CN115097413A - 一种高精度激光回波波形序列测时方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于实现全波形激光雷达高稳定度、高精度激光回波波形序列测时的方法及系统。激光主波、回波信号都被高速AD采集，通过都经过过阈值比较后输入到测时FPGA。高稳定度恒温晶振、≥1Gsps高频晶振以及时钟管理芯片共同组成了时间同步管理系统，产生测时基准时钟、同步采用时钟输入至测时FPGA，测时FPGA完成各回波采样点相对于主波的时间间隔，再通过波形分析的方式实现激光飞行时间的测量。实现了高速采样波形采样点逐点测时，解决了针对远距离激光测距高稳定度、高精度波形序列测时的技术难题。为实现全波形激光雷达的高精度激光测距和地物目标特征识别奠定了基础。

Description

一种高精度激光回波波形序列测时方法及系统

技术领域

本发明涉及激光雷达信号处理领域，尤其涉及一种高精度激光回波波形序列测时方法及系统。

背景技术

传统的激光雷达主要通过获取发射脉冲和回波脉冲之间的时间间隔获取距离图像。而回波波形所包含的丰富信息并没有充分利用。新一代的激光雷达采用全波形采集和分析技术，通过全波形分析复杂目标特性的机理，可充分分析包括脉冲时间信息、幅度信息、脉宽信息以及多回波分布等全波形综合信息，利用波形分拣算法可以实现树木、作物及地表的分离，进一步实现植被高度等生物量的定量化测算。由此全波形激光雷达相比于传统激光雷达具有获取信息更丰富、测距精度更高等优点。

现有的全波形激光雷达通常采用发射脉冲和回波脉冲之间采样点计数的方式实现激光飞行时间测量，并进一步分析计算得出测距距离。为提高测时精度，一般采样温补晶振或恒温晶振作为高速采样时钟。温补晶振的频率稳定度相对较差，尤其是针对星载平台数百公里测距的会引入较大误差。而恒温晶振时钟频率很难做到很高，即使能够超过1GHz，也因为成本过高在工程项目中无法采用。

发明内容

鉴于目前存在的上述不足，本发明提供一种基于时间同步管理系统的回波序列测时技术，实现了回波序列中各采样点采样时刻相对于发射脉冲的延迟，经过波形分析可以进一步是实现激光测距和地物目标特征识别，解决了针对远距离激光测距中高精度和高稳定度回波波形获取和测时的技术难题。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

一种激光回波序列高精度测时方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1：恒温晶振为系统时钟基准源，分别输入到FPGA-TDC和时钟管理芯片；

S2：恒温晶振时钟在FPGA内部经过倍频处理产生测时粗计数基准时钟，供FPGA-TDC功能模块测时使用。

S3：射频晶振输入到时钟管理芯片，与恒温晶振时钟锁相后生成采样时钟输出到高速AD，高速AD实现激光回波信号的模数转换输出高速回波波形序列信号；

S4：时钟管理芯片输出采样同步时钟,与高速AD采样时钟同步，但时钟频率降频至FPGA可以处理。

S5：发射脉冲信号、回波序列均输入至FPGA，回波序列连续缓存至FPGA，同时在FPGA检测到回波序列幅值过阈值后，FPGA-TDC功能模块实现过阈值后首个采样同步时钟边沿与发射脉冲信号的时间间隔。

S6：FPGA-TDC测得的采样同步时钟边沿时刻与FPGA缓存区的波形采样点对应，输出标记有采样时刻的回波波形序列。

S7：基于标记有采样时刻的回波波形序列实现波形反演分析，实现激光测距和地物目标特征识别。

在上述本发明的方法与系统中，其特征在于：所述步骤S1的基准时钟源:高稳定度恒温晶振即作为FPGA-TDC测时基准时钟，也作为时钟管理芯片的参考时钟。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S2中测时时钟，采用恒温晶振时钟作为时钟源，通过1倍及以上的时钟倍频产生测时时钟，测时时钟作为粗计数时钟，测时时间由粗计数、发射脉冲与粗计数时钟边沿时间间隔、过阈值后首个采样时钟边沿与粗计数时钟边沿时间间隔三者组合得到。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S3中高速AD采样时钟，以射频晶振为时钟源，经过与恒温晶振参考时钟锁相后，由时钟管理芯片输出的高质量时钟。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S4中输入到FPGA用于测时的同步时钟，由时钟管理芯片或高速AD经过降频后产生，降频后的时钟能够被FPGA所处理。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S5中，测量采样同步时钟边沿与发射脉冲之间的时间间隔，同步时钟边沿的选择准则为过阈值之后，且易于与采样点对应起来。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S6中，FPGA缓存回波序列，采样同步时钟与采样点之间有固定的对应关系。将过阈值后同步时钟边沿相对于发射脉冲时间间隔与存储器中的某个采样点相对应起来，形成采样点的采样时刻，一个采样点的时刻标记之后，整个回波序列就实现了测时。

