一種全光纖光路全波形激光雷達系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種全光纖光路全波形激光雷達系統，所述激光雷達系統包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發射單元、數據讀取參考位置產生單元、激光探測單元、數據采集單元和軟件單元。控制單元控制脈沖激光器發射激光脈沖，激光脈沖經激光分束單元分為發射激光脈沖光束、發射激光脈沖波形采集光束和發射激光脈沖標記光束，發射激光脈沖光束被目標散射后經激光探測單元進入數據采集單元作為接收激光脈沖波形被采集，軟件單元提供人機交互接口。本發明所述激光雷達系統突破了常規激光雷達只能測量有限個距離和強度數據的限制，用光纖元件實現了全波形激光雷達光路的完全光纖化，有效增強了全波形激光雷達調試的靈活性和系統集成的簡易性。
【專利說明】一種全光纖光路全波形激光雷達系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及到激光雷達測量領域，尤其是一種全光纖光路全波形激光雷達系統。【背景技術】
[0002]激光雷達是一種借助于激光的主動遙感技術，主要通過測量激光脈沖往返于目標與激光雷達平臺之間的時間，根據距離與光速和時間的關系得到激光雷達平臺與目標之間的距離，配合掃描裝置的動作，激光雷達可以完成對目標表面的掃描，同時結合激光雷達平臺的位置和姿態數據，從而得到目標的數字表面模型和數字高程模型。由于在實際中所使用的脈沖激光器存在一定的發散角，導致所發射的激光脈沖光束以近似圓錐的形式向前傳播，當激光脈沖光束與目標相互作用時已不再是一個點，而是一個圓斑，此圓斑被稱為激光光斑，又由于測量環境中目標的復雜性和多樣性，因而在一個激光光斑中有可能包含多個散射目標或一個目標具有多個散射表面，從而導致激光回波信號波形的復雜性，例如一個回波中包含多個脈沖或者脈沖被展寬。但是常規激光雷達只是借助于一定的判別方法(上升沿、峰值或者重心等)檢測激光回波中一個或有限個時間點，從而得到激光光斑中一個或多個目標的距離值(現階段最多為6個)，又由于不同目標具有不同的回波波形，因此僅采用固定的判別檢測方法，會導致不同的目標具有不同的測距精度。全波形激光雷達是借助于高速數據采集裝置將激光回波信號在一定的時間區間內完整采集和存儲，從而得到激光回波信號的完整波形，所采集到的波形信號被稱為全波形信號，根據激光脈沖與目標相互作用的機理可知全波形信號中包含目標豐富的物理和幾何特性信息。
[0003]在李小路申請的發明專利(申請號:201310093384.1)中，所述全波形激光雷達系統中，激光光束采用空間傳輸的方式，系統測量之前需要對發射激光脈沖的波形進行標定，針對單次測量，只能得到激光脈沖回波波形，無法得到發射激光脈沖波形；在李端申請的發明專利(申請號:201310610608.1)中，所述全波形激光雷達系統中，激光光束同樣采用空間傳輸的方式，同時采用雙探測器，雙通道分別對發射和接收激光脈沖波形進行探測和采集。
[0004]本文所述全波形激光雷達系統將光纖技術與全波形激光雷達系統相結合，實現了全波形激光雷達系統光路的完全光纖化，因此減小了全波形激光雷達系統調試和集成的復雜性，同時采用光纖光路可以靈活實現單探測器，單通道對單次測量中發射和接收激光脈沖波形的同時采集，從而能夠同時提供每次測量中的發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，而且單探測器探測，單通道采集消除了不同探測器，不同采集通道響應特性的不一致，提聞了系統的測量精度。
【發明內容】
[0005]本發明公開了一種全光纖光路全波形激光雷達系統，目的在于提高全波形激光雷達系統設計的靈活性，減小全波形激光雷達系統調節的復雜性，同時增加全波形激光雷達系統的可集成性。
[0006]所述激光雷達系統中激光光束的傳輸、分束、合束、出射、接收和探測均采用光纖光路，所述激光雷達系統包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發射單元、數據讀取參考位置產生單元、激光探測單元、數據采集單元和軟件單元。所述控制單元由主控計算機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分束比分別為99:1和90:10的光纖分束器組成，所述激光發射單元由光纖準直器組成，所述數據讀取參考位置產生單元由光纖聚焦鏡、光電二極管和放大整形電路組成，所述激光探測單元由望遠鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測器和前置放大器組成，所述數據采集單元由高速數據采集卡和定時器組成，所述控制單元完成對激光光源中脈沖激光器和數據采集單元中高速數據采集卡的控制，以及對數據采集單元中高速數據采集卡采集到的數據進行讀取、顯示、存儲和計算。