其處理能力，并控制數(shù)據(jù)傳輸。

第二種方法使用 FPGA 技術(shù)——現(xiàn)場可編程門陣列。 這是一個強大的解決方案，但它的成本和復(fù)雜性要高得多。大型 FPGA 價格昂貴，并且創(chuàng)建自定義固件需要數(shù)字化儀的 FDK、FPGA 供應(yīng)商提供的工具以及專門的硬件編程工程技能。創(chuàng)建固件并不適合所有人，即使是經(jīng)驗豐富的開發(fā)人員也會陷入漫長的開發(fā)周期。此外，該解決方案受到實際位于數(shù)字化儀上的 FPGA 的限制。例如，如果可用的塊 RAM 已用完，則無能為力。

激光雷達(dá)數(shù)字化儀到 GPU

第三種方法是SCAPP。它由虹科 Spectrum創(chuàng)建，是一種新方法。SCAPP使用基于 Nvidia 的 CUDA 標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)成 GPU（圖形處理器單元）。GPU 直接與數(shù)字化儀連接，無需 CPU 交互。這開啟了GPU用于信號處理的巨大并行核心架構(gòu)，擁有數(shù)百甚至數(shù)千個處理核心、數(shù)GB的內(nèi)存和高達(dá)12 Tera-FLOP的計算速度。CUDA 卡的結(jié)構(gòu)非常適合分析，因為它專為并行數(shù)據(jù)處理而設(shè)計。這使其成為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、平均、基線抑制、FFT 窗口函數(shù)甚至 FFT 本身等任務(wù)的理想選擇，因為它們很容易并行處理。例如，具有 1k 內(nèi)核和 3.0 Tera-FLOP 計算速度的小型 GPU 已經(jīng)能夠在 FFT 塊大小為 512k 的兩個通道上以每秒 500 兆樣本的速度進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、多路復(fù)用、窗口化、FFT 和平均，并且它 可以運行幾個小時。

將 SCAPP 方法與基于 FPGA 的解決方案進(jìn)行比較，揭示了總體擁有成本的巨大節(jié)省。所需要的只是匹配的 CUDA GPU 和軟件開發(fā)工具包。但是，最大的成本節(jié)省是項目開發(fā)時間。用戶無需花費數(shù)周時間試圖了解供應(yīng)商的 FDK、FPGA 固件的結(jié)構(gòu)、FPGA 設(shè)計套件和仿真工具，而是可以立即開始使用以易于理解的 C 代碼編寫的示例并使用通用設(shè)計工具。