CN113176550B - 用于扫描振镜的帧同步方法和激光雷达 - Google Patents

用于扫描振镜的帧同步方法和激光雷达 Download PDF

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Abstract

本申请公开了用于扫描振镜的帧同步方法和激光雷达，该方法包括：获取参考信号的当前参考信号参数，所述参考信号参数包括参考信号周期和当前第一相位；获取扫描振镜沿其第一旋转轴的帧扫描信号的信号参数，所述帧扫描信号的信号参数包括帧扫描周期和当前第二相位；基于所述当前参考信号参数和所述当前扫描周期的帧扫描信号的信号参数确定所述参考信号与所述帧扫描信号的相位差；基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，以使所述下一扫描周期的帧扫描信号与所述参考信号趋于同步。实现了扫描振镜的实际帧扫描周期对外部帧同步信号的跟踪和同步。

Description

用于扫描振镜的帧同步方法和激光雷达
技术领域
本申请涉及激光探测领域，尤其涉及用于扫描振镜的帧同步方法和激光雷达。
背景技术
激光雷达可以探测目标与激光雷达所在地(比如车辆、低空飞行直升机、固定探测设备等)的相对距离，并收集探测目标表面大量密集的点的三维坐标、反射率等信息，复建出探测目标的三维模型。
固态激光雷达通常使用振镜来发射入射激光束和接收回波激光束。上述振镜可以包括轴和慢轴。在固态激光雷达工作时，振镜快轴通常处于谐振状态。随着温度变化和器件老化，振镜快轴的谐振频率会发生变化。为了保证扫描轨迹的温度，可以调整振镜慢轴的扫描频率以使由慢轴转动实现的帧扫描率与快轴的谐振频率共同漂移。
发明内容
本申请提供了一种用于扫描振镜的帧同步方法及激光雷达，通过将扫描振镜的帧扫描信号分为有效扫描周期和无效扫描周期，使用调节无效扫描周期的时长来将扫描振镜的帧扫描信号与外界参考帧信号实现同步，使得帧扫描信号的频率与扫描振镜的行扫描频率以及外界参考帧信号频率同时实现匹配。在保持帧扫描轨迹和扫描帧率的稳定的基础上，可以与外部周期性信号保持同步。
第一方面，本申请实施例提供了一种用于扫描振镜的帧同步方法，包括：获取参考信号的当前参考信号参数，所述参考信号参数包括参考信号周期和当前第一相位；获取扫描振镜沿其第一旋转轴的帧扫描信号的当前扫描周期的信号参数，所述帧扫描信号的信号参数包括帧扫描周期和当前第二相位；基于所述当前参考信号参数和所述当前扫描周期的帧扫描信号的信号参数确定所述参考信号与所述帧扫描信号的相位差；基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，以使所述下一扫描周期的帧扫描信号与所述参考信号趋于同步；其中所述帧扫描信号包括第一扫描阶段和第二扫描阶段，所述第一扫描阶段和所述第二扫描阶段各自对应的扫描时长均为所述扫描振镜沿其第二旋转轴的谐振扫描信号的谐振周期的整数倍。
第二方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，包括扫描振镜，激光雷达使用第一方面所述的用于扫描振镜的帧同步方法，将扫描振镜的帧扫描信号与和激光雷达协作的其他传感器的帧信号进行同步。
本申请实施例提供的用于扫描振镜的帧同步方法及激光雷达，通过将扫描振镜的帧扫描信号分为有效扫描周期和无效扫描周期，使用调节无效扫描周期的时长来将扫描振镜的帧扫描信号与外界参考帧信号实现同步，实现帧扫描信号的频率与扫描振镜的行扫描信号的频率以及外界参考帧信号的频率同时实现匹配。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本申请实施例提供的用于扫描振镜的帧同步方法的一个示意性流程图；
