專利名稱：一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的脈沖式測(cè)距激光雷達(dá)系統(tǒng)采用記錄一次發(fā)射脈沖與一次回波脈沖的時(shí)間點(diǎn)的方式來(lái)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)距離，如果激光脈沖的傳播路徑中只有一個(gè)真實(shí)目標(biāo)，那么一次散射回波足夠完成精確測(cè)量，但是現(xiàn)實(shí)情況中，激光的傳播路徑可能存在多個(gè)不同高程的目標(biāo)，即使對(duì)于小光斑(腳點(diǎn)直徑為0.2m到2m)的系統(tǒng)也存在這種情況，這時(shí)只記錄一次回波就不能滿足測(cè)量的要求。于是出現(xiàn)了能夠記錄多次回波的激光雷達(dá)系統(tǒng)，典型的多次回波的激光雷達(dá)系統(tǒng)是記錄第一回波脈沖和最后一次回波脈沖(因?yàn)樽詈笠淮位夭ㄔ谔幚頃r(shí)往往被認(rèn)為是地面點(diǎn))，還有一些多次回波的激光雷達(dá)系統(tǒng)則能記錄多達(dá)六次回波。然而，不論是記錄單次回波還是多次回波的系統(tǒng)，它們所記錄的回波都只是大于系統(tǒng)所設(shè)定強(qiáng)度閾值的峰值信號(hào)，將波峰信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)來(lái)計(jì)算被測(cè)目標(biāo)的高程，記錄脈沖個(gè)數(shù)和時(shí)間主要取決于探測(cè)方法和閾值的選取。由于只能利用回波的上升沿信息，使得即使高于閾值的潛在回波也無(wú)法被探測(cè)到。此外，在一些林地中比較低植被或者在城市地區(qū)街道，如果兩個(gè)目標(biāo)物的間隔小于1.5m，一般探測(cè)方法有可能沒(méi)法區(qū)分兩個(gè)回波。因此，能記錄多個(gè)回波的系統(tǒng)仍然不能滿足高精度的高程測(cè)量要求。但是如果能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行有效的分析，就能提高波形探測(cè)的可靠性，測(cè)量精度和分辨率。而這種分析是必須建立在能夠記錄完整回波的基礎(chǔ)上的，而全波形激光雷達(dá)就可以滿足這種需求。這種能夠完整的記錄回波的激光雷達(dá)系統(tǒng)就是全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)(Full-Waveform LIDAR System),其記錄的完整的復(fù)合波形就稱為全波形信號(hào)。相對(duì)于傳統(tǒng)離散激光雷達(dá)而言，全波形激光雷達(dá)能夠提供更多的目標(biāo)信息，但同時(shí)也給數(shù)據(jù)處理和信息提取提出了更高的要求。盡管美國(guó)NASA已經(jīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)載(LVIS)和星載全波形激光雷達(dá)(GLAS)的實(shí)驗(yàn)性系統(tǒng)研究，但目前我國(guó)還未有全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的報(bào)道。在國(guó)外報(bào)道的方法研究中，全波形激光雷達(dá)技術(shù)仍有其不完善的地方:在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸方面，由于全波形數(shù)據(jù)量很大，而存儲(chǔ)模塊容量有限，導(dǎo)致在高重復(fù)頻率測(cè)量情況下，系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量；數(shù)據(jù)處理方面，全波形回波數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的信息量豐富，提取難度大，如何能有效的從回波中反演得到更多的信息，是全波形激光雷達(dá)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。本發(fā)明專利目的在于解決上述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)在高重復(fù)頻率測(cè)量情況下無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量的問(wèn)題，采用的方法基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)。搭建全波形激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)采集卡工作方式的合理設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠完成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的實(shí)際測(cè)量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)可作為波形解算算法精度及信息提取算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)控制模塊工作方式的合理設(shè)計(jì)使其控制激光器發(fā)射激光和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，保證兩者同步工作。主要實(shí)現(xiàn)如下功能:1.搭建全波形激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠完成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的實(shí)際測(cè)量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)。2.所采集的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)，并能夠?qū)崟r(shí)地在控制面板上顯示。
