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專利名稱：一種全波形激光雷達系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的脈沖式測距激光雷達系統(tǒng)采用記錄一次發(fā)射脈沖與一次回波脈沖的時間點的方式來計算目標點距離，如果激光脈沖的傳播路徑中只有一個真實目標，那么一次散射回波足夠完成精確測量，但是現(xiàn)實情況中，激光的傳播路徑可能存在多個不同高程的目標，即使對于小光斑(腳點直徑為0.2m到2m)的系統(tǒng)也存在這種情況，這時只記錄一次回波就不能滿足測量的要求。于是出現(xiàn)了能夠記錄多次回波的激光雷達系統(tǒng)，典型的多次回波的激光雷達系統(tǒng)是記錄第一回波脈沖和最后一次回波脈沖(因為最后一次回波在處理時往往被認為是地面點)，還有一些多次回波的激光雷達系統(tǒng)則能記錄多達六次回波。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)定強度閾值的峰值信號，將波峰信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號來計算被測目標的高程，記錄脈沖個數(shù)和時間主要取決于探測方法和閾值的選取。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法被探測到。此外，在一些林地中比較低植被或者在城市地區(qū)街道，如果兩個目標物的間隔小于1.5m，一般探測方法有可能沒法區(qū)分兩個回波。因此，能記錄多個回波的系統(tǒng)仍然不能滿足高精度的高程測量要求。但是如果能夠?qū)Σㄐ芜M行有效的分析，就能提高波形探測的可靠性，測量精度和分辨率。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系統(tǒng)就是全波形激光雷達系統(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。相對于傳統(tǒng)離散激光雷達而言，全波形激光雷達能夠提供更多的目標信息，但同時也給數(shù)據(jù)處理和信息提取提出了更高的要求。盡管美國NASA已經(jīng)實現(xiàn)機載(LVIS)和星載全波形激光雷達(GLAS)的實驗性系統(tǒng)研究，但目前我國還未有全波形激光雷達系統(tǒng)的報道。在國外報道的方法研究中，全波形激光雷達技術(shù)仍有其不完善的地方:在數(shù)據(jù)存儲和傳輸方面，由于全波形數(shù)據(jù)量很大，而存儲模塊容量有限，導(dǎo)致在高重復(fù)頻率測量情況下，系統(tǒng)無法進行長時間持續(xù)測量；數(shù)據(jù)處理方面，全波形回波數(shù)據(jù)蘊含的信息量豐富，提取難度大，如何能有效的從回波中反演得到更多的信息，是全波形激光雷達領(lǐng)域研究的重點。本發(fā)明專利目的在于解決上述全波形激光雷達系統(tǒng)在高重復(fù)頻率測量情況下無法進行長時間持續(xù)測量的問題，采用的方法基于激光測量技術(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實驗室平臺系統(tǒng)，通過對采集卡工作方式的合理設(shè)計，使系統(tǒng)能夠完成長時間持續(xù)的實際測量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)，實測得到的數(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)。通過對控制模塊工作方式的合理設(shè)計使其控制激光器發(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。主要實現(xiàn)如下功能:1.搭建全波形激光雷達實驗室平臺系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠完成長時間持續(xù)的實際測量，并能夠有效的記錄全波形數(shù)據(jù)。2.所采集的數(shù)據(jù)以二進制的形式存儲，并能夠?qū)崟r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)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(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)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測系統(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)目標后散射產(chǎn)生的回波通過所述光電探測系統(tǒng)探測，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，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)明專利可實現(xiàn)在高重復(fù)頻率測量情況下長時間持續(xù)測量，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時顯示。其中，所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和激光擴束系統(tǒng)；所述激光器為1064nm的近紅外波長激光器，激光器的脈寬為6到10ns，激光發(fā)散角大于1.5mrad，可以產(chǎn)生遠距離探測目標的大光斑覆蓋效果；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；所述激光擴束系統(tǒng)用來擴展激光束的直徑；通過使用激光擴束系統(tǒng)使激光光束變?yōu)榻破叫泄馐?，并獲得高功率光斑。其中，所述光電探測系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測器，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散射回的紅外波段激光脈沖能量；所述的光電探測器可為PIN二極管型探測器或AH)雪崩二極管，所述全波形激光雷達系統(tǒng)目前采用具有4GHZ帶寬的PIN探測器，可有效探測到所述激光器脈沖和目標后散射得到的激光回波信號；所述光纖耦合器用于實現(xiàn)光信號分路，使得激光脈沖能量的90%以發(fā)射脈沖探測信號，剩余10%的能量直接進入探測器，有效記錄發(fā)射脈沖波形與時間。