图2为现有扫描振镜的扫描曲线示意图；
图3为本申请实施例提供的于扫描振镜的帧同步方法的一个示意性原理图；
图4为图3所示的示意性原理图中的扫描振镜的示意性帧扫描信号图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请结合图1，图1示出了本申请实施例提供的用于扫描振镜的帧同步方法的一个示意性流程图。
如图1所示，该用于扫描振镜的帧同步方法，包括如下步骤：
步骤101，获取参考信号的当前参考信号参数。
上述参考信号参数包括参考信号周期和当前第一相位。这里的参考信号周期指的参考信号周期所对应的时长。上述当前第一相位是指的参考信号的当前相位，用于与候选的扫描振镜的帧扫描信号的当前相位进行区分。
上述参考信号可以是用于与扫描振镜之外的传感器进行帧信号同步的信号。例如摄像头的帧信号，或者其他雷达的帧信号等。此外，上述参考信号还可以用于扫描振镜的帧信号与其他传感器的帧信号进行同步的第三方时钟信号等。
当激光雷达用于自动驾驶车辆时，为了判断前方的障碍物，需要激光雷达与其他传感器进行配合处理。也就是要激光雷达与其他传感器的原始数据进行融合。激光雷达与其他传感器进行配合处理时，需要激光雷达采集信号的频率(周期)与其他传感器所采集的信号的频率(周期)匹配。
固态激光雷达中与信号采集频率相关的主要部件为扫描振镜。扫描振镜包括快轴和慢轴。固态激光雷达处于扫描工作状态时，快轴一般工作在谐振模式，可以用于行扫描。这里的行扫描可以是水平往复的行扫描。
慢轴一般工作在非谐振模式，用于帧扫描。帧扫描可以是上下往复的扫描。
此外，行扫描还可以是上下往复的行扫描。帧扫描可以是水平往复的扫描。
也即行扫描的扫描方向可以与帧扫描的扫描方向互相垂直。
用于激光雷达的扫描振镜的快轴往往工作在谐振模式。谐振模式具有频率高、增益高、功耗低的优点。但是谐振模式存在的问题是：由于温度变化和器件老化，谐振频率会发生变化。为了保证扫描轨迹的稳定，现有技术中是以牺牲帧率的稳定性，使帧频率跟随谐振频率以一定比例共同漂移。
但是，这会限制雷达有进行多传感器数据融合时的应用，因为其他传感器大多会使用固定帧率来产生数据。
为了解决上述问题，可以使用本申请提供的帧同步方法。
步骤102，获取扫描振镜沿其第一旋转轴的帧扫描信号的当前扫描周期的信号参数。
帧扫描信号的信号参数包括帧扫描周期和帧扫描信号的当前第二相位。
这里的第一旋转轴可以是扫描振镜的慢轴。扫描振镜还可以包括第二旋转轴。第二旋转轴可以是扫描振镜的快轴。第一旋转轴和第二旋转轴可以互相垂直。当前扫描振镜可以工作在沿其第二旋转轴的谐振状态下。
这里的扫描振镜沿其第一旋转轴的帧扫描信号的当前扫描周期是指，在其当前工作状态下的帧扫描信号的扫描周期时长。也即，在当前温度，当前器件的工作状态下的帧扫描信号扫描周期时长。这个可以通过在预设时间段内统计扫描振镜的帧扫描信号的往复数量来确定。
这里的帧扫描信号的第二相位可以是帧扫描信号在当前的扫描周期内的相位。
在本实施例中，可以将帧扫描信号的扫描周期设置为扫描振镜的行扫描信号(谐振扫描信号)的谐振周期的整数倍。这里的整数倍例如可以为5倍、10倍、20倍等。可以根据实际的应用场景进行设置，此处不进行限制。
步骤103，基于当前参考信号参数和当前扫描周期的帧扫描信号的信号参数确定参考信号与帧扫描信号的相位差。
