CN113341399B - 基于gnss信号的激光雷达的同步收发控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制电脑和第一GNSS模块，激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，本发明还公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。本发明利用GNSS信号同步的激光雷达发射单元和激光雷达接收单元来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。

Description

基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，具体涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。
背景技术
激光雷达在大气探测中发挥着重要的作用。激光雷达通过发射模块向天空中发射激光脉冲，激光脉冲与大气中的物质相互作用后产生后向散射波并通过接收望远镜接收，然后通过光纤传输到检测模块经过检测处理后得到大气的密度、温度、风场等信息。
激光雷达是通过接收到回波信号的时延分辨来自不同高度的回波信号。设激光发出脉冲时，该时刻为t1，经过一段时间后，采集卡采集到回波信号，并记录下该时刻t2，接收到的回波信号对应的高度H则为：
其中c为光速，除以2是因为信号在大气中传播了一个来回。由于无法直接得到回波信号的高度，只能通过上面的计算间接得到，所以必须确保时间t1为脉冲出激光器的时刻，t2为采集卡接收到回波信号的时刻。通常激光器一秒钟发出几十个脉冲，采集卡每次采集时间持续几百微秒。一秒钟内，激光雷达工作时间只有十毫秒左右。
现有激光雷达系统为了确保得到正确的时延，通过数据线将采集卡和激光器连接起来，激光器发出激光脉冲的同时会发出一个电信号通过数据线传输到采集卡，采集卡记录下接收到该信号的时间并开始采集回波信号。由于必须将发射和接收系统用数据线连接起来，而数据线长度有限，无法实现异地接收发射的同步。另外，如果需要探测同一地点高空大气的多种属性，需要多台激光雷达系统共同工作，而不同的激光雷达系统之间会形成串扰(一台激光雷达发出的光脉冲产生的回波信号进入另一台激光雷达，而不同的激光雷达系统需要不同的信号处理装置)。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在以上问题，提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用GNSS信号同步的激光雷达发射装置和激光雷达接收装置来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。本发明利用两个原子钟生成了两个高精度的时间表(时间精度在纳秒级)，并通过接收GNSS授时信号将两个高精度时间表同步，并利用控制电脑和脉冲发生器实现同步收发。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制电脑和第一GNSS模块，第一时序控制器分别与第一原子钟、脉冲激光器、第一控制电脑以及第一GNSS模块连接，脉冲激光器出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，
激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，第二时序控制器分别与第二原子钟、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置、以及第二GNSS模块连接，第二控制电脑与激光雷达信号采集装置连接，激光雷达信号采集装置通过接收望远镜采集回波信号。
基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，包括以下步骤：
步骤一：连接第一原子钟和第一时序控制器，然后连接第二原子钟和第二时序控制器；
步骤二：通过第一GNSS模块和第二GNSS模块接收GNSS卫星信号，第一GNSS模块每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第一时序控制器，第二GNSS模块每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第二时序控制器，
步骤三：第一时序控制器根据第一GNSS模块输出的GNSS秒脉冲信号和第一原子钟输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；第二时序控制器根据第二GNSS模块输出的GNSS秒脉冲信号和第二原子钟输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；
步骤四：连接第一控制电脑和第一时序控制器，然后连接第二控制电脑和第二时序控制器，第一控制电脑的时间与第一时序控制器的内部时间同步，第二控制电脑与第二时序控制器的内部时间同步，用第一控制电脑和第二控制电脑设定所需的相同触发时刻和相同触发间隔，
步骤五：连接第一时序控制器和脉冲激光器，连接第二时序控制器和激光雷达信号采集装置，
步骤六：用第一控制电脑和第二控制电脑分别控制第一时序控制器和第二时序控制器在相同触发时刻和相同触发间隔发出触发信号，第一时序控制器发出的触发信号触发脉冲激光器发出脉冲激光，第二时序控制器发出的触发信号触发激光雷达信号采集装置开始采集回波信号，连接激光雷达信号采集装置和第二控制电脑，采集到的回波信号存储到第二控制电脑。
