【摘 要】
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激光雷达是一种主动获取周围环境信息的传感器,其凭借出色的测距能力在智慧城市、智能交通、自动驾驶、无人机、机器人等领域得到广泛使用。相比于毫米波雷达、超声波雷达、摄像头等探测传感器,激光雷达具有抗干扰性强、探测距离远、精确度高等优势,通过发射高速激光脉冲即可实时采集环境信息。对于脉冲式激光雷达,飞行时间测量的精度需要达到皮秒级,而传统采用微控制器和计时芯片相结合的方式受限于寿命低、开发周期长、不可重
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激光雷达是一种主动获取周围环境信息的传感器,其凭借出色的测距能力在智慧城市、智能交通、自动驾驶、无人机、机器人等领域得到广泛使用。相比于毫米波雷达、超声波雷达、摄像头等探测传感器,激光雷达具有抗干扰性强、探测距离远、精确度高等优势,通过发射高速激光脉冲即可实时采集环境信息。对于脉冲式激光雷达,飞行时间测量的精度需要达到皮秒级,而传统采用微控制器和计时芯片相结合的方式受限于寿命低、开发周期长、不可重复配置和成本高等问题。为解决以上问题,本文基于FPGA实现高精度皮秒级数字计时代替计时芯片,并在此基础上通过理论分析和电路设计完整地搭建了一套单线激光雷达系统,通过实验测试验证系统的整体性能。论文的主要内容如下:（1）对激光雷达的测距原理进行了分析,包括激光测距原理、时刻鉴别原理和飞行时间间隔测量原理,根据本文所需选择了脉冲式激光测距法作为本系统的测距方案,并根据脉冲式测距原理采用前沿定时鉴别方案和基于FPGA的时间数字转换器（TDC）作为时间间隔测量方案。（2）研究激光雷达的系统框架,设计激光雷达系统的光学镜头和壳体结构。根据激光器和光电探测器的焦距和尺寸设计符合要求的准直镜头和聚焦镜头,根据各模块尺寸和大小设计了激光雷达系统的三维结构,将反射镜、电机、主控制器、驱动板、激光收发模块固定于壳体中。（3）研究激光雷达系统的硬件电路,包括设计需求分析、元器件选型、原理图设计和PCB设计与调试。在系统发射部分采用了高功率激光二极管作为发射光源,并利用MOSFET设计高功率窄脉冲激光驱动电路,最高功率可达75W。在接收端设计了基于雪崩光电二极管的回波信号接收电路,实现了信号的高灵敏度接收。（4）研究基于FPGA实现的高精度计时功能,利用FPGA芯片内部的CARRY4设计延迟链实现细计数器模块,配合粗计数器模块、编码器模块、触发信号发生模块实现完整的TDC计时功能,并通过码密度法对TDC的非线性误差进行功能验证与测试。（5）研究系统各模块的控制与通信设计,测试激光收发模块的收发性能、TDC的计时效果和数据传输功能。为验证激光雷达系统的性能,对不同物体进行了扫描,根据电机旋转角度和TDC计时数据计算二维空间中每个数据点的位置,并在上位机实现二维成像。
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