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CN116047476A - 全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统 - Google Patents

全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统 Download PDF

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CN116047476A
CN116047476A CN202310130140.XA CN202310130140A CN116047476A CN 116047476 A CN116047476 A CN 116047476A CN 202310130140 A CN202310130140 A CN 202310130140A CN 116047476 A CN116047476 A CN 116047476A
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signals
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screening
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朱精果
朱永健
刘汝卿
蒋衍
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Institute of Microelectronics of CAS
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Abstract

本发明提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统，该方法包括：发射固定脉宽的重频脉冲，经待测目标反射后获取待处理的初始回波信号，由光电二极管将初始回波信号转换为模拟信号；将模拟信号通过高速ADC采样转换为数字信号，将数字信号转换并打包为JESD204B协议，通过JESD204B协议的高速I/O接口端传输至ZYNQ板卡；ZYNQ板卡对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选，得到有效回波信号；对有效回波信号进行CIC插值，提高有效回波信号的采样率，再将提高采样率的有效回波信号通过DMA传输至ARM中进行储存，基于阈值筛选，在对信号强度门限筛选的基础上，同时增加了对回波脉宽的筛选，提升了对毛刺信号的筛选能力，再利用CIC插值，实现了更高采样速率的输入。

Description

全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统。
背景技术
激光雷达系统正朝着高速化、高精度的方向发展，也就对回波传输和处理电路设计提出了更高的要求，需要同时兼顾高速和高精度。通常，采用提高ADC采样速率的方法来提高全波形激光雷达采样精度，但更高速的ADC，不仅导致系统成本大大提升，同时给接口数据传输带来比较大的挑战，易导致时序混乱、数据丢失等问题。其次，由于全波形激光雷达采样中包含大量无回波噪声信号，对该部分无用信号的更高密度采样不仅提升了系统传输负荷，也降低了数据处理效率。传统阈值筛选中使用噪声幅值阈值筛选的方式，该方法可以有效筛选回波信号，但尖峰毛刺幅值同样超过了阈值，故无法通过该种方法滤除尖峰毛刺信号。
发明内容
为解决上述ADC采样速率提升精度成本大以及难以筛选尖峰毛刺信号的技术问题，本发明提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统。
本发明提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法，包括：发射固定脉宽的重频脉冲，经待测目标反射后获取待处理的初始回波信号，由光电二极管将初始回波信号转换为模拟信号；将模拟信号通过高速ADC采样转换为数字信号，将数字信号转换并打包为JESD204B协议，通过JESD204B协议的高速I/O接口端传输至ZYNQ板卡；ZYNQ板卡对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选，得到有效回波信号；对有效回波信号进行CIC插值，提高有效回波信号的采样率，再将提高采样率的有效回波信号通过DMA传输至ARM中进行储存。
根据本发明的一实施例，初始回波信号包括有效回波信号、毛刺信号以及噪声信号；筛选回波信号包括有效回波信号以及毛刺信号。
根据本发明的一实施例，按照以下公式对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选：
thn＝μn+3σn
其中，thn为噪声信号门限，μn为噪声信号的均值，σn为噪声信号的标准差。
根据本发明的一实施例，阈值筛选还包括判断初始回波信号的幅值是否小于噪声信号门限，当初始回波信号的一信号段的幅值小于噪声信号门限时，将该信号段确定为噪声信号，并滤除噪声信号，得到筛选回波信号。
