CN113534187A - 基于盖革apd阵列激光雷达的数据处理系统 - Google Patents

基于盖革apd阵列激光雷达的数据处理系统 Download PDF

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Abstract

一种基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，属于雷达数据处理技术领域。本发明针对现有对盖革APD阵列激光雷达探测数据的处理时效性差的问题。包括：FPGA，用于通过Camera Link接口电路接收激光器中GM‑APD探测器探测得到的阵列激光雷达图像帧数据；并将DSP传递的激光成像图像经Camera Link接口电路传递至上位机；DSP，采用uPP总线接口与FPGA进行数据传输；用于接收阵列激光雷达图像帧数据，并进行高速浮点运算，得到激光成像图像；还用于根据所述激光成像图像，对伺服系统输出逻辑控制信号。本发明用于盖革APD阵列激光雷达在实时性应用场景下的嵌入端数据处理。

Description

基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统
技术领域
本发明涉及基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，属于雷达数据处理技术领域。
背景技术
作为一种主动成像技术，激光雷达已经成为现代目标探测领域的研究热点。激光雷达采用激光作为光源，利用激光的高亮度、高单色性、高相干性、高峰值功率等特点，继承、改进了传统微波雷达的相关信号处理技术，从而获得了比微波雷达更高的距离分辨率、角度分辨率、时间分辨率和测距精度。此外激光雷达的抗干扰能力更强，因此其安全性、稳定性和保密性可以得到保障。
然而作用距离一直是掣肘激光雷达发展的关键性问题，作用距离的增大会减弱探测器接收的回波能量。在这一背景之下，光子计数激光雷达的发展，为远距离弱光探测提供了可行性方案。这种激光雷达使用基于盖革模式的雪崩光电二极管作为探测器，并同时使用光子计数技术。因此，盖革APD阵列激光雷达拥有单光子灵敏度与亚皮秒量级的时间分辨率，可以对远距离、弱信号目标进行探测。
当前在针对盖革APD阵列激光雷达所获取数据的处理研究中，普遍没有考虑某些实时应用场景的需求；而是只简单地通过探测器获取数据，接着将数据采集到PC端，然后在PC端采用软件算法实现数据处理，这种数据处理方式具有相当的滞后性。随着盖革APD阵列激光雷达的应用场景越来越广，对于某些嵌入式系统来说，需要满足实时性，因此要求在探测器获取数据的同时在嵌入端快速完成数据的处理。
因此，为应对实时性应用场景的需求，需要设计一种能够及时处理探测数据的系统。
发明内容
针对现有对盖革APD阵列激光雷达探测数据的处理时效性差的问题，本发明提供一种基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统。
本发明的一种基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，包括，
FPGA，用于通过Camera Link接口电路接收激光器中GM-APD探测器探测得到的阵列激光雷达图像帧数据；并将DSP传递的激光成像图像经Camera Link接口电路传递至上位机；
DSP，采用uPP总线接口与FPGA进行数据传输；用于接收阵列激光雷达图像帧数据，并进行高速浮点运算，得到激光成像图像；还用于根据所述激光成像图像，对伺服系统输出逻辑控制信号。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，所述Camera Link接口电路包括解码电路和编码电路，解码电路将阵列激光雷达图像帧数据的LVDS信号转换成为3.3V的LVTTL信号传递至FPGA；编码电路将激光成像图像的3.3V LVTTL信号转换为LVDS信号传递至上位机。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，还包括，
DDR3，用于通过EMIF总线读取激光成像图像并进行存储。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，FPGA还用于通过RS422总线获取激光器的状态，并对激光器进行逻辑控制。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，所述DSP通过RS422总线向伺服系统输出逻辑控制信号，DSP还通过RS422总线获取伺服系统的设备状态。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，还包括，
时钟，包括两个提供给FPGA的有源晶振和三个提供给DSP的有源晶振，用于向FPGA和DSP提供工作时序控制信号。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，还包括，
电源，用于向FPGA和DSP提供工作电压。
根据本发明的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，所述上位机用于通过仿真软件获取GM-APD探测器的参考测试数据，并与激光成像图像进行对比，进行激光成像图像的精度验证。
本发明的有益效果：本发明适用于盖革APD阵列激光雷达在实时性应用场景下的嵌入端数据处理。
本发明中，激光探测器通过接插件将差分信号传输给Camera Link接口电路，经解码后将得到的单端信号传输至FPGA，FPGA通过uPP接口将数据传输到DSP，DSP对图像数据进行高速浮点运算从而完成目标探测功能。DSP也能将处理后的数据回传给FPGA，然后FPGA通过Camera Link接口的编码电路将单端信号转换成差分信号并传输给上位机进行测试验证。其中实现了FPGA和DSP与外部激光器和伺服系统的串口通信功能，还实现了对外部设备的状态获取和逻辑控制，从而搭建起整个嵌入式系统的应用架构，完成与外部激光器和伺服控制电路的协同工作。
采用本发明提供的系统架构，可实现对激光雷达探测数据的实时处理，满足数据处理的时效性需求，提高盖革APD阵列激光雷达在实时应用场景的适用性。
附图说明
