沈　略，王元慶，徐　帆

（南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210046）

線陣激光雷達(dá)同步掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

沈略，王元慶*，徐帆

（南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210046）

為了實(shí)現(xiàn)線陣激光雷達(dá)的同步動(dòng)態(tài)掃描，提出了一種對(duì)PIN光電二極管的輸出基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，從而對(duì)三維景物實(shí)現(xiàn)推掃的實(shí)現(xiàn)方法。介紹了系統(tǒng)的硬件組成，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路，闡述了同步掃描系統(tǒng)的原理。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠，能在整個(gè)圓周范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，測(cè)量的精度高達(dá)0.000 312 5°/s。

激光雷達(dá)；同步掃描；PIN光電二極管；轉(zhuǎn)臺(tái)

三維成像激光雷達(dá)具有三維輪廓和成像能力，可獲取目標(biāo)的多種圖像［1］。三維激光雷達(dá)的特點(diǎn)使其成為一種非常具有潛力的探測(cè)手段，適合于精確打擊武器的避障、導(dǎo)航、制導(dǎo)和精確毀傷，目標(biāo)的偵查、監(jiān)視、分類(lèi)和識(shí)別，航天器空間交會(huì)對(duì)接、著陸落點(diǎn)選擇、對(duì)地遙感觀測(cè)、地形測(cè)繪、災(zāi)害調(diào)查和植被測(cè)量，無(wú)人車(chē)和機(jī)器人的避障、導(dǎo)航，直升機(jī)、船舶和汽車(chē)的主動(dòng)防撞以及城市建筑物三維地形等，在軍民兩大領(lǐng)域均具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用需求［2-3］。

三維成像激光雷達(dá)按掃描方式可分為單元探測(cè)器二維掃描，面陣探測(cè)器非凝視掃描和線陣探測(cè)器一維掃描［4］。單元探測(cè)器二維掃描激光成像雷達(dá)采用單元探測(cè)器接收，每次只能獲得一個(gè)像素的距離和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)二維光機(jī)掃描或一維光機(jī)掃描加推掃實(shí)現(xiàn)所有像素?cái)?shù)據(jù)的采集，最終得到目標(biāo)的距離像和強(qiáng)度像。目前，該成像探測(cè)成像技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但存在著成像速率低，體積功耗大的缺點(diǎn)。面陣探測(cè)器非掃描凝視激光成像雷達(dá)采用面陣探測(cè)器接收，無(wú)需掃描機(jī)構(gòu)，可同時(shí)得到所有像素的距離和強(qiáng)度數(shù)據(jù)。該成像探測(cè)技術(shù)具有成像速率高，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小的優(yōu)點(diǎn)，但受面陣探測(cè)器陣元大小及讀出處理電路的限制，難以獲得高分辨率或大視場(chǎng)的圖像，且由于面陣探測(cè)器制造工藝水平限制，成像率較低，使得基于該探測(cè)技術(shù)的激光雷達(dá)成本高。

線陣探測(cè)器采用線陣探測(cè)器接收，每次可獲得一行（列）像素的距離和回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描系統(tǒng)推掃實(shí)現(xiàn)所有像素?cái)?shù)據(jù)的采集適合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和較大視場(chǎng)探測(cè)，其成像速率遠(yuǎn)高于單元探測(cè)器二維掃描成像技術(shù)，且由于線陣探測(cè)器產(chǎn)品豐富，陣元數(shù)目多，能獲得較高分辨率圖像，是一種頗具有優(yōu)勢(shì)和潛能的成像探測(cè)技術(shù)［5-7］。

該系統(tǒng)采取激光發(fā)射系統(tǒng)與回波接收系統(tǒng)光軸共軸的方式。激光由激光器出光以后，通過(guò)激光器整形單元準(zhǔn)直，均衡和擴(kuò)束，將其展開(kāi)成線，擴(kuò)束后的激光束通過(guò)鏡頭投射到遠(yuǎn)處1×N個(gè)被測(cè)點(diǎn)上，由接收鏡頭對(duì)回波激光進(jìn)行成像，通過(guò)光傳像陣列傳輸?shù)絅個(gè)光電探測(cè)器上，信號(hào)采集電路將陣列式光電探測(cè)器生成的回波信號(hào)進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，得到N個(gè)被測(cè)點(diǎn)的像素飛行時(shí)間。為了滿足國(guó)內(nèi)機(jī)載遙感的需求，我們研制了同步掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)。其中PIN光電二極管的TTL輸出通過(guò)電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路板產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號(hào)給移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，形成激光雷達(dá)實(shí)時(shí)的同步掃描。