根据本发明的一实施例，阈值筛选还包括脉宽判断，其中：获取筛选回波信号，选取筛选回波信号的半高宽作为宽度门限，当连续多个半高宽的幅值大于噪声信号门限，则为有效回波信号。
根据本发明的一实施例，CIC插值的系统函数为：
Figure BDA0004083607190000021
其中，H(z)为CIC插值的系统函数，D为滤波器的长度，h(n)为CIC插值的单项冲激响应。
根据本发明的一实施例，ESD204B协议的高速I/O接口端的传输速度为：
Figure BDA0004083607190000022
其中，M为高速ADC的通道数量，N’为补码后的ADC位数，fadc_c1k为高速ADC的工作时钟频率，L为SerDes传输链路的数量。
根据本发明的又一实施例，用于实现上述实施例任一项的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，系统包括：依次设置的激光器、光电二极管、高速ADC以及ZYNQ板卡，其中，初始回波信号通过光电二极管转换为模拟信号，以差分输入的方式输入高速ADC的信号输入端，高速ADC通过SerDes输出端，以基于CML接口的JESD204B协议连接至ZYNQ板卡的高速I/O接口端，ZYNQ板卡通过三线SPI接口连接高速ADC的SPI接口输入端；以及ZYNQ板卡包括通过AXI4总线依次连接的FPGA部分和ARM部分，其中，FPGA部分包括通过AXI STREAM总线依次连接的RX端、阈值筛选端、FIFO端、CIC插值器以及DMA端。
根据本发明的又一实施例，ARM部分还通过AXI LITE总线连接JESD204B协议的高速I/O接口端。
根据本发明的又一实施例，ZYNQ板卡还包括双倍速率同步动态随机存储器，与ARM部分输出端连接。
与现有技术相比，本发明提供的全波形激光雷达回波信号数字处理方法及装置，至少具有以下有益效果：
(1)本发明采用了改进型阈值筛选，即对全波形采样数据进行阈值筛选，在对信号强度门限筛选的基础上，同时增加了对回波脉宽的筛选，提升了对毛刺信号的筛选能力，为高准确性获取回波信号提供了很大帮助；
(2)本发明采用的改进型阈值筛选先筛选出有效回波信号，再利用CIC插值增加有效波形部分采样率的方式，既实现了更高采样速率的输入，在提升全波形雷达数据分析精度的同时降低了实际传输的数据量，便于后级数字电路逻辑处理和数据传输与存储，插值后对数字波形进行拟合，提高了拟合精度并且降低了均方根误差，能高精准、高效的获取不同距离和反射率目标的完整回波，降低了拟合波形的均方根误差。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例全波形激光雷达回波信号数字处理方法的流程图；
图2为本发明实施例FPGA部分的结构示意图；
图3为现有全波形激光雷达回波信号数字处理系统的结构示意图；
图4为本发明实施例全波形激光雷达回波信号数字处理系统的结构示意图；
图5为本发明实施例的时钟方案示意图；
图6为本发明实施例CIC插值器的结构示意图；以及
图7为本发明实施例阈值筛选的波形示意图。
【附图标记说明】
101-高速ADC；102-ZYNQ板卡。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法及系统，全波形激光雷达利用高速ADC101采集信号，具有精度高、信息量大、获得完整波形、穿透性强、探测距离远等一系列优点，不仅可以用于3D成像探测，也可用于多目标探测等应用。目前激光雷达主要采用飞行时间测距(TOF，Time of Flight)法进行距离探测，其原理为通过测量激光在发射与接收时的时间差来计算得到激光雷达与被测物体之间的距离，而全波形激光雷达利用高速ADC101对返回激光经过光电二极管APD化得到的电信号进行数模转换，从而获得完整回波波形。
目前全波形激光雷达数字处理方法及装置主要由ADC和FPGA之间数据传输的接口协议和FPGA板卡的硬件处理两个部分组成。一般在传输速率不高的情况下，现有技术方案主要通过LVDS接口标准对ADC采样数据进行传输，但其存在传输速率上限不高、占用接口较多的缺点，本设计采用基于CML接口标准的JESD204B高速数据协议对数据进行传输，大大提升了传输速率。
请参阅图3，现有的典型ADC数据传输和处理数字电路设计如图3所示，该设计中ADC主要通过LVDS接口传输采样数据，其主要作用是利用差分对的形式消除传输过程中的误差，数据传入FPGA部分后，不经处理直接通过网口协议或者串口通信将数据传输至上位机进行处理。在该设计下，欲提高系统采样率和精度，一般通过提升ADC采样速率或者多ADC并联的方式，这就大大提升了硬件开销，并且ADC高采样率导致数据量变大，而实际数据中大多数为无回波信号数据，故对该部分更高精度采样导致无效信息变多，大大降低了信号传输和处理的效率。
而通过SPI总线配置ADC后，在同一个锁相环输出的时钟信号驱动下，ADC依照寄存器配置信息对数据进行模数转换，转换后将数据通过LVDS差分对进行传输。(通常传输速率为200-300MHz左右)传输至FPGA后，通常通过串口(低速情况)或者网口(TCP或UDP协议)将数据传输至上位机中。在该过程中，FPGA仅起控制信号输出和上位机传输作用。
请参阅图1-图2，本发明一实施例提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法，包括以下步骤S110-S140：
