一種脈沖式n×n陣列激光雷達系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種脈沖式N×N陣列激光雷達系統。包括主控制器、姿態測量模塊、GPS接收機、外部存儲器、顯示器、脈沖激光器、準直透鏡、分光片、光纖分束器、發射透鏡陣列、全反射鏡、PIN高速光電探測模塊、接收透鏡、光纖耦合陣列、雪崩光電二極管即APD陣列探測器、跨阻放大模塊、增益可調放大模塊、高速比較模塊、高精度時間間隔測量模塊、寬帶放大模塊、模擬數字即AD轉換模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B。本發明脈沖激光點陣照明目標，發射功率利用充分；瞬間同步獲取距離、強度信息；多個APD面陣芯片構成APD陣列探測器提高了分辨率；無掃描裝置顯著降低光學設計復雜度；使用光纖耦合陣列有效減少視場外環境光、雜散光進入APD陣列探測器。
【專利說明】一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及主動光學航空遙感載荷領域的激光雷達技術，特別是一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統。
【背景技術】
[0002]激光雷達測量是一種已迅速發展成為熱點的主動光學遙感技術，為獲取空間三維數據提供了重要手段，單點掃描激光雷達已發展成為商業化的產品，其主要缺點在于:對激光器重復頻率要求高，需要掃描裝置，光學系統設計復雜，功耗大，成像速度低。
[0003]90年代后發達國家開始研發面陣激光雷達，探測器主要采用ICXD (增強型電荷耦合器件)和APD (雪崩光電二極管)兩種類型。國內由于光電探測材料和工藝水平等支撐基礎比較薄弱，因此在面陣激光雷達【技術領域】的研究還處于起步階段，進展緩慢。
[0004]ICCD面陣探測器是基于獲取高分辨率二維圖像目的而研制的，申請號為200910071450.9的發明和《光電工程》期刊2013年2月第40卷第2期“基于面陣探測器的凝視成像激光雷達”，都公開了 ICCD面陣探測器進行無掃描三維成像的研究，其缺點在于:必須采用復雜的調制解調方式通過多幅強度圖像融合才能間接得到一幅距離圖像，精度不高，運算量大，無法瞬間獲取目標距離信息，且只限于至多幾百米的近距離探測，還要求很大的激光發射功率。
[0005]基于APD探測器的面陣激光雷達研究方面，一種方式是采用分立的單點APD組合成面陣進行探測，另一種方式則采用APD面陣芯片進行探測。長春理工大學博士論文“激光雷達模擬樣機系統與實驗研究”中設計了 2X2 APD陣列接收模塊，由4個透鏡分別接收激光回波信號，然后分別耦合進4根光纖，光纖輸出分別進入4個獨立的APD單元，然后進行光電轉換、測距等處理。這種結構由1個接收透鏡，1根光纖和1個APD構成2X2 APD陣列接收系統的一個接收單元，當要求陣列像素較多時，必然造成體積龐大，加工、調試困難，一致性差等諸多問題。申請號為201310323433.6的發明公開了一種低空輕小型面陣激光雷達測量系統，采用了 一片APD面陣芯片，探測器的分辨率不高，而且沒有獲取強度信息，但該系統主要適用于載荷空間、重量受限的低空輕小型遙感平臺工作。浙江大學博士論文“基于達曼光柵的點陣照明成像激光雷達系統的研究”為了降低激光發射功率采用達曼光柵實現對激光分束后對目標實施點陣照明，其缺點在于達曼光柵價格昂貴。
[0006]總之，現有技術的缺陷主要體現在:ICCD系統需要很大的激光發射功率對目標實施泛光照明，探測距離小，不能瞬間獲取距離信息，處理電路和算法復雜，體積、重量較大，不適合高速、高精度機載三維成像應用場合。點掃描APD探測器對激光器重復頻率要求高，需要掃描裝置，光學系統設計難度大。采用單點APD組合的APD面陣均采用分立元件，若用其構成更高分辨率的APD陣列，必然出現體積龐大，加工、調試困難，一致性差等諸多問題。采用一片APD面陣芯片的測量系統，分辨率偏低，不適合分辨率要求較高的應用場合。采用達曼光柵對發射激光均勻分束，雖然可以減小激光發射功率，但達曼光柵價格昂貴。此外，上述激光雷達系統都沒有同步采集激光散射回波強度信息和距離信息。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是為了解決上述激光雷達系統存在的問題，提供一種采用脈沖激光點陣照明目標，多個Aro面陣芯片構成Aro陣列探測器接收激光回波，具有激光發射功率利用充分，瞬間同步獲取距離和強度信息，光學系統復雜度低，分辨率高等特點的脈沖式NXN陣列激光雷達系統。
