CN115902830A - 测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轻小型测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统，采用ADC+FPGA+ZYNQ架构实现四通道高速实时同步并行采样，同步误差小于300ps，采样率高达2GSPS，采样精度高达14bit。系统包括FPGA系统采集载板单元、存储子板单元以及上位机数据转换软件。FPGA系统采集载板单元用于实现激光雷达回波数据采集存储，PMT控制、数据最大值反馈、外围接口设计、存储控制等功能；存储子板单元用于实现回波数据实时存储并实现百兆以太网导出；上位机软件实现回波数据原始文件转换为十进制或十六进制csv文件。本发明公开的轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统具有多通道并行采集，高速高精度，实时性好，功能适用性强且轻巧便携的优点，并针对测水LiDAR设计技术解决方案。

Description

测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统

技术领域

本发明涉及到激光雷达高速数据采集领域，尤其是一种适用于测水LiDAR的轻小型多通道高速数据实时采集及存储系统。

背景技术

激光雷达作为一种新型主动遥感测量技术，可被广泛应用于地形测绘、农业/林业监测、大气/海洋监测，近海岸水域测量等领域。激光雷达系统中可加入电机作为扫描装置，并且将激光雷达系统装于无人船或无人机等运动平台，可以完成对目标区域的水底信息数据测量，通过融合采集到的水域数据、POS系统数据(包括GPS数据、姿态数据等)、扫描电机参数(包括转速，转角，圈数等)等实现对水底三维地形的建模。所以，数据的采集对于激光雷达的完整工作流程是至关重要的一个环节。然而，由于激光雷达搭载运动平台以及装载扫描装置进行数据测量时，扫描速度和平台运动速度快，要求高速数据采集系统采集速率、采集精度和实时性要强，设计难度大，并且对于测水激光雷达及相关数据获取设备并没有相关内容记载。同时，测水LiDAR用于水深测量时有以下技术要求和问题：首先，测水LiDAR进行水下测量时，水体对激光的衰减随水深的增加而变大，所以水下回波要分大、小视场(即，深水通道、浅水通道)分别采集，其区别在于大视场接收的光信号范围更大，能够接收到更深区域反射回来的光信号，针对上述技术特点，本发明多通道高速实时同步采集及存储系统必须能够多个通道并行实时采集信号。其次，测水LiDAR的测量目的是生成水下三维地形图，其关键不仅是采集回波信号获取水深数据，还包括POS数据，LiDAR电机参数的存储。所以，多通道高速实时同步采集及存储系统必须能够实时存储上述数据，同时针对需要存储的数据需要设计独有的数据处理格式以供后期数据处理。针对上述技术特点，本发明多通道高速实时同步采集及存储系统需要设计数据格式，以存储所需要的数据。再次，测水LiDAR所搭载的无人机或无人船等各类平台在巡航工作时速度快，所以为保证采集数据的完整性，要求多通道高速数据实时采集及存储系统采集速率高，实时采集和存储能力要强，通道间同步误差要小。同时由高采样率产生的大数据量，需要选用更大容量的存储硬盘以及拥有更快速的存储速度和存储带宽。然后，测水LiDAR在水深测量时，为探测到更深的水底，需要调大激光能量，但是随激光能量的增加，水面对于激光的反射会越来越强，采集的波形会出现饱和的现象。针对上述技术特点，本发明多通道高速实时同步采集及存储系统设计并实现了一个可以延迟输出的门信号，且延迟时间和信号脉宽可调，满足激光雷达在不同高度探测时的调节要求，实现对常闭型PMT的开关控制，避开水面强反射采集水底信号，从而避免波形饱和影响波形采集效果。最后，测水LiDAR在水深测量前，需要预先调节激光能量，PMT增益等参数，但随着所测水域深度的增加，回波信号越来越弱，原有的PMT增益不足以使得PMT探测到光信号，但是又无法在测量过程中对PMT增益进行实时调节。针对上述特点，本发明多通道高速实时同步采集及存储系统设计通道数据最大值反馈模块，通过对采集的数据进行比较，取得一个激光脉冲内的最大值数据并将其反馈给激光雷达的主控系统，主控系统根据此值实时调节PMT增益，以此达到探测微弱信号的目的。

