CN114355316A - 一种面阵盖革模式apd阵列三维成像激光雷达的时间同步系统和方法 - Google Patents
一种面阵盖革模式apd阵列三维成像激光雷达的时间同步系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统及同步方法,该时间同步系统建立于FPGA平台之上,FPGA平台包括PPS信号检测模块、内部时间系统、缓存器、温补10M晶振、PLL倍频器和时间脉冲生成器,其中PPS信号检测模块与内部时间系统电连接,温补10M晶振依次通过PLL倍频器和时间脉冲生成器与内部时间系统电连接,内部时间系统与缓存器电连接,授时模块向PPS信号检测模块发送PPS信号,向内部时间系统发送TIME时间信息,缓存器与码盘、单光子扫描仪的发光装置、感光器件电连接,并打包形成带时间戳数据。本发明所公开的时间同步系统,结构简单,通用性强,适用领域广,可作为一般移动测量的通用同步控制模块。
Description
技术领域
本发明属于移动测量领域,特别涉及该领域中的一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统和方法。
背景技术
移动测量在测绘领域应用广阔,是未来道路电子地图测制领域和三维测量、建模领域的发展主流,而移动测量的应用离不开各种传感器,尤其是激光成像雷达。基于面阵盖革模式APD阵列的三维成像激光雷达具有探测灵敏度高、距离远、单次获取多组数据的特点。而远距离测距的基于面阵盖革模式APD阵列的三维成像激光雷达数据的时间同步十分重要,如果数据时间同步误差过大,会导致采集的三维激光点云数据和其他传感器的位置、角度、方向匹配错位,进而导致后处理点云分层、扭曲、倾斜、变形,将严重影响点云效果。同时,如果激光测距精度不够,会导致处理出来的点云数据厚度偏厚,为了保证最终点云成像效果,对基于面阵盖革模式APD阵列的三维成像激光雷达所采集数据做精确的时间同步对测距精度的提升工作意义重大。
目前常用的三维成像激光雷达同步及测距的方式有:
(1)直接利用现成的组合导航系统对三维成像激光雷达数据做时间同步,方便实施但形式单一。
(2)采用接口丰富的GNSS板卡直接对三维成像激光雷达做时间同步,但是价格高昂,体积过大。
(3)由授时模块引入至单片机做数据同步控制,但时间精度误差大。
(4)用高精度处理器做同步控制,但是无法做到在无外部授时模块情况下仍能保持高精度的同步时间。
(5)脉冲或者相位的机械扫描方式的三维成像激光雷达进行的时间同步,只能对单次获取多组数据进行同步,无法做到对单次获取多点的数据进行同步。
(6) 三维成像激光雷达测距只计算了发光和回光时间,未剔除系统自身的硬件延迟以及软件逻辑计算时间,导致测距精度不高。
(7)三维成像激光雷达收到种子光时间为发光时刻,回光时间为结束时刻,根据两个时间差可以剔除系统硬件延迟以及软件逻辑计算时间,但是所需的系统复杂,成本偏贵。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是针对传统同步系统存在同步形式单一、价格昂贵、时间精度不高、无授时模块时无法同步、无法对一次获取的多个数据进行同步、测距精度偏低等缺点,提供一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统和方法。
本发明采用如下技术方案:
一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统,其改进之处在于:时间同步系统建立于FPGA平台之上,FPGA平台包括PPS信号检测模块、内部时间系统、缓存器、温补10M晶振、PLL倍频器和时间脉冲生成器,其中PPS信号检测模块与内部时间系统电连接,温补10M晶振依次通过PLL倍频器和时间脉冲生成器与内部时间系统电连接,内部时间系统与缓存器电连接,授时模块向PPS信号检测模块发送PPS信号,向内部时间系统发送TIME时间信息,缓存器与码盘、单光子扫描仪的发光装置、感光器件电连接,并打包形成带时间戳数据。