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的實時采樣率，帶寬可達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槽機箱中，該機箱支持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)脈沖信號作為控制信號控制激光器發(fā)射激光和數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；所述觸發(fā)脈沖信號的輸出可通過控制模塊的FPGA模塊編程實現(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個點，在采集間歇將數(shù)據(jù)上傳，以二進制方式存儲在所述8槽機箱的硬盤中；通過該工作方式，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲作為短暫的中轉(zhuǎn)，不是最終存儲空間，從而避免由所述數(shù)據(jù)采集卡板載過小引起的采集中斷；所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序工作流程為:在數(shù)據(jù)采集開始之前設(shè)置參數(shù)，選擇采集通道及存儲路徑，所述觸發(fā)方式選擇模擬邊沿觸發(fā)，利于通過外部信號控制數(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)信號的到來，當觸發(fā)信號到來時，初始化數(shù)據(jù)采集，并開始記錄數(shù)據(jù)；在所述數(shù)據(jù)采集卡循環(huán)采集N個點的過程中，每進入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個點并將這N個點存儲在所述8槽機箱的硬盤中，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時顯示。
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LabView軟件對所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序進行編程，來設(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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲至機箱硬盤的功能，滿足了全波形激光雷達對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時和高速要求；通過LabView軟件對所述控制系統(tǒng)的FPGA模塊進行編程，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之后發(fā)射激光脈沖，由目標后散射的回波信號經(jīng)過探測器后轉(zhuǎn)變成電信號，一段時間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號并開始采集回波數(shù)據(jù)，兩個脈沖控制信號的間隔時間和采樣時長是由探測距離和探測范圍來決定的。其中，所述的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)讀取所存儲的二進制文件進而按照一定方法對全波形回波數(shù)據(jù)進行分析和處理，以得到所需要的目標信息。本發(fā)明的有益效果:搭建了全波形激光雷達實驗室平臺系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠完成長時間持續(xù)的實際測量，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)以二進制的形式存儲，并能夠?qū)崟r地在控制面板上顯示。實測得到的數(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)，使算法得到驗證。該研究成果可以為我國全波形激光雷達系統(tǒng)的自主研發(fā)提供理論和實驗依據(jù)。


圖1是全波形激光雷達系統(tǒng)的總體設(shè)計圖；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。
具體實施例方式本發(fā)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(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系統(tǒng)包括光學設(shè)計部分和電學設(shè)計部分，光學部分包括激光器、擴束鏡、激光聚焦鏡、光纖耦合器、光電探測器。激光器是全波形激光雷達系統(tǒng)最主要的構(gòu)成部分，適合用作全波形激光雷達系統(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、堅固、輸出功率高、使用方便的特點，特別是半導(dǎo)體二極管激勵的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)計時一個非常重要的參數(shù)。在同樣采樣頻率下，激光發(fā)射脈沖越寬，則對激光傳輸路徑中目標點的分辨率越低，因為寬脈沖的重疊現(xiàn)象更明顯，不利于對回波的后續(xù)分析；但脈寬過窄時，對采樣頻率的要求會增力口，從而增大復(fù)原的回波信號與真實信號之間的誤差，而當無法達到需要的采樣速度時，就會造成記錄信號的失真。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級別，此能量級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束鏡，所選擇的激光器發(fā)散角為1.5mrad，加入擴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?，并獲得高功率光斑。激光器發(fā)射的激光脈沖如圖2所示。