二維激光雷達測繪系統技術研究

李樂吟 梁小梅 章嘉雯 南京郵電大學通信與信息工程學院

1 研究背景

隨著我國科技的日益發展，對距離測量的要求愈來愈高，為了追求測量范圍高、測量精度高，激光測距技術逐漸走進人們的各行各業。激光測距技術應用在航空航天、位置定位、野外勘探、導彈發射、娛樂等多個方面。由此可見激光測距對于保障國家安全及人民幸福生活是不可或缺的。激光測距利用激光的單色性、方向性、相干性、高亮度，以實現測程遠、精度高、速度快、分辨率高、抗干擾能力強的目的。本作品實現了激光測距掃描系統的精度、距離提高與系統簡化的綜合提升，可達到15m以上的測量距離以及毫米以內的測量精度。

2 二維激光雷達測繪系統設計

2.1 數字同步檢相技術

在連續式激光測距系統中，整個系統性能最重要部分是檢相測量，其測距精度起決定性作用。由于相位在激光測距中的重要地位，因此發展起來的檢相技術層出不窮。在方式上主要有兩種:模擬測相和數字測相。測量相位的方法有多種，本文使用數字同步檢相技術，因為其能夠在保證精度的前提下預留更多的資源空間進行其他運算，節省資源，且技術較易實現。

2.2 FPGA產生數字DDS

本系統將傳統的使用DDS芯片產生正弦波再采樣進行相干測量的方法進一步改進，簡化了前端電路，將模擬DDS改為使用在FPGA內使用數字DDS實現，減少了電路DA和AD，并且充分應用FPGA的高速并行運算的特點。此外我們將傳統的模擬混頻再濾波的正交解調技術改為在高速AD采集后進行數字混頻數字濾波數字解調，解決了模擬電路搭建麻煩、可靠性不高、易引入噪聲等一系列缺點，為整個系統激光測距的準確性提供了保障。運用數字采樣、濾波等一系列數字信號處理技術，以及優化的FIR數字濾波器和CORDIC算法，使得最終得到準確的相位信息。

2.3 STM32系統設計

在本模塊中，將STM32的軟件設計層次劃分為三層，從底層向上分別為硬件層、系統層和應用層。下面對各層的功能進行簡單說明：

硬件層：硬件層通過接口來處理來自FPGA結算得到的相位差數據，以及與TFT用戶交互界面的硬件通信連接。

系統層：系統層通過uC/GUI來支持從底層的距離數據以及TFT用戶交互界面。并實現可拓展。

應用層：應用層基于uC/GUI，開發出一套基于激光測距系統的應用。

2.4 MATLAB掃描成像

我們將激光測距系統搭載在二維云臺上，通過STM32控制兩個舵機能夠在兩維平面進行掃描，記錄對應的轉角信息以及距離信息，最終形成一個二維空間的點云數據，將其導入電腦并使用matlab進行繪圖顯示，即實現對二維空間環境的掃描建模。

3 維激光雷達測繪系統創新點

（1）將傳統外接DDS芯片產生正弦波轉變為直接使用FPGA搭建數字DDS，極大地減少了外圍電路，而且能夠準確的獲取信號的相位信息，提高了計算精度。

（2）接收端的光電二極管將接收回來的信號進行模擬混頻、濾波轉變為使用高速AD采樣、數字混頻濾波，充分地使用數字信號的處理的方法，減少模擬電路的復雜性，使得系統得以小巧化。

（3）激光發射電路設計簡單，降低了復雜程度，器件也極易獲取，為該選項技術提供更廣闊的市場。

（4）將數字信號處理與FPGA的并行處理相結合，數據處理的速度較快，提高了連續不間斷重復測量的能力。