优选的，在上述本发明的方法与系统中，所述步骤S7中，对标记有采样时刻的回波波形序列应用波形分析算法，定位波形的峰值、质心、形心等时刻，计算回波序列定位时刻相距激光发射脉冲的飞行时间。

一种用于实现全波形激光雷达高稳定度、高精度激光回波波形序列测时的方法及系统。激光主波、回波信号都被高速AD采集，通过都经过过阈值比较后输入到测时FPGA。高稳定度恒温晶振、≥1Gsps高频晶振以及时钟管理芯片共同组成了时间同步管理系统，产生测时基准时钟、同步采用时钟输入至测时FPGA，测时FPGA完成各回波采样点相对于主波的时间间隔，再通过波形分析的方式实现激光飞行时间的测量。实现了高速采样波形采样点逐点测时，解决了针对远距离激光测距高稳定度、高精度波形序列测时的技术难题。为实现全波形激光雷达的高精度激光测距和地物目标特征识别奠定了基础。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光回波序列高精度测时方法，其包括：

时钟管理模块，输入恒温晶振时钟和射频稳步晶振时钟,输出为与恒温晶振时钟锁相后的高速AD采样时钟,以及高速AD采样同步；

恒温晶振模块，为系统时钟基准源，输入到FPGA-TDC和时钟管理芯片；

射频晶振模块，为高速AD采样时钟源，时钟频率大于1GHz；

FPGA-TDC模块，实现激光回波波形过阈值后首个同步时钟上升沿与激光发射脉冲信号之间时间间隔测量；

FPGA数据缓存与处理模块，FIFO存储激光回波波形采样点，根据FPGA-TDC测时结果对采样点时刻进行标记，最后输出波形采样点以及采样点标记时刻。

高速AD模块，实现激光回波模拟信号到数字信号的转换，AD量化位数大于8bit，采样率≥1Gsps；

上述方案利用恒温晶振与射频晶振相组合的技术方案，低频恒温晶振作为时钟基准源，降低系统设计难度，又能够同时保证测时精度和高的稳定性。另一方面，采取采样同时时钟作为回波测时的结束信号，避免了模拟回波边沿检测等电路，实现了波形序列测时的全数字化处理。

本发明提供了一种应用在全波形激光雷达中用于回波波形序列测时方法，基于低时钟频率恒温晶振、高速温补晶振、时钟管理芯片以及FPGA-TDC系统，具有高精度、高可靠以及低成本等优点。本发明采用的基于时间同步管理系统的激光雷达高速回波波形序列的采样点高精度测时技术，广泛适用于全波形激光雷达中，实现激光测距，尤其适用于星载、机载激光雷达中，可以实现远距离条件下复杂地物目标特征的高精度分析。

本发明实施的优点：

1、系统易于搭建、成本低：该方法未对选用的器件提出过高的要求，应用的恒温晶振为低频时钟，可获得性强，成本低。未使用专用测时芯片，采用FPGA实现TDC功能，提高了系统的集成度。相对于以往选用高频恒温晶振以及专用测时芯片的技术路线，工程可实现性更强，成本更低。

2、高稳定性，适合于远距离测距：该方法以恒温晶振作为FPGA-TDC测时以及高速AD波形采样的时钟基准，通过时钟管理芯片进行同步管理。具有较高的温度稳定度以及较小的时间漂移等特性，尤其适合于百公里量级的星载激光测距应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统框架示意图；

图2为本发明基于时间同步管理系统的高精度激光回波波形序列测时技术的激光测距原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明方法的系统实现范例如图1所示，恒温晶振输出低频时钟至时钟管理芯片和FPGA，射频晶振输入值时钟管理芯片，与恒温晶振参考时钟锁相后输出高质量时钟作为高速AD的高速采样时钟，时钟管理芯片同步输出采样同步时钟到FPGA，其频率为高速AD采样时钟降频后得到。回波模拟信号输出到高速AD，经过模数转换后输出回波序列至FPGA。FPGA时钟模块以恒温晶振为基准产生FPGA-TDC模块测时用的基准时钟。发射脉冲信号输入到FPGA，FPGA缓存接收回波序列，FPGA-TDC模块测量回波序列过阈值后首个采样同步时钟边沿与发射脉冲之间的时间间隔，从而实现回波波形序列测时，并对回波波形序列采样点的采样时刻进行标记。

