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一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發(fā)射單元、數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元、激光探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元和軟件單元?？刂茊卧刂泼}沖激光器發(fā)射激光脈沖，激光脈沖經(jīng)激光分束單元分為發(fā)射激光脈沖光束、發(fā)射激光脈沖波形采集光束和發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束，發(fā)射激光脈沖光束被目標(biāo)散射后經(jīng)激光探測(cè)單元進(jìn)入數(shù)據(jù)采集單元作為接收激光脈沖波形被采集，軟件單元提供人機(jī)交互接口。本發(fā)明所述激光雷達(dá)系統(tǒng)突破了常規(guī)激光雷達(dá)只能測(cè)量有限個(gè)距離和強(qiáng)度數(shù)據(jù)的限制，用光纖元件實(shí)現(xiàn)了全波形激光雷達(dá)光路的完全光纖化，有效增強(qiáng)了全波形激光雷達(dá)調(diào)試的靈活性和系統(tǒng)集成的簡(jiǎn)易性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到激光雷達(dá)測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]激光雷達(dá)是一種借助于激光的主動(dòng)遙感技術(shù)，主要通過(guò)測(cè)量激光脈沖往返于目標(biāo)與激光雷達(dá)平臺(tái)之間的時(shí)間，根據(jù)距離與光速和時(shí)間的關(guān)系得到激光雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)之間的距離，配合掃描裝置的動(dòng)作，激光雷達(dá)可以完成對(duì)目標(biāo)表面的掃描，同時(shí)結(jié)合激光雷達(dá)平臺(tái)的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而得到目標(biāo)的數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型。由于在實(shí)際中所使用的脈沖激光器存在一定的發(fā)散角，導(dǎo)致所發(fā)射的激光脈沖光束以近似圓錐的形式向前傳播，當(dāng)激光脈沖光束與目標(biāo)相互作用時(shí)已不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)圓斑，此圓斑被稱(chēng)為激光光斑，又由于測(cè)量環(huán)境中目標(biāo)的復(fù)雜性和多樣性，因而在一個(gè)激光光斑中有可能包含多個(gè)散射目標(biāo)或一個(gè)目標(biāo)具有多個(gè)散射表面，從而導(dǎo)致激光回波信號(hào)波形的復(fù)雜性，例如一個(gè)回波中包含多個(gè)脈沖或者脈沖被展寬。但是常規(guī)激光雷達(dá)只是借助于一定的判別方法(上升沿、峰值或者重心等)檢測(cè)激光回波中一個(gè)或有限個(gè)時(shí)間點(diǎn)，從而得到激光光斑中一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的距離值(現(xiàn)階段最多為6個(gè))，又由于不同目標(biāo)具有不同的回波波形，因此僅采用固定的判別檢測(cè)方法，會(huì)導(dǎo)致不同的目標(biāo)具有不同的測(cè)距精度。全波形激光雷達(dá)是借助于高速數(shù)據(jù)采集裝置將激光回波信號(hào)在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完整采集和存儲(chǔ)，從而得到激光回波信號(hào)的完整波形，所采集到的波形信號(hào)被稱(chēng)為全波形信號(hào)，根據(jù)激光脈沖與目標(biāo)相互作用的機(jī)理可知全波形信號(hào)中包含目標(biāo)豐富的物理和幾何特性信息。
[0003]在李小路申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?201310093384.1)中，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)中，激光光束采用空間傳輸?shù)姆绞?，系統(tǒng)測(cè)量之前需要對(duì)發(fā)射激光脈沖的波形進(jìn)行標(biāo)定，針對(duì)單次測(cè)量，只能得到激光脈沖回波波形，無(wú)法得到發(fā)射激光脈沖波形；在李端申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)?201310610608.1)中，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)中，激光光束同樣采用空間傳輸?shù)姆绞?，同時(shí)采用雙探測(cè)器，雙通道分別對(duì)發(fā)射和接收激光脈沖波形進(jìn)行探測(cè)和采集。
[0004]本文所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)將光纖技術(shù)與全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)光路的完全光纖化，因此減小了全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試和集成的復(fù)雜性，同時(shí)采用光纖光路可以靈活實(shí)現(xiàn)單探測(cè)器，單通道對(duì)單次測(cè)量中發(fā)射和接收激光脈沖波形的同時(shí)采集，從而能夠同時(shí)提供每次測(cè)量中的發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，而且單探測(cè)器探測(cè)，單通道采集消除了不同探測(cè)器，不同采集通道響應(yīng)特性的不一致，提聞了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開(kāi)了一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，目的在于提高全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，減小全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性，同時(shí)增加全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的可集成性。