[0008]本發明是這樣實現的:一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統包括控制子系統、發射子系統、接收子系統和測距與強度獲取子系統。控制子系統包括:主控制器、姿態測量模塊、GPS (全球定位系統)接收機、外部存儲器和顯示器。發射子系統包括:脈沖激光器、準直透鏡、分光片、光纖分束器、發射透鏡陣列、全反射鏡和PIN (P-1-N結構二極管)高速光電探測模塊。接收子系統包括:接收透鏡、光纖耦合陣列和Aro陣列探測器。測距與強度獲取子系統包括:跨阻放大模塊、增益可調放大模塊、寬帶放大模塊、高速比較模塊、AD (模擬數字)轉換模塊、高精度時間間隔測量模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B。
[0009]主控制器分別與姿態測量模塊、GPS接收機、顯示器、外部存儲器、脈沖激光器、PIN高速光電探測模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B相連。脈沖激光器發出的激光先經過準直透鏡然后通過分光片分為反射和透射兩路激光，占小部分的反射激光通過全反鏡進入PIN高速光電探測模塊，占大部分的透射激光經光纖分束器進入發射透鏡陣列照射目標，PIN高速光電探測模塊輸出的信號分成三路分別輸入主控制器、高精度時間間隔測量模塊和AD轉換模塊；目標反射回來的激光經接收透鏡聚焦進入光纖耦合陣列，光纖耦合陣列分組輸出多束激光信號耦合到APD陣列探測器的各個光敏面單元上；APD陣列探測器輸出的信號進入跨阻放大模塊，跨阻放大模塊輸出的信號同時進入增益可調放大模塊和寬帶放大模塊；增益可調放大模塊輸出的信號進入高速比較模塊，高速比較模塊輸出的信號進入高精度時間間隔測量模塊，高精度時間間隔測量模塊由微控制器陣列B控制，寬帶放大模塊輸出到AD轉換模塊，AD轉換模塊由微控制器陣列A實現控制。
[0010]主控制器是本激光雷達系統的控制核心。其主要工作有:讀取GPS接收機測得的位置信息；控制姿態測量模塊工作并讀取其測出的姿態信息；觸發脈沖激光器定時發射脈沖激光；以中斷方式接收微控制器陣列A和微控制器陣列B發送的強度、距離測量數據，并存儲到外部存儲器中或通過顯示器進行顯示。
[0011]脈沖激光器，用于發射脈沖激光，發射的脈沖激光進入準直透鏡。
[0012]準直透鏡，用于將脈沖激光器發出的脈沖激光進行準直。
[0013]分光片，用于將準直透鏡準直后的激光分為比例懸殊的透射和反射兩部分，占大部分的透射激光進入光纖分束器，占小部分的反射激光進入全反射鏡。
[0014]光纖分束器，用于將分光片透射的脈沖激光均勻分為NXN束激光，再輸出到發射透鏡陣列。
[0015]發射透鏡陣列，用于將所述光纖分束器分出的NXN束激光準直后發射對目標實施NXN點陣照明。
[0016]全反射鏡，分光片分出的反射激光投射到全反射鏡，全反射鏡將投射的激光進行全反射使其進入PIN高速光電探測模塊。
[0017]PIN高速光電探測模塊，接收到全反射鏡反射的激光后進行光電轉換并處理后輸出數字信號，該數字信號同時進入高精度時間間隔測量模塊、AD轉換模塊和主控制器，成為啟動測距與強度獲取子系統工作的開始信號并表明激光發射時刻；
接收透鏡，接收被發射透鏡陣列發射的NXN束激光點陣照明的目標所散射的多束激光回波，并將接收到的多束激光回波分別聚焦進入光纖耦合陣列。
[0018]光纖耦合陣列，將接收透鏡聚焦輸入的多束(最多NXN束)激光回波由多組光纖束輸出到APD陣列探測器，每組光纖束包含KXK束光纖。
[0019]Aro陣列探測器，由多個KXK APD面陣芯片構成。每組KXK束光纖輸出端分別耦合到一個APD面陣芯片的KXK個APD光敏面單元上，從而使光纖耦合陣列的NXN束光纖輸出端一一對應地耦合到APD陣列探測器的NXN個光敏面單元上。APD陣列探測器把光纖耦合陣列輸入的多束(最多NXN束)激光回波信號進行光電轉換后并行輸出最多達NXN路微弱電流信號到跨阻放大模塊。
[0020]跨阻放大模塊，用于將APD陣列探測器輸出的NXN路微弱電流信號轉換為NXN路電壓信號，然后同時送入增益可調放大模塊和寬帶放大模塊。