3.激光器和數(shù)字采集卡能夠同步工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)。采用以下技術(shù)方案:本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬、光斑大的激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)后散射產(chǎn)生的回波通過(guò)所述光電探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)，得到寬脈沖、多峰值的復(fù)雜全波形激光回波；所述全波形回波數(shù)據(jù)由所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)，所述控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；本發(fā)明專利可實(shí)現(xiàn)在高重復(fù)頻率測(cè)量情況下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，所記錄的全波形數(shù)據(jù)能夠在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制程序界面上實(shí)時(shí)顯示。其中，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和激光擴(kuò)束系統(tǒng)；所述激光器為1064nm的近紅外波長(zhǎng)激光器，激光器的脈寬為6到10ns，激光發(fā)散角大于1.5mrad，可以產(chǎn)生遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)的大光斑覆蓋效果；所述激光器重復(fù)頻率范圍為l_5kHz，可由所述控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖；所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)用來(lái)擴(kuò)展激光束的直徑；通過(guò)使用激光擴(kuò)束系統(tǒng)使激光光束變?yōu)榻破叫泄馐@得高功率光斑。其中，所述光電探測(cè)系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測(cè)器，光纖耦合器；所述激光聚焦鏡孔徑為35_，外層透鏡鍍有紅外增透膜，增大所收集的被目標(biāo)散射回的紅外波段激光脈沖能量；所述的光電探測(cè)器可為PIN二極管型探測(cè)器或AH)雪崩二極管，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)目前采用具有4GHZ帶寬的PIN探測(cè)器，可有效探測(cè)到所述激光器脈沖和目標(biāo)后散射得到的激光回波信號(hào)；所述光纖耦合器用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路，使得激光脈沖能量的90%以發(fā)射脈沖探測(cè)信號(hào)，剩余10%的能量直接進(jìn)入探測(cè)器，有效記錄發(fā)射脈沖波形與時(shí)間。其中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI高速數(shù)據(jù)采集卡，具有單通道lGS/s的實(shí)時(shí)采樣率，帶寬可達(dá)2GS/s ;所述控制系統(tǒng)為NI高速數(shù)字化儀，包括FPGA模塊和適配器模塊；所述兩種板卡插在NI的8槽機(jī)箱中，該機(jī)箱支持Windows XP操作系統(tǒng)；所述控制模塊從高速數(shù)字化儀的數(shù)字輸出口輸出兩路觸發(fā)脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)控制激光器發(fā)射激光和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；所述觸發(fā)脈沖信號(hào)的輸出可通過(guò)控制模塊的FPGA模塊編程實(shí)現(xiàn)。其中，所述數(shù)據(jù)采集卡的工作方式為觸發(fā)后循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)，在采集間歇將數(shù)據(jù)上傳，以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)在所述8槽機(jī)箱的硬盤中；通過(guò)該工作方式，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲(chǔ)作為短暫的中轉(zhuǎn)，不是最終存儲(chǔ)空間，從而避免由所述數(shù)據(jù)采集卡板載過(guò)小引起的采集中斷；所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序工作流程為:在數(shù)據(jù)采集開(kāi)始之前設(shè)置參數(shù)，選擇采集通道及存儲(chǔ)路徑，所述觸發(fā)方式選擇模擬邊沿觸發(fā)，利于通過(guò)外部信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置完成之后，等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，初始化數(shù)據(jù)采集，并開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；在所述數(shù)據(jù)采集卡循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)的過(guò)程中，每進(jìn)入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個(gè)點(diǎn)并將這N個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)在所述8槽機(jī)箱的硬盤中，采集到的波形數(shù)據(jù)能夠在所述數(shù)據(jù)采集卡的控制界面中實(shí)時(shí)顯示。