[0006]所述激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光光束的傳輸、分束、合束、出射、接收和探測(cè)均采用光纖光路，所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發(fā)射單元、數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元、激光探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元和軟件單元。所述控制單元由主控計(jì)算機(jī)和激光器控制模塊組成，所述激光光源由脈沖激光器和光纖接頭組成，所述激光分束單元由兩個(gè)分束比分別為99:1和90:10的光纖分束器組成，所述激光發(fā)射單元由光纖準(zhǔn)直器組成，所述數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元由光纖聚焦鏡、光電二極管和放大整形電路組成，所述激光探測(cè)單元由望遠(yuǎn)鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測(cè)器和前置放大器組成，所述數(shù)據(jù)采集單元由高速數(shù)據(jù)采集卡和定時(shí)器組成，所述控制單元完成對(duì)激光光源中脈沖激光器和數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡的控制，以及對(duì)數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、顯示、存儲(chǔ)和計(jì)算。所述脈沖激光器接收來(lái)自激光器控制模塊的激光器控制信號(hào)，發(fā)射一定頻率和脈沖寬度的激光脈沖，并通過(guò)激光光源中的光纖接頭耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す夥质鴨卧?，為了?shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的完整存儲(chǔ)，并消除脈沖激光器的發(fā)射延時(shí)，所述激光脈沖經(jīng)激光分束單元中的光纖分束器分成3束,第I束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖光束,所述發(fā)射激光脈沖光束經(jīng)激光發(fā)射單兀中的光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直輸出照向目標(biāo)，光纖準(zhǔn)直器主要是為了減小由激光分束單元中光纖分束器輸出的激光束的發(fā)散角，增大激光光束準(zhǔn)直傳輸距離，增大激光光束光腰的大小。激光脈沖經(jīng)目標(biāo)散射后，被激光探測(cè)單元中的望遠(yuǎn)鏡收集，并由激光光纖耦合器耦合進(jìn)光纖，再經(jīng)光纖合束器進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將接收到的激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，從而被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡采集，借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，接收激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的全波形存儲(chǔ)；第2束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖波形采集光束，所述發(fā)射激光脈沖波形采集光束經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す馓綔y(cè)單元中的光纖合束器，經(jīng)光纖合束器進(jìn)入到光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將激光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖，從而被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡采集，借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，發(fā)射激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖的全波形存儲(chǔ)，光纖合束器的分時(shí)復(fù)用，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射激光脈沖光束和接收激光脈沖光束經(jīng)同一光纖光路，被同一光電探測(cè)器探測(cè)，同一數(shù)據(jù)采集通道采集，從而減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且消除了不同探測(cè)器、不同數(shù)據(jù)采集通道之間響應(yīng)特性的不一致。由于脈沖激光器工作的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致所發(fā)射的激光脈沖具有不同的波形，同時(shí)存儲(chǔ)發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，使得在后期的信號(hào)處理中，考慮到發(fā)射激光脈沖波形寬度和幅值的差異性，得到更精確的測(cè)量結(jié)果，并可以根據(jù)發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形之間的差異，反演出目標(biāo)的物理和幾何特性;第3束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束，所述發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束經(jīng)光纖光路進(jìn)入到數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元，首先經(jīng)光纖聚焦鏡聚焦輸出到光電二級(jí)管的光敏面，從而將激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形電路的放大和整形，轉(zhuǎn)換為可以觸發(fā)數(shù)據(jù)采集單元中定時(shí)器和高速數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，一方面所述發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)用于設(shè)定發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，用于主控計(jì)算機(jī)讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)時(shí)的參考位置，借助于發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形的完整讀取；另一方面所述發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)觸發(fā)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器滿足設(shè)定的定時(shí)長(zhǎng)度時(shí)，定時(shí)器輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)用于設(shè)定接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，用于主控計(jì)算機(jī)讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)時(shí)的參考位置，借助于定時(shí)器的定時(shí)操作可以實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖波形的距離選通存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)高速數(shù)據(jù)采集卡中接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置可以實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的全波形存儲(chǔ)。所述軟件單元提供人機(jī)交互接口，完成數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡采集參數(shù)和定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號(hào)頻率和占空比的配置，采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯
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[0007]所述激光分束單元可以實(shí)現(xiàn)激光脈沖的完全光纖分束，從而將不同分量的激光脈沖光束分別作為發(fā)射激光脈沖出射照向目標(biāo)，用于產(chǎn)生發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)和發(fā)射激光脈沖波形的采集，所述激光分束單元由兩個(gè)光纖分束器組成，第一個(gè)光纖分束器的分束比為99:1，從而將脈沖激光器發(fā)射的激光脈沖分為光強(qiáng)之比為99:1的兩束激光脈沖，其中能量較大的光束作為發(fā)射激光脈沖光束照向目標(biāo)，發(fā)射激光脈沖的能量越大，測(cè)量距離越遠(yuǎn)，相同距離下，經(jīng)目標(biāo)散射的激光回波信號(hào)信噪比越高，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離和精確測(cè)量；其中能量較小的光束經(jīng)過(guò)第二個(gè)光纖分束器再一次分束，第二個(gè)光纖分束器的分束比為90:10，其中能量較大的光束作為發(fā)射激光脈沖波形采集光束被激光探測(cè)單元接收，較高的激光能量保證了采集到的發(fā)射激光脈沖波形具有較高的信噪比，從而保證發(fā)射激光脈沖波形的精確存儲(chǔ)；其中能量較小的光束進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)。
[0008]所述的數(shù)據(jù)采集單元可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形的完整采集和存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的距離選通存儲(chǔ)。所述數(shù)據(jù)采集單元包括定時(shí)器和高速數(shù)據(jù)采集卡，高速數(shù)據(jù)采集卡借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，完成模擬電脈沖信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將采集到的信號(hào)存儲(chǔ)到自身板載存儲(chǔ)器中。定時(shí)器根據(jù)用戶的配置實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的距離選通存儲(chǔ)，從而減少接收激光脈沖的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡接收到來(lái)自數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，會(huì)在當(dāng)前的采樣點(diǎn)處設(shè)置發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡采樣點(diǎn)數(shù)等于發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度減去發(fā)射激光脈沖向前記錄長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)根據(jù)發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形的完整存儲(chǔ)，當(dāng)定時(shí)器接收到發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器滿足設(shè)定的定時(shí)間隔時(shí)，輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)在高速數(shù)據(jù)采集卡的當(dāng)前采樣點(diǎn)處設(shè)置接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡采樣點(diǎn)數(shù)滿足接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中采集到的接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的距離選通存儲(chǔ)；
[0009]所述的激光探測(cè)單元可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束進(jìn)入同一光纖光路，借助于光纖合束器，利用探測(cè)光路、光電探測(cè)器和高速數(shù)據(jù)采集卡的分時(shí)復(fù)用，完成發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的單探測(cè)器探測(cè)，單數(shù)據(jù)采集通道采集，同時(shí)整個(gè)激光探測(cè)單元為全光纖光路，減少了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和接收激光脈沖信號(hào)的損失。所述激光探測(cè)單元由望遠(yuǎn)鏡，激光光纖耦合器，光纖合束器，光電探測(cè)器和前置放大器組成，望遠(yuǎn)鏡收集由目標(biāo)散射的激光脈沖信號(hào)，激光光纖耦合器位于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)上，從而將望遠(yuǎn)鏡收集的激光脈沖信號(hào)耦合進(jìn)光纖合束器的一條光纖中，光纖合束器的另一條光纖接入激光分束單元中的發(fā)射激光脈沖波形采集光路，光纖合束器的輸出光纖接光電探測(cè)器，由于發(fā)射激光脈沖波形采集光束早于接收激光脈沖光束到達(dá)光纖合束器，因此通過(guò)分時(shí)復(fù)用光纖合束器，光電探測(cè)器和高速數(shù)據(jù)采集卡，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束的單探測(cè)器探測(cè)、單數(shù)據(jù)采集通道的采集和存儲(chǔ)，光電探測(cè)器后的前置放大器主要用于光電探測(cè)器輸出電信號(hào)的放大，由于目標(biāo)散射的激光回波信號(hào)極其微弱，導(dǎo)致光電探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)小于數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡的最小參考電壓，只有對(duì)光電探測(cè)器輸出電壓進(jìn)行放大，才有利于數(shù)據(jù)采集單元中數(shù)據(jù)采集卡的采集。
[0010]所述數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元包括光纖聚焦鏡，光電二級(jí)管和放大整形電路；光纖聚焦鏡接入激光分束單元中光纖分束器輸出的發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束，將光纖輸出的發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束聚焦到光電二極管的光敏面上，光纖聚焦鏡的作用是匯聚光纖輸出的發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束到光電二極管的光敏面上，從而增大探測(cè)效率，光電二極管將發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)所述放大整形電路進(jìn)行放大和整形，成為可以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡和定時(shí)器的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，由于經(jīng)激光分束單兀輸出的發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束能量較小，因而造成由光電二極管輸出的電壓脈沖信號(hào)電平無(wú)法滿足數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡對(duì)電平的要求，因此需要對(duì)二極管輸出的電脈沖信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)由于數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡和定時(shí)器為邊沿觸發(fā)，陡峭的上升沿可以提高觸發(fā)精度，因此需要對(duì)光電二極管輸出的電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行整形。