一种时间同步方法,使用上述的时间同步系统,其改进之处在于:温补10M晶振作为整个时间同步系统的时钟基准,经过FPGA平台内部的PLL倍频器获取ns级别的时间脉冲,时间同步系统内部时间按照时间脉冲进行时间累加,实时更新自身内部时间;进行时间脉冲累加的同时,PPS信号检测模块检测外部PPS信号,内部时间系统检测TIME时间信息,在收到外部PPS信号之后开始对外部PPS信号进行计数,满足一定的PPS脉冲数之后,对收到的TIME时间信息进行格式判定,如果符合指定的时间格式,就对TIME时间信息进行解析,获取具体的时间数值,将其更新至FPGA平台内部;
在码盘零位时刻,单光子扫描仪发光至已知固定距离的目标物上,获取此刻发光和回光的时间差,减去已知固定距离按照光速折算的时间值,得到下一扫描周期内的执行时间;
在码盘其他角度时刻,记录下单光子扫描仪发光时刻的系统内部时间以及码盘数据,并放入缓存器,单光子扫描仪收到的回光光子激发其感光器件产生脉冲信号,输入到FPGA平台内部产生触发信号,收到触发信号之后将此时的系统内部时间计入缓存器;
按照此种方式,依次记录在下一次发光之前收到所有光子触发信号时的系统内部时间,并连同之前的缓存器数据以及执行时间一起打包形成一帧带时间戳数据。
进一步的,每检测到10个外部PPS信号之后更新一次FPGA平台系统内部时间。
本发明的有益效果是:
本发明所公开的时间同步系统,结构简单,通用性强,适用领域广,可作为一般移动测量的通用同步控制模块。除了可以满足基于面阵盖革模式APD阵列的三维成像激光雷达单次获取多组数据的时间同步外,还可以扩展满足多种类多数量的传感器模块同时接入系统做数据时间同步。且在无授时模块情况下,依旧可以完成数据同步工作,保证数据时间的准确性。基于FPGA的PLL产生的高频脉冲采集传感器触发信号,时间精确到ns级,保证最终的数据同步误差控制在us级别。
本发明所公开的时间同步方法,利用FPGA的高速处理以及低延迟特性,解决基于面阵盖革模式APD阵列的三维成像激光雷达同步形式单一、精度不高、无授时模块时无法同步、成本昂贵、无法对单次获取大量数据进行同步等问题,利用指定参考距离测距计算来消除系统自身硬件延迟和软件延迟带来的测距误差。
附图说明
图1是本发明实施例1所公开时间同步系统的组成示意框图;
图2是本发明实施例1所公开时间同步方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1,如图1所示,本实施例公开了一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统,本系统建立于FPGA平台之上,FPGA平台包括PPS信号检测模块、内部时间系统、缓存器、温补10M晶振、PLL倍频器和时间脉冲生成器,其中PPS信号检测模块与内部时间系统电连接,温补10M晶振依次通过PLL倍频器和时间脉冲生成器与内部时间系统电连接,内部时间系统与缓存器电连接,授时模块向PPS信号检测模块发送PPS信号,向内部时间系统发送TIME时间信息,缓存器与码盘、单光子扫描仪的发光装置、感光器件电连接,并打包形成带时间戳数据。
通过接收授时模块输出的PPS和TIME来校准更新FPGA内部时间。FPGA内部初始时间建立于FPGA逻辑部分,由PLL倍频器高速时钟对时间值计数,实现ns级计数,从而确保时间的高精度。在无授时模块时,时间同步系统时间依FPGA内部时间系统时间进行更新;当接入授时模块时,FPGA内部时间系统检测到有效TIME数据和PPS时,会更新至实时的授时模块时间,且每检测到10个PPS之后会更新一次FPGA内部时间,从而保证内部时间与授时模块时间完全一致。当接入授时模块并完成FPGA内部时间校准过后,即使再次经历无授时模块情况下,FPGA也能通过内部时间系统进行时间更新,等到授时模块信号正常,FPGA内部时间会自动校正并完全与授时模块时间同步。
依据高精度的FPGA内部时间,在单光子扫描仪的发光装置发光时刻,将此时的内部时间和码盘的数据记录至缓存器中,激光入射到目标物后以光子的形式返回被单光子扫描仪的感光器件捕捉,每个入射光子将会产生一次脉冲,输入到FPGA内部产生触发,在触发时刻获取FPGA内部时间放入缓存器,依次将所有捕捉的光子信息时间记录下来,最终同发光时刻的数据信息共同打包得到一帧带时间戳数据。