通常，在初始设置时，参考信号的帧周期可以与扫描振镜的帧周期是相同的。由于扫描振镜的快轴工作在谐振模式时，谐振模式随着温度或者器件本身老化的原因，使得快轴谐振周期发生变化。而参考信号的帧周期通常不会发生变化。如果调整扫描振镜的帧扫描信号的扫描周期与快轴谐振周期匹配，则会发生扫描振镜的帧扫描信号与外界参考信号的帧周期不匹配；如果保持扫描振镜的帧扫描信号的周期不变，可以与外界参考信号的帧周期匹配，但是又会发生扫描振镜得到的多个帧扫描信号各自包括的扫描线的数量(也即扫描轨迹)可能不相同的现象。
为了使扫描振镜的帧扫描周期既与谐振周期匹配，又与上述参考信号的帧周期匹配，在本实施例中，可以将帧扫描信号分为第一扫描阶段和第二扫描阶段。
在一些可选的实现方式中，在步骤101之前，上述用于扫描振镜的帧同步方法还包括如下步骤：
第一，将扫描振镜的帧扫描周期分为多个谐振周期；
第二，将扫描振镜的帧扫描周期分为第一扫描阶段和第二扫描阶段。
所述第一扫描阶段与所述第二扫描阶段均包括数个所述谐振周期；其中第二扫描阶段的扫描时长固定为扫描振镜谐振周期的预设倍数。第一扫描阶段沿第一扫描方向进行扫描，所述第二扫描阶段沿第二扫描方向进行扫描，所述第一扫描方向与所述第二扫描方向相反。
第一扫描阶段和第二扫描阶段各自对应的扫描时长为扫描振镜沿其第二旋转轴的谐振扫描信号的谐振周期的整数倍。
可以设置扫描振镜的帧扫描信号的第二扫描阶段的时长与谐振周期的比例长保持不变。也即帧扫描信号的第二扫描阶段对应的扫描时长为上述谐振周期的倍数K保持不变。因为短期内谐振周期不会发生编号，因此，第二扫描阶段的扫描时长也可以认为短期内保持不变。由于有效扫描阶段对应的上述K值保持不变，就能在生成帧扫描参考波形时使得每一帧的有效扫描阶段的波形保持一致。使用伺服控制，就能使有效扫描阶段的扫描轨迹在帧与帧之间保持一致，从而实现了轨迹稳定。
可以设置第二扫描阶段为有效扫描阶段，第一扫描阶段为无效扫描阶段。以扫描振镜的帧扫描信号上下往复扫描为例，对于每一帧帧扫描信号，该帧扫描信号的第二扫描阶段例如可以是帧扫描信号从上往下扫描的阶段；第一扫描阶段例如可以为扫描振镜的帧扫描信号从下往上扫描的阶段。此外，该帧扫描信号的第一扫描阶段还可以是帧扫描信号从上往下扫描的阶段；第二扫描阶段可以为扫描振镜的帧扫描信号从下往上扫描的阶段。
这里将第二扫描阶段设置为有效扫描阶段，意味着，在对外界信号进行探测时，帧扫描信号中将第二扫描阶段所探测到的信号作为有效探测信号。这里的第二扫描阶段的时长可以大于第一扫描阶段的时长。例如当一帧扫描信号包括10s时，第一扫描阶段的扫描时长例如可以为2s，3s等。第二扫描阶段的扫描时长例如可以为8s，7s等。将第二扫描阶段的扫描时长设置的大于第一扫描阶段的扫描时长，可以使得有效扫描阶段的探测信号较多，可以起到有效探测外界信号的效果。
可以通过参考信号的当前参考信号参数与帧扫描信号的信号参数，确定参考信号与扫描振镜的帧扫描信号的相位差。
作为示意性说明，在当前时刻，参考信号的信号周期例如可以为5s，参考信号的在当前周期中已经运行了3s，也即参考信号的当前第一相位为θ1＝3/5×360°＝216°。扫描振镜的帧扫描信号的信号周期例如可以为6s，参考信号的在当前周期中已经运行了3.4s，也即扫描振镜的帧扫描信号的当前第二相位为θ2＝3.4/6×360°＝204°。二者的相位差可以为θ1-θ2＝216°-204°＝12°。
步骤104，基于上述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，以使下一扫描周期的帧扫描信号与参考信号趋于同步。
