[发明专利]一种基于FPGA时序控制的水下LiDAR全波形采样方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA时序控制的水下LiDAR全波形采样方法。本全波形采样方法根据采样要求合理控制各个模块的时序，避免了采样过程中的时序冲突，实现了大量数据存储以及高速读写等要求。该方法解决了单片机控制采样过程中的慢速和过高延时等问题，大大提升了激光雷达采集模块的采集速度以及运行频率，并且提升了激光雷达的应用范围，为激光雷达应用领域拓宽提供了更多的可能。

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别涉及到水下激光雷达回波信号采样方面，提出了一种基于FPGA时序控制的水下LiDAR全波形采样方法，主要针对回波信号全波形采样过程的时序控制。

背景技术

随着激光雷达各相关技术的发展日益迅速，激光雷达在测绘、航空、交通、军事、气象等许多领域有了长足的发展，其中激光雷达在海洋探测、水底地形测绘方面的发展也趋向成熟。激光雷达采集信息的速度越来越快，信息采集量也越来越大，因此对水底地形的探测也更加精细与准确。激光雷达的工作过程中，需要对回波信号进行采集，因此对波形的采样需求决定了激光雷达采集系统的结构与参数。目前采集系统应用较多的采样方式为全波形采样。

全波形采样是通过经回波信号的波形转变为数据储存起来，再通过后续的处理与算法对波形进行还原，从还原的波形的峰值与发射激光信号的波形的峰值来计算激光飞行时间，水深测量则是将收到的回波信号还原之后，通过确定水面回波信号的峰值与水底回波信号的峰值的时间差来计算实际深度。对波形进行采样的时候，不需要将曲线上的每一个点都进行记录，只需要有一定数量的包含此信号的大部分信息的点就可以对波形进行还原。在数据采集系统中，一般由单片机作为控制中枢，事件处理过程采用的是顺序处理结构，对数据的高速传输造成了巨大的阻碍，且处理时间相对过长。为了应对采集系统的数据吞吐量大，处理速度快等需求，本发明专利提出了一种基于FPGA时序控制的水下LiDAR全波形采样方法，采用并行结构处理数据，能实现高速、大量的数据处理。

发明内容

本发明是针对在激光雷达系统中回波信号采集速度慢且不稳定等问题，提出了一种基于FPGA时序控制的激光雷达回波信号全波形采集方法，该方法能达到1GSPS(GigabitSamples Per Second)采样速率，实现多通道同时采集、与上位机和其他模块信息交互以及数据瞬时读写等功能。

通过FPGA控制AD采集卡可以实现高速AD采样的功能，其有32位以及64位的内存，可以根据功能需求进行调用，通过FMC高频子板的连接，可以将多个AD采集卡进行组合，实现多路同时采集，对每一个采集通道进行独立的配置，针对不同的工作环境设置不同的采集参数。

FPGA的时序控制是建立时间，即时钟偏移FT_su计算如下：

FT_su＝T_din+T_su-T_clk (1)

其保持时间FT_h为：

FT_h＝T_h+T_clk (2)

数据传输时间FT_co为：

FT_co＝T_clk+T_co+T_out (3)

T_din数据输入与寄存器的输入端之间的延时时间，T_din为到寄存器的时钟端的延时时间，T_su/T_h为FPGA内部寄存器的建立时间和保持时间，T_co为FPGA内部寄存器传输时间，T_out为从FPGA寄存器输出到数据输出口的延时时间。