本文针对应用需求，将高精度高采样率技术、实时采集存储技术、FPGA设计技术与测水激光雷达技术相结合，提出并设计实现了一种适用于测水激光雷达水深测量的轻小型多通道高速实时同步采集及存储系统。该系统针对测水激光雷达工作特点及采集难点实现了水底数据高速高精度实时获取和高带宽数据实时存储、POS系统数据实时传输和实时存储、PMT门信号控制、通道数据最大值数据实时反馈，高带宽数据导出及格式转换等多个功能，解决了测水激光雷达工作过程中在扫描速度快、水面强反射，PMT增益无法手动调节而导致的信号难采集的问题。

发明内容

本发明公开了一种轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统，目的在于通过该数据采集系统解决测水激光雷达因在工作过程中遇到的技术难点导致的数据采集难，数据采集不完整的问题，同时为测水激光雷达高速实时同步采集及存储系统提供一种技术解决方案。

所述轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统由FPGA采集载板单元、ZYNQ存储子板单元、上位机转换软件三个部分组成，各部分内容详细说明如下：所述FPGA采集载板单元，其采集控制芯片选用的是Xilinx公司的Kintex-7系列芯片，芯片型号为XC7K480tffg901-2，用于实现对本发明轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统的时序控制和各模块功能设计实现。采集载板单元集成了五个SSMB-KW输入接口用于实现采集外部模拟信号，其中触发输入接口用于采集激光器触发信号，第一个采集通道用于采集激光器主波信号，第二个采集通道用于采集常开型PMT小视场浅水通道信号，第三个采集通道用于采集常闭型PMT大视场深水通道信号；四个SSMB-KW输出接口，用于输出门信号，控制外部设备，本发明用于实现控制激光器出光以及常闭型PMT的开关控制，其中第一个输出通道用于控制激光器出光，第二个通道到第四个通道均可输出门信号用于控制PMT；两个高速ADC芯片，选用的是ADI公司的AD9208芯片，芯片采样率为2GSPS(最高可支持3GSPS)，采样精度为14bit，本芯片支持JESD204B协议高速数据串行输出，满足测水激光雷达高速实时的采集要求，用于实现对外部模拟信号的数据采集及模数转换，该模块驱动通过FPGA设计实现；一个HMC7043时钟芯片，为系统、高速ADC及PLL提供时钟，实现前端数据采集即系统时间分配，同时对时钟抖动进行消除，减小了误差，使输出时钟的精度大大提高，为测水激光雷达大数据量数据的高速实时采集提供保障；一路百兆以太网网口，本发明中用于实现从固态硬盘中导出数据至PC端；一路千兆以太网网口，本发明中用于实现触发POS系统网口传输功能，用于POS数据传输。FPGA设计UDP协议，在系统上电的同时，持续不断的向POS系统发送UDP数据；一路J30J接口，本发明用于系统供电和串口通信。通信协议属于自主设计，协议内容包括了激光器工作触发方式、传输码盘数据、4路AD的峰值数据、门控信号参数调整指令；一路FMC接口，本发明用于实现数据内部传输以及对存储板的存储指令控制和存储控制。综上，通过FPGA采集载板设计的功能包括：高速A/D数据采集、PMT门控信号输出、POS网络数据传输控制、回波信号最大数值反馈、系统数据传输、存储指令控制、串口指令通信等功能。所述ZYNQ存储子板单元，子板芯片选用的是Xilinx的ZYNQ系列芯片，芯片型号为ZYNQ Ultrascale+XCZU4CG，用于实现接收FPGA采集载板发送的存储指令并实现数据存储，硬盘选用了2片三星的970EVO Plus NVMe M.2固态，每片固态的存储容量为1TB，该固态支持NVME协议，存储速度更快，用于实现对回波数据的实时存储，且存储带宽不低于3.5GB/s。存储板集成了两个NVME M.2固态插槽以及一个FMC高速接口。所述上位机转换软件，该软件可以实现把固态硬盘中的原始二进制文件转换为多个十进制格式或十六进制格式的csv文件，文件转换格式属于自主设计，设计内容包括触发次数、时间戳、ADC1、ADC2、ADC3、ADC4以及POS数据，保证了后期数据处理时POS数据与其相对应的回波波形数据进行匹配，从而确保点云数据的正确性。

