本技术介绍了一种结合TDC和ADC技术的激光雷达数据采集方法、系统及激光雷达设备,旨在提升激光雷达技术领域中的时间测量精度。该方法通过在一个脉冲发射接收周期内,采用高精度的时间测量技术,实现对激光雷达数据的精确采集。
背景技术
激光雷达内部数据采集系统用于采集雷达输出的激光束经目标反射回来的回波信号,性能的好坏会直接影响激光雷达的分辨率和精度等重要参数,是激光雷达的关键部件之一。
激光雷达的数据采集系统中的TDC(Time-to-Digital Conversion,TDC)数据采集方案,产生的数据量小且时间测量精度较高,但是TDC由于死区时间限制,当多个回波信号到达检测器时,TDC只能记录一个回波信号,而且TDC的输出只有“0”和“1”两种形式,无法记录信号的幅度和形状。并且TDC系统采集数据需配合复杂的标校及拟合算法才能实现精确测距。
激光雷达在使用时,激光光斑可能完全落在被测目标上,可能落在前后相互交错的两个物体上,也可能透过一个目标物后落在另一被测目标上,由于激光光斑覆盖区域不同,造成每次发射激光脉冲,回波信号可能是一个也可能是多个,在激光雷达的实际应用过程中,如雨、雪、雾、扬尘环境中,激光雷达会接收到多重回波,针对高反射率目标,激光脉冲在雷达与被测目标间二次往返也会产生多回波信号。不同工作场景和不同被测目标,实际被测目标回波信号与雨雪雾等干扰目标回波信号的时序、脉宽均有不同对应关系,但当仅使用TDC时,所得的脉冲前后沿信息过于单一,无法有效判别区分多个回波信号,更严重的,多回波信号的叠加也会造成回波波形异变引发测距失真。
激光雷达的数据采集系统中的ADC(Analog-to-Digital Conversion, ADC)数据采集方案,可以直接记录信号的幅度等信息,ADC采样率越高,对回波的还原程度越好,而且ADC可以测量同时到达检测器的多个回波,可以有效提高雷达的精度,拓宽使用范围。但是具有高分辨能力的激光雷达需要ADC器件的采样率至少为1Gsps以上,高采样率ADC的采用,必然伴随着高速数据(大于1G Byte/s)缓存和传输的问题,不但使电子学设计方案变得更复杂,也带来了功耗和散热的问题,不符合激光雷达的低功耗、低成本、高度集成的方向发展。更严重的是,受限于国内半导体加工工艺和设计经验的不足,几乎国内所用的ADC芯片全都需要从国外进口。而高采样率的ADC芯片不但价格昂贵,更由于可应用于国防等重要领域,往往在采购时面临禁运的问题。因此,如果采用单靠ADC进行波形采样的电子学信号采集方案,由于高速ADC的价格、采购、研发成本的制约,必然限制了高精度激光雷达的自主产业化。
实现思路