其中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)都支持LabView編程；通過(guò)LabView軟件對(duì)所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集的工作方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至機(jī)箱硬盤的功能，滿足了全波形激光雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和高速要求；通過(guò)LabView軟件對(duì)所述控制系統(tǒng)的FPGA模塊進(jìn)行編程，使得所述控制模塊按照一定的頻率產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并同時(shí)輸入到激光器的控制端和數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端，激光器在接收到脈沖控制信號(hào)之后發(fā)射激光脈沖，由目標(biāo)后散射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號(hào)并開(kāi)始采集回波數(shù)據(jù)，兩個(gè)脈沖控制信號(hào)的間隔時(shí)間和采樣時(shí)長(zhǎng)是由探測(cè)距離和探測(cè)范圍來(lái)決定的。其中，所述的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)讀取所存儲(chǔ)的二進(jìn)制文件進(jìn)而按照一定方法對(duì)全波形回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以得到所需要的目標(biāo)信息。本發(fā)明的有益效果:搭建了全波形激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠完成長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的實(shí)際測(cè)量，所述激光器和數(shù)字采集卡能夠同步工作，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)以二進(jìn)制的形式存儲(chǔ)，并能夠?qū)崟r(shí)地在控制面板上顯示。實(shí)測(cè)得到的數(shù)據(jù)可作為波形解算算法精度及信息提取算法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使算法得到驗(yàn)證。該研究成果可以為我國(guó)全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的自主研發(fā)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。


圖1是全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)圖；圖2是激光器發(fā)射的激光脈沖圖；圖3是全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的工作流程圖；圖4是控制系統(tǒng)的工作流程圖；圖5是最終的波形數(shù)據(jù)整合示意圖；圖6是數(shù)據(jù)采集卡的工作流程圖；圖7是數(shù)據(jù)采集卡的控制程序前面板。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；如圖1所示，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)包括光學(xué)設(shè)計(jì)部分和電學(xué)設(shè)計(jì)部分，光學(xué)部分包括激光器、擴(kuò)束鏡、激光聚焦鏡、光纖耦合器、光電探測(cè)器。激光器是全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分，適合用作全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的激光發(fā)射器有半導(dǎo)體、光纖、固體激光器，固體激光器具有體積小、堅(jiān)固、輸出功率高、使用方便的特點(diǎn)，特別是半導(dǎo)體二極管激勵(lì)的Nd:YAG激光器轉(zhuǎn)換效率高、脈沖重復(fù)頻率高、可靠性好，因此本系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)1064nm的近紅外固體激光器。此外，激光脈沖的脈寬也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)非常重要的參數(shù)。在同樣采樣頻率下，激光發(fā)射脈沖越寬，則對(duì)激光傳輸路徑中目標(biāo)點(diǎn)的分辨率越低，因?yàn)閷捗}沖的重疊現(xiàn)象更明顯，不利于對(duì)回波的后續(xù)分析；但脈寬過(guò)窄時(shí)，對(duì)采樣頻率的要求會(huì)增力口，從而增大復(fù)原的回波信號(hào)與真實(shí)信號(hào)之間的誤差，而當(dāng)無(wú)法達(dá)到需要的采樣速度時(shí)，就會(huì)造成記錄信號(hào)的失真。結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備條件，所選擇的激光器脈寬為6到10ns。由于本系統(tǒng)目前主要使用環(huán)境為室內(nèi)，因此不需要特別大的輸出能量，所選擇的激光器單脈沖能量為16.6uJ級(jí)別，此能量級(jí)別的激光脈沖可以在室內(nèi)使用中產(chǎn)生效果較好的激光波形。為了使系統(tǒng)產(chǎn)生大光斑的效果，又在激光器輸出頭前加入了擴(kuò)束鏡，所選擇的激光器發(fā)散角為1.5mrad，加入擴(kuò)束鏡能夠減小激光器所發(fā)射激光束的發(fā)散角，使激光光束變?yōu)榻破叫泄馐@得高功率光斑。激光器發(fā)射的激光脈沖如圖2所示。光電探測(cè)系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測(cè)器和光纖耦合器。激光聚焦鏡的主要功能是收集被目標(biāo)后散射回的激光能量，為了盡可能的多接收回波能量，希望激光聚焦鏡的口徑和視場(chǎng)角越大越好，但是大口徑和大視場(chǎng)角也會(huì)收集到更多的雜光，從而產(chǎn)生更多的噪聲，且其制作成本也較高，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)采用的激光器單脈沖能量為16.6uJ,且探測(cè)距離要求較短，并不需要大口徑的激光聚焦鏡，在綜合考慮成本及性價(jià)比等因素后，選擇了通光孔徑為35_的激光聚焦鏡。常用的光電探測(cè)器可以分為兩種，一種為PIN 二極管型，一種為雪崩二極管(APD)型。PIN 二極管是在傳統(tǒng)的PN結(jié)中間加入一薄層低摻雜的本征(Intrinsic)半導(dǎo)體層而構(gòu)成的二極管,其工作機(jī)理與PN結(jié)相同，但是增加的本征半導(dǎo)體層可以提高原有PN結(jié)的響應(yīng)速度，同時(shí)使響應(yīng)速度不用受反偏電壓大小的限制。