为保证测距的高精度,在获取的发光和回光时间差基础上需要滤除系统硬件和软件执行时间。电机旋转至光栅零位时(即码盘零位时刻),激光发光至正前方已知固定距离的反射面,获取此时的发光和回光时间差,减去已知固定距离按照光速折算的时间,即可获取码盘下一旋转周期内的系统软件和硬件执行时间。
如图2所示,本实施例还公开了一种时间同步方法,使用上述的时间同步系统,温补10M晶振作为整个时间同步系统的时钟基准,经过FPGA平台内部的PLL倍频器得到更高频率的时钟,从而获取ns级别的时间脉冲,时间同步系统内部时间按照ns时间脉冲进行时间累加,实时更新自身内部时间;进行时间脉冲累加的同时,PPS信号检测模块检测外部PPS信号,内部时间系统检测TIME时间信息,在收到外部PPS信号之后开始对外部PPS信号进行计数,10个外部PPS信号之后,对收到的TIME时间信息进行格式判定,如果符合指定的时间格式,就对TIME时间信息进行解析,获取具体的时间数值,将其更新至FPGA平台内部,从而保证时间同步系统内部时间和外部时间一致;
保证时间同步系统内部时间高精度之后,在码盘零位时刻,单光子扫描仪发光至已知固定距离的目标物上,获取此刻发光和回光的时间差,减去已知固定距离按照光速折算的时间值,得到下一扫描周期内的执行时间;
得到执行时间后,在码盘其他角度时刻,记录下单光子扫描仪发光时刻的系统内部时间以及码盘数据,并放入缓存器,单光子扫描仪收到的回光光子激发其感光器件产生脉冲信号,输入到FPGA平台内部产生触发信号,收到触发信号之后将此时的系统内部时间计入缓存器;
按照此种方式,依次记录在下一次发光之前收到所有光子触发信号时的系统内部时间,并连同之前的缓存器数据以及执行时间一起打包形成一帧带时间戳数据。
Claims (3)
1.一种面阵盖革模式APD阵列三维成像激光雷达的时间同步系统,其特征在于:时间同步系统建立于FPGA平台之上,FPGA平台包括PPS信号检测模块、内部时间系统、缓存器、温补10M晶振、PLL倍频器和时间脉冲生成器,其中PPS信号检测模块与内部时间系统电连接,温补10M晶振依次通过PLL倍频器和时间脉冲生成器与内部时间系统电连接,内部时间系统与缓存器电连接,授时模块向PPS信号检测模块发送PPS信号,向内部时间系统发送TIME时间信息,缓存器与码盘、单光子扫描仪的发光装置、感光器件电连接,并打包形成带时间戳数据。
2.一种时间同步方法,使用权利要求1所述的时间同步系统,其特征在于:温补10M晶振作为整个时间同步系统的时钟基准,经过FPGA平台内部的PLL倍频器获取ns级别的时间脉冲,时间同步系统内部时间按照时间脉冲进行时间累加,实时更新自身内部时间;进行时间脉冲累加的同时,PPS信号检测模块检测外部PPS信号,内部时间系统检测TIME时间信息,在收到外部PPS信号之后开始对外部PPS信号进行计数,满足一定的PPS脉冲数之后,对收到的TIME时间信息进行格式判定,如果符合指定的时间格式,就对TIME时间信息进行解析,获取具体的时间数值,将其更新至FPGA平台内部;
在码盘零位时刻,单光子扫描仪发光至已知固定距离的目标物上,获取此刻发光和回光的时间差,减去已知固定距离按照光速折算的时间值,得到下一扫描周期内的执行时间;
在码盘其他角度时刻,记录下单光子扫描仪发光时刻的系统内部时间以及码盘数据,并放入缓存器,单光子扫描仪收到的回光光子激发其感光器件产生脉冲信号,输入到FPGA平台内部产生触发信号,收到触发信号之后将此时的系统内部时间计入缓存器;
按照此种方式,依次记录在下一次发光之前收到所有光子触发信号时的系统内部时间,并连同之前的缓存器数据以及执行时间一起打包形成一帧带时间戳数据。
3.根据权利要求2所述时间同步方法,其特征在于:每检测到10个外部PPS信号之后更新一次FPGA平台系统内部时间。
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