综上所述，本发明设计的高速数据实时同步采集及存储系统采用的是ADC+FPGA+ZYNQ架构，前端采用2片ADI公司的AD9208芯片和HMC7043时钟芯片，在降低通道输出延迟的同时实现回波信号数据的采集、A/D转换及系统多模块时钟管理；FPGA载板实现对ADC芯片的采集控制，门控信号输出，通道回波数据最大值反馈，系统数据传输及存储协议设计，FMC高速接口设计等功能；ZYNQ存储板实现对回波数据的实时存储及以太网导出功能。本发明的优势之处在于：根据测水LiDAR具体使用环境及出现的问题设计对应的功能模块；实现了激光雷达回波数据的多通道数据高速高精度实时采集要求，四通道回波数据可以完整实时的存储下来；实现了上位机软件对数据的导出，文件格式转换；实现了通过门控信号对常闭PMT进行开关控制，POS数据的以太网接收及回波信号最大值反馈功能，适用于各类测水激光雷达设备；在实现了高速高精度数据采样的同时，系统结构更加简单，更加轻巧便携，占用空间小且重量约为0.7kg，功耗在48w-50w，工作温度范围在-10°～+40°，通道间的同步误差小于300ps能够满足各种需要便携式高速高精度数据实时采集及大容量存储的场景。

附图说明

图1是轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的FPGA内部设计模块框图。

图2是轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的工作流程。

图3是轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的上位机界面。

图4是轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的表格数据。

图5是轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统实验采集的回波数据波形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下举出优选实施例，结合附图对本发明具体实施作进一步详细说明。

实施例:

结合图1，说明本发明轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的FPGA内部设计模块框图。如图一所示，系统采用ADC+FPGA+ZYNQ实时采集存储架构，FPGA芯片选用的是Xilinx Kintex7-Series芯片，型号为XC7K480tffg901-2，采集板通过FMC HPC 400pins引脚接口与存储板连接。高速ADC数据采集卡选用的是ADI公司的ADC芯片AD9208，该芯片采样速率为2GSPS(最高可设计为3GSPS)，采样精度为14bit，系统时钟芯片选用的是ADI公司的HMC7043，四通道间延迟低于300ps。系统对外设计实现八个SSMB-KW接口，其中四个为输入接口，本技术选用三个通道用于接收激光器触发信号和两个PMT信号，另外四个为输出接口，用于输出触发信号控制激光器出光和常闭型PMT开关。

FPGA内部使用VHDL逻辑语言开发设计AD9208驱动模块，HMC7043时钟驱动模块，以及ADC芯片的SPI协议控制模块，三个模块通过例化连接实现对回波数据的采集和转化，同时降低通道延迟，提高采集精度，高速AD数据控制模块设计AD数据采集存储的起始、结束信号和各通道的采集延迟、采集脉宽，功能通过FSM状态机实现。当激光雷达开始工作，激光器向高速采集系统发射触发信号，系统接收到触发信号后启动工作，同时该模块检测第一通道的幅值阈值，若通道采集的数值大小达到设定的幅值阈值，则在当前状态下将数据记录的使能信号拉高，开始记录通道2，通道3，通道4的数据，同时在接下来的两个状态下将使能信号保持2个时钟周期，直至检测到四个通道信号全部记录完成的高电平标志，FSM重新回到起始状态，系统等待检测下一次的起始信号。

系统使用VHDL语言设计门控信号控制模块，该模块的作用就是用于实现对常闭型PMT开关控制，可实现门控信号脉宽在1-10us范围内调节，门控信号延迟输出时间在1-500ns范围内可调节，误差精度均为纳秒级，系统开始工作后，该模块检测内部倍频的500MHz时钟，检测到时钟上升沿产生触发信号并进行两级寄存保证时钟同步，同时FSM状态机进入第一个状态，此时若检测到系统触发信号的上升沿，那么模块内部计数器开始进行计数并进入下一个状态，在当前状态判断计数器数值是否等于主控系统设置的延迟时间，该时间范围为1-500ns，若计数器计数数值等于延迟时间，门信号拉高电平，同时状态机进入下一个状态，并且计数器同步清零，在当前状态内判断计数器数值是否等于主控系统设置的脉宽时间，该时间范围为1-10us，若计数器计数数值等于脉宽时间，门信号输出完毕并且状态机进入初始状态，等待检测下一次触发信号的检测。