APD是利用PN結(jié)在高反向偏壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來(lái)提供電流內(nèi)增益的一種二極管。一般激光雷達(dá)系統(tǒng)回波和發(fā)射脈沖的能量比一般很小，一般只有1%至10%，反射條件不好時(shí)甚至不足1%，因此對(duì)探測(cè)的測(cè)量范圍要求較高。所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射激光脈沖脈寬只有IOns左右，所以要求探測(cè)器有較大的帶寬，因此帶寬也是探測(cè)器選擇時(shí)一個(gè)重要的參數(shù)。PIN探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)在于其可以直接接收激光器的發(fā)射脈沖，而不會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，所以選擇帶寬為4GHz的PIN探測(cè)器。電學(xué)部分主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，激光器發(fā)射激光脈沖，經(jīng)過(guò)光纖耦合器，一部分能量直接由探測(cè)器接收，另一部分能量到達(dá)目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)后散射，由激光聚焦鏡收集被目標(biāo)后散射回的激光能量，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入進(jìn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖以及觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)都是基于美國(guó)國(guó)家儀器有限公司(NationalInstruments，簡(jiǎn)稱NI)生產(chǎn)的集成化設(shè)備，其中機(jī)箱采用的是型號(hào)為NI PXle-1082的8槽機(jī)箱，數(shù)據(jù)采集卡采用型號(hào)為PX1-5154的8位高速數(shù)采卡，PX1-5154數(shù)采卡具有單通道lGS/s的實(shí)時(shí)采樣率，帶寬可達(dá)2GS/s，很好的滿足了系統(tǒng)對(duì)采樣率的要求，PX1-5154數(shù)采卡的板載容量為8MB/ch，不能滿足全波形激光雷達(dá)的超大數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)要求，但機(jī)箱NIPXle-1082則有容量為256GB的硬盤，通過(guò)對(duì)PX1-5154的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至硬盤的功能，滿足全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)和高速要求。控制系統(tǒng)采用由型號(hào)為NI5751R的數(shù)據(jù)采集卡，包括FPGA模塊和適配器模塊，通過(guò)對(duì)FPGA模塊編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器發(fā)射頻率及發(fā)射時(shí)間和數(shù)據(jù)采集卡的控制。圖3是全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的整個(gè)工作流程圖，整個(gè)測(cè)量可以分為標(biāo)定階段和測(cè)量階段，標(biāo)定階段在每次開(kāi)機(jī)時(shí)運(yùn)行，發(fā)射脈沖的標(biāo)定過(guò)程是:激光器發(fā)射500至1000次脈沖，每一個(gè)發(fā)射脈沖通過(guò)激光聚焦鏡直接送入光電探測(cè)器感光面，然后由采集卡對(duì)其采樣一段固定的時(shí)間T0，可以獲得這500至1000個(gè)發(fā)射脈沖的波形和能量分布，對(duì)其求平均值后就可獲得標(biāo)定過(guò)的發(fā)射脈沖。TO的值是根據(jù)激光脈沖的發(fā)射頻率來(lái)確定的。標(biāo)定完了之后開(kāi)始采集回波數(shù)據(jù)，由控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射脈沖和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)。
圖4是所述控制系統(tǒng)的具體工作流程:上位機(jī)通過(guò)LabView對(duì)所述控制模塊的FPGA進(jìn)行編程，使所述控制模塊按照一定的方式控制激光器發(fā)射激光和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，所述控制模塊輸出兩路數(shù)字脈沖來(lái)控制所述激光器和所述數(shù)據(jù)采集卡。激光器在接收到脈沖控制信號(hào)之后發(fā)射激光脈沖，由目標(biāo)后散射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號(hào)并開(kāi)始采集回波數(shù)據(jù)，兩個(gè)脈沖控制信號(hào)的間隔時(shí)間和采樣時(shí)長(zhǎng)是由探測(cè)距離和探測(cè)范圍來(lái)決定的。如果所用激光器的重復(fù)頻率控制為5KHz，脈沖寬度為10ns，則兩個(gè)脈沖之間的間隔為200us，假設(shè)系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)探測(cè)距離為s，脈沖飛行時(shí)間為&，光速為C。探測(cè)距離s與光速c和飛行時(shí)間h之間的關(guān)系為4 = 2Xs/c,按照探測(cè)距離s = 30m計(jì)算,光速c=3 X 108m/s,則通過(guò)該關(guān)系式可以得到脈沖飛行時(shí)間為200ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)射脈沖間隔200us。如果采樣窗口選取N個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)置為f，采樣間隔為T，則有關(guān)系式:T = 1/f，采樣時(shí)間t為:t = N*T。