收稿日期：2015-06-18修改日期：2015-07-23

1　系統(tǒng)原理介紹

激光器發(fā)射20 ns脈寬，重復(fù)頻率2.8 k的高斯型激光脈沖通過(guò)400 μm內(nèi)徑光纖引一小束激光進(jìn)入高速PIN光電二極管用于主波采樣用來(lái)提供激光脈沖發(fā)射時(shí)刻信息，此時(shí)PIN光電二極管的輸出一端為模擬輸出，另外一端輸出是標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平。但是由于激光脈沖過(guò)窄，此時(shí)TTL的占空比極小，而且本身輸出電流只是mA級(jí)別，無(wú)法直接接入驅(qū)動(dòng)芯片SH2024A驅(qū)動(dòng)移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，因此設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)板將TTL電平加以脈寬擴(kuò)展和帶動(dòng)負(fù)載能力的加強(qiáng)。具體硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1　同步掃描系統(tǒng)硬件框圖

掃描系統(tǒng)有如下求：（a）保持TTL擴(kuò)展脈沖到達(dá)移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的時(shí)間t1與PIN二級(jí)管的TTL輸出時(shí)間t2之差t1-t2足夠??；（b）掃描速度保持在1°/s以下，這是后端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的要求；（c）重復(fù)定位精度在0.000 5°/s以下，并且越小越好，不然可能會(huì)造成回波數(shù)據(jù)點(diǎn)的偏移，當(dāng)采集同一目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)時(shí)不能提供準(zhǔn)確的比較；（d）中心最大負(fù)載大于80 kg，這是線陣激光雷達(dá)系統(tǒng)的自重。

2　PIN光電二極管的選擇以及信號(hào)的提取

PIN光電二極管和雪崩光電二極管具有良好的靈敏度和響應(yīng)特性，并且理論上光電探測(cè)器的靈敏度越高，對(duì)于后期數(shù)據(jù)處理以及主波的高斯信號(hào)采樣越有利。而雪崩光電二極管由于工作在雪崩區(qū)，常常伴隨有較大的靜電流噪聲［8］。而PIN光電二極管沒(méi)有內(nèi)部增益，從而信噪比比較高，因此在出光處采用PIN光電二極管作為光電探測(cè)器。在此選用EOT公司的ET-2030TTL，暗電流小于0.1 nA，上升和下降時(shí)間小于300 ps，帶寬為1.2 GHz，同時(shí)具有模擬輸出和TTL電平輸出。

此處TTL輸出采用閾值檢測(cè)的辦法。當(dāng)模擬輸出電平為閾值以上時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為邏輯高電平（大于3 V）。當(dāng)模擬輸出為閾值以下時(shí)，將其轉(zhuǎn)換為邏輯低電平（小于0.5 V），如圖2所示。其中，門(mén)限閾值可調(diào)。通過(guò)調(diào)低閾值即使在激光器出光較弱的條件下仍然可以得到標(biāo)準(zhǔn)的TTL波形。

圖2　PIN光電二極管模擬輸出及TTL輸出

3　電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的選擇

歩進(jìn)電機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是數(shù)字控制系統(tǒng)中的一種執(zhí)行元件［9］。對(duì)于一般的步進(jìn)電機(jī)而言：（1）定于繞組的通電狀態(tài)每改變一次，它的轉(zhuǎn)子便轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，即步進(jìn)電機(jī)的步距角；（2）改變步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變；（3）步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電狀態(tài)的改變速度越快，其轉(zhuǎn)組旋轉(zhuǎn)的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高；（4）電機(jī)有其固有步進(jìn)角，它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，這個(gè)步距角可以稱為“電機(jī)固有步進(jìn)角”，它不一定是電機(jī)工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)說(shuō)，其功用是將脈沖電信號(hào)變?yōu)橄鄳?yīng)的角位移或者直線位移，即給一個(gè)脈沖電信號(hào)，電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（前進(jìn)一步）。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速v與脈沖頻率f成正比，假設(shè)固定步進(jìn)角為n：

并且通過(guò)方向信號(hào)，脫機(jī)信號(hào)以及步進(jìn)脈沖信號(hào)來(lái)控制運(yùn)轉(zhuǎn)方向（正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)）［10-11］。目前可以選用的電機(jī)有 HGRA1，電機(jī)驅(qū)動(dòng)為配套的SH2024A。電機(jī)最大旋轉(zhuǎn)角度為5°/C，重復(fù)定位精度為0.003°/C，滿足實(shí)驗(yàn)要求。此時(shí)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上設(shè)置最小步距角為0.000 312 5°，根據(jù)PIN光電二極管輸出脈沖為2.8 kHz。由（1）容易計(jì)算得到轉(zhuǎn)動(dòng)速度為0.875°，滿足后期數(shù)據(jù)處理的要求。實(shí)驗(yàn)時(shí)將線陣激光雷達(dá)系統(tǒng)箱體放置在移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的一個(gè)面陣的掃描。

