[發(fā)明專利]一種基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710272498.0
• 申請日: 2017-04-24
• 公開（公告）號: CN107015215B
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐立軍;李端;李小路;謝鑫浩;楊炳偉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路，所述基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路利用增量式編碼器測量垂直方向掃描電機零位信號，絕對值編碼器測量水平方向掃描電機角度數(shù)據(jù)，同時結(jié)合FPGA內(nèi)部實現(xiàn)的鎖相環(huán)模塊、2選1開關(guān)模塊、脈秒沖計數(shù)器模塊、角度測量模塊、時間測量模塊和USB接口模塊實現(xiàn)高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)每一束出射激光脈沖垂直方向和水平方向掃描角的高精度測量。所述基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路突破了常規(guī)利用插值方法獲取掃描角的缺陷，有效提高了三維掃描激光雷達(dá)掃描角的測量精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到激光雷達(dá)領(lǐng)域，尤其是一種基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)是一種將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與先進激光技術(shù)相結(jié)合的主動遙感技術(shù)，通過測量激光脈沖往返于目標(biāo)與激光雷達(dá)平臺之間的時間，基于距離與光速和時間的關(guān)系得到激光雷達(dá)平臺與目標(biāo)之間的距離，配合掃描裝置的三維掃描，或者掃描裝置二維掃描結(jié)合激光雷達(dá)平臺運動，激光雷達(dá)可以完成對目標(biāo)表面的三維掃描測距。基于激光雷達(dá)成像方程，利用激光雷達(dá)平臺與目標(biāo)被掃描點的距離數(shù)據(jù)，激光脈沖的掃描角度數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)平臺位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)目標(biāo)表面各掃描點三維坐標(biāo)解算。基于解算得到的三維坐標(biāo)，采用先進的濾波與分類方法可以得到目標(biāo)的數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型，最后實現(xiàn)目標(biāo)三維成像與測量。三維掃描激光雷達(dá)是指掃描裝置可以實現(xiàn)三維掃描的激光雷達(dá)系統(tǒng)。從上述激光雷達(dá)的測量原理可以看出，激光脈沖的掃描角度是激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中關(guān)鍵數(shù)據(jù)，因此如何高精度測量每一束被發(fā)射激光脈沖的掃描角是激光系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵問題。同時，由于高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)中脈沖發(fā)射頻率很高，而現(xiàn)有的可直接用于角度測量的編碼器響應(yīng)頻率都比較低，因此如何高精度測量高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)每一個發(fā)射激光脈沖掃描角是三維掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計中的難點。

本文針對高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光掃描角測量問題，提出了一種基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路，所述基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路包括鎖相環(huán)模塊、2選1開關(guān)模塊、秒脈沖計數(shù)器模塊、角度測量模塊、時間測量模塊和USB接口模塊，所述所有模塊均在FPGA內(nèi)部完成，以及用于水平方向掃描電機角度測量的絕對值編碼器和垂直方向掃描電機零位測量的增量式編碼器。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明公開了一種基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路，其特征在于，所述基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路利用增量式編碼器測量垂直方向掃描電機零位，低響應(yīng)頻率絕對值編碼器測量水平方向掃描電機的掃描角度，結(jié)合基于FPGA自主設(shè)計的高精度時間測量模塊測量發(fā)射脈沖信號與垂直方向掃描電機零位信號之間的時間間隔，實現(xiàn)三維掃描激光雷達(dá)中高重復(fù)頻率激光脈沖垂直方向掃描角度與水平方向掃描角度的測量，利用秒脈沖信號和自主設(shè)計的USB接口模塊對測量到的角度數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)經(jīng)USB接口有序上傳到上位機，另外借助于自主設(shè)計的USB接口模塊，實現(xiàn)掃描角度數(shù)據(jù)與外部測距模塊距離數(shù)據(jù)之間的對準(zhǔn)，所述基于FPGA的高重復(fù)頻率三維掃描激光雷達(dá)掃描角測量電路包括鎖相環(huán)模塊、2選1開關(guān)模塊、角度測量模塊、時間測量模塊、秒脈沖計數(shù)器模塊和USB接口模塊，所有所述模塊均在一片F(xiàn)PGA內(nèi)部完成，所述鎖相環(huán)模塊分別產(chǎn)生頻率為1赫茲的秒脈沖、用于各模塊輸入信號上升沿檢測的50兆赫茲檢測時鐘和用于時間測量模塊計時的500兆赫茲計時時鐘，所述2選1開關(guān)模塊用于選擇輸入到秒脈沖計數(shù)器模塊的秒脈沖信號是由外部GPS產(chǎn)生還是由鎖相環(huán)產(chǎn)生，所述秒脈沖計數(shù)器對輸入的秒脈沖信號個數(shù)進行測量，并控制USB接口模塊中的數(shù)據(jù)進行有序上傳，所述角度測量模塊在垂直方向掃描電機零位信號控制下讀取水平方向掃描電機角度數(shù)據(jù)，得到垂直方向掃描電機零位對應(yīng)的水平方向掃描角度θ，所述時間測量模塊測量每一個發(fā)射脈沖信號與前一個垂直方向掃描電機零位信號之間的時間間隔t_v-p，利用所測時間間隔和垂直方向掃描電機轉(zhuǎn)速可以得到每一個發(fā)射激光脈沖所對應(yīng)的垂直方向掃描角度α