假設(shè)采樣窗口 N選擇544個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為1GHz，則有采樣間隔為1ns，采樣時(shí)間為544ns，系統(tǒng)可以探測(cè)的長(zhǎng)度為81.6m。圖5是最終的波形數(shù)據(jù)整合示意圖，其中T0，Tl，T2都是根據(jù)實(shí)際測(cè)量中的條件設(shè)定的。其中，TO為標(biāo)定發(fā)射脈沖時(shí)采樣的固定時(shí)長(zhǎng)，TI為兩個(gè)脈沖控制信號(hào)之間的時(shí)間間隔，是由探測(cè)距離來(lái)決定的，可以由控制模塊的定時(shí)器來(lái)設(shè)定，也可以由數(shù)據(jù)采集模塊的觸發(fā)延遲時(shí)間來(lái)確定。T2為采集卡的采集窗口打開(kāi)時(shí)間，是由探測(cè)長(zhǎng)度來(lái)確定的。假設(shè)探測(cè)距離為30m，探測(cè)長(zhǎng)度為81.6m，則可以計(jì)算出Tl為200ns，T2為544ns，探測(cè)范圍為30m到111.6m。激光器發(fā)射脈沖的脈寬為10ns，則TO可以選擇20ns。一次回波的數(shù)據(jù)量為544byte，不足1Kb，如果對(duì)PX1-5154數(shù)據(jù)采集卡使用LabView進(jìn)行編程，則可以使其在采集間歇將數(shù)據(jù)向外傳輸，而NI儀器的PXI總線的傳輸速度可以達(dá)到50M/s，完全滿足系統(tǒng)的要求。只要合理地設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。圖6是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程圖，采用循環(huán)采集方式來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集，每次循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)并將數(shù)據(jù)上傳，這樣所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲(chǔ)僅僅是作為短暫的中轉(zhuǎn)，而不是主要存儲(chǔ)空間，從而避免了由板載過(guò)小引起的采集中斷。圖7是所述數(shù)據(jù)采集卡的LabView前面板，可以在前面板的控件中輸入或者顯示各種參數(shù)，所采集的回波波形也在前面板顯示。所述數(shù)據(jù)采集卡具體的工作流程為:( I)選擇數(shù)據(jù)采集信號(hào)源和存儲(chǔ)路徑:在數(shù)據(jù)采集開(kāi)始之前，先選擇機(jī)箱插槽和采集通道,這里通道可以選擇通道0和通道I。LabView前面板上的Resource Name控件用來(lái)選擇NI PXle-10828槽機(jī)箱的插槽，Channel Name輸入控件用來(lái)選擇PX1-5154的通道。存儲(chǔ)路徑可以選擇一個(gè)后綴名為.bin的二進(jìn)制文件進(jìn)行存儲(chǔ)，選擇二進(jìn)制文件進(jìn)行存儲(chǔ)的原因是二進(jìn)制文件占用空間小，存儲(chǔ)速度快，而且通過(guò)Matlab可以讀取二進(jìn)制文件。filepath (dialog if empty)控件是用來(lái)選擇已經(jīng)存在的文件路徑。(2)選擇觸發(fā)方式:采用模擬邊沿方式觸發(fā)，這是因?yàn)檫呇赜|發(fā)方式可通過(guò)外部控制信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。Trigger Type用來(lái)選擇觸發(fā)方式,可以是I_ediate立即觸發(fā)方式、Window窗口觸發(fā)方式、Digital數(shù)字觸發(fā)方式、Hysteresis磁滯觸發(fā)方式以及Edge邊沿觸發(fā)方式,Trigger Source用來(lái)選擇觸發(fā)源,這里可以選擇通道0或者是通道
I。Trigger Delay是用來(lái)設(shè)置觸發(fā)延遲時(shí)間，就是說(shuō)觸發(fā)多長(zhǎng)時(shí)間之后再開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。Ref Position是用來(lái)設(shè)置記錄的數(shù)據(jù)占觸發(fā)前后的比率，例如當(dāng)設(shè)置成50時(shí)，表示記錄的數(shù)據(jù)一半是觸發(fā)前的，一半是觸發(fā)后的數(shù)據(jù)。Trigger Level用來(lái)設(shè)置觸發(fā)信號(hào)的幅值，例如當(dāng)設(shè)置成邊沿觸發(fā)方式且Trigger Level設(shè)置成2, Trigger Slope設(shè)置成Positive即上升沿觸發(fā)，只要觸發(fā)信號(hào)從0上升到2V，數(shù)據(jù)采集卡即開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。(3)設(shè)置信號(hào)采集的參數(shù):在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集之前還要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括采樣頻率，信號(hào)輸入幅值范圍等，Min.Sample Rate控件用來(lái)設(shè)置采樣頻率，Vertical Range控件用來(lái)選擇采樣通道信號(hào)幅值的范圍，這里可以選擇0-5V，Vertical Offset用來(lái)設(shè)置幅值的偏移量，Vertical Coupling用來(lái)設(shè)置耦合方式，可以選擇DC耦合或AC耦合，或者是GND。Timeout這個(gè)控件用來(lái)選擇等待采集完成的最長(zhǎng)時(shí)間，當(dāng)采集任務(wù)沒(méi)有完成但是采集時(shí)間超過(guò)設(shè)定的時(shí)間時(shí)程序就報(bào)錯(cuò)。Probe Attenuation用來(lái)設(shè)置跟通道有關(guān)的探針的幅值，例如當(dāng)設(shè)置成10的時(shí)候，說(shuō)明是10:1的探針。