如上所述的基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置为多套，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的发射脉冲激光的时间错开，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的采集回波信号的时间错开。
本发明相对与现有技术，具有以下优势：
本发明实现了基于原子钟和GNSS信号的时间数据生成基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，可以用电脑精确控制脉冲激光的发射和回波信号的接收。本发明可以应用于大型车载激光雷达中，当激光雷达发射装置和激光雷达接收装置相隔较远，使用数据线连接不方便时，也可以实现同步收发，打破了激光雷达发射装置和激光雷达接收装置之间不能相隔太远的限制，可以实现异地接收和发射的同步控制。还可以实现同一地点多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作，且相互之间不形成串扰。
附图说明
图1为基于GNSS信号和原子钟所生成时序表的原理图；
图2为基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的结构示意图，左侧表示激光雷达发射单元的结构示意图，右侧表示激光雷达接收单元的结构示意图，激光雷达发射单元和激光雷达接收单元均不包括卫星群。
图中：1-脉冲激光器；2-第一原子钟；3-第一时序控制器；4-第一控制电脑；5-第一GNSS模块；6-第一导航卫星群；7-接收望远镜；8-第二原子钟；9-第二时序控制器；10-第二控制电脑；11-激光雷达信号采集装置；12-第二GNSS模块；13-第二导航卫星群；
图3为多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置工作时，回波信号与时间的关系图。
图中：14-第一套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的回波信号；15-第二套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的回波信号；16-第一套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的回波信号采集时间；17-第二套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的回波信号采集时间。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明基于GNSS模块和原子钟的时间数据实现激光雷达发射单元和激光雷达接收单元的时间同步，用控制电脑设置特定的时间参数，然后通过时序控制器生成脉冲信号以触发脉冲激光器和激光雷达信号采集装置。
基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元。
激光雷达发射单元包括脉冲激光器1、第一原子钟2、第一时序控制器3、第一控制电脑4和第一GNSS模块5，第一时序控制器3分别与第一原子钟2、脉冲激光器1、第一控制电脑4以及第一GNSS模块5连接，脉冲激光器1出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，
激光雷达接收单元包括接收望远镜7、第二原子钟8、第二时序控制器9、第二控制电脑10、激光雷达信号采集装置11和第二GNSS模块12，第二时序控制器9分别与第二原子钟8、第二控制电脑10、激光雷达信号采集装置11、以及第二GNSS模块12连接，第二控制电脑10与激光雷达信号采集装置11连接，激光雷达信号采集装置11通过接收望远镜7采集回波信号。
基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用上述基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括以下步骤：
步骤一：连接第一原子钟2和第一时序控制器3，然后连接第二原子钟8和第二时序控制器9，这时在第一时序控制器3和第二时序控制器9中生成了间隔为纳秒的内部时间；
步骤二：通过第一GNSS模块5和第二GNSS模块12接收GNSS(北斗、GPS、伽利略或格洛纳斯)卫星信号，并通过第一GNSS模块5和第二GNSS模块12的内置芯片调解出GNSS秒脉冲信号。第一GNSS模块5和第二GNSS模块12输出的信号是GNSS秒脉冲信号，第一GNSS模块5每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第一时序控制器3，第二GNSS模块12每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第二时序控制器9，GNSS秒脉冲信号包括时间数据。时间数据根据NMEA-0183协议，内容包括年、月、日、时、分、秒、毫秒。
步骤三：第一时序控制器3根据第一GNSS模块5输出的GNSS秒脉冲信号和第一原子钟2输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号，第二时序控制器9根据第二GNSS模块12输出的GNSS秒脉冲信号和第二原子钟9输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号。
同步过程为：第一时序控制器3和第二时序控制器9的内部时间分别由第一原子钟2和第二原子钟8输出的时间信号计时，以第一时序控制器3为例，第一时序控制器3在第一原子钟2的时间信号t2附近接收到来自GNSS模块的GNSS秒脉冲信号，GNSS秒脉冲信号内的时间信息为2021年1月1日0时0分0秒，那么第一原子钟的时间信号t2对应的时间就是2021年1月1日0时0分0秒，如果第一原子钟的最小分辨率为1ns，那么第一原子钟的下一个时间信号t3对应的时间就是2021年1月1日0时0分1纳秒；第二时序控制器9同理。