[0021]寬帶放大模塊，用于將跨阻放大模塊轉換輸出的NXN路電壓信號進行多路并行放大，輸出放大后的NXN路電壓信號進入AD轉換模塊。
[0022]AD轉換模塊，用于將所述的寬帶放大模塊放大后的NXN路電壓信號同時進行AD轉換，輸出代表NXN個目標測量點強度信息的NXN路數字信號，這些轉換得到的數字信號由微控制器陣列A讀取，AD轉換的啟動信號來自所述的PIN高速光電探測模塊。
[0023]微控制器陣列A，用于控制所述的AD轉換模塊執行模數轉換，并將轉換得到的代表強度信息的數字信號暫存到其內存中，然后上傳到主控制器。
[0024]增益可調放大模塊，用于將跨阻放大模塊輸出的NXN路電壓信號進行可調增益的并行放大，并將放大后的NXN路電壓信號輸入高速比較模塊。
[0025]高速比較模塊，將增益可調放大模塊輸出的NXN路電壓信號與參考電平比較，輸出NXN個數字信號作為NXN路停止信號輸入到高精度時間間隔測量模塊。
[0026]高精度時間間隔測量模塊，用于測量從收到PIN高速光電探測模塊輸出的開始信號至收到高速比較模塊輸出的NXN路停止信號的時間間隔，測量后最多并行輸出NXN個時間間隔測量數據，該數據由微控制器陣列B讀取。
[0027]微控制器陣列B，用于配置、控制高精度時間間隔測量模塊執行測量，并讀取代表NXN個目標測量點距離信息的NXN個時間間隔測量值，再將測量值暫存到內存中，然后上傳到主控制器。
[0028]GPS接收機，通過異步串行口與主控制器相連，用于提供PPS (秒脈沖)信號作為本激光雷達系統的啟動信號以及獲取本激光雷達系統的經緯度、高程和UTC (協調世界時)時間信息。
[0029]姿態測量模塊，通過異步串行口與主控制器相連，用于獲取本激光雷達系統的航向角、俯仰角和側滾角信息；
外部存儲器，通過SPI (串行外設接口)與主控制器相連，用于存儲主控制器接收到的來自微控制器陣列A和微控制器陣列B的強度測量數據和距離測量數據，以及GPS接收機和姿態測量模塊獲取的信息和時間同步信息。
[0030]顯示器，通過16位并行總線與主控制器相連，對探測到的目標進行含灰度或偽彩色信息的三維可視化，并顯示相關的控制、狀態信息。
[0031]所述NXN，其中N ^ 10，所述KXK，其中K ^ 5，并且K〈N。
[0032]本發明的優點在于:
1)發射的脈沖激光經光纖分束器均勻分為NXN束后經發射透鏡陣列對目標實施點陣照明，可實現把泛光照明的整體能量集中到有限的NXN點陣上，使發射激光能量能夠更加集中、有效地利用，相比同等發射功率下的泛光照明其探測距離提高20%。
[0033]2)采用多個KXK APD面陣芯片構成NXN AH)陣列探測器，提高了探測分辨率，對激光器重復頻率要求低，無需掃描裝置，降低了光學系統設計復雜度，簡化了電路處理系統結構，提高了整機工作的可靠性和穩定性。[0034]3)被脈沖激光點陣照明的目標所產生的激光散射回波信號由接收透鏡聚焦后，再經光纖耦合陣列輸入到Aro陣列探測器的NXN個Aro光敏面單元上，有效減少了視場外環境光、雜散光進入APD陣列探測器。
[0035]4)實現了單脈沖激光發射瞬間同步獲取NXN通道的距離信息和強度信息。
[0036]5)采用增益可調放大模塊解決了因探測距離不同引起的激光回波脈沖時間游走問題，采用多通道高精度計時技術對NXN通道時間間隔并行精確測量，實現了距離測量誤差< 0.lm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為本發明的一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統結構示意圖。
[0038]圖中標記:1-控制子系統；101-主控制器；102-姿態測量模塊；103_GPS接收機；104-外部存儲器；105_顯示器；
2-發射子系統；201_脈沖激光器；202_準直透鏡；203_分光片；204_光纖分束器；205-發射透鏡陣列；206_全反射鏡；207-PIN高速光電探測模塊；
3-接收子系統；301-接收透鏡；302_光纖耦合陣列；303-APD陣列探測器；
4-測距與強度獲取子系統；401_跨阻放大模塊；402_增益可調放大模塊；403_寬帶放大模塊；404_高速比較模塊；405-AD轉換模塊；406_高精度時間間隔測量模塊；407_微控制器陣列A ；408-微控制器陣列B。