水平方向的參數(shù)設(shè)置，Min.Record Length用來(lái)設(shè)置最小記錄長(zhǎng)度，也就是每次采集記錄多少個(gè)點(diǎn)，Actual Record Length和ActualSample Length是顯示控件，用來(lái)顯示實(shí)際的記錄長(zhǎng)度和實(shí)際的采樣頻率。波形顯示控件用來(lái)顯不米集到的數(shù)據(jù)的波形，XO、dx、offset、Scale、Last Points FetchecUTotal PointsFetched都是顯示控件,用來(lái)顯示波形的一些具體信息,分別表示時(shí)間軸的開(kāi)始點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)之間的間隔，偏移量，幅值范圍，最后一次記錄的點(diǎn)數(shù)以及總共記錄的點(diǎn)數(shù)(4)實(shí)際采集過(guò)程:上述參數(shù)選擇和設(shè)置完成之后，數(shù)據(jù)采集卡等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，初始化數(shù)據(jù)采集，并開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。這里采用循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)的方式采集數(shù)據(jù)，每進(jìn)入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個(gè)點(diǎn)并將數(shù)據(jù)上傳，存儲(chǔ)在二進(jìn)制文件中，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲(chǔ)僅僅是作為短暫的中轉(zhuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集。在采集過(guò)程中將數(shù)據(jù)波形圖實(shí)時(shí)顯示在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序前面板上，循環(huán)采集次數(shù)到了之后再等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，一直循環(huán)采集，直到按下STOP鍵，數(shù)據(jù)采集任務(wù)才結(jié)束。以上所述，僅為本發(fā)明具體實(shí)施方法的基本方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)范圍內(nèi)，可想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。所有落入權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的變化都將包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬、光斑大的激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)后散射產(chǎn)生的回波通過(guò)所述光電探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)，得到寬脈沖、多峰值的復(fù)雜全波形激光回波；所述全波形回波數(shù)據(jù)由所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)，所述控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；本發(fā)明專利可實(shí)現(xiàn)在高重復(fù)頻率測(cè)量情況下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，所記錄的全波形數(shù)據(jù)能夠在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制程序界面上實(shí)時(shí)顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和激光擴(kuò)束系統(tǒng)；所述激光器為1064nm的近紅外波長(zhǎng)激光器，激光器的脈寬為6到10ns，激光發(fā)散角大于1.5mrad，可以產(chǎn)生遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)的大光斑覆蓋效果；所述激光器重復(fù)頻率范圍為l_5kHz，可由所述控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖；所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)用來(lái)擴(kuò)展激光束的直徑；通過(guò)使用激光擴(kuò)束系統(tǒng)使激光光束變?yōu)榻破叫泄馐?，并獲得高功率光斑。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述光電探測(cè)系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測(cè)器，光纖耦合器；所述激光聚焦鏡孔徑為35_，外層透鏡鍍有紅外增透膜，增大所收集的被目標(biāo)散射回的紅外波段激光脈沖能量；所述的光電探測(cè)器可為PIN 二極管型探測(cè)器或APD雪崩二極管，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)目前采用具有4GHZ帶寬的PIN探測(cè)器，可有效探測(cè)到所述激光器脈沖和目標(biāo)后散射得到的激光回波信號(hào)；所述光纖耦合器用于實(shí)現(xiàn)光信號(hào)分路，使得激光脈沖能量的90%以發(fā)射脈沖探測(cè)信號(hào)，剩余10%的能量直接進(jìn)入探測(cè)器，有效記錄發(fā)射脈沖波形與時(shí)間。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為NI高速數(shù)據(jù)采集卡，具有單通道lGS/s的實(shí)時(shí)采樣率，帶寬可達(dá)2GS/s ;所述控制系統(tǒng)為NI高速數(shù)字化儀，包括FPGA模塊和適配器模塊；所述兩種板卡插在NI的8槽機(jī)箱中，該機(jī)箱支持Windows XP操作系統(tǒng)；所述控制模塊從高速數(shù)字化儀的數(shù)字輸出口輸出兩路觸發(fā)脈沖信號(hào)作為控制信號(hào)控制激 光 器發(fā)射激光和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；所述觸發(fā)脈沖信號(hào)的輸出可通過(guò)控制t旲塊的FPGA t旲塊編程實(shí)現(xiàn)。