基于FPGA-ARM嵌入式系统的R-LATs系统移动端信号处理方法与流程

本发明属于大尺寸空间测量领域，涉及大规模旋转激光经纬仪测量网络(r-lats)组网测量，具体为基于fpga-arm嵌入式系统的r-lats系统移动端信号处理方法。

背景技术：

旋转激光经纬仪网络(r-lats)是大尺寸空间测量的一种重要方法，通过合理的布站，可以实现任意尺寸的测量空间扩展，其测量精度能够保持在±0.2mm，目前广泛的应用于飞机制造、船舶制造、大型天线制造等航空航天与军事领域。

在r-lats工作中，每一台旋转激光经纬仪发出两个具有夹角的扇形平面光，并按照指定速度匀速回转，同时，在每一回转角度的零点发出一覆盖全空间的脉冲光。如此，这三个光平面扫过空间中的一个光电传感器p，使之得到三个时间触发信号。这时，基于这三个时间信号和旋转激光经纬仪的转速，可以确定出空间内的唯一一条射线l，其通过旋转激光经纬仪激光面发射中心点o和光电传感器p。如此，当有两台以上旋转激光经纬仪时，它们的空间直线l在空间交汇于一点，即为传感器p的空间位置点。因此，在旋转激光经纬仪的空间相对位置确定后，即可实现大尺寸空间内光电传感器的坐标测量。

为满足大空间范围测量，需在空间内放置数十台旋转激光经纬仪装置，固定于测量对象上的光电传感器接受各装置出射的激光平面信号，并进行信号特征识别与提取。每台旋转激光经纬仪装置转速不同，以确保光电传感器能根对每个脉冲对应的经纬仪装置进行正确识别，从而实现r-lats测量网络对空间中光电传感器坐标进行正确计算。

旋转激光经纬仪数量越多，光电传感器需有效识别的光平面信号数量越多，这将大大增加光电传感器处理任务，光电传感器进行光平面信号识别任务复杂且繁重，造成r-lats系统测量效率低下，基于光电传感器计算效率较低，准确率不高；同时不同发射机平面信号在传感器处重合的概率增加，光混叠现象严重，直接造成信号粗大误差增多。这对r-lats测量网络实时性，准确性均有较大的影响。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供基于fpga-arm嵌入式系统的r-lats系统移动端信号处理方法，设计合理，信号误差小，光电传感器信号处理计算实时性和准确性高。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于fpga-arm嵌入式系统的r-lats系统移动端信号处理方法，包括，

信号的识别与提取；

对每个脉冲序列进行细分，实时记录下每个脉冲上升沿时刻值和脉宽大小；通过fpga中并行设置的多个线程，根据记录的每个脉冲上升沿时刻值和脉宽大小，分别对多个经纬仪发出的平面脉冲信号进行溯源，对不同目标激光经纬仪脉冲信号的特征信息进行并行地识别与提取；每一条线程仅对一台经纬仪发出的平面脉冲信号进行溯源；

信号的计算与处理；

通过arm接收由fpga识别和提取的特征信息，计算出光平面扫描到传感器中心时的时刻值；然后，根据对应的标志信号，将扫描时刻值放入不同的数组中用于后续处理。

优选的，对每个脉冲序列进行细分时，利用高频晶振信号提供的时钟来计数，将每个脉冲信号上升沿对应的时刻值以及每个脉冲信号脉宽对应的计数值作为有用的特征信息，将上升沿对应的时刻值保存至不少于3倍发射机数量的数组data[]中。

优选的，fpga中每一个线程按照如下步骤对一台经纬仪对应的脉冲信号进行溯源；

步骤1，动态阶段识别；

步骤1.1：将当前脉冲上升沿时刻值与细分时记录的时刻值对比进行信号溯源；

步骤1.2：记录下溯源后脉冲的上升沿时刻值ris[i]、时间间隔真值ris[i]-ris[j]以及脉宽值，同时产生一个标志信号指明当前脉冲所属激光经纬仪序号；

步骤2，确认是否进入准静态测量状态，若否，重复执行步骤1；若是，执行步骤3；

步骤3，准静态阶段识别；

步骤3.1：将当前脉冲上升沿时刻值与细分时记录的时刻值对比进行信号溯源；

步骤3.2：记录下溯源后脉冲的上升沿时刻值ris[i]、时间间隔真值ris[i]-ris[j]以及脉宽值，并将其作为准静态测量阶段信号初值；

步骤3.3：通过初值加上准静态阶段的待识别脉冲信号上升沿时间间隔特征，作为下一个待溯源脉冲出现的预测时刻，判断预测时刻是否存在脉冲，若存在，记录预测时刻脉冲上升沿时刻值并执行步骤3.4；若不存在返回步骤3.1；

