[发明专利]一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，所述基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路利用增量式编码器测量垂直方向扫描电机零位信号，绝对值编码器测量水平方向扫描电机角度数据，同时结合FPGA内部实现的锁相环模块、2选1开关模块、脉秒冲计数器模块、角度测量模块、时间测量模块和USB接口模块实现高重复频率三维扫描激光雷达每一束出射激光脉冲垂直方向和水平方向扫描角的高精度测量。所述基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路突破了常规利用插值方法获取扫描角的缺陷，有效提高了三维扫描激光雷达扫描角的测量精度。

技术领域

本发明涉及到激光雷达领域，尤其是一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路。

背景技术

激光雷达是一种将传统雷达技术与先进激光技术相结合的主动遥感技术，通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，基于距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的三维扫描，或者扫描装置二维扫描结合激光雷达平台运动，激光雷达可以完成对目标表面的三维扫描测距。基于激光雷达成像方程，利用激光雷达平台与目标被扫描点的距离数据，激光脉冲的扫描角度数据，激光雷达平台位置与姿态数据，实现目标表面各扫描点三维坐标解算。基于解算得到的三维坐标，采用先进的滤波与分类方法可以得到目标的数字表面模型和数字高程模型，最后实现目标三维成像与测量。三维扫描激光雷达是指扫描装置可以实现三维扫描的激光雷达系统。从上述激光雷达的测量原理可以看出，激光脉冲的扫描角度是激光雷达数据处理中关键数据，因此如何高精度测量每一束被发射激光脉冲的扫描角是激光系统设计中的关键问题。同时，由于高重复频率三维扫描激光雷达系统中脉冲发射频率很高，而现有的可直接用于角度测量的编码器响应频率都比较低，因此如何高精度测量高重复频率三维扫描激光雷达每一个发射激光脉冲扫描角是三维扫描激光雷达系统设计中的难点。

本文针对高重复频率三维扫描激光雷达系统中激光扫描角测量问题，提出了一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，所述基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路包括锁相环模块、2选1开关模块、秒脉冲计数器模块、角度测量模块、时间测量模块和USB接口模块，所述所有模块均在FPGA内部完成，以及用于水平方向扫描电机角度测量的绝对值编码器和垂直方向扫描电机零位测量的增量式编码器。

发明内容

本发明公开了一种基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路，其特征在于，所述基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路利用增量式编码器测量垂直方向扫描电机零位，低响应频率绝对值编码器测量水平方向扫描电机的扫描角度，结合基于FPGA自主设计的高精度时间测量模块测量发射脉冲信号与垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔，实现三维扫描激光雷达中高重复频率激光脉冲垂直方向扫描角度与水平方向扫描角度的测量，利用秒脉冲信号和自主设计的USB接口模块对测量到的角度数据和时间数据经USB接口有序上传到上位机，另外借助于自主设计的USB接口模块，实现扫描角度数据与外部测距模块距离数据之间的对准，所述基于FPGA的高重复频率三维扫描激光雷达扫描角测量电路包括锁相环模块、2选1开关模块、角度测量模块、时间测量模块、秒脉冲计数器模块和USB接口模块，所有所述模块均在一片FPGA内部完成，所述锁相环模块分别产生频率为1赫兹的秒脉冲、用于各模块输入信号上升沿检测的50兆赫兹检测时钟和用于时间测量模块计时的500兆赫兹计时时钟，所述2选1开关模块用于选择输入到秒脉冲计数器模块的秒脉冲信号是由外部GPS产生还是由锁相环产生，所述秒脉冲计数器对输入的秒脉冲信号个数进行测量，并控制USB接口模块中的数据进行有序上传，所述角度测量模块在垂直方向扫描电机零位信号控制下读取水平方向扫描电机角度数据，得到垂直方向扫描电机零位对应的水平方向扫描角度θ，所述时间测量模块测量每一个发射脉冲信号与前一个垂直方向扫描电机零位信号之间的时间间隔t_v-p，利用所测时间间隔和垂直方向扫描电机转速可以得到每一个发射激光脉冲所对应的垂直方向扫描角度α