S110，由激光器发射固定脉宽的重频脉冲，经待测目标反射后获取待处理的初始回波信号，由光电二极管将初始回波信号转换为模拟信号。
S120，将模拟信号通过高速ADC101采样转换为数字信号，将数字信号转换并打包为JESD204B协议，通过JESD204B协议的高速I/O接口端传输至ZYNQ板卡102。
S130，ZYNQ板卡102对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选，得到有效回波信号。
S140，对有效回波信号进行CIC插值，提高有效回波信号的采样率，再将提高采样率的有效回波信号通过DMA传输至ARM中进行储存。
示例性地，在步骤S120中，在ZYNQ板卡102中，信号通过一个FIFO进行缓存。
示例性地，在步骤S130中，阈值筛选包括噪声信号门限的筛选以及脉宽判断，进行噪声信号门限的筛选得到筛选回波信号，进行脉宽判断得到有效回波信号。
在一实施例中，初始回波信号包括有效回波信号、毛刺信号以及噪声信号；筛选回波信号包括有效回波信号以及毛刺信号。
在一实施例中，按照以下公式对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选，例如为噪声估计算法：
thn＝μn+3σn
其中，thn为噪声信号门限，μn为噪声信号的均值，σn为噪声信号的标准差，利用噪声信号门限进行筛选主要是滤除有效回波信号之外的背景噪声信号，从而在保留有用信息的前提下大大减少了数据量，提升了传输和处理效率。
在一实施例中，阈值筛选还包括判断初始回波信号的幅值是否小于噪声信号门限thn，当初始回波信号的一信号段的幅值小于噪声信号门限时，将该信号段确定为噪声信号，且滤除噪声信号，得到筛选回波信号。
请参阅图7，在一实施例中，阈值筛选还包括脉宽判断，其中：获取筛选回波信号，选取筛选回波信号的半高宽w作为宽度门限，当连续多个半高宽w的幅值大于噪声信号门限thn，则为有效回波信号，从而提升了阈值筛选的有效性和准确度。
请参阅图6，示例性，CIC插值例如可以选用CIC插值器，单级CIC插值器包括积分器、梳状器和一个累加器，其单项冲激响应为：
Figure BDA0004083607190000061
其中，h(n)为该插值器单项冲激响应。
在一实施例中，CIC插值的系统函数为：
Figure BDA0004083607190000062
其中，H(z)为该插值器系统函数，D为滤波器的长度。
其中，H1(z)为单极点IIR(无限长脉冲响应)滤波器系统函数，反馈函数为1：
Figure BDA0004083607190000063
其中，H2(z)为FIR滤波器系统函数：
H2(z)＝1-z-D
根据上述实施例，例如将CIC插值器拆分为由一个IIR滤波器组成的积分器和一个由FIR滤波器组成的梳状器累加构成的结构，IIR滤波器和FIR滤波器结构简单，易于在数字电路设计中实现并集成。利用加法器、积分器等构成，无需使用乘法器，易于在FPGA中实现，且适合高速采样情形下工作。
在一实施例中，JESD204B协议的高速I/O接口端的传输速度为：
Figure BDA0004083607190000071
其中，M为高速ADC101的通道数量，N’为补码后的ADC位数，fadc_c1k为高速ADC101的工作时钟频率，L为SerDes传输链路的数量，10/8系数为实际传输过程中，JESD204B协议对数据进行8b/10b编码，实际传输bit数为原先10/8倍。
请参阅图4，在本发明的又一实施例中，本发明提供了一种全波形激光雷达回波信号数字处理系统，包括依次设置的光电二极管APD、高速ADC101以及ZYNQ板卡102，其中，初始回波信号通过光电二极管APD模拟信号，以差分输入的方式输入高速ADC101的信号输入端，高速ADC101通过SerDes输出端，以基于CML接口的JESD204B协议连接至ZYNQ板卡102的高速I/O接口端，ZYNQ板卡102通过三线SPI接口连接高速ADC101的SPI接口输入端；以及
ZYNQ板卡102包括通过AXI4总线依次连接的FPGA部分和ARM部分，其中，FPGA部分包括通过AXI STREAM总线依次连接的RX端、阈值筛选端、FIFO端、CIC插值器以及DMA端。
示例性地，ZYNQ板卡例如可以为ZYNQ ULTRASCALE板卡，ARM部分包括寄存器配置控制和数据存储，利用ZYNQ引出SPI总线连接ADC进行参数配置，ZYNQ内部利用AXI4 STREAM总线进行模块间连接，利用DMA和AXI4总线连接ZYNQ的PS端(ARM端)和PL端(FPGA端)。
示例性地，三线SPI接口包括时钟信号、片选信号、输入/输出信号分别连接至高速ADC101对应的时钟信号、片选信号、输入/输出信号的接口输入端。晶振通过锁相环倍频之后，同时连接至高速ADC101的时钟信号输入引脚和ZYNQ板卡102的时钟信号输入引脚。
请参阅图5，各个模块由外部晶振提供时钟信号，为了确保多个器件之间的时序保持同步，可以使用同一个晶振提供时钟信号。本实施例例如可以采用一个集成于板卡上的25Mhz晶振提供初始时钟信号，随后通过一枚ADF4360锁相环芯片将时钟信号倍频至1Ghz，再通过一枚AD9528时钟芯片对其进行分频。
示例性地，Sample CLK为高速ADC101采样时钟频率，SYSREF为JESD204B协议外部参考信号，Ref/Glb CLK为FPGA板卡工作时钟频率，Drp CLK为动态重新配置端口时钟。