步骤3.4：判断预测时刻是否发生光混叠，若是执行步骤3.5；若否，则预测时刻对应脉冲溯源完成，执行步骤3.6；

步骤3.5：利用周期特征进行混叠光信号特征重建；

步骤3.6：记录上升沿时刻值、时间间隔真值以及脉宽值，同时产生一个标志信号指明当前脉冲所属激光经纬仪序号，并用该上升沿时刻值作为下一次判断的初值，同时返回步骤3.3。

进一步，步骤1.1中，脉冲信号溯源方式如下：将实时获取的脉冲信号上升沿时刻值ris[i]与之前记录的时刻值依次进行比较：若存在一个时刻值ris[j]使得ris[j]+t-t-a<ris[i]<ris[j]+t+t+a，同时存在一个时刻值ris[k]使得ris[k]+t-t-a<ris[j]<ris[k]+t+t+a，即认为当前脉冲信号溯源完成；式中，t为经纬仪旋转周期，t值通过经纬仪旋转产生的系统误差，a值为待测物移动造成的时间间隔变化阈值大小。

进一步，步骤3.1中，脉冲信号溯源方式如下：将实时获取的脉冲信号上升沿时刻值ris[i]与之前记录的时刻值依次进行比较：若存在一个时刻值ris[j]使得ris[j]+t-t<ris[i]<ris[j]+t+t，同时存在一个时刻值ris[k]使得ris[k]+t-t<ris[j]<ris[k]+t+t，即认为当前脉冲信号溯源完成；式中，t为经纬仪旋转周期，t值通过经纬仪旋转产生的系统误差。

优选的，步骤3.4中，判断信号是否发生光混叠的方式如下：记录下该时刻脉冲的上升沿时刻值ris_x，并计算其时间间隔真值ris_x-ris[i]，此时进行判断：若ris_x-ris[i]<t-t，则判断其发生光重叠；式中，t为经纬仪旋转周期，t值通过经纬仪旋转产生的系统误差。

优选的，步骤3.5中，进行光混叠信号重建方式如下：利用前3个时刻的时间间隔真值的均值t_a作为该时刻时间间隔值的预测值，ris[j]+t_a即为重建后的上升沿时刻值；利用前3个已溯源脉冲的脉宽值的均值作为当前脉冲的脉宽值，将其作为重建后的脉宽真值记录。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明基于fpga-arm嵌入式系统的r-lats系统移动端信号处理方法，通过并行处理的方式，对光电传感器信号进行高精度的识别溯源，提高了系统测量的实时性以及系统的可扩展性。

进一步的，溯源过程中将周期时间作为识别标志，动态阶段和准静态阶段采用不同的周期阈值，提高了系统的测量精度。

进一步的，同时准静态阶段进行混叠光的识别和重建，保证了信号识别的准确性。

附图说明

图1为大规模r-lats测量网工作示意图。

图2为本发明实例中所述系统移动端信号处理方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明为基于fpga-arm嵌入式系统的r_lats系统移动端信号处理方法，主要包括fpga端信号的识别与提取以及arm端对已识别信号的计算处理两个方面，具体的包括：

第一，信号的识别与提取。

利用高频晶振信号提供的时钟来计数，由此来对光平面脉冲序列进行细分。每个脉冲信号上升沿对应的时刻值以及每个脉冲信号脉宽对应的计数值为有用的特征信息，将其保存至不少于3倍发射机数量的数组data中。

通过适用于fpga多核并行的方法，对不同目标激光经纬仪脉冲信号的特征进行并行地识别与提取。这里，fpga中隐含的每一条线程仅对一台经纬仪发出的平面脉冲信号进行溯源。具体操作中并行线程的数量与需要溯源的经纬仪数量相等。

