具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器制造技术

本专利公开一种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器，属于对地观测激光雷达遥感技术领域。该全波形采集器由主控模块、高速ADC采样模块，高速FIFO缓存模块，内插延迟线模块，高速粗计数器模块和精细测量编码模块组成，除高速ADC采样模块外，都在FPGA内部实现。本专利的目的在于提供一种以比较简单的方式获取带有采样点精确时间定位的激光雷达回波全波形采集器。利用高速ADC采样时钟同步的分频时钟作为粗计数时钟，控制在一定的时间区间内保存回波采样点数据，同时利用内插延迟链对主波脉冲和粗计数时钟沿之间的时间间隔进行精细测量，从而获得相对激光发射主波脉冲有着精确时间定位的回波采样点。本专利具有外围电路简单，实现方式简明，功能接口可灵活配置和性价比高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利属于对地观测激光雷达遥感
，具体是指一种具备采样点时间定位功能的激光雷达回波全波形采集器。
技术介绍
对地观测激光雷达系统是一种用于飞机和卫星等天基平台，可以精确、快速获取地面及地面目标三维空间信息的主动式光学遥感系统。与其他遥感技术相比，激光雷达技术具有生产成本低，自动化程度高、受天气影响小、数据生产周期短、测量精度高等技术优点。此外，由于激光脉冲能部分地穿透森林遮挡，直接获取真实地面的高精度三维地形信息，因此具有传统摄影测量方法无法取代的优越性。对地观测激光雷达系统是从激光测距技术发展而来的，通过测量往返于机载平台和地面测量点之间的光程并结合机载平台自身姿态和位置测量来确定地面点的三维坐标。激光器产生并发射离散的激光脉冲，打在地表物体上并反射，接收系统会在一段时间后收到反射的回波脉冲，准确地测量激光脉冲从发射到被反射回的传播时间ΔT，再结合空气中的光速c，可以计算出地表物体距离R。通过位置姿态测量系统(Position And Orientation System,POS)获得航迹上任意采样时刻激光发射中心的空间坐标和设备的空间姿态，结合激光测量激光发射中心到地面物体的距离R，便可求得每一个激光脚印点的空间三维坐标。再加上一定的机电设备使得激光器以一定的角度摆动，那么随着平台的飞行，可以得到一定幅宽的大量地面点的三维坐标，经过数据处理可以生成数字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)和数字表面模型(Digital Slope Model，DSM)。传统的激光雷达系统只记录发射激光的离散的有限次回波，首次回波一般用于建立测区的DSM，再通过一定的算法去除非地面点，便可获得测区的DEM。不过，这种方式对用户屏蔽了不少设备相关的有用信息，如回波信号如何被量化成几次离散的脉冲信号，地物特性对获取的回波信号的形状和大小有何影响等等。新一代的激光雷达系统具备了回波全波形采样功能，主要特点是以很小的采样间隔对来自目标的激光雷达回波信号进行采样记录，形成一个随时间变化的回波信号。用户完全可以根据波形数据，结合其应用领域对回波波形数据进行分析和处理，通过波形分拣和反演算法可以实现复杂目标成像及其特征识别和提取。相比多次回波激光雷达，全波形激光雷达能够提供更多的目标信息。通常的激光雷达回波全波形数字化方法是直接使用高速ADC芯片(采样率1GS/s以上)进行波形数据采集。但这种方法得到的回波波形不具备与发射主波脉冲高精度时间定位，其精度取决于采样周期(采样率1GS/s下精度为1ns)。利用这种波形数据无法进行高精度的回波波形分解和特征提取。因此精确测量波形采样点与发射主波脉冲的时间关系，获得包括采样点时间定位的波形数据对高精度回波波形分析而言十分重要。文献《一种高速全波形采集与高精度定位技术研究》提出了一种方法，利用时间数字转换(Time to Digital Convert，TDC)芯片首先得到发射主波脉冲和回波脉冲触发时刻之间的高精度时间间隔，再利用时间展宽方法测得回波脉冲触发时刻和其后第一个采样点的精确时间间隔，这样依照采样周期关系可以得到回波波形的每个采样点与发射脉冲之间的精确时间间隔关系。这种方法的不足在于外围电路结构较多(包括FPGA、高速ADC芯片、高精度TDC芯片和时间展宽电路)且实现方式较为复杂。中国专利CN1719353A提出了一种在FPGA内部利用进位链时间内插实现的高精度的时间数字转换方法。本专利将借鉴这个专利中利用FPGA内部进位链时间内插进行细时间测量的部分，提出一种仅基于FPGA和高速ADC芯片，具备采样点时间定位功能的激光雷达回波全波形采集器。
技术实现思路