[0011 ] 所述激光發(fā)射單元為一光纖準(zhǔn)直器，將由激光分束單元經(jīng)光纖輸出的發(fā)射激光脈沖光束準(zhǔn)直輸出。所述控制單元包括主控計(jì)算機(jī)和激光器控制模塊；主控計(jì)算機(jī)完成對(duì)數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡采集參數(shù)的配置和定時(shí)器定時(shí)頻率和定時(shí)間隔的配置，同時(shí)對(duì)激光器控制模塊輸出方波信號(hào)頻率，幅值和占空比的設(shè)置。
[0012]本發(fā)明的有益效果，全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)可以同時(shí)采集和存儲(chǔ)單次測(cè)量中的發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，用光纖傳輸代替空間光傳輸，增加了全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)調(diào)試和系統(tǒng)中各組件空間位置擺放的靈活性，有利于系統(tǒng)集成。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。
[0014]圖2是全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)軟件界面圖。
[0015]圖3是全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)完整示意圖。
[0016]圖4是發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形采集時(shí)序圖。
[0017]圖5是采集到的發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖波形圖
【具體實(shí)施方式】
[0018]系統(tǒng)工作之前借助于軟件單元對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，軟件單元主要完成全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)始工作之前的參數(shù)配置，以及發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的實(shí)時(shí)顯示，軟件界面如圖2所示，
[0019]軟件單元基于Labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)，前面板界面由高速數(shù)據(jù)采集卡配置部分、定時(shí)器配置部分、激光器控制模塊配置部分和波形顯示部分組成。高速采集卡配置部分又包括文件設(shè)置、采集通道電壓設(shè)置、采集通道時(shí)間設(shè)置、采集通道輸入設(shè)置和采集卡觸發(fā)設(shè)置。文件設(shè)置中包括文件存儲(chǔ)路徑設(shè)置和已存儲(chǔ)文件個(gè)數(shù)的顯示。采集通道電壓設(shè)置包括采集通道參考電壓設(shè)置和采集通道偏置電壓的設(shè)置。采集通道參考電壓和偏置電壓的設(shè)置取決于接收信號(hào)幅值的大小和高速數(shù)據(jù)采集卡參考電壓的大小。采集通道時(shí)間設(shè)置包括采樣頻率的設(shè)置、發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度的設(shè)置、發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度的設(shè)置和接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度的設(shè)置。發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度的設(shè)置，取決于脈沖激光器發(fā)射的激光脈沖的寬度和所要記錄的發(fā)射激光脈沖波形長(zhǎng)度。發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度是超前讀取數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，主要是為了消除發(fā)射激光脈沖波形采集光束和發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束到達(dá)數(shù)據(jù)采集單元的時(shí)間差，保證發(fā)射激光脈沖波形的完整存儲(chǔ)。采集通道輸入設(shè)置包括采集通最大輸入頻率和輸入信號(hào)耦合方式的設(shè)置。采集卡觸發(fā)設(shè)置包括觸發(fā)源設(shè)置、觸發(fā)電平大小設(shè)置和觸發(fā)通道耦合方式設(shè)置。觸發(fā)源的選擇取決于外部觸發(fā)信號(hào)與高速數(shù)據(jù)采集卡的哪個(gè)輸入通道相連，觸發(fā)電平大小設(shè)置取決于來(lái)自數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)的電平大小。激光器控制單元配置部分包括激光器控制信號(hào)的頻率、幅值和占空比設(shè)置?？刂菩盘?hào)的頻率取決于測(cè)量所要求的激光脈沖發(fā)射頻率，控制信號(hào)的幅值取決于脈沖激光器所能響應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)幅值大小，控制信號(hào)的占空比設(shè)置與控制信號(hào)的頻率設(shè)置配合使用，主要取決于脈沖激光器所能響應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)占空比的大小。波形顯示窗口用于發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的實(shí)時(shí)顯示。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕系統(tǒng)開(kāi)始工作，高數(shù)數(shù)據(jù)采集卡開(kāi)始實(shí)時(shí)采集并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到板載存儲(chǔ)器中。