所述脈沖激光器接收來自激光器控制模塊的激光器控制信號，發射一定頻率和脈沖寬度的激光脈沖，并通過激光光源中的光纖接頭耦合進光纖，經光纖傳輸到激光分束單元，為了實現發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的完整存儲，并消除脈沖激光器的發射延時，所述激光脈沖經激光分束單元中的光纖分束器分成3束,第I束稱為發射激光脈沖光束,所述發射激光脈沖光束經激光發射單兀中的光纖準直器準直輸出照向目標，光纖準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散角，增大激光光束準直傳輸距離，增大激光光束光腰的大小。激光脈沖經目標散射后，被激光探測單元中的望遠鏡收集，并由激光光纖耦合器耦合進光纖，再經光纖合束器進入光電探測器，光電探測器將接收到的激光脈沖信號轉換為電脈沖信號，從而被數據采集單元中的高速數據采集卡采集，借助于高速的數據采樣，接收激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實現接收激光脈沖的全波形存儲；第2束稱為發射激光脈沖波形采集光束，所述發射激光脈沖波形采集光束經光纖傳輸到激光探測單元中的光纖合束器，經光纖合束器進入到光電探測器，光電探測器將激光脈沖轉換為電脈沖，從而被數據采集單元中的高速數據采集卡采集，借助于高速的數據采樣，發射激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實現發射激光脈沖的全波形存儲，光纖合束器的分時復用，實現了發射激光脈沖光束和接收激光脈沖光束經同一光纖光路，被同一光電探測器探測，同一數據采集通道采集，從而減少了系統的復雜性，而且消除了不同探測器、不同數據采集通道之間響應特性的不一致。由于脈沖激光器工作的不穩定性，導致所發射的激光脈沖具有不同的波形，同時存儲發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，使得在后期的信號處理中，考慮到發射激光脈沖波形寬度和幅值的差異性，得到更精確的測量結果，并可以根據發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形之間的差異，反演出目標的物理和幾何特性;第3束稱為發射激光脈沖標記光束，所述發射激光脈沖標記光束經光纖光路進入到數據讀取參考位置產生單元，首先經光纖聚焦鏡聚焦輸出到光電二級管的光敏面，從而將激光脈沖信號轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經放大整形電路的放大和整形，轉換為可以觸發數據采集單元中定時器和高速數據采集卡的發射激光脈沖波形數據標記信號，一方面所述發射激光脈沖波形數據標記信號用于設定發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，用于主控計算機讀取高速數據采集卡中發射激光脈沖波形數據時的參考位置，借助于發射激光脈沖波形數據讀取參考位置可以實現發射激光脈沖波形的完整讀取；另一方面所述發射激光脈沖波形數據標記信號觸發定時器開始計時，當定時器滿足設定的定時長度時，定時器輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，所述接收激光脈沖波形數據標記信號用于設定接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，用于主控計算機讀取高速數據采集卡中接收激光脈沖波形數據時的參考位置，借助于定時器的定時操作可以實現接收激光脈沖波形的距離選通存儲，同時根據高速數據采集卡中接收激光脈沖波形數據讀取參考位置可以實現接收激光脈沖的全波形存儲。所述軟件單元提供人機交互接口，完成數據采集單元中高速數據采集卡采集參數和定時器定時長度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號頻率和占空比的配置，采集到的數據和數據處理結果的顯
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[0007]所述激光分束單元可以實現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射激光脈沖出射照向目標，用于產生發射激光脈沖波形數據標記信號和發射激光脈沖波形的采集，所述激光分束單元由兩個光纖分束器組成，第一個光纖分束器的分束比為99:1，從而將脈沖激光器發射的激光脈沖分為光強之比為99:1的兩束激光脈沖，其中能量較大的光束作為發射激光脈沖光束照向目標，發射激光脈沖的能量越大，測量距離越遠，相同距離下，經目標散射的激光回波信號信噪比越高，從而實現目標的遠距離和精確測量；其中能量較小的光束經過第二個光纖分束器再一次分束，第二個光纖分束器的分束比為90:10，其中能量較大的光束作為發射激光脈沖波形采集光束被激光探測單元接收，較高的激光能量保證了采集到的發射激光脈沖波形具有較高的信噪比，從而保證發射激光脈沖波形的精確存儲；其中能量較小的光束進入數據讀取參考位置產生單元，用于產生發射激光脈沖波形數據標記信號。