在本实施例中，为了使参考信号与扫描振镜的帧扫描信号同步，需要减少参考信号与扫描振镜的帧扫描信号之间的绝对相位差。可以通过调节帧扫描信号的第一扫描阶段的时长来调节参考信号与扫描振镜的帧扫描信号之间的绝对相位差。
由于第一扫描阶段为无效扫描阶段，也即扫描振镜的第一扫描阶段所探测到的信号可以视为无效信号。另外也因为第二扫描阶段的时长设置的足够长，因此，在将第一扫描阶段设置为无效扫描阶段时，可以不影响激光雷达的探测效果。
第一扫描阶段的时长可以进行调整，以使得包括第一扫描阶段和第二扫描阶段的帧扫描信号与参考信号的趋于同步。
在一些应用场景中，上述基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，可以包括：基于所述相位差对所述第一扫描阶段对应的扫描时长增加或减少预设数量的所述谐振周期。
仍以上述参考信号的当前第一相位为θ1＝216°，扫描振镜的帧扫描信号的当前第二相位为θ2＝204°。二者的相位差为12°。也即扫描振镜的帧扫描信号与参考信号相比，相位延迟了12°。可以通过减少下一扫描周期中的第一扫描阶段的时长的方式，使得在下一扫描周期中参考信号与扫描振镜的帧扫描信号趋于同步。假设扫描振镜快轴的谐振周期为0.3s，则扫描振镜的下一扫描周期的第一扫描阶段的时长可以减少0.3s。以扫描振镜的上一帧扫描周期时长为6s，上一帧扫描周期的第一扫描阶段的时长为1.2s，第二扫描阶段的时长为4.8s为例，在下一扫描周期中，第一扫描阶段的时长可以为1.2-0.3＝0.9s，第二扫描阶段的时长可以为4.8s。以此类推，可以通过扫描振镜在上一扫描周期中帧扫描信号与参考信号的相位差，来调整扫描振镜的下一扫描周期中的帧扫描信号的第一扫描阶段的扫描时长。
在步骤104中，可以使用预设无差控制器根据上述相位差来确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长。
这里的无差控制器例如可以包括积分控制器、锁相环控制器等。
请参考图2，其示出了现有扫描振镜的扫描曲线示意图。
实际上扫描振镜扫描得到的扫描轨迹是点云图。按照扫描振镜扫描轨迹将各点连接起来可以得到图2所示的扫描振镜的扫描曲线。扫描振镜在快轴与慢轴共同作用下对外界物体进行扫描。快轴扫描频率可以为862.5Hz，光学扫描角度可以为30°。慢轴扫描频率可以为12.5Hz，光学扫描角可以为27.2°。通常希望扫描振镜的扫描曲线的线数保持恒定。通常快轴扫描频率与慢轴扫描频率之比为扫描曲线所包括的扫描线线数。也即慢轴扫描周期与快轴扫描周期之比为扫描振镜的扫描曲线所包括的扫描线线数。快轴扫描周期例如可以为扫描曲线从左至右再回到左为一个快轴扫描周期(如图所示T1)。慢轴扫描周期可以为扫描曲线从上至下，再由下至上为一个慢轴扫描周期(如图所示T2)。如图2所示，现有技术中通常将慢轴的扫描曲线从上至下设置为T2/2。
请结合图3和图4，其示出了本申请的用于扫描振镜的帧同步方法一种原理性示意图。图4示出了图3所示的示意性原理图中的扫描振镜的示意性帧扫描信号图。
从物理性质上来说，金属存在热胀冷缩、杨氏模量存在温度系数，扫描振镜快轴由于工作在谐振状态，快轴的扫描频率在温度升高时频率上升，在温度下降时下降(按照理论分析，频率波动在2％左右，实际会更大)。
为了使得扫描振镜保持不变的扫描轨迹，以及扫描振镜帧扫描信号扫描帧率稳定，可以与外部周期性信号保持同步。可以将慢轴的扫描分为无效扫描周期和有效扫描周期。