光電探測系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測器和光纖耦合器。激光聚焦鏡的主要功能是收集被目標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角越大越好，但是大口徑和大視場角也會收集到更多的雜光，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系統(tǒng)采用的激光器單脈沖能量為16.6uJ,且探測距離要求較短，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)來提供電流內(nèi)增益的一種二極管。一般激光雷達系統(tǒng)回波和發(fā)射脈沖的能量比一般很小，一般只有1%至10%，反射條件不好時甚至不足1%，因此對探測的測量范圍要求較高。所述全波形激光雷達系統(tǒng)的發(fā)射激光脈沖脈寬只有IOns左右，所以要求探測器有較大的帶寬，因此帶寬也是探測器選擇時一個重要的參數(shù)。PIN探測器的優(yōu)點在于其可以直接接收激光器的發(fā)射脈沖，而不會產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，所以選擇帶寬為4GHz的PIN探測器。電學部分主要包括數(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)過光纖耦合器，一部分能量直接由探測器接收，另一部分能量到達目標，經(jīng)目標后散射，由激光聚焦鏡收集被目標后散射回的激光能量，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，輸入進數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與存儲，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)都是基于美國國家儀器有限公司(NationalInstruments，簡稱NI)生產(chǎn)的集成化設(shè)備，其中機箱采用的是型號為NI PXle-1082的8槽機箱，數(shù)據(jù)采集卡采用型號為PX1-5154的8位高速數(shù)采卡，PX1-5154數(shù)采卡具有單通道lGS/s的實時采樣率，帶寬可達2GS/s，很好的滿足了系統(tǒng)對采樣率的要求，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的超大數(shù)據(jù)量的存儲要求，但機箱NIPXle-1082則有容量為256GB的硬盤，通過對PX1-5154的驅(qū)動程序進行編程，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲至硬盤的功能，滿足全波形激光雷達系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集的實時和高速要求。控制系統(tǒng)采用由型號為NI5751R的數(shù)據(jù)采集卡，包括FPGA模塊和適配器模塊，通過對FPGA模塊編程，可以實現(xiàn)對激光器發(fā)射頻率及發(fā)射時間和數(shù)據(jù)采集卡的控制。圖3是全波形激光雷達系統(tǒng)的整個工作流程圖，整個測量可以分為標定階段和測量階段，標定階段在每次開機時運行，發(fā)射脈沖的標定過程是:激光器發(fā)射500至1000次脈沖，每一個發(fā)射脈沖通過激光聚焦鏡直接送入光電探測器感光面，然后由采集卡對其采樣一段固定的時間T0，可以獲得這500至1000個發(fā)射脈沖的波形和能量分布，對其求平均值后就可獲得標定過的發(fā)射脈沖。TO的值是根據(jù)激光脈沖的發(fā)射頻率來確定的。標定完了之后開始采集回波數(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:上位機通過LabView對所述控制模塊的FPGA進行編程，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之后發(fā)射激光脈沖，由目標后散射的回波信號經(jīng)過探測器后轉(zhuǎn)變成電信號，一段時間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號并開始采集回波數(shù)據(jù)，兩個脈沖控制信號的間隔時間和采樣時長是由探測距離和探測范圍來決定的。如果所用激光器的重復(fù)頻率控制為5KHz，脈沖寬度為10ns，則兩個脈沖之間的間隔為200us，假設(shè)系統(tǒng)的初步設(shè)計探測距離為s，脈沖飛行時間為&，光速為C。探測距離s與光速c和飛行時間h之間的關(guān)系為4 = 2Xs/c,按照探測距離s = 30m計算,光速c=3 X 108m/s,則通過該關(guān)系式可以得到脈沖飛行時間為200ns，遠遠小于發(fā)射脈沖間隔200us。如果采樣窗口選取N個點，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，采樣時間t為:t = N*T。假設(shè)采樣窗口 N選擇544個點，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為1GHz，則有采樣間隔為1ns，采樣時間為544ns，系統(tǒng)可以探測的長度為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)實際測量中的條件設(shè)定的。其中，TO為標定發(fā)射脈沖時采樣的固定時長，TI為兩個脈沖控制信號之間的時間間隔，是由探測距離來決定的，可以由控制模塊的定時器來設(shè)定，也可以由數(shù)據(jù)采集模塊的觸發(fā)延遲時間來確定。T2為采集卡的采集窗口打開時間，是由探測長度來確定的。假設(shè)探測距離為30m，探測長度為81.6m，則可以計算出Tl為200ns，T2為544ns，探測范圍為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PX1-5154數(shù)據(jù)采集卡使用LabView進行編程，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到50M/s，完全滿足系統(tǒng)的要求。