4　電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)SH2024A來(lái)說(shuō)：（1）VCC是輸入信號(hào)的公共端，當(dāng)VCC大于5 V時(shí)需要外接限流電阻R，在本系統(tǒng)中，VCC由外接電源模塊提供5 V電壓；（2）CP是步進(jìn)脈沖信號(hào)輸入，下降沿有效，信號(hào)電平穩(wěn)定時(shí)間不小于3 us，即要求高低電平具有一定的穩(wěn)定時(shí)間；（3）FREE是脫機(jī)信號(hào)，當(dāng)輸入控制端為低時(shí)，電機(jī)處于自由脫機(jī)狀態(tài)；（4）DIR是方向電平信號(hào)輸入端，高低電平控制電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。默認(rèn)為高，因?yàn)橥綊呙杵脚_(tái)只要圓周正轉(zhuǎn)，接入高電平。

由于PIN光電二極管輸出波形是2.8 kHz，脈寬為20 ns的TTL電平，而驅(qū)動(dòng)電路SH2024A需要下降沿有效，并且信號(hào)低電平穩(wěn)定時(shí)間不小于3 μs的TTL電平來(lái)帶動(dòng)前段的發(fā)光二極管發(fā)光，通過(guò)光耦隔離帶動(dòng)后端的驅(qū)動(dòng)電路。所以，電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的要點(diǎn)實(shí)現(xiàn)電平的相互轉(zhuǎn)換，使得PIN光電二極管在輸出基準(zhǔn)脈沖的同時(shí)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的同步掃描，圖3為電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的外部交互。

圖3　電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路板的外部交互

具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示：先將PIN管輸出TTL電平通過(guò)高頻信號(hào)線（SMA接頭）接入反相器SN7400實(shí)現(xiàn)反向，再通過(guò)555定時(shí)器將脈寬20 ns展寬至5 μs，最后再通過(guò)反相器實(shí)現(xiàn)輸出電平的反轉(zhuǎn)。在輸出端串聯(lián)限流電阻，實(shí)現(xiàn)輸出端8 mA～15 mA的前向電流的可調(diào)整。

測(cè)試電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路板（如圖5所示），可以得到如圖6的CP波形，通過(guò)測(cè)試移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)在30 s內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度確定轉(zhuǎn)臺(tái)能夠保持在1°/s的穩(wěn)定速度繞圓周旋轉(zhuǎn)，圖7為激光雷達(dá)同步掃描系統(tǒng)及其測(cè)試結(jié)果。

圖4　電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的硬件實(shí)現(xiàn)及各點(diǎn)波形

圖5　電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路板

圖6　輸出CP信號(hào)

圖7　激光雷達(dá)同步掃描系統(tǒng)及其測(cè)試

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種通過(guò)PIN光電二極管輸出的基準(zhǔn)TTL電平帶動(dòng)移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)，完成電壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)并制版，按上述方案實(shí)現(xiàn)了線陣激光雷達(dá)的同步掃描系統(tǒng)，能夠方便的實(shí)現(xiàn)激光脈沖與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的同步，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效的工作。如果我們還需要控制移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)的速度的相應(yīng)變化，只需要在TTL輸入端加入一個(gè)分頻器或者計(jì)數(shù)器即可以完成移動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)速度的整數(shù)倍增減。

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沈略（1990-），男，漢族，江蘇蘇州人，南京大學(xué)碩士生，研究方向?yàn)榧す饫走_(dá)的硬件控制，929945780@qq.com；

王元慶（1963-），男，漢族，安徽蕪湖人，南京大學(xué)博導(dǎo)，教授，研究方向?yàn)榱Ⅲw圖像顯示、立體圖像獲取、現(xiàn)代數(shù)字圖像處理、無(wú)侵?jǐn)_人機(jī)交互，yqwang@nju.edu.cn。

Design of Laser-Synchronized Scanning System for Linear Array LiDAR

SHEN Lue，WANG Yuanqing*，XU Fan
（School of Electronic Science and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210046，China）

Aiming at dynamic scanning for linear array LiDAR，a new method was proposed to scan 3D target in which signal from PIN diode was transformed to drive a turntable.Hardware involved in this system was introduced while level-translator circuit was designed.Besides，how the laser-synchronized system works was summarized.Experiment shows that it is compact and runs fluently in circle with an accuracy up to 0.000 312 5。

LiDAR；synchronous scanning；PIN diode；turntable

TM301.2

A

1005-9490（2016）03-0596-04

EEACC：6320C10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.019