李樂吟 梁小梅 章嘉雯 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院

1 研究背景

隨著我國(guó)科技的日益發(fā)展，對(duì)距離測(cè)量的要求愈來(lái)愈高，為了追求測(cè)量范圍高、測(cè)量精度高，激光測(cè)距技術(shù)逐漸走進(jìn)人們的各行各業(yè)。激光測(cè)距技術(shù)應(yīng)用在航空航天、位置定位、野外勘探、導(dǎo)彈發(fā)射、娛樂等多個(gè)方面。由此可見激光測(cè)距對(duì)于保障國(guó)家安全及人民幸福生活是不可或缺的。激光測(cè)距利用激光的單色性、方向性、相干性、高亮度，以實(shí)現(xiàn)測(cè)程遠(yuǎn)、精度高、速度快、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)的目的。本作品實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距掃描系統(tǒng)的精度、距離提高與系統(tǒng)簡(jiǎn)化的綜合提升，可達(dá)到15m以上的測(cè)量距離以及毫米以內(nèi)的測(cè)量精度。

2 二維激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字同步檢相技術(shù)

在連續(xù)式激光測(cè)距系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)性能最重要部分是檢相測(cè)量，其測(cè)距精度起決定性作用。由于相位在激光測(cè)距中的重要地位，因此發(fā)展起來(lái)的檢相技術(shù)層出不窮。在方式上主要有兩種:模擬測(cè)相和數(shù)字測(cè)相。測(cè)量相位的方法有多種，本文使用數(shù)字同步檢相技術(shù)，因?yàn)槠淠軌蛟诒ＷC精度的前提下預(yù)留更多的資源空間進(jìn)行其他運(yùn)算，節(jié)省資源，且技術(shù)較易實(shí)現(xiàn)。

2.2 FPGA產(chǎn)生數(shù)字DDS

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的使用DDS芯片產(chǎn)生正弦波再采樣進(jìn)行相干測(cè)量的方法進(jìn)一步改進(jìn)，簡(jiǎn)化了前端電路，將模擬DDS改為使用在FPGA內(nèi)使用數(shù)字DDS實(shí)現(xiàn)，減少了電路DA和AD，并且充分應(yīng)用FPGA的高速并行運(yùn)算的特點(diǎn)。此外我們將傳統(tǒng)的模擬混頻再濾波的正交解調(diào)技術(shù)改為在高速AD采集后進(jìn)行數(shù)字混頻數(shù)字濾波數(shù)字解調(diào)，解決了模擬電路搭建麻煩、可靠性不高、易引入噪聲等一系列缺點(diǎn)，為整個(gè)系統(tǒng)激光測(cè)距的準(zhǔn)確性提供了保障。運(yùn)用數(shù)字采樣、濾波等一系列數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，以及優(yōu)化的FIR數(shù)字濾波器和CORDIC算法，使得最終得到準(zhǔn)確的相位信息。

2.3 STM32系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本模塊中，將STM32的軟件設(shè)計(jì)層次劃分為三層，從底層向上分別為硬件層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層。下面對(duì)各層的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單說明：

硬件層：硬件層通過接口來(lái)處理來(lái)自FPGA結(jié)算得到的相位差數(shù)據(jù)，以及與TFT用戶交互界面的硬件通信連接。

系統(tǒng)層：系統(tǒng)層通過uC/GUI來(lái)支持從底層的距離數(shù)據(jù)以及TFT用戶交互界面。并實(shí)現(xiàn)可拓展。

應(yīng)用層：應(yīng)用層基于uC/GUI，開發(fā)出一套基于激光測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用。

2.4 MATLAB掃描成像

我們將激光測(cè)距系統(tǒng)搭載在二維云臺(tái)上，通過STM32控制兩個(gè)舵機(jī)能夠在兩維平面進(jìn)行掃描，記錄對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角信息以及距離信息，最終形成一個(gè)二維空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入電腦并使用matlab進(jìn)行繪圖顯示，即實(shí)現(xiàn)對(duì)二維空間環(huán)境的掃描建模。

3 維激光雷達(dá)測(cè)繪系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）將傳統(tǒng)外接DDS芯片產(chǎn)生正弦波轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯邮褂肍PGA搭建數(shù)字DDS，極大地減少了外圍電路，而且能夠準(zhǔn)確的獲取信號(hào)的相位信息，提高了計(jì)算精度。

（2）接收端的光電二極管將接收回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行模擬混頻、濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槭褂酶咚貯D采樣、數(shù)字混頻濾波，充分地使用數(shù)字信號(hào)的處理的方法，減少模擬電路的復(fù)雜性，使得系統(tǒng)得以小巧化。

（3）激光發(fā)射電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，降低了復(fù)雜程度，器件也極易獲取，為該選項(xiàng)技術(shù)提供更廣闊的市場(chǎng)。

（4）將數(shù)字信號(hào)處理與FPGA的并行處理相結(jié)合，數(shù)據(jù)處理的速度較快，提高了連續(xù)不間斷重復(fù)測(cè)量的能力。