[0039]圖2為本發明控制子系統工作流程圖。
[0040]圖3為本發明發射子系統工作流程圖。
[0041]圖4為本發明接收子系統工作流程圖。
[0042]圖5為本發明測距與強度獲取子系統工作流程圖。
【具體實施方式】
[0043]實施例:
如圖1所示，本實施例的一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統由控制子系統1、發射子系統2、接收子系統3和測距與強度獲取子系統4構成。控制子系統1包括:主控制器101、姿態測量模塊102、GPS接收機103、外部存儲器104和顯示器105。發射子系統2包括:脈沖激光器201、準直透鏡202、分光片203、光纖分束器204、發射透鏡陣列205、全反射鏡206和PIN高速光電探測模塊207。接收子系統3包括:接收透鏡301、光纖耦合陣列302和APD陣列探測器303。測距與強度獲取子系統4包括:跨阻放大模塊401、增益可調放大模塊402、寬帶放大模塊403、高速比較模塊404、AD轉換模塊405、高精度時間間隔測量模塊406、微控制器陣列A407和微控制器陣列B408。
[0044]主控制器101分別與姿態測量模塊102、GPS接收機103、外部存儲器104、顯示器105、脈沖激光器201、PIN高速光電探測模塊207、微控制器陣列A407和微控制器陣列B408相連。脈沖激光器201發出的激光先經過準直透鏡202，然后通過分光片203分為反射和透射兩路激光，反射的小部分激光通過全反鏡206進入PIN高速光電探測模塊207，透射的大部分激光經光纖分束器204進入發射透鏡陣列205照射目標，PIN高速光電探測模塊207輸出的信號分成三路分別輸入主控制器101、高精度時間間隔測量模塊406和AD轉換模塊405 ；目標反射回來的激光經接收透鏡301聚焦進入光纖耦合陣列302，光纖耦合陣列302分組輸出多束激光信號耦合到APD陣列探測器303的各個光敏面單元上；APD陣列探測器303輸出的信號進入跨阻放大模塊401，跨阻放大模塊401輸出的信號同時進入增益可調放大模塊402和寬帶放大模塊403 ;增益可調放大模塊402輸出的信號進入高速比較模塊404，高速比較模塊404輸出的信號進入高精度時間間隔測量模塊406，高精度時間間隔測量模塊406由微控制器陣列B408控制，寬帶放大模塊403輸出到AD轉換模塊405，AD轉換模塊405由微控制器陣列A407實現控制。
[0045]控制子系統1中GPS接收機103用于提供PPS (秒脈沖)信號作為本實施例系統的啟動信號以及獲取本激光雷達系統的經緯度、高程和UTC (協調世界時)時間信息；姿態測量模塊102用于獲取本激光雷達系統的航向角、俯仰角和側滾角信息。主控制器101是本實施例系統的控制核心。
[0046]圖2為控制子系統1工作流程圖。該流程圖開始于步驟S201。
[0047]在步驟S202，GPS接收機103的PPS信號觸發主控制器101內置32位計時器開始計時以啟動本激光雷達系統工作。
[0048]在步驟S203，主控制器101讀取GPS接收機103的位置信息。
[0049]在步驟S204，主控制器101控制姿態測量模塊102工作并讀取其姿態信息。
[0050]在步驟S205，主控制器101觸發發射子系統2中激光器201發射脈沖激光照明目標。
[0051]在步驟S206，主控制器101以中斷方式接收測距與強度獲取子系統4采集、測量并轉換得到的強度信息和距離信息。
[0052]在步驟S207，主控制器101將位置信息、姿態信息、強度信息、距離信息和時間同步標簽信息保存到外部存儲器104中，所述的時間同步標簽信息把三個時刻統一到GPS接收機103提供的UTC時間上，從而實現同步。所述的三個時刻是:GPS接收機103測出位置的時刻、姿態測量模塊102測出姿態的時刻、收到PIN高速光電探測模塊207發出脈沖的時亥lj(即脈沖激光器201發射激光的時刻)。
[0053]控制子系統1工作流程結束于步驟S208。