只要合理地設(shè)計數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)全波形激光雷達系統(tǒng)的長時間地實時數(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)采集方式來實現(xiàn)實時采集，每次循環(huán)采集N個點并將數(shù)據(jù)上傳，這樣所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲僅僅是作為短暫的中轉(zhuǎn)，而不是主要存儲空間，從而避免了由板載過小引起的采集中斷。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)采集信號源和存儲路徑:在數(shù)據(jù)采集開始之前，先選擇機箱插槽和采集通道,這里通道可以選擇通道0和通道I。LabView前面板上的Resource Name控件用來選擇NI PXle-10828槽機箱的插槽，Channel Name輸入控件用來選擇PX1-5154的通道。存儲路徑可以選擇一個后綴名為.bin的二進制文件進行存儲，選擇二進制文件進行存儲的原因是二進制文件占用空間小，存儲速度快，而且通過Matlab可以讀取二進制文件。filepath (dialog if empty)控件是用來選擇已經(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)，這是因為邊沿觸發(fā)方式可通過外部控制信號控制數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集。Trigger Type用來選擇觸發(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是用來設(shè)置觸發(fā)延遲時間，就是說觸發(fā)多長時間之后再開始記錄數(shù)據(jù)。Ref Position是用來設(shè)置記錄的數(shù)據(jù)占觸發(fā)前后的比率，例如當設(shè)置成50時，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用來設(shè)置觸發(fā)信號的幅值，例如當設(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)信號從0上升到2V，數(shù)據(jù)采集卡即開始采集數(shù)據(jù)。(3)設(shè)置信號采集的參數(shù):在進入數(shù)據(jù)采集之前還要進行參數(shù)設(shè)置，包括采樣頻率，信號輸入幅值范圍等，Min.Sample Rate控件用來設(shè)置采樣頻率，Vertical Range控件用來選擇采樣通道信號幅值的范圍，這里可以選擇0-5V，Vertical Offset用來設(shè)置幅值的偏移量，Vertical Coupling用來設(shè)置耦合方式，可以選擇DC耦合或AC耦合，或者是GND。Timeout這個控件用來選擇等待采集完成的最長時間，當采集任務(wù)沒有完成但是采集時間超過設(shè)定的時間時程序就報錯。Probe Attenuation用來設(shè)置跟通道有關(guān)的探針的幅值，例如當設(shè)置成10的時候，說明是10:1的探針。水平方向的參數(shù)設(shè)置，Min.Record Length用來設(shè)置最小記錄長度，也就是每次采集記錄多少個點，Actual Record Length和ActualSample Length是顯示控件，用來顯示實際的記錄長度和實際的采樣頻率。波形顯示控件用來顯不米集到的數(shù)據(jù)的波形，XO、dx、offset、Scale、Last Points FetchecUTotal PointsFetched都是顯示控件,用來顯示波形的一些具體信息,分別表示時間軸的開始點，每個點之間的間隔，偏移量，幅值范圍，最后一次記錄的點數(shù)以及總共記錄的點數(shù)(4)實際采集過程: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)信號的到來，當觸發(fā)信號到來時，初始化數(shù)據(jù)采集，并開始記錄數(shù)據(jù)。這里采用循環(huán)采集N個點的方式采集數(shù)據(jù)，每進入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個點并將數(shù)據(jù)上傳，存儲在二進制文件中，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲僅僅是作為短暫的中轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)采集。在采集過程中將數(shù)據(jù)波形圖實時顯示在所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的驅(qū)動程序前面板上，循環(huán)采集次數(shù)到了之后再等待觸發(fā)信號的到來，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)明具體實施方法的基本方案，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，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)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準。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)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測系統(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)目標后散射產(chǎn)生的回波通過所述光電探測系統(tǒng)探測，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，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)明專利可實現(xiàn)在高重復(fù)頻率測量情況下長時間持續(xù)測量，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時顯示。