[发明专利]一种全波形数字化检测装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种全波形数字化检测技术，特别是将脉冲波形信息转换成脉冲幅度与脉冲峰值比为定值的一系列时刻之间的时间间隔数字量的方法。

二、背景技术

三维成像激光扫描仪作为一种非接触式主动测量系统，广泛应用于城市三维模型重建、建筑工程、电网工程、公路隧道测量、森林检测、文物保护等领域中。目前，三维成像激光扫描仪主要通过脉冲飞行时间测距法获得被测物体的三维点云数据，如果能够实现全波形检测，不但可以获得激光发射信号在不同距离层次的回波信号，从而得到更高的点云密度，而且可以获得回波的幅度和宽度信息，从而得到目标表面特征，可以较大提高扫描仪的探测能力和场景适用性。

在三维成像激光扫描系统中，现有的全波形检测，一般采用高速A/D采样电路实现，工作原理参见图1。在起始时间到停止时间内，以固定的频率，对输入脉冲的幅度(电压)进行采样保持，并转化为数字量，再送入存储器保存。由于激光回波脉冲的宽度一般在几十到几百纳秒之间，根据取样定理，为了能够还原波形，A/D采样电路的采样频率需要达到几百兆赫兹甚至更高，所得的数据量很大，需要读写速度快的大容量存储器与之配套，因此往往电路复杂、体积大且造价高，限制了其在三维成像激光扫描仪中的应用。所以研究低成本、高精度、集成化的全波形数字化检测装置具有重要意义和实用价值。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种全波形数字化检测装置，该装置具有高精度、集成化、低成本等特点，可应用于三维成像激光扫描仪中。

本发明的具体解决方案如下

所述的全波形数字化检测装置，包含一个恒比定时甄别模块、一个时间数字转换模块，一个数据接口模块和一个数据存储模块。

所述的恒比定时甄别模块包括N(N≥3)个触发比各不相同的前沿甄别器和N个触发比各不相同的后沿甄别器，分别鉴别出脉冲前后沿上电压幅度与峰值电压幅度的比值等于相应甄别器触发比的点对应的一系列时刻：开始时刻、停止时刻1、停止时刻2、……、停止时刻2N-1。

所述的时间数字转换模块具有一个脉冲计数器和2N-1个结构相同的高精度测时通道。脉冲计数器记录所测脉冲的序号。2N-1个测时通道分别测量上述开始时刻与各个停止时刻之间的时间间隔T1、T2、……、T2N-1。每个测时通道采用数字计数结合数字延迟线插入法进行测量，用参考时钟周期为To的计数器记录待测时间间隔Tn内包含的整周期个数No，待测时间间隔前后两个不足一个周期的时间间隔，分别送入均由一串延时都为τ的延时单元组成的两个延迟插入电路进行测量，得到这两个不足一个周期的时间间隔包含单位时间τ的个数Na、Nb。时间间隔按照下式计算：

Tn＝NoTo+(Na-Nb)τ

所述的数据接口模块对时间数字转换模块测得的数据进行整合并存入数据存储模块，此外提供可与计算机，DSP等外部处理器连接的数据接口。

所述的时间数字转换模块和数据接口模块在一块可编程逻辑芯片上实现。

所述的数据存储模块包含具有高速读写端口的大容量存储芯片。

应用上述全波形数字化检测装置获取回波波形的方法，包括下列步骤：

步骤1、时刻鉴别：

一组N个触发比递增的前沿甄别器和一组N个触发比递减的后沿甄别器分别鉴别出脉冲前沿电压幅度与峰值电压幅度比值为相应前沿甄别器触发比的点对应的时刻和脉冲后沿电压幅度与峰值电压幅度比值为相应后沿甄别器触发比的点对应的时刻，输出表征这些时刻的信号：一个开始信号和一系列停止信号：停止信号1、停止信号2、……、停止信号2N-1。

步骤2、时间间隔测量：

将所述的开始信号和所述的停止信号1、停止信号2、……停止信号2N-1分别送入时间数字转换模块的2N-1个通道中，每个通道分别测量开始信号上升沿和送入这个通道的停止信号上升沿之间的时间间隔，得到一系列时间间隔T1、T2、……、T2N-1的数字转换值。同时，将开始信号送入脉冲计数器中，脉冲计数器记录所测量的脉冲的序号。

步骤3、数据存储

数据接口模块将时间数字转换模块测得的时间间隔、脉冲序号等数据进行打包整合，送入数据存储模块进行存储，同时提供外部处理器的数据接口。计算机、DSP等处理器可通过数据接口读取上述测量数据，并进行计算处理，还原脉冲波形，获得脉冲宽度。

与A/D采样电路相比，本发明的优点如下：