[0054]本實施例中GPS接收機103采用加拿大NovAtel公司0EMV-2型號的差分GPS接收機，水平位置精度為0.45m，更新頻率達到50Hz，使用RS232串行接口和主控制器101通信。所述的姿態測量模塊102，采用IMU (慣性測量單元)獲取本激光雷達系統姿態信息，數據更新頻率可達100Hz，在GPS接收機103的輔助下采用公知技術可保證IMU獲取的三個姿態角誤差小于0.08°，MU使用RS232串行接口和主控制器101通信。所述的主控制器101作為本激光雷達系統的控制中心，采用意法半導體公司的ARM STM32高表現型低功耗產品，時鐘頻率高達120MHz，通信接口多達15個，含USB (通用串行總線)接口和以太網接口，內置閃存容量可達1MHz且能輕松擴展存儲容量。所述的外部存儲器104為輕巧型大容量存儲器，用于存儲本激光雷達系統采集的數據，本實施例系統采用SD卡(安全數碼卡)，其重量只有1.5g，容量達32GB，存取速度高達30MB/S。
[0055]發射子系統2由脈沖激光器201、準直透鏡202、分光片203、光纖分束器204、發射透鏡陣列205、全反鏡206和PIN高速光電探測模塊207構成。圖3為發射子系統2工作流程圖。該流程圖開始于步驟S301。
[0056]在步驟S302，主控制器101觸發脈沖激光器201發射激光，脈沖激光器201作為照明光源具備高峰值功率、窄脈沖、輸出頻率可調的特性，其工作波長與本接收子系統3中APD陣列探測器303峰值響應波長匹配，本實施例中采用Solar LS公司鈦寶石可調諧激光器LX329，調諧范圍700nm-980nm，脈沖寬度7ns，峰值功率750kW，重復頻率100Hz內可調。
[0057]在步驟S303，準直透鏡202用于準直脈沖激光器發射的激光束，本實施例中為提高發射效率準直透鏡202和發射透鏡陣列205均鍍905nm增透膜。
[0058]在步驟S304，分光片203將準直后的激光分為比例懸殊的透射和反射兩部分激光，反射激光占小部分，透射激光占大部分。
[0059]在步驟S305，分光片203分出的大部分激光進入光纖分束器204。
[0060]在步驟S306，光纖分束器204為兩級1分16分束器，將入射激光分為256束激光，分出的每束激光都對準發射透鏡陣列205中的一個小透鏡，所述的發射透鏡陣列由16 X 16=256個小透鏡構成。
[0061]在步驟S307，所述的256束激光經發射透鏡陣列205中的256個小透鏡分別準直后出射，對目標實施16X16點陣照明。所述的點陣照明把泛光照明的整體能量集中到有限的16X16點陣上，使發射激光能量利用充分，經試驗測定，相比同等發射功率下的泛光照明探測距離可提高20%。
[0062]在步驟S308，分光片203分出的小部分激光投射到全反射鏡206上。
[0063]在步驟S309，全反射鏡206將激光反射進入PIN高速光電探測模塊207，本實施例中采用中電科44所的GT106高速PIN光電二極管作為所述PIN高速光電探測模塊207的光電探測器。
[0064]在步驟S310，高速PIN光電二極管對入射激光進行光電轉換，再由PIN高速光電探測模塊207內部的跨阻放大電路和高速比較電路處理，最終入射激光被轉換為數字信號輸出，該數字信號分為三路同時輸出，第一路啟動高精度時間間隔測量模塊406，第二路啟動AD轉換模塊405，第三路送至主控制器101，用以表明激光發射時刻。
[0065]發射子系統2工作流程結束于步驟S311。
[0066]接收子系統3由接收透鏡301，光纖耦合陣列302和APD陣列探測器303構成。圖4為接收子系統3工作流程圖。該流程圖開始于步驟S401。
[0067]在步驟S402，從目標漫反射回來的激光后向散射波進入接收透鏡301，本實施例中接收透鏡采用非球面透鏡，為提高接收效率接收透鏡鍍905nm增透膜。
[0068]在步驟S403，接收透鏡301將激光回波聚焦進入16X 16光纖耦合陣列302，并保證回波信號剛好完全覆蓋光纖耦合陣列302端面，本實施例中光纖耦合陣列包含16 X 16路光纖。
[0069]在步驟S404，光纖耦合陣列302將16X 16路光纖分為4組8X8路輸出，每組8X8=64路光纖輸出耦合到一個8X8 APD面陣芯片的64個光敏面單元上，APD光敏面單元大小為205um，間距320um，所述的光纖耦合陣列采用特制光纖，其參數根據耦合效率、接收視場角、光信號串擾等因素進行確定。采用光纖耦合陣列的優點在于有效減少了視場外環境光和雜散光進入APD陣列探測器，并可使16X 16 APD陣列探測器303上的256個APD單元精確對準來自探測目標反射的256路激光回波。本實施例中，APD陣列探測器303含有16X16=256個APD單元，采用4片德國First Sensor公司生產的8X8 APD面陣芯片組合構成(即APD面陣芯片1，APD面陣芯片2，APD面陣芯片3和APD面陣芯片4構成16X16APD陣列探測器303)。本實施例中使用的APD面陣芯片在905nm響應度達到60A/W，其擊穿電壓為200V。電路設計時由5V電源升壓獲得雪崩效應所需的偏置高壓，而且該偏置高壓和高速比較模塊404所需的參考電平均設計為可調節。