图2为图1的系统实现范例中所标注的各信号的时序关系示意图，反映了基于时间同步管理系统的高精度激光回波波形序列测时技术原理，其中：

a恒温晶振时钟；

b射频晶振时钟；

c与恒温晶振时钟锁相后输出的高速AD采样时钟；

d高速AD采样同步时钟(降频后)；

e回波模拟信号；

f发射脉冲信号；

g高速AD模数转换后回波序列；

h阈值后采样同步时钟首个时钟上边沿与发射脉冲时间间隔测量；

i回波序列采样点标记采样时刻；

FPGA输出标记有采样时刻的回波序列至波形分析单元，经过波形反演分析得出定位波形的峰值、质心或形心等特征时刻，通过计算回波脉冲飞行时间实现激光测距，针对复杂的波形形态可以进一步实现地物目标特征识别。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：恒温晶振为系统时钟基准源，分别输入到FPGA-TDC和时钟管理芯片；

S2：恒温晶振时钟在FPGA内部经过倍频处理产生测时粗计数基准时钟，供FPGA-TDC功能模块测时使用；

S3：射频晶振输入到时钟管理芯片，与恒温晶振时钟锁相后生成采样时钟输出到高速AD，高速AD实现激光回波信号的模数转换输出高速回波波形序列信号；

S4：时钟管理芯片输出采样同步时钟,与高速AD采样时钟同步，但时钟频率降频至FPGA可以处理；

S5：发射脉冲信号、回波序列均输入至FPGA，回波序列连续缓存至FPGA，同时在FPGA检测到回波序列幅值过阈值后，FPGA-TDC功能模块实现过阈值后首个采样同步时钟边沿与发射脉冲信号的时间间隔；

S6：FPGA-TDC测得的采样同步时钟边沿时刻与FPGA缓存区的波形采样点对应，输出标记有采样时刻的回波波形序列；

S7：基于标记有采样时刻的回波波形序列实现波形反演分析，实现激光测距和地物目标特征识别。

2.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S1的基准时钟源:高稳定度恒温晶振即作为FPGA-TDC测时基准时钟，也作为时钟管理芯片的参考时钟。

3.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S2中测时时钟，采用恒温晶振时钟作为时钟源，通过1倍及以上的时钟倍频产生测时时钟，测时时钟作为粗计数时钟，测时时间由粗计数、发射脉冲与粗计数时钟边沿时间间隔、过阈值后首个采样时钟边沿与粗计数时钟边沿时间间隔三者组合得到。

4.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S3中高速AD采样时钟，以射频晶振为时钟源，经过与恒温晶振参考时钟锁相后，由时钟管理芯片输出的高质量时钟。

5.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S4中输入到FPGA用于测时的同步时钟，由时钟管理芯片或高速AD经过降频后产生，降频后的时钟能够被FPGA所处理。

6.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S5中，测量采样同步时钟边沿与发射脉冲之间的时间间隔，同步时钟边沿的选择准则为过阈值之后，且易于与采样点对应起来。

7.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S6中，FPGA缓存回波序列，采样同步时钟与采样点之间有固定的对应关系。将过阈值后同步时钟边沿相对于发射脉冲时间间隔与存储器中的某个采样点相对应起来，形成采样点的采样时刻，一个采样点的时刻标记之后，整个回波序列就实现了测时。

8.根据权利要求1所述的全波形激光雷达激光回波序列高精度测时的方法，其特征在于，所述步骤S7中，对标记有采样时刻的回波波形序列应用波形分析算法，定位波形的峰值、质心、形心等时刻，计算回波序列定位时刻相距激光发射脉冲的飞行时间。

9.一种全波形激光雷达激光回波序列高精度测时系统，其特征在于，包括：

时钟管理模块，输入恒温晶振时钟和射频稳步晶振时钟,输出为与恒温晶振时钟锁相后的高速AD采样时钟,以及高速AD采样同步；

恒温晶振模块，为系统时钟基准源，输入到FPGA-TDC和时钟管理芯片；

射频晶振模块，为高速AD采样时钟源，时钟频率大于1GHz；

FPGA-TDC模块，实现激光回波波形过阈值后首个同步时钟上升沿与激光发射脉冲信号之间时间间隔测量；

FPGA数据缓存与处理模块，FIFO存储激光回波波形采样点，根据FPGA-TDC测时结果对采样点时刻进行标记，最后输出波形采样点以及采样点标记时刻；

高速AD模块，实现激光回波模拟信号到数字信号的转换，AD量化位数大于8bit，采样率≥1Gsps。

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