[发明专利]一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种借助于激光的主动遥感技术，主要通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，根据距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的动作，激光雷达可以完成对目标表面的扫描，同时结合激光雷达平台的位置和姿态数据，从而得到目标的数字表面模型和数字高程模型。由于在实际中所使用的脉冲激光器存在一定的发散角，导致所发射的激光脉冲光束以近似圆锥的形式向前传播，当激光脉冲光束与目标相互作用时已不再是一个点，而是一个圆斑，此圆斑被称为激光光斑，又由于测量环境中目标的复杂性和多样性，因而在一个激光光斑中有可能包含多个散射目标或一个目标具有多个散射表面，从而导致激光脉冲回波信号波形的复杂性,例如一个回波中包含多个脉冲或者脉冲被展宽。但是常规激光雷达只是借助于一定的阈值方法（上升沿、峰值或者重心等）得到激光光斑中一个或多个目标的距离值（现阶段最多为6个），又由于不同目标具有不同的回波波形，因此仅采用固定的阈值检测方法，会导致不同的目标具有不同的测距精度。虽然有些国外厂商可以提供激光脉冲回波采集模块，但是价格昂贵。另一方面现阶段的激光雷达都是采用近似同轴的测量方式（出射光路与回波光路平行），这样会造成回波能量的损失、近距离盲区以及调整平行光路的复杂性。最后，由于激光雷达中激光器的不稳定性，导致各次测量中发射的激光脉冲波形各不相同，在后续处理数据时若不考虑这种差异，将会降低测量精度。全波形激光雷达是指借助于高速数据采集装置将激光脉冲信号在一定的时间区间内完整采集和存储,从而得到激光脉冲的完整波形，所采集到的波形信号被称为全波形信号,根据激光脉冲与目标相互作用的机理可知全波形信号中包含目标丰富的物理和几何特性信息。

发明内容

本发明公开了一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达系统，目的在于提高常规激光雷达的探测能力和减小激光雷达的探测盲区,并同时记录发射激光脉冲和接收激光脉冲的完整波形。

所述激光雷达系统包括脉冲激光器，激光发射与接收单元，数据采集单元，控制单元和软件单元，所述激光发射与接收单元由分束镜和同轴模块组成，所述数据采集单元由发射激光探测器、接收激光探测器、高速双通道数据采集卡和采集卡控制模块组成，所述控制单元由主控计算机和激光器控制单元组成，所述脉冲激光器接收来自激光器控制单元的激光器控制信号，发出一定频率和脉冲宽度的激光脉冲，为了实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的完整存储，并消除脉冲激光器的发射延时，所述激光脉冲经激光发射与接收单元中的分束镜分成3束，第1束激光脉冲经激光发射与接收单元中的同轴模块出射照向目标，激光脉冲经目标散射后，被激光发射与接收单元中的同轴模块聚焦到数据采集单元中的接收激光探测器，接收激光探测器将接收到的光信号转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的采样频率，接收激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现接收激光脉冲的全波形存储；第2束激光脉冲入射到数据采集单元中的发射激光探测器，发射激光探测器将激光脉冲转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的采样频率，发射激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现发射激光脉冲的全波形存储，由于脉冲激光器工作的不稳定性，导致所发射的激光脉冲具有不同的波形，同时存储发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，在后期的信号处理中，可以考虑到发射激光脉冲波形的差异性，从而得到更精确的测量结果，并可以根据发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的差异性，反演出目标的物理和几何特性；第3束激光脉冲进入数据采集单元中的采集卡控制模块用于产生采集卡控制信号，该信号用于设定数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速双通道数据采集卡中数据时的参考位置，借助于数据读取参考位置可以实现发射激光脉冲波形的完整读取，以及发射波形和接收波形时间坐标的一致；所述控制单元完成对脉冲激光器和数据采集单元中高速双通道数据采集卡的控制，以及对高速双通道数据采集卡中采集到的数据进行读取、显示、存储和计算，并为软件单元提供硬件平台；所述软件单元提供人机交互接口，完成数据采集单元和控制单元的配置，采集到的数据和数据处理结果的显示；本发明专利可以实现激光雷达光路中发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路的完全同轴，同时可以实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的全波形采集、显示和按照设定格式存储。