系统使用VHDL语言设计通道回波数据最大值反馈模块，该模块的作用就是用于将回波数据最大值反馈给主控板实现PMT增益自适应调节、数据传输模块用于实现数据在系统内部的传输(包括A/D数据、网络数据、串口数据等)，在该模块中，根据测水激光雷达系统主控时钟，以及激光器出光频率，取每500Hz系统获得一次各通道信号数据，在一个激光脉冲周期内比较并取得数据的最大值同时通过自主设计的串口通信协议传输回主控系统实现自适应控制PMT增益。在该模块中，设计了一个数据最大值获取及传输模块，实现对一个激光脉冲周期内每500Hz四个数据的获取和数据最大值比较结果的输出，同时生成四个通道的最大值获取模块；一个数据最大值模块，通过VHDL语言设计了一个数值比较器，实现比较两数值大小并输出较大者供上层模块调用；一个数据绝对值模块，该模块用于判断采集数值符号位，若数值为正数则直接输出，若为负数则通过VHDL语言设计的强制转换模块强制把数据转换为整数型后再以数据绝对值的形式计算输出并利用数据最大值模块比较出数值较大者。

系统使用VHDL语言设计FMC高速接口，并实现数据交互。FMC接口模块用于与存储板实现数据的高速传输以及存储功能的控制，该模块通过状态机设计采集载板与存储子板间的通信协议，实现数据传输至存储子板和从存储子板中读出数据上传至上位机的功能。在该状态机中，根据系统传输指令，载板会将数据发送到存储板进行存储，当发送数据标志为“5”时，表示启动数据存储，后续数据全部需要存储至固态硬盘中；当采集载板发送数据为“9”时，表示存储板可以开始接收数据；当发送数据为“A”时，表示停止数据存储。用户需要通过上位机软件将数据导出时，采集载板接收到数据指令，并发送数据指令全为“E”的数据到存储板，存储板检测到该指令时说明需要将数据导出到采集载板；当存储板收到可以导出数据的指令后，等待用户选择对应的发送文件，检测到数据为“7”的指令后，系统启动发送，采集载板接收数据，当采集载板接收数据过量，会发送数据为“6”的指令中断传送过程，存储收到后停止当前传输；当采集载板数据不再过量，系统会再次向存储板发送数据为“9”的数据指令，表示采集载板可以继续接收数据。多次重复以上步骤直到数据传输完成，数据传输完成后，存储子板会向系统发送数据为“8”的数据指令表示数据已导出结束，从而完成存储板到采集载板的GTX数据传输。

系统使用VHDL语言设计POS数据传输及存储模块。POS数据传输模块是通过设计UDP传输协议启动POS网络传输功能并记录POS数据，当系统上电开始工作后，系统通过VHDL设计的UDP协议持续不断的向POS系统发送数据，以启动POS系统通过网口传输的功能，实现对POS数据的存储，同时，该功能还可以通过串口通信实现，通过测水激光雷达主控系统实现对POS数据的采集，并通过J30J传输给高速采集系统并将其存储下来，在数据串口传输控制模块中，利用状态机设计实现允许数据捕获和数据被捕获完成的标志。在初始状态下，拉高允许捕获数据标志的电平，将串口数据传输给模块的输出接口供顶层模块使用，同时进入下一个状态，在当前状态检测数据捕获完成标志是否为高电平，若为高电平说明数据已经被捕获并且传输完成，此时将数据允许捕获标志拉低，状态回到初始状态。

系统存储部分选用ZYNQ芯片进行开发，该模块通过FMC高速接口与采集载板连接，实现对回波数据和POS数据的实时存储和以及与系统载板的指令交互功能。存储固态选用2片三星的970EVO Plus NVMe M.2固态硬盘，每片固态存储容量为1TB，存储带宽不低于3.5GB/s。