根据系统面向动态测量任务和准静态测量任务的不同特点，每一条线程执行的溯源方法分为动态识别和准静态识别两部分：

1.1动态识别算法

动态测量阶段，fpga作以下工作：

1)首先，每一线程根据需要溯源的激光经纬仪周期时间特征，结合动态运行速度将其置信区间放大n个时钟周期，得到动态测量阶段的时间间隔特征t1，t2，t3……等；

2)每一线程将当前脉冲信号上升沿时刻t与数组data中特征信息逐一比较，若数组存在符合动态测量阶段的时间间隔特征的信息，则当前脉冲信号溯源完成，记录下时刻t；

3)生成标志信号，表明t时刻脉冲信号源信息；

4)实时记录溯源后脉冲信号时间间隔真值t_z，然后与经纬仪旋转周期值t_p比较，若连续3个周期内t_z和t_p的差值均在经纬仪系统误差范围内，则判断其进入准静态运行阶段；

1.2准静态识别算法

当转换为准静态测量后，fpga执行以下操作：

1)首先，每一线程根据需要溯源的激光经纬仪周期时间特征，结合经纬仪旋转产生的系统误差，得到准静态测量阶段具有一定置信区间的时间间隔特征t1，t2，t3……等；

2)每一线程将当前脉冲信号上升沿时刻t与数组data中特征信息逐一比较，若数组存在符合静态测量阶段的时间间隔特征的信息，则当前脉冲信号溯源完成，记录下时刻t作为准静态测量阶段信号初值；

3)将t加上时间间隔特征的值得到时间t-next，判断t-next时刻脉冲信号是否为高电平，若是进行下一步，若否返回第2)步；

4)将当前脉冲与之前已溯源脉冲上升沿时刻比较，得到时间间隔真值。然后，将时间间隔真值与周期信息比较，判断该时刻脉冲是否发生光混叠(当传感器同时接收两台以上经纬仪脉冲信号时，原始上升沿信号被掩盖，即发生光混叠)：若为否，则更新t，并生成标志信号，表明t时刻脉冲信号的来源，并返回第3)步；若为是，则进行下一步；

5)利用已溯源脉冲信号特征对当前混叠光进行分离提取，将预测值作为真值记录，更新t，返回第3)步；

第二，信号计算与处理。

arm接收来自fpga的数据，具体包括每一线程对应每一台发射机的已溯源信号的上升沿时刻值t，脉宽计数值a，以及标志信号p。然后，以t+a/2为每一光平面扫描至传感器中心时的真实时刻，并根据对应标志信号p，将各个发射机的各个光平面脉冲信号的真实时刻放入不同的数组中用于后续的计算处理。

以附图1所示的测量场景为例。

1.信号的并行识别与提取

通过fpga外部晶振提供的150mhz时钟进行计时，对脉冲序列进行细分，记录每个脉冲信号上升沿时刻对应的时刻值date_t以及每个脉冲脉宽对应的计数值date_w。然后，将上升沿时刻值依次放入不少于3倍发射机数量的数组data[]中，实时更新数组内数据确保数组无溢出。该数组用于后续光平面触发脉冲信号的识别。

每台激光经纬仪转速不同，对应的光平面触发脉冲的周期不同，其对应的脉冲上升沿时间间隔也不同，由此可进行光平面信号的溯源。在对脉冲信号进行溯源的过程中，为提高效率，在fpga平台中设计多线程并行处理的模式执行上述算法，其中每一条线程仅对某一台经纬仪对应的脉冲信号进行溯源，由此完成多台目标激光经纬仪脉冲信号的识别与提取，显著提高效率并降低硬件运算复杂度。

r-lars较广泛应用于移动对象的实时坐标测量任务，已完成装配对接、定点停靠等目标。在实际应用中，一般分为两个阶段，动态运行阶段和准静态运行阶段。动态运行阶段对测量实时性要求较高。而准静态阶段对测量准确性提出了更高的要求。

具体的，以下的思路仅对任意一台发射机的溯源算法实现进行说明。由于采用并行处理，其他发射机溯源方法与其一致。

1.1动态阶段识别方法

待识别脉冲信号上升沿时间间隔特征大小为t±t±a,其中t为待溯源激光经纬仪设定转速下对应的周期值；t为硬件结构造成的系统误差大小；a为待测物移动造成的时间间隔变化阈值大小；