[0020]如圖2所示，帶箭頭的粗實(shí)線為光束在空間傳輸，帶箭頭的細(xì)實(shí)線為光束在光纖中傳輸，帶箭頭的點(diǎn)劃線為電信號(hào)在導(dǎo)線中傳輸。脈沖激光器I為系統(tǒng)的測(cè)量提供激光脈沖。脈沖激光器I的波長(zhǎng)選擇取決于測(cè)量環(huán)境中傳輸介質(zhì)的傳輸窗口和被測(cè)目標(biāo)的散射特性，例如在城市測(cè)繪中，激光傳輸介質(zhì)為大氣，被測(cè)目標(biāo)為高樓、草地和路面，激光器I的波長(zhǎng)可以選擇為1064nm ;再比如在海洋測(cè)量中，激光的傳輸介質(zhì)為水，此時(shí)激光器I波長(zhǎng)可以選擇為532nm。脈沖激光器具有重復(fù)頻率高和峰值功率大的特性，從而可以滿足快速和遠(yuǎn)距離測(cè)量的要求，因此激光器類(lèi)型選擇為脈沖激光器。脈沖激光器I發(fā)射的激光脈沖寬度一般選擇5-lOns。過(guò)窄的激光脈沖一方面導(dǎo)致激光脈沖的峰值功率過(guò)高可能造成目標(biāo)的損傷；另一方面導(dǎo)致激光器造價(jià)增大和激光探測(cè)器帶寬要求增大，從而增加系統(tǒng)的成本。在相同頻率、相同測(cè)量距離下，過(guò)寬的激光脈沖會(huì)增大激光器的功率需求，從而增大功耗。脈沖激光器I為頻率可調(diào)激光器，可以靈活的根據(jù)測(cè)量任務(wù)的需要調(diào)節(jié)激光器的發(fā)射頻率。
[0021]脈沖激光器I接收來(lái)自控制單元中的激光器控制模塊2發(fā)出的激光器控制信號(hào)，發(fā)射出一定頻率和脈寬的激光脈沖，所述激光脈沖經(jīng)光纖接頭3耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す夥质鴨卧?，?jīng)激光分束單元中的光纖分束器I分成光束I和光束2，光束I與光束2的光強(qiáng)之比為99:1 ;光束I作為發(fā)射激光脈沖光束經(jīng)激光發(fā)射單元中的光纖準(zhǔn)直器出射照向目標(biāo)，激光脈沖發(fā)射光束占很大比例主要因?yàn)榘l(fā)射光束的能量越大，測(cè)量距離越遠(yuǎn)，相同距離下由光電探測(cè)器探測(cè)到的激光回波信號(hào)信噪比越高，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離和精確測(cè)量。激光發(fā)射單元中的光纖準(zhǔn)直器主要是為了減小由光纖出射的激光光束的發(fā)散角，從而減小激光脈沖傳輸過(guò)程中激光光斑的增大率，從而有利于遠(yuǎn)距離測(cè)量。
[0022]圖2中光束2再經(jīng)光纖分束器2分成光束3和光束4，光束3與光束4的光強(qiáng)之比為90:10，光束3作為發(fā)射激光脈沖波形采集光束，光束4作為發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束；其中光束3占很大比例主要是因?yàn)楣馐?作為發(fā)射激光脈沖波形采集光束，較高的激光脈沖能量保證了采集到的發(fā)射激光脈沖波形具有較高的信噪比，從而保證發(fā)射激光脈沖波形的精確存儲(chǔ)。光束3經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す馓綔y(cè)單元中的光纖合束器4，再經(jīng)過(guò)光纖入射到光電探測(cè)器11轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)經(jīng)前置放大器12放大后被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡采集，作為發(fā)射激光脈沖波形存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了發(fā)射激光脈沖波形的全波形存儲(chǔ)。
[0023]光束4經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w聚焦鏡5，光纖聚焦鏡5將光纖輸出的光束聚焦輸出到光電二極管6的光敏面上，光電二極管6將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)放大整形電路7轉(zhuǎn)換為可以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集單元中的定時(shí)器8和高速數(shù)據(jù)采集卡9的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，高速數(shù)據(jù)采集卡9工作在實(shí)時(shí)采集模式，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在板載存儲(chǔ)器中，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡9接收到發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)時(shí)會(huì)在當(dāng)前的采樣點(diǎn)處設(shè)置發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，高速數(shù)據(jù)采集卡9繼續(xù)采集一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度減去發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度)后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)10根據(jù)發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置和設(shè)定好的發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度以及發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度，讀取高速數(shù)據(jù)采集卡9中采集到的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)。當(dāng)定時(shí)器8接收到來(lái)自數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元中的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，定時(shí)器8開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器8滿足設(shè)定的計(jì)時(shí)間隔時(shí)，輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，從而在高速數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)前采樣點(diǎn)處設(shè)定接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，高速數(shù)據(jù)采集卡9繼續(xù)采集一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等于設(shè)定好的接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度)后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)10以接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為基準(zhǔn)向后讀取接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)。定時(shí)器8與高速數(shù)據(jù)采集卡9同時(shí)開(kāi)始工作保證了發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)與接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)具有相同的時(shí)間標(biāo)，定時(shí)器8與數(shù)據(jù)采集卡9的配合工作實(shí)現(xiàn)了接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)的距離選通存儲(chǔ)，從而減少了接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。