图1是本发明所述基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一、结合图1所示，本发明提供了一种基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，包括，
FPGA，用于通过Camera Link接口电路接收激光器中GM-APD探测器探测得到的阵列激光雷达图像帧数据；并将DSP传递的激光成像图像经Camera Link接口电路传递至上位机；
DSP，采用uPP总线接口与FPGA进行数据传输；用于接收阵列激光雷达图像帧数据，并进行高速浮点运算，得到激光成像图像；还用于根据所述激光成像图像，对伺服系统输出逻辑控制信号。
uPP总线接口作为FPGA和DSP通信连接的接口协议，可以完成FPGA和DSP之间图像数据的高速传输。DSP通过高速浮点运算，得到激光成像图像，实现了点目标的探测功能。
进一步，结合图1所示，所述Camera Link接口电路包括解码电路和编码电路，解码电路即信号接收电路，将阵列激光雷达图像帧数据的LVDS信号转换成为3.3V的LVTTL信号传递至FPGA进行后续处理；编码电路即信号发送电路，将激光成像图像的3.3V LVTTL信号转换为LVDS信号传递至上位机，供上位机进行测试验证。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括DDR3，用于通过EMIF总线读取激光成像图像并进行存储。
DDR3作为DSP的外接存储电路，用于满足大量数据的缓存需求，解决DSP片上存储器资源匮乏的问题。
再进一步，结合图1所示，FPGA还用于通过RS422总线获取激光器的状态，并对激光器进行逻辑控制。
再进一步，结合图1所示，所述DSP通过RS422总线向伺服系统输出逻辑控制信号，DSP还通过RS422总线获取伺服系统的设备状态。
RS422总线作为电平转换电路，用于满足FPGA同外部激光器以及DSP同伺服系统的异步串口通信需求，实现电路对外部设备的状态获取和逻辑控制。
本实施方式中包括两个RS422电平转换电路，一个RS422电平转换电路完成FPGA与外部激光器的串口通信，实现电路对激光器的状态获取和逻辑控制，其中RS422串口协议要在FPGA内实现；另一个RS422电平转换电路完成DSP与外部伺服系统的串口通信，实现电路对伺服系统的状态获取和逻辑控制。本实施方式通过两个RS422模块，实现了数据处理系统与外部激光器和伺服系统的协同工作。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括时钟，包括两个提供给FPGA的有源晶振和三个提供给DSP的有源晶振，用于向FPGA和DSP提供工作时序控制信号，满足FPGA和DSP芯片正常工作的时序需求。
提供给FPGA的晶振用于FPGA的PLL输入时钟，以满足设计中不同模块所需的不同时钟，但PLL模块分频和倍频的范围有限，若需要很大的工作时钟，则需要引入更高频率的外部晶振，因此本设计选择两个外部晶振提供给FPGA。
提供给DSP的三个晶振一个作为DSP的内核时钟，一个作为DSP的DDR3时钟，一个作为DSP的SRIO时钟。
本发明系统中可预留SRIO接口来完成FPGA和DSP的数据传输，因此需要提供SRIO外设所需时钟。DDR3外部存储器和SRIO外设的时钟都需要先输入到DSP芯片，经过DSP内部的PLL时钟管理模块再输出至外设。DSP芯片的时钟管脚都是差分时钟管脚，要求输入信号必须是差分信号，且所有时钟管脚的电平标准为1.0V。如果用FPGA来产生DSP所需的时钟会有以下问题：一是电平标准不匹配，FPGA可以输出的信号最低电平为1.2V；二是FPGA的PLL模块能够产生的时钟频率范围有限，无法满足DSP所需的所有时钟频率要求。因此，需要选择专用时钟产生芯片或者外部晶振来提供DSP所需时钟。晶振的输出使能端OE由FPGA控制，在DSP上电过程中需要对晶振起振的时间进行控制。
再进一步，结合图1所示，本实施方式还包括电源，用于向FPGA和DSP提供工作电压。
电源网络，作为电路正常准确工作的先决条件，需综合考虑电压种类，电流大小，上电时序，空间布局以及元器件的散热等问题，以满足电源的上电时间要求和使电平在规定时间内达到要求。
再进一步，所述上位机用于通过仿真软件获取GM-APD探测器的参考测试数据，将所述参考测试数据进行图像的可视化，并与激光成像图像进行对比，进行激光成像图像的精度验证。
上位机可以将软件仿真的测试数据传输至FPGA，实现对仿真数据的测试实验；也可以将DSP处理后的数据传输至FPGA，再通过Camera Link接口传输到上位机，实现效果的测试验证。
本发明主要包括电源网络、时钟网络、Camera Link数据收发接口、RS422电平转换电路、高速并行uPP接口、FPGA及其外围电路、DSP及其外围电路以及DDR3外部存储电路。其中FPGA作为核心控制芯片，负责完成Camera Link接口数据发送和接收、Camera Link串口通信、数据接收缓存，DSP芯片电源上电顺序、复位控制、启动配置，实现uPP和RS422总线协议，对FPGA内部及外围电路进行时序约束，保障数据传输的可靠性。
DSP，作为电路的数据处理核心芯片，通过uPP总线实现与FPGA的数据传输，针对获取的阵列激光雷达图像帧数据进行高速浮点运算，输出激光成像图像，还控制外部DDR3进行数据的读写及存储。
具体实施例：
对所述数据处理系统的主要技术指标设置如下：
(1)计算精度要求：支持至少32位高速浮点信号处理能力；
(2)激光信号处理时间：1ms；
(3)串行通讯接口：4路，具体要求如下：
与探测器组件采用Camera Link通讯，通讯速率不小于80Mbps；
与激光器采用422通信接口1路，通讯速率115200bps；
与伺服系统采用422通信接口1路，通讯速率921600bps；
与上位机采用Camera Link通讯，通讯速率不小于80Mbps。
(4)工作主频：不低于800MHz；
(5)开关量输入：1路，激光器输入的主波信号；
(6)开关量输出：1路，探测器触发信号；
(7)探测器输出信源数据精度12bit，像素大小64×64。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (8)

