[发明专利]一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统

摘要

本发明公开了一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统。包括主控制器、姿态测量模块、GPS接收机、外部存储器、显示器、脉冲激光器、准直透镜、分光片、光纤分束器、发射透镜阵列、全反射镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、光纤耦合阵列、雪崩光电二极管即APD阵列探测器、跨阻放大模块、增益可调放大模块、高速比较模块、高精度时间间隔测量模块、宽带放大模块、模拟数字即AD转换模块、微控制器阵列A和微控制器阵列B。本发明脉冲激光点阵照明目标，发射功率利用充分；瞬间同步获取距离、强度信息；多个APD面阵芯片构成APD阵列探测器提高了分辨率；无扫描装置显著降低光学设计复杂度；使用光纤耦合阵列有效减少视场外环境光、杂散光进入APD阵列探测器。

主权项

一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统,其特征在于脉冲式N×N阵列激光雷达系统包括：控制子系统(1)、发射子系统(2)、接收子系统(3)和测距与强度获取子系统(4)；控制子系统(1)包括：主控制器(101)、姿态测量模块(102)、全球定位系统即GPS接收机(103)、外部存储器(104)和显示器(105)；发射子系统(2)包括：脉冲激光器(201)、准直透镜(202)、分光片(203)、光纤分束器(204)、发射透镜阵列(205)、全反射镜(206)和P‑I‑N结构二极管即PIN高速光电探测模块(207)；接收子系统(3)包括：接收透镜(301)、光纤耦合阵列(302)和雪崩光电二极管即APD阵列探测器(303)；测距与强度获取子系统(4)包括：跨阻放大模块(401)、增益可调放大模块(402)、宽带放大模块(403)、高速比较模块(404)、模拟数字即AD转换模块(405)、高精度时间间隔测量模块(406)、微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)；主控制器(101)分别与姿态测量模块(102)、GPS接收机(103)、显示器(105)、外部存储器(104)、脉冲激光器(201)、PIN高速光电探测模块(207)、微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)相连；脉冲激光器（201）发出的激光先经过准直透镜（202），然后通过分光片（203）分为反射和透射两路激光，占小部分的反射激光通过全反镜（206）进入PIN高速光电探测模块（207），占大部分的透射激光经光纤分束器（204）进入发射透镜阵列（205）照射目标，PIN高速光电探测模块（207）输出的信号分成三路分别输入主控制器（101）、高精度时间间隔测量模块（406）和AD转换模块（405）；目标反射回来的激光经接收透镜（301）聚焦进入光纤耦合阵列（302），光纤耦合阵列（302）分组输出多束激光信号耦合到APD阵列探测器（303）的各个光敏面单元上；APD阵列探测器（303）输出的信号进入跨阻放大模块（401），跨阻放大模块（401）输出的信号同时进入增益可调放大模块（402）和宽带放大模块（403）；增益可调放大模块（402）输出的信号进入高速比较模块（404），高速比较模块（404）输出的信号进入高精度时间间隔测量模块（406），高精度时间间隔测量模块（406）由微控制器阵列B（408）控制，宽带放大模块（403）输出到AD转换模块（405），AD转换模块（405）由微控制器阵列A（407）实现控制；主控制器(101)，是本系统的控制核心；其主要工作有：读取GPS接收机(103)测得的位置信息；控制姿态测量模块(102)工作并读取其测出的姿态信息；触发脉冲激光器（201）定时发射脉冲激光；以中断方式接收微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)发送的强度、距离测量数据，并存储到外部存储器（104）中或通过显示器（105）进行显示；脉冲激光器（201），用于发射脉冲激光，发射的脉冲激光进入准直透镜（202）；准直透镜（202），用于将所述的脉冲激光器（201）发出的脉冲激光进行准直；分光片（203），用于将准直透镜（202）准直后的激光分为比例悬殊的透射和反射两部分，占大部分的透射激光进入光纤分束器（204），占小部分的反射激光进入全反射镜（206）；光纤分束器（204），用于将分光片透射的脉冲激光均匀分为N×N束激光，再输出到发射透镜阵列（205）； 