[0024]如圖2所示，經(jīng)目標(biāo)散射的激光回波光束被激光探測(cè)單元中望遠(yuǎn)鏡13收集作為接收激光脈沖光束，激光光纖耦合器14位于望遠(yuǎn)鏡13的焦點(diǎn)位置，從而將望遠(yuǎn)鏡13收集的激光回波信號(hào)耦合進(jìn)光纖，并經(jīng)光纖傳輸?shù)焦饫w合束器4，光纖合束器4再將激光回波信號(hào)傳輸?shù)焦怆娞綔y(cè)器11，從而將激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器12的放大被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡9采集。光纖合束器4的主要作用是利用接收激光脈沖光束與發(fā)射激光脈沖波形采集光束到達(dá)光纖合束器的時(shí)間差，借助于分時(shí)復(fù)用的原理，將發(fā)射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束通過(guò)同一光纖光路傳輸?shù)酵惶綔y(cè)器，從而利用單探測(cè)器和單數(shù)據(jù)采集通道，完成發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖的探測(cè)，采集和存儲(chǔ)。前置放大器12的作用主要是放大光電探測(cè)器輸出的電脈沖信號(hào)，由于接收激光脈沖光束功率很小，因此光電探測(cè)器的輸出電壓小于高速數(shù)據(jù)采集卡最小的參考電壓，只有對(duì)光電探測(cè)器輸出電壓脈沖進(jìn)行放大，才能被高速數(shù)據(jù)采集卡采集。
[0025]數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)時(shí)序如圖4所示，系統(tǒng)開(kāi)始工作后高速數(shù)據(jù)采集卡工作在實(shí)時(shí)采集模式，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在板載存儲(chǔ)器中?？刂茊卧械募す馄骺刂颇K發(fā)出激光器控制信號(hào)觸發(fā)脈沖激光器發(fā)射激光脈沖。所述激光脈沖經(jīng)激光分束單元分束，其中發(fā)射激光脈沖波形采集光束經(jīng)激光探測(cè)單元轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元，同時(shí)發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束經(jīng)數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元產(chǎn)生發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)在高速數(shù)據(jù)采集卡當(dāng)前采樣點(diǎn)處設(shè)置發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡以發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為基準(zhǔn)，繼續(xù)采集到的采樣點(diǎn)數(shù)滿足設(shè)定好的發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度和發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)以發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為基準(zhǔn)，讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中采集到的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)，向前讀取一定點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)是為了消除發(fā)射激光脈沖波形采集信號(hào)與發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)之間的時(shí)間差，從而保證發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)的完整存儲(chǔ)，當(dāng)定時(shí)器接到發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器的定時(shí)長(zhǎng)度滿足設(shè)定的定時(shí)間隔后，定時(shí)器輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)會(huì)在高速數(shù)據(jù)采集卡的當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)置接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡以接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為基準(zhǔn)，繼續(xù)采集到的采樣點(diǎn)數(shù)滿足接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)以接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為基準(zhǔn)讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中采集到的接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)，從而完成接收激光脈沖波形的存儲(chǔ)。
[0026]圖5所示為發(fā)射激光脈沖波形和接收接收激光脈沖波形圖，如圖5所示發(fā)射激光脈沖波形的記錄長(zhǎng)度是40ns，距離選通長(zhǎng)度為8.55m (57ns)，接收回波波形的記錄長(zhǎng)度為70ns,發(fā)射激光脈沖波形的向前記錄長(zhǎng)度為13ns，從而保證了發(fā)射激光脈沖波形的完整存儲(chǔ)。由于控制單元中的主控計(jì)算機(jī)只根據(jù)發(fā)射波形和接收回波數(shù)據(jù)讀取參考位置讀取設(shè)定好的發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)和接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度，因此定時(shí)器距離選通的一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有數(shù)據(jù)。