1.一种基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于包括，
FPGA，用于通过Camera Link接口电路接收激光器中GM-APD探测器探测得到的阵列激光雷达图像帧数据；并将DSP传递的激光成像图像经Camera Link接口电路传递至上位机；
DSP，采用uPP总线接口与FPGA进行数据传输；用于接收阵列激光雷达图像帧数据，并进行高速浮点运算，得到激光成像图像；还用于根据所述激光成像图像，对伺服系统输出逻辑控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于，
所述Camera Link接口电路包括解码电路和编码电路，解码电路将阵列激光雷达图像帧数据的LVDS信号转换成为3.3V的LVTTL信号传递至FPGA；编码电路将激光成像图像的3.3V LVTTL信号转换为LVDS信号传递至上位机。
3.根据权利要求2所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于还包括，
DDR3，用于通过EMIF总线读取激光成像图像并进行存储。
4.根据权利要求3所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于，
FPGA还用于通过RS422总线获取激光器的状态，并对激光器进行逻辑控制。
5.根据权利要求4所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于，
所述DSP通过RS422总线向伺服系统输出逻辑控制信号，DSP还通过RS422总线获取伺服系统的设备状态。
6.根据权利要求5所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于还包括，
时钟，包括两个提供给FPGA的有源晶振和三个提供给DSP的有源晶振，用于向FPGA和DSP提供工作时序控制信号。
7.根据权利要求6所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于还包括，
电源，用于向FPGA和DSP提供工作电压。
8.根据权利要求7所述的基于盖革APD阵列激光雷达的数据处理系统，其特征在于，
所述上位机用于通过仿真软件获取GM-APD探测器的参考测试数据，并与激光成像图像进行对比，进行激光成像图像的精度验证。
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