发射透镜阵列（205），用于将光纤分束器（204）分出的N×N束激光准直后发射对目标实施N×N点阵照明；全反射镜（206），分光片（203）分出的反射激光投射到全反射镜（206），全反射镜（206）将投射的激光进行全反射使其进入PIN高速光电探测模块（207）；PIN高速光电探测模块（207），接收到全反射镜（206）反射的激光后进行光电转换并处理后输出数字信号，该数字信号同时进入高精度时间间隔测量模块（406）、AD转换模块（405）和主控制器（101），成为启动测距与强度获取子系统（4）工作的开始信号并表明激光发射时刻；接收透镜（301），接收被发射透镜阵列（205）发射的N×N束激光点阵照明的目标所散射的多束激光回波，并将接收到的多束激光回波分别聚焦进入光纤耦合阵列（302）；光纤耦合阵列（302），将接收透镜（301）聚焦输入的N×N束激光回波由多组光纤束输出到APD阵列探测器（303），每组光纤束包含K×K束光纤；APD阵列探测器（303），由多个K×K APD面阵模块构成；每组K×K束光纤输出端分别耦合到一个APD面阵模块的K×K个APD光敏面单元上，从而使光纤耦合阵列（302）的N×N束光纤输出端一一对应地耦合到APD阵列探测器（303）的N×N个光敏面单元上；APD阵列探测器（303）把光纤耦合阵列（302）输入的多束激光回波信号进行光电转换后并行输出最多达N×N路微弱电流信号到跨阻放大模块（401）；跨阻放大模块（401），用于将APD阵列探测器（303）输出的N×N 路微弱电流信号转换为N×N路电压信号，然后同时送入增益可调放大模块（402）和宽带放大模块（403）；宽带放大模块（403），用于将跨阻放大模块（401）转换输出的N×N路电压信号进行多路并行放大，输出放大后的N×N路电压信号进入AD转换模块（405）；AD转换模块（405），用于将宽带放大模块(403)放大后的N×N路电压信号进行AD转换，输出代表强度信息的N×N路数字信号，这些转换得到的数字信号由微控制器阵列A(407)读取，AD转换的启动信号来自所述的PIN高速光电探测模块(207)；微控制器阵列A(407)，用于控制AD转换模块(405)执行模数转换，并将转换得到的代表强度信息的数字信号暂存到其内存中，然后上传到主控制器(101)；增益可调放大模块(402)，用于将跨阻放大模块(401)输出的N×N路电压信号进行可调增益的并行放大，并将放大后的N×N路电压信号输入高速比较模块 (404)；高速比较模块 (404)，将增益可调放大模块(402)输出的N×N路电压信号与参考电平比较，输出N×N个数字信号作为N×N路停止信号输入到高精度时间间隔测量模块(406)；高精度时间间隔测量模块(406)，用于测量从收到PIN高速光电探测模块(207)输出的开始信号至收到高速比较模块(404)输出的N×N路停止信号的时间间隔，测量后最多并行输出N×N 个时间间隔测量数据，该数据由微控制器阵列B(408)读取；微控制器阵列B(408)，用于配置、控制所述的高精度时间间隔测量模块(406)执行测量，并读取代表N×N个目标测量点距离信息的N×N 个时间间隔测量值，再将测量值暂存到内存中，然后上传到主控制器(101)；GPS接收机(103)，通过异步串行口与主控制器(101)相连，用于提供PPS即秒脉冲信号作为本系统的启动信号以及获取本系统的经纬度、高程和UTC即协调世界时时间信息； 姿态测量模块(102)，通过异步串行口与主控制器(101)相连，用于获取本系统的航向角、俯仰角和侧滚角信息；外部存储器(104)，通过SPI即串行外设接口与主控制器(101)相连，用于存储主控制器(101)接收到的来自微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)的距离测量数据和强度测量数据，以及GPS接收机(103)和姿态测量模块(102)获取的信息，以及时间同步信息；显示器(105)，通过16位并行总线与主控制器(101)相连，对探测到的目标进行含灰度或伪彩色信息的三维可视化，并显示相关的控制、状态信息；所述N×N，其中N≧10，所述K×K，其中K≧5，并且K<N。