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達系統(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束系統(tǒng)；所述激光器為1064nm的近紅外波長激光器，激光器的脈寬為6到10ns，激光發(fā)散角大于1.5mrad，可以產(chǎn)生遠距離探測目標的大光斑覆蓋效果；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；所述激光擴束系統(tǒng)用來擴展激光束的直徑；通過使用激光擴束系統(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系統(tǒng)，其特征在于所述光電探測系統(tǒng)包括激光聚焦鏡，光電探測器，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散射回的紅外波段激光脈沖能量；所述的光電探測器可為PIN 二極管型探測器或APD雪崩二極管，所述全波形激光雷達系統(tǒng)目前采用具有4GHZ帶寬的PIN探測器，可有效探測到所述激光器脈沖和目標后散射得到的激光回波信號；所述光纖耦合器用于實現(xiàn)光信號分路，使得激光脈沖能量的90%以發(fā)射脈沖探測信號，剩余10%的能量直接進入探測器，有效記錄發(fā)射脈沖波形與時間。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達系統(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的實時采樣率，帶寬可達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槽機箱中，該機箱支持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)脈沖信號作為控制信號控制激 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)脈沖信號的輸出可通過控制t旲塊的FPGA t旲塊編程實現(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個點，在采集間歇將數(shù)據(jù)上傳，以二進制方式存儲在所述8槽機箱的硬盤中；通過該工作方式，所述數(shù)據(jù)采集卡的板上存儲作為短暫的中轉(zhuǎn)，不是最終存儲空間，從而避免由所述數(shù)據(jù)采集卡板載過小引起的采集中斷；所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序工作流程為:在數(shù)據(jù)采集開始之前設(shè)置參數(shù)，選擇采集通道及存儲路徑，所述觸發(fā)方式選擇模擬邊沿觸發(fā)，利于通過外部信號控制數(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)信號的到來，當觸發(fā)信號到來時，初始化數(shù)據(jù)采集，并開始記錄數(shù)據(jù)；在所述數(shù)據(jù)采集卡循環(huán)采集N個點的過程中，每進入一次循環(huán)，數(shù)據(jù)采集卡記錄N個點并將這N個點存儲在所述8槽機箱的硬盤中，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時顯/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LabView軟件對所述數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動程序進行編程，來設(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，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集卡在每次采集間歇將數(shù)據(jù)存儲至機箱硬盤的功能，滿足了全波形激光雷達對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時和高速要求；通過LabView軟件對所述控制系統(tǒng)的FPGA模塊進行編程，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之后發(fā)射激光脈沖，由目標后散射的回波信號經(jīng)過探測器后轉(zhuǎn)變成電信號，一段時間后，數(shù)據(jù)采集卡接收到控制模塊發(fā)射的脈沖控制信號并開始采集回波數(shù)據(jù)，兩個脈沖控制信號的間隔時間和采樣時長是由探測距離和探測范圍來決定的。
7.按照權(quán)利要求1所述的一種全波形激光雷達系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)讀取所存儲的二進制文件進而按照一定方法對全波形回波數(shù)據(jù)進行分析和處理，以得到所需要的目標信息。 ·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全波形激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于激光測量技術(shù)和高頻數(shù)據(jù)采集及控制技術(shù)；該全波形激光雷達系統(tǒng)包括激光發(fā)射系統(tǒng)，光電探測系統(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)目標后散射產(chǎn)生的回波通過所述光電探測系統(tǒng)探測，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，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)明可實現(xiàn)在高重復(fù)頻率測量情況下長時間持續(xù)測量，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時顯示。
文檔編號G01S17/02GK103197321SQ20131009338
公開日2013年7月10日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學