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集卡的工作方式為觸發(fā)后循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)，在采集間歇將數(shù)據(jù)上傳，以二進(jìn)制方式存儲(chǔ)在所述8槽機(jī)箱的硬盤中；通過(guò)該工作方式，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲(chǔ)作為短暫的中轉(zhuǎn)，不是最終存儲(chǔ)空間，從而避免由所述數(shù)據(jù)采集卡板載過(guò)小引起的采集中斷；所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序工作流程為:在數(shù)據(jù)采集開(kāi)始之前設(shè)置參數(shù)，選擇采集通道及存儲(chǔ)路徑，所述觸發(fā)方式選擇模擬邊沿觸發(fā)，利于通過(guò)外部信號(hào)控制數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，參數(shù)設(shè)置完成之后，等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，初始化數(shù)據(jù)采集，并開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)；在所述數(shù)據(jù)采集卡循環(huán)采集N個(gè)點(diǎn)的過(guò)程中，每進(jìn)入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個(gè)點(diǎn)并將這N個(gè)點(diǎn)存儲(chǔ)在所述8槽機(jī)箱的硬盤中，采集到的波形數(shù)據(jù)能夠在所述數(shù)據(jù)采集卡的控制界面中實(shí)時(shí)顯/Jn o
6.按照權(quán)利要求1或4或5所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)都支持LabView編程；通過(guò)LabView軟件對(duì)所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編程，來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)以及數(shù)據(jù)采集的工作方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至機(jī)箱硬盤的功能，滿足了全波形激光雷達(dá)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)時(shí)和高速要求；通過(guò)LabView軟件對(duì)所述控制系統(tǒng)的FPGA模塊進(jìn)行編程，使得所述控制模塊按照一定的頻率產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，并同時(shí)輸入到激光器的控制端和數(shù)據(jù)采集卡的觸發(fā)端，激光器在接收到脈沖控制信號(hào)之后發(fā)射激光脈沖，由目標(biāo)后散射的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)探測(cè)器后轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，一段時(shí)間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號(hào)并開(kāi)始采集回波數(shù)據(jù)，兩個(gè)脈沖控制信號(hào)的間隔時(shí)間和采樣時(shí)長(zhǎng)是由探測(cè)距離和探測(cè)范圍來(lái)決定的。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)讀取所存儲(chǔ)的二進(jìn)制文件進(jìn)而按照一定方法對(duì)全波形回波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，以得到所需要的目標(biāo)信息。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測(cè)量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)；所述激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射脈沖寬、光斑大的激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)后散射產(chǎn)生的回波通過(guò)所述光電探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)，得到寬脈沖、多峰值的復(fù)雜全波形激光回波；所述全波形回波數(shù)據(jù)由所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)，所述控制系統(tǒng)控制激光器發(fā)射激光脈沖和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)在高重復(fù)頻率測(cè)量情況下長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)測(cè)量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，所記錄的全波形數(shù)據(jù)能夠在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的控制程序界面上實(shí)時(shí)顯示。
文檔編號(hào)G01S17/02GK103197321SQ20131009338
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者李小路, 徐立軍, 馬蓮 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)