分析了数字下变频的原理，设计实现了能进行1、2、4、8等可选抽取倍数的高速数字下变频系统。对系统中的混频器和滤波器进行了优化设计。采用基4布斯编码和4-2压缩器，缩短混频器中的关键路径；引入基于Horner法则和子表达式共享的正则有符号数(CSD)编码，减小滤波器的硬件消耗。设计的数字下变频系统用于四通道、560 MHz 14位时间交织模数转换器(TIADC)，并基于FPGA完成功能验证。结果表明，当输入信号频率为380 MHz、抽取倍数为8时，I/Q两路信号的无杂散动态范围(SFDR)在90 dB以上。

针对全波形激光雷达中高速率数据采集系统的需求, 研制了一种基于时钟网络的高速数据采集与处理系统, 对其中的关键技术进行了研究。在对FPGA片同步技术及时钟抖动机理进行分析的基础上, 提出一种以锁相环和时钟缓冲器为主要构建单元的高质量时钟网络管理方法。该时钟网络管理方法通过对高速 ADC输出随路时钟的主动干预, 解决了多路高速数据锁存困难的问题。实验结果显示: 该高速数据采集与处理系统已实现高达 1.2 GSPS的采样率以及与之匹配的数据处理速率, 有效位数大于 8 bit, 在实现高速数据采集的同时满足较高分辨力的要求。

设计了三维成像激光雷达高带宽数据采集与存储系统。为保证系统存储的实时性,通过PCIE 3.0 (peripheral component interface express 3.0)将数据传输到计算机,将回波数据存储到固态硬盘(SSD)大容量盘阵中。针对系统中多片模数转换器(ADCs)采样数据不同步问题,提出了高速信号同步触发电路及现场可编程逻辑门阵列(FPGA)固有路径延迟校准算法。为了精确测量激光雷达内光路触发脉冲与系统时钟之间的延时量,设计了基于多级输入输出延迟(IODELAY)单元的时间数字计数器(TDC)算法,时间分辨率高达52 ps。结果表明,系统最大存储带宽为5.12 GByte/s,存储容量为24 TByte,在数据采集和存储上表现出很强的实时性和同步性,有较高的实用价值。

单光子计数技术是利用光电倍增管探测微弱光信号的一种有效方法,广泛应用于航空领域的激光雷达探测。针对激光雷达回波信号强度弱、数据量大、实时要求高等特点,设计了基于FPGA芯片的高速数据采集系统。该系统利用光电倍增管精确探测微弱的雷达回波信号,两个光子计数器通过乒乓操作实现了无时间间隙的计数采集,利用存储控制器和传输控制器对外围芯片进行控制,实现了对采集数据的实时缓存和高速传输。为验证采集系统的有效性,将其应用于米散射微脉冲激光雷达,实现7.5 km的有效探测,探测精度为7.5 m。在此基础上,将采集系统与EASY-MCS光子计数器的测量结果进行对比,其均方误差为8%,表明本系统具有良好的准确性和稳定性,可满足激光雷达对微弱回波信号采集的要求,在航空气象探测领域具有广阔的应用前景。

针对远距离激光测距机回波信号脉宽强度特征和噪声的统计特性，提出了一种高精度多脉冲激光测距机的回波信号检测技术。采用时钟移相分配方式实现了400 MHz高速信号采集及数字化处理，提高了回波脉冲的检测精度。采用ARM嵌入式高速核处理器进行数据算法处理，完成了滤波降噪、自适应门限检测和多帧相关检测等功能，使回波信噪比提高了7.6 dB，达到远距离精确获取目标距离信息的目的。

设计实现了一种超高速数据采集系统。通过在FPGA(现场可编程门阵列上)采用8个不同相位的时钟进行移相合成采集, 采用一颗125MSPS采样率的ADC芯片成功实现了1GSPS采样率的高速采样。同时通过对采样数据进行累加求平均的滤波运算, 有效地消除了背景噪声, 提高了采样的精度。为了实现大数据量的采集, 采用了DDR2作为存储器, 其具有容量大, 速度快, 成本低的特点。FPGA采用Xilinx的Spartan6系列, 内置了DDR2接口控制器, 大大简化了设计。设计的高速数据采集系统在ISE软件中进行了综合, 并在FPGA板上进行了实测, 性能良好, 实现了系统需求的各个指标。

线阵CCD已广泛应用于在线检测、图像识别等系统, 目前高帧率采集系统多在200~500 Hz之间。高速线阵CCD采集系统, 如1 K甚至10 KHz以上的采集要求, 设计难度大, 电路实现复杂, 需要专用处理器, 产品成本高, 提出了一种采用并行高速FPGA驱动线阵CCD, 通过常规分立元件完成模拟信号处理, 实现数字信号实时传输的方案。该方案不仅简化了硬件设计上的难度, 在同等性能情况下, 可实现每秒万帧的高速采样, 大幅度降低了成本。方案选用Altera FPGA作为控制核心, 实现高速信号采集的同时, 在片上实现一定的图像算法, 不仅加速了图像处理速度, 同时降低了计算机的处理压力。最后, 本电路通过USB2.0接口, 完成数据的实时传输。设计具有高帧率、高灵敏度、性能稳定, 便携使用等特点, 同时还有一定的通用性, 已应用于一些光学系统中。

介绍了水下目标激光探测高速数据采集系统设计的技术难点,设计了一种基于高速CMOS模/数转换芯片和高性能Stratix Ⅱ FPGA高速数据采集芯片的水下激光信号实时采集与传输系统,信号采集速率可达1 GHz。系统的适用性及可靠性在水下目标激光探测试验中得到了验证。

为了对激光雷达的回波信号进行采集，设计了一款基于FPGA的高速数据采集、预处理系统.该系统以FPGA内嵌DRAM作为存储器，以同步有限状态机作为控制方式，可在1 kHz的外触发信号激励下，以20 MHz的采集频率采集数据，并可在不丢失脉冲的情况下，对采集到的4 096个数据点进行5 000次以上的对应点累加平均(滤除背景噪音).设计完成的数据采集系统已应用于一台米散射激光雷达系统中，达到了30 km探测距离、7.5 m时空分辨率的设计要求.

半导体激光云高仪 APD探测器获取的大气气溶胶后向散射信号信噪比较低, 难以直接用于反演云高、垂直能见度等大气参数。针对后向散射信号的这种特点, 提出了一种半导体激光云高仪时序控制和信号处理实现方案, 在完成后向散射信号的高速采集、分段累积平均的同时实现整个系统发射、接收、维护、数据存储和上传等复杂时序控制。经对比实验验证, 该方案工作情况良好, 能够明显提高后向散射信号信噪比、帮助大气参数的反演。