系统利用GTY Interface高速接口实现系统内部的数据传输，同时在FPGA内部设计对外串口及调试接口，在功能需要修改时方便对FPGA进行调试，对外设计LED提示灯用于指示激光雷达运行状态、ADC芯片工作状态、FPGA芯片工作状态。存储的数据可通过百兆以太网网线连接电脑与高速采集系统，利用上位机软件实现数据导出和文件格式转换。

结合图2，说明本发明轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的工作原理是如何体现在激光雷达工作流程中的，详细阐述如下：首先，连接本发明与测水LiDAR，供电电源可由LiDAR电源统一供电，本发明电源为12V。连接激光器的触发信号至本发明SSMB-KW触发输入接口；连接激光器主波信号、常开型PMT信号、常闭型PMT信号至本发明四个SSMB-KW输入接口；连接本发明四个SSMB-KW输出接口中的两个分别到激光器外触发输入接口和常闭型PMT触发接口；连接本发明J30J接口至系统电源和LiDAR主控系统；连接POS系统网口数据至本发明千兆以太网接口。其次，打开LiDAR系统电源开关，等待系统主控触摸屏幕显示本发明连接成功后，在触摸屏幕上调节扫描电机转速、三个采集通道的采集脉宽和采集延时、常闭型PMT门信号脉宽和延迟输出时间、激光器工作方式等参数，以上参数均通过自主设计的串口通信协议经主控系统传输给FGPA控制芯片，FPGA控制芯片设计的串口通信模块根据串口通信协议首先判断激光器的工作方式以及各通道参数，更改通道采集数值。再次，当参数设置完毕，点击触摸屏幕运行按钮，激光雷达系统开始出光工作，系统开始检测第一通道激光器触发信号的幅值是否大于预设的幅值阈值，当没有大于该数值时系统认为本次数据属于无效数据，不记录本次数据，只有当大于该预设阈值时系统开始按照主控屏幕上调节完成的采集脉宽和采集延时记录四个通道的数据，当数据记录完成后开始进行数据存储，存储过程按照自主设计的格式检测各个通道的帧头和各个通道是否有数据来确定是否要记录当前通道回波数据，当判断当前通道有数据被记录下来，那么通过FMC接口向存储子板发送存储指令，同时FPGA芯片开始判断下一通道是否有数据记录，存储板在收到指令后开始对当前通道进行数据存储，存储完成后向FPGA芯片发送存储完成的标志，同时等待FPGA芯片发送下一个存储指令，直至所有通道数据存储完成。整个过程在本次采集的数据存储完成之前不判断下一个主波的阈值，直到本次四通道数据全部存储完成后，开始判断下一组数据第一通道回波数据的阈值。该方法既保证了系统不会记录无效且冗余的数据，又保证了四个通道的数据可以完整记录在固态硬盘中。最后，激光雷达工作结束后，通过百兆以太网接口连接系统和PC端，通过Filezilla软件查看存储在固态硬盘中的所有数据文件，通过百兆以太网将回波信号数据从固态硬盘导出到PC端。将导出的文件通过上位机转换软件打开并选择存储位置，开始转换，每5000条数据存储为一个csv文件。

结合图3，说明本发明轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的上位机主界面。如图3(a)所示，本上位机软件的功能是实现把bin格式文件转换成十进制或者十六进制的csv格式文件，通过读取数据类型的方式来读取自主设计格式文件的数据，相对于读取字节的方式，该方法读取自主设计的格式速度更快。在软件界面首先选择需要转换的二进制bin文件，如图3(b)所示，同时选择需要存放的路径，点击开始转换，转换后的文件如图3(c)所示，每个文件包含5000条波形数据。

结合图4，说明本发明轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的csv表格数据。图4(a)是十进制格式的csv文件，图4(b)是十六进制格式的csv文件，功能是按照自主设计的格式完整记录每一次触发的数据。列A记录的是该组的触发次数及时间戳，因为本发明采样速率为2GSPS，所以文件中每一格单位代表0.5ns；列B、C、D、E是对外的四个SSMB-KW输入通道，用于接收回波数据；列E用于记录POS数据，分别记录了激光器触发次数，毫秒数，当前雷达所处位置纬度，经度，高程，搭载的运动平台设备航向角，俯仰角，翻滚角，扫描电机转速，转角和扫描圈数等参数。该csv文件以每5000组回波数据作为一个文件。