在本发明的又一实施例中，ARM部分还通过AXI LITE总线连接JESD204B协议的高速I/O接口端。
在本发明的又一实施例中，ZYNQ板卡102还包括双倍速率同步动态随机存储器，与ARM部分输出端连接。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
应该明白，发明的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本发明的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于的特定顺序或层次。
类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。除非另有说明，否则表述“大约”、“约”、“基本上”和“左右”表示在10％以内，优选地，在5％以内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，包括：
发射固定脉宽的重频脉冲，经待测目标反射后获取待处理的初始回波信号，并由光电二极管将所述初始回波信号转换为模拟信号；
将所述模拟信号通过高速ADC采样转换为数字信号，将所述数字信号转换并打包为JESD204B协议，通过所述JESD204B协议的高速I/O接口端传输至ZYNQ板卡；
所述ZYNQ板卡对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选，得到有效回波信号；
对所述有效回波信号进行CIC插值，提高所述有效回波信号的采样率，再将提高采样率的有效回波信号通过DMA传输至ARM中进行储存。
2.根据权利要求1所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述初始回波信号包括有效回波信号、毛刺信号以及噪声信号；
筛选回波信号包括有效回波信号以及毛刺信号。
3.根据权利要求2所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，按照以下公式对JESD204B协议内的信号进行阈值筛选：
thn＝μn+3σn
其中，thn为噪声信号门限，μn为噪声信号的均值，σn为噪声信号的标准差。
4.根据权利要求3所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述阈值筛选还包括判断所述初始回波信号的幅值是否小于所述噪声信号门限，当所述初始回波信号的一信号段的幅值小于所述噪声信号门限时，将该信号段确定为噪声信号，并滤除所述噪声信号，得到筛选回波信号。
5.根据权利要求4所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述阈值筛选还包括脉宽判断，其中：
获取所述筛选回波信号，选取所述筛选回波信号的半高宽作为宽度门限，当连续多个半高宽的幅值大于噪声信号门限，则为有效回波信号。
6.根据权利要求1所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述CIC插值的系统函数为：
Figure FDA0004083607180000021
其中，H(z)为CIC插值的系统函数，D为滤波器的长度，h(n)为CIC插值的单项冲激响应。
7.根据权利要求1所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述JESD204B协议的高速I/O接口端的传输速度为：
Figure FDA0004083607180000022
其中，M为高速ADC的通道数量，N’为补码后的ADC位数，fadc_c1k为高速ADC的工作时钟频率，L为SerDes传输链路的数量。
8.一种全波形激光雷达回波信号数字处理系统，用于实现如权利要求1-7中任一项所述的全波形激光雷达回波信号数字处理方法，其特征在于，所述系统包括：
依次设置的激光器、光电二极管、高速ADC以及ZYNQ板卡，其中，初始回波信号通过光电二极管转换为模拟信号，以差分输入的方式输入所述高速ADC的信号输入端，所述高速ADC通过SerDes输出端，以基于CML接口的JESD204B协议连接至所述ZYNQ板卡的高速I/O接口端，所述ZYNQ板卡通过三线SPI接口连接所述高速ADC的SPI接口输入端；以及
所述ZYNQ板卡包括通过AXI4总线依次连接的FPGA部分和ARM部分，其中，所述FPGA部分包括通过AXI STREAM总线依次连接的RX端、阈值筛选端、FIFO端、CIC插值器以及DMA端。
9.根据权利要求8所述的全波形激光雷达回波信号数字处理系统，其特征在于，所述ARM部分还通过AXI LITE总线连接JESD204B协议的高速I/O接口端。
10.根据权利要求8所述的全波形激光雷达回波信号数字处理系统，其特征在于，所述ZYNQ板卡还包括双倍速率同步动态随机存储器，与所述ARM部分输出端连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117613654A (zh) * 2023-11-23 2024-02-27 山东大学 一种基于fpga的可编程高稳定激光脉冲控制系统

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