線陣激光雷達同步掃描系統的設計

沈　略，王元慶，徐　帆

（南京大學電子科學與工程學院，南京210046）

線陣激光雷達同步掃描系統的設計

沈略，王元慶*，徐帆

（南京大學電子科學與工程學院，南京210046）

為了實現線陣激光雷達的同步動態掃描，提出了一種對PIN光電二極管的輸出基準信號進行電平轉換驅動旋轉平臺，從而對三維景物實現推掃的實現方法。介紹了系統的硬件組成，設計了電平轉換驅動電路，闡述了同步掃描系統的原理。實驗表明，系統的結構緊湊，運行可靠，能在整個圓周范圍內進行掃描，測量的精度高達0.000 312 5°/s。

激光雷達；同步掃描；PIN光電二極管；轉臺

三維成像激光雷達具有三維輪廓和成像能力，可獲取目標的多種圖像［1］。三維激光雷達的特點使其成為一種非常具有潛力的探測手段，適合于精確打擊武器的避障、導航、制導和精確毀傷，目標的偵查、監視、分類和識別，航天器空間交會對接、著陸落點選擇、對地遙感觀測、地形測繪、災害調查和植被測量，無人車和機器人的避障、導航，直升機、船舶和汽車的主動防撞以及城市建筑物三維地形等，在軍民兩大領域均具有廣闊的發展前景和應用需求［2-3］。

三維成像激光雷達按掃描方式可分為單元探測器二維掃描，面陣探測器非凝視掃描和線陣探測器一維掃描［4］。單元探測器二維掃描激光成像雷達采用單元探測器接收，每次只能獲得一個像素的距離和回波強度數據，通過二維光機掃描或一維光機掃描加推掃實現所有像素數據的采集，最終得到目標的距離像和強度像。目前，該成像探測成像技術已經較為成熟，但存在著成像速率低，體積功耗大的缺點。面陣探測器非掃描凝視激光成像雷達采用面陣探測器接收，無需掃描機構，可同時得到所有像素的距離和強度數據。該成像探測技術具有成像速率高，結構緊湊，體積小的優點，但受面陣探測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的圖像，且由于面陣探測器制造工藝水平限制，成像率較低，使得基于該探測技術的激光雷達成本高。

線陣探測器采用線陣探測器接收，每次可獲得一行（列）像素的距離和回波強度數據，通過掃描系統推掃實現所有像素數據的采集適合運動平臺和較大視場探測，其成像速率遠高于單元探測器二維掃描成像技術，且由于線陣探測器產品豐富，陣元數目多，能獲得較高分辨率圖像，是一種頗具有優勢和潛能的成像探測技術［5-7］。

該系統采取激光發射系統與回波接收系統光軸共軸的方式。激光由激光器出光以后，通過激光器整形單元準直，均衡和擴束，將其展開成線，擴束后的激光束通過鏡頭投射到遠處1×N個被測點上，由接收鏡頭對回波激光進行成像，通過光傳像陣列傳輸到N個光電探測器上，信號采集電路將陣列式光電探測器生成的回波信號進行采樣和存儲，得到N個被測點的像素飛行時間。為了滿足國內機載遙感的需求，我們研制了同步掃描激光雷達系統。其中PIN光電二極管的TTL輸出通過電平轉換驅動電路板產生連續脈沖信號給移動轉臺，形成激光雷達實時的同步掃描。

收稿日期：2015-06-18修改日期：2015-07-23

1　系統原理介紹

激光器發射20 ns脈寬，重復頻率2.8 k的高斯型激光脈沖通過400 μm內徑光纖引一小束激光進入高速PIN光電二極管用于主波采樣用來提供激光脈沖發射時刻信息，此時PIN光電二極管的輸出一端為模擬輸出，另外一端輸出是標準的TTL電平。但是由于激光脈沖過窄，此時TTL的占空比極小，而且本身輸出電流只是mA級別，無法直接接入驅動芯片SH2024A驅動移動轉臺，因此設計了電平轉換驅動板將TTL電平加以脈寬擴展和帶動負載能力的加強。具體硬件實現框圖如圖1所示。

圖1　同步掃描系統硬件框圖

掃描系統有如下求：（a）保持TTL擴展脈沖到達移動轉臺的時間t1與PIN二級管的TTL輸出時間t2之差t1-t2足夠小；（b）掃描速度保持在1°/s以下，這是后端數據處理系統的要求；（c）重復定位精度在0.000 5°/s以下，并且越小越好，不然可能會造成回波數據點的偏移，當采集同一目標的回波數據時不能提供準確的比較；（d）中心最大負載大于80 kg，這是線陣激光雷達系統的自重。

2　PIN光電二極管的選擇以及信號的提取

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特性，并且理論上光電探測器的靈敏度越高，對于后期數據處理以及主波的高斯信號采樣越有利。而雪崩光電二極管由于工作在雪崩區，常常伴隨有較大的靜電流噪聲［8］。而PIN光電二極管沒有內部增益，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，上升和下降時間小于300 ps，帶寬為1.2 GHz，同時具有模擬輸出和TTL電平輸出。