：本专利的目的是提供一种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器，从而以比较简单的方式获取带有采样点精确时间定位的激光雷达回波全波形用于波形分解和特征提取。本专利的技术关键在于利用高速ADC采样时钟同步的分频时钟作为粗计数时钟，控制在一定的时间区间内保存回波采样点数据，同时利用内插延迟链对主波脉冲和粗计数时钟沿之间的时间间隔进行精细测量，从而获得相对激光发射主波脉冲有着精确时间定位的回波采样点。本专利的目的是通过下述技术途径实现的。本专利公开一种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器，它由一片FPGA芯片和一片高速ADC采样芯片组成，FPGA用于构建采集器的主控模块，高速粗计数器模块，高速FIFO缓存模块，内插延迟链模块和精细测量编码模块，高速ADC采样芯片用于构建采集器的高速ADC采样模块。高速ADC采样芯片采样率达到1Gsps以上，采样时钟由高稳定恒温晶振通过集成锁相环芯片倍频产生。FPGA芯片具备可生成ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟链。主控模块由FPGA内部状态机逻辑实现。高速FIFO缓存模块由FPGA内部存储资源实现，接收高速ADC输出的高速数据流，缓存波形数据。高速粗计数器模块由FPGA内部高速计数器实现。内插延迟链模块由FPGA中的专用进位链实现。精细测量编码模块由FPGA内部的逻辑资源实现。测量时，激光发射主波脉冲进入内插延迟链模块，激光雷达回波进入高速ADC采样模块，高速粗计数器模块采用的粗计数时钟由高速ADC采样模块中的高速ADC芯片与采样时钟同步且分频的同步数据输出时钟提供，主控模块提取内插延迟链模块上的脉冲行走时间数据，送入精细测量编码模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果，同时主控模块在主波脉冲到来时提供触发信号给高速粗计数器模块开始计数，并粗计数器的计数值控制将一定时间区间内高速ADC采样模块输出的采样数据流写入高速FIFO缓存模块。应用这种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器进行数据采集的方法如下：(1)主控模块控制内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据；测量中，主控模块控制内插延迟链模块在每个粗计数时钟沿锁存内插延迟链上的数据，若锁存数据非全零，代表激光发射主波脉冲进入内插延迟链。此时锁存结果反映主波脉冲到粗计数时钟沿这段时间间隔在延迟链上走过的长度。(2)主控模块在主波脉冲到来的粗计数时钟沿时刻触发高速粗计数器模块开始计数，同时缓存精细时间测量模块结果；若内插延迟链模块上锁存数据出现连续多个1，则判断为主波到来，并在该粗计数时钟沿时刻触发高速粗计数器模块开始计数。同时缓存此时内插延迟链上的数据，送入精本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器，它由一片FPGA芯片和一片高速ADC采样芯片组成，FPGA用于构建采集器的主控模块，高速粗计数器模块，高速FIFO缓存模块，内插延迟链模块和精细测量编码模块，高速ADC采样芯片用于构建采集器的高速ADC采样模块，其特征在于：所述的高速ADC采样芯片采样率达到1Gsps以上，采样时钟由高稳定恒温晶振通过集成锁相环芯片倍频产生；所述的FPGA芯片具备可生成ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟链；所述的主控模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的高速FIFO缓存模块由FPGA内部存储资源实现，接收高速ADC输出的高速数据流，缓存波形数据，所述的高速粗计数器模块由FPGA内部高速计数器实现，所述的内插延迟链模块由FPGA中的专用进位链实现，所述的精细测量编码模块由FPGA内部的逻辑资源实现；测量时，激光发射主波脉冲进入内插延迟链模块，激光雷达回波进入高速ADC采样模块，高速粗计数器模块采用的粗计数时钟由高速ADC采样模块中的高速ADC芯片与采样时钟同步且分频的同步数据输出时钟提供，主控模块提取内插延迟链模块上的脉冲行走时间数据，送入精细测量编码模块获得主波脉冲和粗计数时钟沿时间间隔的精细测量结果，同时主控模块在主波脉冲到来时提供触发信号给高速粗计数器模块开始计数，并粗计数器的计数值控制将一定时间区间内高速ADC采样模块输出的采样数据流写入高速FIFO缓存模块。...

【技术特征摘要】
1.一种具备采样点时间定位的激光雷达回波全波形采集器，它由一片FPGA
芯片和一片高速ADC采样芯片组成，FPGA用于构建采集器的主控模块，高速粗
计数器模块，高速FIFO缓存模块，内插延迟链模块和精细测量编码模块，高
速ADC采样芯片用于构建采集器的高速ADC采样模块，其特征在于：
所述的高速ADC采样芯片采样率达到1Gsps以上，采样时钟由高稳定恒温
晶振通过集成锁相环芯片倍频产生；
所述的FPGA芯片具备可生成ns级传播长度的进位链用于构建内插延迟
链；
所述的主控模块由FPGA内部状态机逻辑实现，所述的高速FIFO缓存模块
由FPGA内部存储资源实现，接收高速ADC输出的高速数据流，缓存波形数据，
所述的高速粗计数器...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭颖，舒嵘，徐敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海;31