动态测量过程中，将实时获取的脉冲信号上升沿时刻值ris[i]与数组data[]中记录的时刻值依次进行比较：若存在一个时刻值ris[j]使得ris[j]+t-t-a<ris[i]<ris[j]+t+t+a，同时存在一个时刻值ris[k]使得ris[k]+t-t-a<ris[j]<ris[k]+t+t+a，即认为当前脉冲信号溯源完成。此时需记录下该脉冲的上升沿时刻值ris[i]、时间间隔真值ris[i]-ris[j]以及脉宽值，同时产生一个标志信号指明当前脉冲所属激光经纬仪序号。

1.2准静态阶段识别算法

准静态阶段测量阶段对测量准确性要求更高，此时需采用与此要求相匹配的优化方法方案如下：

待识别脉冲信号上升沿时间间隔特征大小为t±t，其中t为待溯源激光经纬仪设定转速下对应的周期值；t为硬件结构造成的系统误差大小。由于待测物处于准静态测量状态，速度引起的时间间隔波动可忽略。

基于一定时间周期内时间间隔真值的大小波动稳定程度，确定系统是否已进入准静态测量状阶段，具体方法为：实时记录溯源后脉冲信号时间间隔真值t_z，然后与经纬仪旋转周期值t_p比较，若3个周期内t_z和t_p的差值均在经纬仪系统误差范围内，则判断其进入准静态运行阶段。待确认进入准静态测量状态后，记录下状态变化后的第一个上升沿时刻值，作为准静态阶段溯源的初值，之后若发生信号丢失等情况，需要重新获取上升沿初值。

初值获取方法如下：

将当前脉冲信号上升沿时刻ris[i]与数组data中特征信息逐一比较：若存在一个时刻值ris[j]使得ris[j]+t-t<ris[i]<ris[j]+t+t，同时存在一个时刻值ris[k]使得ris[k]+t-t<ris[j]<ris[k]+t+t，即认为当前脉冲信号溯源完成。记录下上升沿时刻ris[i]、时间间隔真值ris[i]-ris[j]以及脉宽值，并将其作为准静态测量阶段信号初值。

将该上升沿时刻初值加上t+t，以此作为下一脉冲时刻预测值。在该预测时刻,即ris[i]+t+t时刻，判断脉冲信号是否为高电平。此时分两种情况讨论：

a.若为低电平

该预测时刻发生遮挡或其他情况，造成脉冲丢失；此时需重新识别提取溯源初值。

b.若为高电平

此时脉冲未丢失，但可能发生光混叠现象，造成某些光平面特征信号丢失或发生畸变，需进行进一步识别与提取。本方法中利用时间间隔特征来判断是否发生光混叠。

首先，记录下该预测时刻脉冲的上升沿时刻值ris_x，并计算其时间间隔真值ris_x-ris[i]，此时进行判断：若ris_x-ris[i]<t-t，则判断其发生光重叠。此时需进行混叠光信号特征重建：利用前3个时刻的时间间隔真值的均值t_a作为该时刻时间间隔值的预测值，ris[j]+t_a即为重建后的上升沿时刻值；利用前3个已溯源脉冲的脉宽值的均值作为当前脉冲的脉宽值，将其作为重建后的脉宽真值记录；若未发生光混叠，则该时刻对应脉冲溯源完成，记录下上升沿时刻值、时间间隔真值以及脉宽值，并用该上升沿时刻值作为下一次判断的初值。

2.信号计算与处理

溯源后脉冲信号的上升沿时刻值将送至arm中进行进一步数据处理。arm接收来自fpga的特征信息，包括上升沿时刻值、脉宽值以及与该时刻值对应的标志信号。arm端根据上升沿时刻值和脉宽值，计算出光平面扫描到传感器中心时的时刻值。然后，根据对应的标志信号，将扫描时刻值放入不同的数组中。

针对不同的应用场合以及r-lats网络的具体配置方式，arm端可以组织实现不同的功能：如可按照计算封装算法进行计算，并将计算结果传至手持端；或者将得到的脉冲特征信息封装，传至上位机端进行计算，从而实现对大规模r-lats测量网络移动端信号的处理。