此處TTL輸出采用閾值檢測的辦法。當模擬輸出電平為閾值以上時，將其轉換為邏輯高電平（大于3 V）。當模擬輸出為閾值以下時，將其轉換為邏輯低電平（小于0.5 V），如圖2所示。其中，門限閾值可調。通過調低閾值即使在激光器出光較弱的條件下仍然可以得到標準的TTL波形。

圖2　PIN光電二極管模擬輸出及TTL輸出

3　電機及其驅動的選擇

歩進電機又稱為脈沖電動機，是數字控制系統中的一種執行元件［9］。對于一般的步進電機而言：（1）定于繞組的通電狀態每改變一次，它的轉子便轉過一定的角度，即步進電機的步距角；（2）改變步進電機定子繞組的通電順序，轉子的旋轉方向隨之改變；（3）步進電機定子繞組通電狀態的改變速度越快，其轉組旋轉的速度越快，即通電狀態的變化頻率越高，轉子轉速越高；（4）電機有其固有步進角，它表示控制系統每發一個步進脈沖信號電機所轉動的角度，出廠時給出了一個步距角的值，這個步距角可以稱為“電機固有步進角”，它不一定是電機工作時的真正步距角，真正的步距角和驅動器有關。

對于電機驅動來說，其功用是將脈沖電信號變為相應的角位移或者直線位移，即給一個脈沖電信號，電動機就轉動一個固定的角度（前進一步）。步進電機轉速v與脈沖頻率f成正比，假設固定步進角為n：

并且通過方向信號，脫機信號以及步進脈沖信號來控制運轉方向（正轉以及反轉）［10-11］。目前可以選用的電機有 HGRA1，電機驅動為配套的SH2024A。電機最大旋轉角度為5°/C，重復定位精度為0.003°/C，滿足實驗要求。此時在電機驅動上設置最小步距角為0.000 312 5°，根據PIN光電二極管輸出脈沖為2.8 kHz。由（1）容易計算得到轉動速度為0.875°，滿足后期數據處理的要求。實驗時將線陣激光雷達系統箱體放置在移動轉臺上，通過轉臺圓周運動實現對物體的一個面陣的掃描。

4　電平轉換驅動電路的設計

對于電機驅動SH2024A來說：（1）VCC是輸入信號的公共端，當VCC大于5 V時需要外接限流電阻R，在本系統中，VCC由外接電源模塊提供5 V電壓；（2）CP是步進脈沖信號輸入，下降沿有效，信號電平穩定時間不小于3 us，即要求高低電平具有一定的穩定時間；（3）FREE是脫機信號，當輸入控制端為低時，電機處于自由脫機狀態；（4）DIR是方向電平信號輸入端，高低電平控制電機正轉和反轉。默認為高，因為同步掃描平臺只要圓周正轉，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，而驅動電路SH2024A需要下降沿有效，并且信號低電平穩定時間不小于3 μs的TTL電平來帶動前段的發光二極管發光，通過光耦隔離帶動后端的驅動電路。所以，電平轉換驅動電路的要點實現電平的相互轉換，使得PIN光電二極管在輸出基準脈沖的同時帶動旋轉平臺實現激光雷達的同步掃描，圖3為電平轉換驅動電路的外部交互。

圖3　電平轉換驅動電路板的外部交互

具體實現步驟如圖4所示：先將PIN管輸出TTL電平通過高頻信號線（SMA接頭）接入反相器SN7400實現反向，再通過555定時器將脈寬20 ns展寬至5 μs，最后再通過反相器實現輸出電平的反轉。在輸出端串聯限流電阻，實現輸出端8 mA～15 mA的前向電流的可調整。

測試電平轉換驅動電路板（如圖5所示），可以得到如圖6的CP波形，通過測試移動轉臺在30 s內轉過的角度確定轉臺能夠保持在1°/s的穩定速度繞圓周旋轉，圖7為激光雷達同步掃描系統及其測試結果。

圖4　電平轉換驅動電路的硬件實現及各點波形

圖5　電平轉換驅動電路板

圖6　輸出CP信號

圖7　激光雷達同步掃描系統及其測試

5　結束語

本文提出了一種通過PIN光電二極管輸出的基準TTL電平帶動移動轉臺的設計，完成電壓轉換驅動電路的設計并制版，按上述方案實現了線陣激光雷達的同步掃描系統，能夠方便的實現激光脈沖與旋轉平臺的同步，系統能夠穩定有效的工作。如果我們還需要控制移動轉臺運轉的速度的相應變化，只需要在TTL輸入端加入一個分頻器或者計數器即可以完成移動轉臺速度的整數倍增減。

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沈略（1990-），男，漢族，江蘇蘇州人，南京大學碩士生，研究方向為激光雷達的硬件控制，929945780@qq.com；

王元慶（1963-），男，漢族，安徽蕪湖人，南京大學博導，教授，研究方向為立體圖像顯示、立體圖像獲取、現代數字圖像處理、無侵擾人機交互，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