结合图5，说明本发明轻小型单波段测水LiDAR多通道高速高精度实时同步采集及存储系统的回波数据波形图。如图5所示，在excel表格中选中一次触发的三个通道数据并绘制折线图，图5(a)中是本技术采集的三通道回波数据，其中点状虚线为激光器信号，条状虚线为小视场浅水通道信号，实线为大视场深水通道信号；图5(b)是通道2、3的小视场浅水通道回波数据和大视场深水通道回波数据对比图，其中，实线为小视场浅水通道信号，虚线为大视场深水通道信号，从对比图中可以看出采集到的两信号可以明显分辨出水面和水底信号。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。

Claims (3)

1.测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统，其特征在于：系统可广泛应用于各类测水LiDAR，针对测水方面存在的问题设计了相应功能模块，系统架构采用ADC+FPGA+ZYNQ，由FPGA系统采集载板、ZYNQ存储子板和上位机软件组成；该系统由12V电源供电，重量约为0.7kg，功耗在48w-50w，工作温度范围在-10°～+40°，通道间的同步误差小于300ps；所述轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统由FPGA采集载板单元、ZYNQ存储子板单元、上位机转换软件三个部分组成，各部分内容详细说明如下：所述FPGA采集载板单元，其采集控制芯片选用的是Xilinx公司的Kintex-7系列芯片，芯片型号为XC7K480tffg901-2，用于实现对本发明轻小型测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统的时序控制和各模块功能设计实现；采集载板单元集成了五个SSMB-KW输入接口用于实现采集外部模拟信号，其中触发输入接口用于采集激光器触发信号，第一个采集通道用于采集激光器主波信号，第二个采集通道用于采集常开型PMT小视场浅水通道信号，第三个采集通道用于采集常闭型PMT大视场深水通道信号；四个SSMB-KW输出接口，用于输出门信号，控制外部设备，本发明用于实现控制激光器出光以及常闭型PMT的开关控制，其中第一个输出通道用于控制激光器出光，第二个通道到第四个通道均可输出门信号用于控制PMT；两个高速ADC芯片，选用的是ADI公司的AD9208芯片，芯片采样率为2GSPS(最高可支持3GSPS)，采样精度为14bit，本芯片支持JESD204B协议高速数据串行输出，满足测水激光雷达高速实时的采集要求，用于实现对外部模拟信号的数据采集及模数转换，该模块驱动通过FPGA设计实现；一个HMC7043时钟芯片，为系统、高速ADC及PLL提供时钟，实现前端数据采集即系统时间分配，同时对时钟抖动进行消除，减小了误差，使输出时钟的精度大大提高，为测水激光雷达大数据量数据的高速实时采集提供保障；一路百兆以太网网口，本发明中用于实现从固态硬盘中导出数据至PC端；一路千兆以太网网口，本发明中用于实现触发POS系统网口传输功能，用于POS数据传输；FPGA设计UDP协议，在系统上电的同时，持续不断的向POS系统发送UDP数据；一路J30J接口，本发明用于系统供电和串口通信；通信协议属于自主设计，协议内容包括了激光器工作触发方式、传输码盘数据、4路AD的峰值数据、门控信号参数调整指令；一路FMC接口，本发明用于实现数据内部传输以及对存储板的存储指令控制和存储控制；综上，通过FPGA采集载板设计的功能包括：高速A/D数据采集、PMT门控信号输出、POS网络数据传输控制、回波信号最大数值反馈、系统数据传输、存储指令控制、串口指令通信等功能；所述ZYNQ存储子板单元，子板芯片选用的是Xilinx的ZYNQ系列芯片，芯片型号为ZYNQ Ultrascale+XCZU4CG，用于实现接收FPGA采集载板发送的存储指令并实现数据存储，硬盘选用了2片三星的970EVO Plus NVMe M.2固态，每片固态的存储容量为1TB，该固态支持NVME协议，存储速度更快，用于实现对回波数据的实时存储，且存储带宽不低于3.5GB/s；存储板集成了两个NVME M.2固态插槽以及一个FMC高速接口；所述上位机转换软件，该软件可以实现把固态硬盘中的原始二进制文件转换为多个十进制格式或十六进制格式的csv文件，文件转换格式属于自主设计，设计内容包括触发次数、时间戳、ADC1、ADC2、ADC3、ADC4以及POS数据，保证了后期数据处理时POS数据与其相对应的回波波形数据进行匹配，从而确保点云数据的正确性；系统对外提供四个SSMB-KW输入接口，作为回波信号输入通道，在本发明中用于采集激光器触发信号、小视场浅水通道常开PMT信号、大视场深水通道常闭PMT信号；四个SSMB-KW输出接口，四个SSMB-KW输出信号用于触发激光器开关和控制常闭型PMT开关，用于实现激光器外触发工作模式和避免回波信号饱和；一路触发输入用于触发高速采集系统工作；一路网口可用于接收POS数据；一路串口，用于系统供电以及与激光雷达系统主控实现指令交互通信(也可作为POS数据接收的方式)；一路JTAG用于实现FPGA调试；一路4个LED灯用于指示系统运行状态、ADC芯片工作状态、FPGA芯片工作状态。

