二维激光雷达测绘系统技术研究

李乐吟 梁小梅 章嘉雯 南京邮电大学通信与信息工程学院

1 研究背景

随着我国科技的日益发展，对距离测量的要求愈来愈高，为了追求测量范围高、测量精度高，激光测距技术逐渐走进人们的各行各业。激光测距技术应用在航空航天、位置定位、野外勘探、导弹发射、娱乐等多个方面。由此可见激光测距对于保障国家安全及人民幸福生活是不可或缺的。激光测距利用激光的单色性、方向性、相干性、高亮度，以实现测程远、精度高、速度快、分辨率高、抗干扰能力强的目的。本作品实现了激光测距扫描系统的精度、距离提高与系统简化的综合提升，可达到15m以上的测量距离以及毫米以内的测量精度。

2 二维激光雷达测绘系统设计

2.1 数字同步检相技术

在连续式激光测距系统中，整个系统性能最重要部分是检相测量，其测距精度起决定性作用。由于相位在激光测距中的重要地位，因此发展起来的检相技术层出不穷。在方式上主要有两种:模拟测相和数字测相。测量相位的方法有多种，本文使用数字同步检相技术，因为其能够在保证精度的前提下预留更多的资源空间进行其他运算，节省资源，且技术较易实现。

2.2 FPGA产生数字DDS

本系统将传统的使用DDS芯片产生正弦波再采样进行相干测量的方法进一步改进，简化了前端电路，将模拟DDS改为使用在FPGA内使用数字DDS实现，减少了电路DA和AD，并且充分应用FPGA的高速并行运算的特点。此外我们将传统的模拟混频再滤波的正交解调技术改为在高速AD采集后进行数字混频数字滤波数字解调，解决了模拟电路搭建麻烦、可靠性不高、易引入噪声等一系列缺点，为整个系统激光测距的准确性提供了保障。运用数字采样、滤波等一系列数字信号处理技术，以及优化的FIR数字滤波器和CORDIC算法，使得最终得到准确的相位信息。

2.3 STM32系统设计

在本模块中，将STM32的软件设计层次划分为三层，从底层向上分别为硬件层、系统层和应用层。下面对各层的功能进行简单说明：

硬件层：硬件层通过接口来处理来自FPGA结算得到的相位差数据，以及与TFT用户交互界面的硬件通信连接。

系统层：系统层通过uC/GUI来支持从底层的距离数据以及TFT用户交互界面。并实现可拓展。

应用层：应用层基于uC/GUI，开发出一套基于激光测距系统的应用。

2.4 MATLAB扫描成像

我们将激光测距系统搭载在二维云台上，通过STM32控制两个舵机能够在两维平面进行扫描，记录对应的转角信息以及距离信息，最终形成一个二维空间的点云数据，将其导入电脑并使用matlab进行绘图显示，即实现对二维空间环境的扫描建模。

3 维激光雷达测绘系统创新点

（1）将传统外接DDS芯片产生正弦波转变为直接使用FPGA搭建数字DDS，极大地减少了外围电路，而且能够准确的获取信号的相位信息，提高了计算精度。

（2）接收端的光电二极管将接收回来的信号进行模拟混频、滤波转变为使用高速AD采样、数字混频滤波，充分地使用数字信号的处理的方法，减少模拟电路的复杂性，使得系统得以小巧化。

（3）激光发射电路设计简单，降低了复杂程度，器件也极易获取，为该选项技术提供更广阔的市场。

（4）将数字信号处理与FPGA的并行处理相结合，数据处理的速度较快，提高了连续不间断重复测量的能力。