以帧扫描为上下往复为例进行说明，按帧扫描运动的方向将一个扫描周期分为上行部分与下行部分，例如以下行部分为有效扫描阶段,以上行部分为无效扫描阶段(反之亦可)。
上行部分的时长与下行部分的时长均为快轴(谐振轴)扫描周期(谐振周期)的整数倍，倍数分别设为p和q,在有效行程的起始时刻作为帧开始时刻。p和q分别为大于等于1的正整数。
以外部(此处的部分是相对扫描器控制而言，可以雷达以外，也可以是雷达系统中其他模块产生)的帧同步信号的相位为参考量，以扫描振镜的帧扫描信号的相位信息为反馈量；
将帧扫描周期按照快轴的谐振周期(T1)为单位进行离散化处理。将离散化后的帧扫描周期分为有效扫描阶段(也即上文所述第二扫描阶段)和无效扫描阶段(也即上文所述第一扫描阶段)。有效扫描阶段的时长为qⅹT1；无效扫描阶段的时长为pⅹT1。固定q的取值不变。p的取值可调整。
可以采用任意的无差控制器，以无效扫描阶段对应的离散化时长(此处为pⅹT1)为无差控制器的控制输出，来实现扫描振镜的帧扫描信号与外界参考信号同步。
具体地，可以根据参考信号的当前参考信号参数，确定参考信号的参考信号周期和当前第一相位。然后根据扫描振镜的第t个帧扫描周期的帧扫描信号的信号参数确定扫描振镜的第t个帧扫描周期的帧扫描信号的第二相位。根据上述当前第一相位和第t个帧扫描周期的帧扫描信号的第二相位确定第t个帧扫描周期时参考信号与扫描振镜的帧扫描信号的相位差。将上述相位差输入到无差控制器中，由无差控制器确定扫描振镜的第t+1个帧扫描周期的第一扫描阶段(无效扫描阶段)对应的时长。然后由第t+1个帧扫描周期的第一扫描阶段对应的时长与当前扫描振镜工作状态下确定的帧扫描周期的第二扫描阶段(有效扫描阶段)对应的时长，确定第t+1个帧扫描周期对应的时长。然后生成扫描振镜的第t+1个帧扫描周期的第二相位。然后将扫描振镜的第t+1个帧扫描周期的第二相位与参考信号的第一相位确定第t+1个帧扫描周期时参考信号与扫描振镜的帧扫描信号的相位差。如此往复，通过不断调整扫描振镜的第一扫描阶段(无效扫描阶段)的时长，使得扫描振镜的帧扫描信号与参考信号趋于同步。上述方案实现了扫描帧率的稳定，通过闭环反馈调节无效扫描阶段时长，实现了扫描振镜的实际帧扫描周期对外部帧同步信号的跟踪和同步。
另外，由于确定有效扫描阶段的时长qⅹT1中的q值是定值，就能在生成参考波形时使得每一帧扫描信号的有效扫描阶段的波形保持一致，使用伺服控制，就能使有效扫描阶段的扫描轨迹在帧与帧之间保持一致，从而实现了轨迹稳定。
在一些应用场景中，驾驶扫描振镜的快轴频率为1000Hz，慢轴扫描频率为50Hz。则通常一帧扫描曲线包括20条扫描线。扫描振镜的帧周期可以为扫描振镜从上往下扫一次，再从下面扫描上去。当快轴的谐振频率漂移时，例如谐振频率由1000Hz变为800Hz，为了保持一帧扫描曲线所包括扫描线的条数不变，通常的做法是将慢轴的扫描频率调整为40Hz。但是40Hz的帧频又不能与外部的周期信号进行匹配。为了与外部信号匹配还是希望扫描振镜的帧扫描频率还是在50Hz附近。也即帧扫描信号的频率决定了扫描一整个周期的时间。通常的做法是，在谐振频率由1000Hz变为800Hz时，为了保持帧扫描曲线中的扫描线数不变，则慢轴扫描频率也相应发生变化，调整至40Hz。这样使得整个帧扫描信号的帧周期变长。为了与外部信号匹配，可以让有效扫描阶段的时间不变，让无效扫描阶段的扫描速度加快，加快的速度由参考信号的周期以及谐振周期的变化结果确定。在加快无效扫描阶段的速度之后，扫描振镜的帧扫描信号的帧周期大体不变，总体上可以保持50Hz。从而可以是实现在保持扫描振镜的扫描轨迹大体不变的情况下，可以与扫描振镜的帧扫描信号与外界同步周期信号实现同步。