2.根据权利要求1所述的测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统，其特征在于，所述系统应用在测水激光雷达工作时，当打开LiDAR系统电源开关，等待系统主控触摸屏幕显示本发明连接成功后，在触摸屏幕上调节扫描电机转速、三个采集通道的采集脉宽和采集延时、常闭型PMT门信号脉宽和延迟输出时间、激光器工作方式等参数，以上参数均通过自主设计的串口通信协议经主控系统传输给FGPA控制芯片，FPGA控制芯片设计的串口通信模块根据串口通信协议首先判断激光器的工作方式以及各通道参数，更改通道采集数值；再次，当参数设置完毕，点击触摸屏幕运行按钮，激光雷达系统开始出光工作，系统开始检测第一通道激光器触发信号的幅值是否大于预设的幅值阈值，当没有大于该数值时系统认为本次数据属于无效数据，不记录本次数据，只有当大于该预设阈值时系统开始按照主控屏幕上调节完成的采集脉宽和采集延时记录四个通道的数据，当数据记录完成后开始进行数据存储，存储过程按照自主设计的格式检测各个通道的帧头和各个通道是否有数据来确定是否要记录当前通道回波数据，当判断当前通道有数据被记录下来，那么通过FMC接口向存储子板发送存储指令，同时FPGA芯片开始判断下一通道是否有数据记录，存储板在收到指令后开始对当前通道进行数据存储，存储完成后向FPGA芯片发送存储完成的标志，同时等待FPGA芯片发送下一个存储指令，直至所有通道数据存储完成；整个过程在本次采集的数据存储完成之前不判断下一个主波的阈值，直到本次四通道数据全部存储完成后，开始判断下一组数据第一通道回波数据的阈值；该方法既保证了系统不会记录无效且冗余的数据，又保证了四个通道的数据可以完整记录在固态硬盘中；最后，激光雷达工作结束后，通过百兆以太网接口连接系统和PC端，通过Filezilla软件查看存储在固态硬盘中的所有数据文件，通过百兆以太网将回波信号数据从固态硬盘导出到PC端；将导出的文件通过上位机转换软件打开并选择存储位置，开始转换，每5000条数据存储为一个csv文件。

3.根据权利要求1所述的测水LiDAR多通道高速实时同步采集及存储系统，其特征在于，所述的上位机软件通过读取数据类型的方式来读取自主设计格式文件的数据，相对于读取字节的方式，该方法读取自主设计的格式速度更快，同时，该软件可实现将采集的具有自主设计格式回波数据原始二进制bin文件转换为十进制或十六进制数据csv格式的文件，自主设计的csv格式文件内容包括当前回波数据的触发次数及时间戳，四通道回波数据，POS数据(激光器触发次数，毫秒数，当前位置纬度，当前位置经度，当前位置高程，设备航向角，设备俯仰角，设备翻滚角，电机转速，电机转角和电机圈数等参数)，并且每一个csv文件包含5000条波形数据，一个原始bin文件可转换为多组csv文件。

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