[0027]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)了一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光雷達(dá)系統(tǒng)中激光光束的傳輸、分束、出射、接收、合束和探測(cè)均采用光纖光路，所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發(fā)射單元、數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元、激光探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集單元和軟件單元，所述控制單元由主控計(jì)算機(jī)和激光器控制模塊組成，所述激光光源由脈沖激光器和光纖接頭組成，所述激光分束單元由兩個(gè)光纖分束器組成，分束比分別為99:1和90:10，所述激光發(fā)射單元由光纖準(zhǔn)直器組成，所述數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元由光纖聚焦鏡、光電二極管和放大整形電路組成，所述激光探測(cè)單元由望遠(yuǎn)鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測(cè)器和前置放大器組成，所述數(shù)據(jù)采集單元由高速數(shù)據(jù)采集卡和定時(shí)器組成，所述脈沖激光器接收來(lái)自控制單元中激光器控制模塊輸出的激光器控制信號(hào)，發(fā)出一定頻率和脈沖寬度的激光脈沖，所述激光脈沖被激光光源中的光纖接頭耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す夥质鴨卧?，所述激光分束單元中的光纖分束器將脈沖激光器輸出的激光脈沖分成3束，第I束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖光束，所述發(fā)射激光脈沖光束經(jīng)激光發(fā)射單元中的光纖準(zhǔn)直器準(zhǔn)直輸出照向目標(biāo)，發(fā)射激光脈沖經(jīng)目標(biāo)散射后成為接收激光脈沖，被激光探測(cè)單元中的望遠(yuǎn)鏡收集，并由激光光纖耦合器耦合進(jìn)光纖，再經(jīng)光纖合束器進(jìn)入光電探測(cè)器，所述光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡采集，借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，接收激光脈沖波形可以被完整采集，從而實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的全波形存儲(chǔ);第2束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖波形采集光束，所述發(fā)射激光脈沖波形采集光束經(jīng)光纖傳輸?shù)郊す馓綔y(cè)單元中的光纖合束器，經(jīng)光纖合束器進(jìn)入到光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將激光脈沖轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，從而被數(shù)據(jù)采集單元中的高速數(shù)據(jù)采集卡采集，借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，發(fā)射激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖的全波形存儲(chǔ)，第3束稱(chēng)為發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束,所述發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束經(jīng)光纖光路進(jìn)入到數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元，首先經(jīng)光纖聚焦鏡聚焦輸出到光電二級(jí)管的光敏面，從而將激光脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)放大整形電路的放大和整形，轉(zhuǎn)換為可以觸發(fā)數(shù)據(jù)采集單元中定時(shí)器和高速數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，一方面所述發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)用于設(shè)定發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，用于控制單元中的主控計(jì)算機(jī)讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)時(shí)的參考位置，借助發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖的全波形存儲(chǔ)，另一方面所述發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)觸發(fā)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)定時(shí)器滿足設(shè)定的定時(shí)長(zhǎng)度時(shí)，定時(shí)器輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)用于設(shè)定接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，用于主控計(jì)算機(jī)讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)時(shí)的參考位置，借助定時(shí)器的定時(shí)操作可以實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)的距離選通存儲(chǔ)，同時(shí)根據(jù)高速數(shù)據(jù)采集卡中接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置可以實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的全波形存儲(chǔ)，控制單元完成對(duì)激光光源中脈沖激光器和數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡的配置，以及對(duì)高速數(shù)據(jù)采集卡中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、顯示、存儲(chǔ)和計(jì)算；所述軟件單元提供人機(jī)交互接口，完成數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡采集參數(shù)和定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號(hào)頻率和占空比的配置，采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的顯示；本發(fā)明專(zhuān)利可以實(shí)現(xiàn)全波形激光雷達(dá)光路的全光纖化，同時(shí)采用單探測(cè)器和單采集通道實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖的分時(shí)探測(cè)、分時(shí)采集和分時(shí)存儲(chǔ)，從而得到單次測(cè)量中發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖的全波形數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的數(shù)據(jù)采集單元可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形的采集和存儲(chǔ)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的距離選通存儲(chǔ)，所述數(shù)據(jù)采集單元包括定時(shí)器和高速數(shù)據(jù)采集卡，高速數(shù)據(jù)采集卡借助于高速的數(shù)據(jù)采樣，完成電脈沖模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并將采集到的信號(hào)存儲(chǔ)到自身板載存儲(chǔ)器中，定時(shí)器根據(jù)用戶的配置實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖信號(hào)的距離選通存儲(chǔ)，從而減少接收激光脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡接收到來(lái)自數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，會(huì)在當(dāng)前的采樣點(diǎn)處設(shè)置發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡以發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置為起始點(diǎn)，采集到的采樣點(diǎn)數(shù)等于發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度減去發(fā)射激光脈沖向前記錄長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)根據(jù)發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形的存儲(chǔ)，當(dāng)定時(shí)器接收到發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，定時(shí)器滿足設(shè)定的定時(shí)間隔時(shí)，輸出接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)，所述接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)在高速數(shù)據(jù)采集卡的當(dāng)前采樣點(diǎn)處設(shè)置接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置，當(dāng)高速數(shù)據(jù)采集卡以接收激光脈沖數(shù)據(jù)參考位置為起始點(diǎn)，采集到的采樣點(diǎn)數(shù)滿足接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)記錄長(zhǎng)度后，控制單元中的主控計(jì)算機(jī)根據(jù)接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)讀取參考位置讀取高速數(shù)據(jù)采集卡中的接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)接收激光脈沖的距離選通存儲(chǔ)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光探測(cè)單元由望遠(yuǎn)鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測(cè)器和前置放大器組成，望遠(yuǎn)鏡收集由目標(biāo)散射的激光脈沖信號(hào)，激光光纖耦合器位于望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)上，從而將望遠(yuǎn)鏡收集的激光脈沖信號(hào)耦合進(jìn)光纖合束器的一條光纖中，光纖合束器的輸出光纖接光電探測(cè)器，由于發(fā)射激光脈沖波 形采集光束早于接收激光脈沖光束到達(dá)光纖合束器，因此通過(guò)分時(shí)復(fù)用光纖合束器，光電探測(cè)器和高速數(shù)據(jù)采集卡，采用單探測(cè)器和單數(shù)據(jù)采集通道實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束的分時(shí)探測(cè)、分時(shí)采集和分時(shí)存儲(chǔ)，光電探測(cè)器后的前置放大器主要用于光電探測(cè)器輸出電信號(hào)的放大，所述的激光探測(cè)單元可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束進(jìn)入同一光纖探測(cè)光路，借助于光纖合束器，利用光纖探測(cè)光路、光電探測(cè)器和高速數(shù)據(jù)采集卡的分時(shí)復(fù)用，完成發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的單探測(cè)器探測(cè)、單數(shù)據(jù)采集通道采集，同時(shí)整個(gè)激光探測(cè)單元為全光纖光路，減少了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的復(fù)雜性和接收激光脈沖信號(hào)的損失。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)讀取參考位置產(chǎn)生單元包括光纖聚焦鏡，光電二級(jí)管和放大整形電路，所述光纖聚焦鏡接入由光纖輸出的來(lái)自激光分束單元的發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束，所述發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束被光纖聚焦鏡聚焦到光電二極管的光敏面上，所述光電二極管將發(fā)射激光脈沖標(biāo)記光束轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，電脈沖信號(hào)經(jīng)所述放大整形電路進(jìn)行放大和整形，成為可以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡和定時(shí)器的發(fā)射激光脈沖波形數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述的軟件單元包括高速數(shù)據(jù)采集卡配置部分、激光器控制模塊配置部分、定時(shí)器配置部分和波形顯示部分，高速數(shù)據(jù)采集卡配置部分包括文件設(shè)置、采集通道電壓設(shè)置、采集通道時(shí)間設(shè)置、采集通道輸入設(shè)置和采集卡觸發(fā)設(shè)置，文件設(shè)置中包括文件存儲(chǔ)路徑的設(shè)置和已存儲(chǔ)文件個(gè)數(shù)的顯示，采集通道電壓設(shè)置包括采集通道參考電壓設(shè)置和采集通道偏置電壓設(shè)置，采樣通道時(shí)間設(shè)置包括采樣頻率的設(shè)置、發(fā)射激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度的設(shè)置、發(fā)射激光脈沖向前存儲(chǔ)長(zhǎng)度的設(shè)置和接收激光脈沖波形記錄長(zhǎng)度的設(shè)置，采集通道輸入設(shè)置包括采集通道最大輸入頻率和輸入信號(hào)耦合方式的設(shè)置，采集卡觸發(fā)設(shè)置包括觸發(fā)源設(shè)置、觸發(fā)電平大小設(shè)置和觸發(fā)通道耦合方式設(shè)置，定時(shí)器配置部分包括定時(shí)器計(jì)時(shí)頻率的設(shè)置和定時(shí)長(zhǎng)度的設(shè)置，激光器控制單元配置部分包括激光器控制信號(hào)頻率、幅值和占空比設(shè)置，波形顯示窗口用于發(fā)射激光脈沖波形和接收激光回波波形的實(shí)時(shí)顯示，所述軟件單元提供人機(jī)交互接口，可以完成數(shù)據(jù)采集單元中高速數(shù)據(jù)采集卡采集參數(shù)和定時(shí)器定時(shí)長(zhǎng)度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號(hào)頻率和占空比的配置，采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果的 顯示。
【文檔編號(hào)】G01S17/02GK103901435SQ201410086819
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月11日
【發(fā)明者】徐立軍, 李端, 李小路, 孔德明, 馬蓮 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)