[0070]接收子系統3工作流程結束于步驟S405。
[0071]測距與強度獲取子系統4由跨阻放大模塊401，增益可調放大模塊402，寬帶放大模塊403，高速比較模塊404，AD轉換模塊405，高精度時間間隔測量模塊406，微控制器陣列A407和微控制器陣列B408構成。
[0072]圖5為測距與強度獲取子系統4工作流程圖。該流程圖開始于步驟S501。
[0073]在步驟S502，APD陣列探測器303光電轉換后輸出的16 X 16=256路微弱電流信號進入跨阻放大模塊401中，跨阻放大模塊401由4組64路跨阻放大電路組成，其作用是把256路電流信號轉換為電壓信號后同時輸出到下級增益可調放大模塊402和寬帶放大模塊403中。本實施例中跨阻放大模塊401中的跨阻放大器使用飛利浦公司的NE5210，它具有低噪聲、高帶寬、跨阻適中、差分輸出等優點。
[0074]在步驟S503，跨阻放大模塊401輸出的電壓信號進入增益可調放大模塊402并行放大，增益可調放大模塊402由4組64路增益可調放大電路組成。由于跨阻放大器NE5210輸出的電壓信號正比于APD輸出的電流信號，而APD輸出的電流信號又與目標物到APD的距離成平方反比，從而造成跨阻放大器輸出電壓有較大動態范圍，因此跨阻放大模塊401后續電路設計為增益可調放大電路，以此保證距離測量系統的精度，即:距離較遠時電路增益變大，距離較近時增益變小，使得經過此電路放大輸出的電壓信號基本不隨距離變化，從而解決了因探測距離不同引起的激光回波脈沖時間游走問題。本實施例中增益可調放大器選用亞德諾公司寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益的AD8330芯片，其增益控制電壓Vg與輸出信號大小成反比，可實現增益自動控制功能。
[0075]在步驟S504，增益可調放大模塊402輸出的信號進入高速比較模塊404，高速比較模塊404由4組64路高速比較電路組成，通過與預設參考電壓比較后，高速比較模塊404輸出的數字信號作為停止信號輸入到高精度時間間隔測量模塊406中。本實施例中高速比較器采用德州儀器公司的單端輸入單端輸出的比較器LMV7219，其上升和下降時間為1.3ns,軌到軌輸出，很適合前沿定時。
[0076]在步驟S505，高精度時間間隔測量模塊406用于測量激光發射時刻至接收到停止信號的時間間隔，該模塊可并行測量16X 16=256路激光飛行時間，從而獲取256路距離信息。本實施例中，高精度時間間隔測量模塊406采用德國acam公司計時分辨率81皮秒的8通道TDC-GPX芯片，共使用32片。微控制器陣列B408由8片ARM STM32系列微處理器芯片組成，每片ARM STM32系列微處理器控制4片TDC-GPX芯片。TDC-GPX芯片的配置及測量過程都在微控制器陣列B408控制下完成，時間間隔測量數據由TDC-GPX芯片輸出到外部28位數據總線上以供微控制器陣列B408讀取。
[0077]在步驟S506，微控制器陣列B408將距離信息測量數據以DMA方式通過10M/100M以太網接口或USB接口上傳給控制子系統1中的主控制器101。
[0078]在步驟S507，跨阻放大模塊401輸出的256路電壓信號進入寬帶放大模塊403的256路寬帶放大電路并行放大，寬帶放大模塊403分為4組，每組由64路寬帶放大電路組成。本實施例中寬帶放大模塊403采用亞德諾公司的ADL5565放大器，該放大器支持差分輸入，能夠匹配跨阻放大模塊401中的NE5210放大器。
[0079]在步驟S508，寬帶放大模塊403輸出的信號進入AD轉換模塊405，AD轉換模塊405由4組64路AD轉換電路組成，微控制器陣列A407控制AD轉換模塊405并行轉換，并且微控制器陣列A407負責讀取并暫存轉換得到的代表回波強度信息的數字量。
[0080]在步驟S509，微控制器陣列A407將強度信息測量數據以DMA方式通過10M/100M以太網接口或USB接口上傳到控制子系統1中的主控制器101。本實施例中，微控制器陣列A407采用8片Altera公司Cyclone系列FPGA，每片FPGA控制32路AD轉換電路。