本申请提供的用于扫描振镜的帧同步方法，通过将扫描振镜的帧扫描信号分为有效扫描周期和无效扫描周期，使用调节无效扫描周期的时长来将扫描振镜的帧扫描信号与外界参考帧信号实现同步，使得帧扫描信号的频率与扫描振镜的行扫描频率以及外界参考帧信号频率同时实现匹配。在保持帧扫描轨迹和扫描帧率的稳定的基础上，可以与外部周期性信号保持同步。
此外，本申请实施例还提供了一种激光雷达。该激光雷达包括扫描振镜。激光雷达可以用图1所示实施例提供的用于扫描振镜的帧同步方法，将所述扫描振镜的帧扫描信号与和激光雷达协作的其他传感器的帧信号进行同步。
这里的激光雷达可以为固态激光雷达等。
上述激光雷达可以用于自动驾驶车辆等。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种用于扫描振镜的帧同步方法，包括：
获取参考信号的当前参考信号参数，所述参考信号参数包括参考信号周期和当前第一相位；
获取扫描振镜沿其第一旋转轴的帧扫描信号的信号参数，所述帧扫描信号的信号参数包括帧扫描周期和当前第二相位；
基于所述当前参考信号参数和当前扫描周期的帧扫描信号的信号参数确定所述参考信号与所述帧扫描信号的相位差；
基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，以使所述下一扫描周期的帧扫描信号与所述参考信号趋于同步；其中
所述帧扫描信号包括第一扫描阶段和第二扫描阶段，所述第一扫描阶段和所述第二扫描阶段各自对应的扫描时长均为所述扫描振镜沿其第二旋转轴的谐振扫描信号的谐振周期的整数倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二扫描阶段的时长与所述谐振周期的比例保持不变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二扫描阶段的扫描时长大于所述第一扫描阶段的扫描时长。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述获取参考信号的当前参考信号参数之前，所述方法还包括：
将所述帧扫描周期分为多个谐振周期；
将帧扫描周期分为第一扫描阶段和第二扫描阶段，所述第一扫描阶段与所述第二扫描阶段均包括数个所述谐振周期；其中第二扫描阶段的扫描时长固定为谐振周期的预设倍数；第一扫描阶段沿第一扫描方向进行扫描，所述第二扫描阶段沿第二扫描方向进行扫描，所述第一扫描方向与所述第二扫描方向相反。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，包括：
利用预设无差控制器根据所述相位差确定所述帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设无差控制器包括积分控制器、锁相环控制器。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述相位差确定帧扫描信号的第一扫描阶段在下一扫描周期的扫描时长，包括：
基于所述相位差对所述第一扫描阶段对应的扫描时长增加或减少预设数量的所述谐振周期。
8.一种激光雷达，包括扫描振镜，其特征在于，所述激光雷达用所述权利要求1-7之一所述的用于扫描振镜的帧同步方法，将所述扫描振镜的帧扫描信号与和激光雷达协作的其他传感器的帧信号进行同步。
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