步骤四：连接第一控制电脑4和第一时序控制器3，然后连接第二控制电脑10和第二时序控制器9，第一控制电脑4的时间与第一时序控制器3的内部时间同步，第二控制电脑10与第二时序控制器9的内部时间同步，用第一控制电脑4和第二控制电脑10设定所需的相同触发时刻和相同触发间隔。
步骤五：连接第一时序控制器3和脉冲激光器1，连接第二时序控制器9和激光雷达信号采集装置11。
步骤六：通过上述相同触发时刻和相同触发间隔，用第一控制电脑4和第二控制电脑10分别控制第一时序控制器3和第二时序控制器9在相同触发时刻和相同触发间隔发出触发信号。第一时序控制器3发出的触发信号触发脉冲激光器1发出脉冲激光，第二时序控制器9发出的触发信号触发激光雷达采集装置11开始采集回波信号，连接第二控制电脑10和激光雷达采集装置11，采集到的回波信号数据存储在第二控制电脑上。
步骤七：避免信号串扰的方式为：在已经实现同一套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置内收发同步控制的基础上，通过操作不同的基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制的第一控制电脑5和第二控制电脑11，来分开不同第一套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置和第二套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的工作时间，即多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的发射脉冲激光的时间错开，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的采集回波信号的时间错开，避免不同基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的回波信号形成干扰。多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置工作时，回波信号的采集时间的关系图如图3所示。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器（1）、第一原子钟（2）、第一时序控制器（3）、第一控制电脑（4）和第一GNSS模块（5），第一时序控制器（3）分别与第一原子钟（2）、脉冲激光器（1）、第一控制电脑（4）以及第一GNSS模块（5）连接，脉冲激光器（1）出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，
激光雷达接收单元包括接收望远镜（7）、第二原子钟（8）、第二时序控制器（9）、第二控制电脑（10）、激光雷达信号采集装置（11）和第二GNSS模块（12），第二时序控制器（9）分别与第二原子钟（8）、第二控制电脑（10）、激光雷达信号采集装置（11）、以及第二GNSS模块（12）连接，第二控制电脑（10）与激光雷达信号采集装置（11）连接，激光雷达信号采集装置（11）通过接收望远镜（7）采集回波信号，
其特征在于，上述方法包括以下步骤：
步骤一：连接第一原子钟（2）和第一时序控制器（3），然后连接第二原子钟（8）和第二时序控制器（9）；
步骤二：通过第一GNSS模块（5）和第二GNSS模块（12）接收GNSS卫星信号，第一GNSS模块（5）每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第一时序控制器（3），第二GNSS模块（12）每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第二时序控制器（9），
步骤三：第一时序控制器（3）根据第一GNSS模块（5）输出的GNSS秒脉冲信号和第一原子钟（2）输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；第二时序控制器（9）根据第二GNSS模块（12）输出的GNSS秒脉冲信号和第二原子钟（8）输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；
步骤四：连接第一控制电脑（4）和第一时序控制器（3），然后连接第二控制电脑（10）和第二时序控制器（9），第一控制电脑（4）的时间与第一时序控制器（3）的内部时间同步，第二控制电脑（10）与第二时序控制器（9）的内部时间同步，用第一控制电脑（4）和第二控制电脑（10）设定所需的相同触发时刻和相同触发间隔，
步骤五：连接第一时序控制器（3）和脉冲激光器（1），连接第二时序控制器（9）和激光雷达信号采集装置（11），
步骤六：用第一控制电脑（4）和第二控制电脑（10）分别控制第一时序控制器（3）和第二时序控制器（9）在相同触发时刻和相同触发间隔发出触发信号，第一时序控制器（3）发出的触发信号触发脉冲激光器（1）发出脉冲激光，第二时序控制器（9）发出的触发信号触发激光雷达信号采集装置（11）开始采集回波信号，连接激光雷达信号采集装置（11）和第二控制电脑（10），采集到的回波信号存储到第二控制电脑（10），
所述的基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置为多套，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的发射脉冲激光的时间错开，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的采集回波信号的时间错开。
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