[0081]測距與強度獲取子系統4工作流程結束于步驟S510。
[0082]以上公開的僅為本發明的一個實施例，但本發明并非局限于此，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，做出的擴展應視為屬于本發明保護范圍。
【權利要求】
1.一種脈沖式NXN陣列激光雷達系統，其特征在于脈沖式NXN陣列激光雷達系統包括:控制子系統(1)、發射子系統(2)、接收子系統(3)和測距與強度獲取子系統(4);控制子系統(1)包括:主控制器(101)、姿態測量模塊(102)、全球定位系統即GPS接收機(103)、外部存儲器(104)和顯示器(105);發射子系統(2)包括:脈沖激光器(201)、準直透鏡(202)、分光片(203)、光纖分束器(204)、發射透鏡陣列(205)、全反射鏡(206)和P-1-N結構二極管即PIN高速光電探測模塊(207);接收子系統(3)包括:接收透鏡(301)、光纖耦合陣列(302)和雪崩光電二極管即AH)陣列探測器(303);測距與強度獲取子系統(4)包括:跨阻放大模塊(401)、增益可調放大模塊(402)、寬帶放大模塊(403)、高速比較模塊(404)、模擬數字即AD轉換模塊(405)、高精度時間間隔測量模塊(406)、微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B (408)；主控制器(101)分別與姿態測量模塊(102)、GPS接收機(103)、顯示器(105)、外部存儲器(104)、脈沖激光器(201)、PIN高速光電探測模塊(207)、微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B(408)相連；脈沖激光器(201)發出的激光先經過準直透鏡(202)，然后通過分光片(203)分為反射和透射兩路激光，占小部分的反射激光通過全反鏡(206)進入PIN高速光電探測模塊(207)，占大部分的透射激光經光纖分束器(204)進入發射透鏡陣列(205)照射目標，PIN高速光電探測模塊(207)輸出的信號分成三路分別輸入主控制器(101 )、高精度時間間隔測量模塊(406)和AD轉換模塊(405)；目標反射回來的激光經接收透鏡(301)聚焦進入光纖耦合陣列(302)，光纖耦合陣列(302)分組輸出多束激光信號耦合到AH)陣列探測器(303)的各個光敏面單元上；APD陣列探測器(303)輸出的信號進入跨阻放大模塊(401)，跨阻放大模塊(401)輸出的信號同時進入增益可調放大模塊(402)和寬帶放大模塊(403);增益可調放大模塊(402)輸出的信號進入高速比較模塊(404)，高速比較模塊(404)輸出的信號進入高精度時間間隔測量模塊(406 )，高精度時間間隔測量模塊(406 )由微控制器陣列B (408)控制，寬帶放大模塊(403)輸出到AD轉換模塊(405)，AD轉換模塊(405)由微控制器陣列A (407)實現控制；主控制器(101)，是本系統的控制核心；其主要工作有:讀取GPS接收機(103)測得的位置信息；控制姿態測量模塊(102)工作并讀取其測出的姿態信息；觸發脈沖激光器(201)定時發射脈沖激光；以中 斷方式接收微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B(408)發送的強度、距離測量數據，并存儲到外部存儲器(104)中或通過顯示器(105)進行顯示；脈沖激光器(201 )，用于發射脈沖激光，發射的脈沖激光進入準直透鏡(202)；準直透鏡(202)，用于將所述的脈沖激光器(201)發出的脈沖激光進行準直；分光片(203)，用于將準直透鏡(202)準直后的激光分為比例懸殊的透射和反射兩部分，占大部分的透射激光進入光纖分束器(204)，占小部分的反射激光進入全反射鏡(206)；光纖分束器(204)，用于將分光片透射的脈沖激光均勻分為NXN束激光，再輸出到發射透鏡陣列(205)；發射透鏡陣列(205)，用于將光纖分束器(204)分出的NXN束激光準直后發射對目標實施NXN點陣照明；全反射鏡(206 )，分光片(203 )分出的反射激光投射到全反射鏡(206 )，全反射鏡(206 )將投射的激光進行全反射使其進入PIN高速光電探測模塊(207)；PIN高速光電探測模塊(207)，接收到全反射鏡(206)反射的激光后進行光電轉換并處理后輸出數字信號，該數字信號同時進入高精度時間間隔測量模塊(406)、AD轉換模塊(405)和主控制器(101)，成為啟動測距與強度獲取子系統(4)工作的開始信號并表明激光發射時刻；接收透鏡(301)，接收被發射透鏡陣列(205)發射的NXN束激光點陣照明的目標所散射的多束激光回波，并將接收到的多束激光回波分別聚焦進入光纖耦合陣列(302)；光纖耦合陣列(302)，將接收透鏡(301)聚焦輸入的NXN束激光回波由多組光纖束輸出到APD陣列探測器(303)，每組光纖束包含KXK束光纖；APD陣列探測器(303)，由多個KXK APD面陣模塊構成；每組KXK束光纖輸出端分別耦合到一個APD面陣模塊的KXK個APD光敏面單元上，從而使光纖耦合陣列(302)的NXN束光纖輸出端一一對應地耦合到APD陣列探測器(303)的NXN個光敏面單元上；APD陣列探測器(303)把光纖耦合陣列(302)輸入的多束激光回波信號進行光電轉換后并行輸出最多達NXN路微弱電流信號到跨阻放大模塊(401)；跨阻放大模塊(401)，用于將APD陣列探測器(303)輸出的NXN路微弱電流信號轉換為N X N路電壓信號，然后同時送入增益可調放大模塊(402 )和寬帶放大模塊(403 );寬帶放大模塊(403)，用于將跨阻放大模塊(401)轉換輸出的NXN路電壓信號進行多路并行放大，輸出放大后的NXN路電壓信號進入AD轉換模塊(405)；AD轉換模塊(405)，用于將寬帶放大模塊(403)放大后的NXN路電壓信號進行AD轉換，輸出代表強度信息的NXN路數字信號，這些轉換得到的數字信號由微控制器陣列A(407)讀取，AD轉換的啟動信號來自所述的PIN高速光電探測模塊(207)；微控制器陣列A(407)，用于控制AD轉換模塊(405)執行模數轉換，并將轉換得到的代表強度信息的數字信號暫存到其內存中，然后上傳到主控制器(101)；增益可調放大模塊(402)，用于將`跨阻放大模塊(401)輸出的NXN路電壓信號進行可調增益的并行放大，并將放大后的NXN路電壓信號輸入高速比較模塊(404)；高速比較模塊(404)，將增益可調放大模塊(402)輸出的NXN路電壓信號與參考電平比較，輸出NXN個數字信號作為NXN路停止信號輸入到高精度時間間隔測量模塊(406)；高精度時間間隔測量模塊(406)，用于測量從收到PIN高速光電探測模塊(207)輸出的開始信號至收到高速比較模塊(404)輸出的NXN路停止信號的時間間隔，測量后最多并行輸出NXN個時間間隔測量數據，該數據由微控制器陣列B(408)讀取；微控制器陣列B(408)，用于配置、控制所述的高精度時間間隔測量模塊(406)執行測量，并讀取代表NXN個目標測量點距離信息的NXN個時間間隔測量值，再將測量值暫存到內存中，然后上傳到主控制器(101)；GPS接收機(103)，通過異步串行口與主控制器(101)相連，用于提供PPS即秒脈沖信號作為本系統的啟動信號以及獲取本系統的經緯度、高程和UTC即協調世界時時間信息；姿態測量模塊(102)，通過異步串行口與主控制器(101)相連，用于獲取本系統的航向角、俯仰角和側滾角信息；外部存儲器(104)，通過SPI即串行外設接口與主控制器(101)相連，用于存儲主控制器(101)接收到的來自微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B(408)的距離測量數據和強度測量數據，以及GPS接收機(103)和姿態測量模塊(102)獲取的信息，以及時間同步信息；顯示器(105)，通過16位并行總線與主控制器(101)相連，對探測到的目標進行含灰度或偽彩色信息的三維可視化，并顯示相關的控制、狀態信息；所述NXN，其中N ^ 1 0 ，所述KXK，其中K ^ 5，并且K〈N。
【文檔編號】G01S17/02GK103744087SQ201410011887
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月11日 優先權日:2014年1月11日
【發明者】周國清, 周祥, 張飆, 馬建軍, 衛斌 申請人:桂林理工大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