[0008]所述的數據采集單元可以實現發射激光脈沖波形的完整采集和存儲，同時實現接收激光脈沖的距離選通存儲。所述數據采集單元包括定時器和高速數據采集卡，高速數據采集卡借助于高速的數據采樣，完成模擬電脈沖信號到數字信號的轉換，并將采集到的信號存儲到自身板載存儲器中。定時器根據用戶的配置實現接收激光脈沖的距離選通存儲，從而減少接收激光脈沖的數據存儲量；當高速數據采集卡接收到來自數據讀取參考位置產生單元的發射激光脈沖波形數據標記信號，會在當前的采樣點處設置發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據采集卡采樣點數等于發射激光脈沖波形記錄長度減去發射激光脈沖向前記錄長度后，控制單元中的主控計算機根據發射激光脈沖波形數據讀取參考位置讀取高速數據采集卡中的發射激光脈沖波形數據，從而實現發射激光脈沖波形的完整存儲，當定時器接收到發射激光脈沖波形數據標記信號后開始計時，當定時器滿足設定的定時間隔時，輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，所述接收激光脈沖波形數據標記信號在高速數據采集卡的當前采樣點處設置接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據采集卡采樣點數滿足接收激光脈沖波形記錄長度后，控制單元中的主控計算機根據接收激光脈沖波形數據讀取參考位置讀取高速數據采集卡中采集到的接收激光脈沖波形數據，從而實現接收激光脈沖的距離選通存儲；
[0009]所述的激光探測單元可以實現發射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束進入同一光纖光路，借助于光纖合束器，利用探測光路、光電探測器和高速數據采集卡的分時復用，完成發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的單探測器探測，單數據采集通道采集，同時整個激光探測單元為全光纖光路，減少了系統調節的復雜性和接收激光脈沖信號的損失。所述激光探測單元由望遠鏡，激光光纖耦合器，光纖合束器，光電探測器和前置放大器組成，望遠鏡收集由目標散射的激光脈沖信號，激光光纖耦合器位于望遠鏡的焦點上，從而將望遠鏡收集的激光脈沖信號耦合進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器，由于發射激光脈沖波形采集光束早于接收激光脈沖光束到達光纖合束器，因此通過分時復用光纖合束器，光電探測器和高速數據采集卡，可以實現發射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束的單探測器探測、單數據采集通道的采集和存儲，光電探測器后的前置放大器主要用于光電探測器輸出電信號的放大，由于目標散射的激光回波信號極其微弱，導致光電探測器輸出的電壓信號小于數據采集單元中高速數據采集卡的最小參考電壓，只有對光電探測器輸出電壓進行放大，才有利于數據采集單元中數據采集卡的采集。
[0010]所述數據讀取參考位置產生單元包括光纖聚焦鏡，光電二級管和放大整形電路；光纖聚焦鏡接入激光分束單元中光纖分束器輸出的發射激光脈沖標記光束，將光纖輸出的發射激光脈沖標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射激光脈沖標記光束到光電二極管的光敏面上，從而增大探測效率，光電二極管將發射激光脈沖標記光脈沖信號轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經所述放大整形電路進行放大和整形，成為可以驅動數據采集單元中高速數據采集卡和定時器的發射激光脈沖波形數據標記信號，由于經激光分束單兀輸出的發射激光脈沖標記光束能量較小，因而造成由光電二極管輸出的電壓脈沖信號電平無法滿足數據采集單元中高速數據采集卡對電平的要求，因此需要對二極管輸出的電脈沖信號進行放大，同時由于數據采集單元中的高速數據采集卡和定時器為邊沿觸發，陡峭的上升沿可以提高觸發精度，因此需要對光電二極管輸出的電壓脈沖信號進行整形。
[0011 ] 所述激光發射單元為一光纖準直器，將由激光分束單元經光纖輸出的發射激光脈沖光束準直輸出。所述控制單元包括主控計算機和激光器控制模塊；主控計算機完成對數據采集單元中高速數據采集卡采集參數的配置和定時器定時頻率和定時間隔的配置，同時對激光器控制模塊輸出方波信號頻率，幅值和占空比的設置。
[0012]本發明的有益效果，全光纖光路全波形激光雷達系統可以同時采集和存儲單次測量中的發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系統調試和系統中各組件空間位置擺放的靈活性，有利于系統集成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是全光纖光路全波形激光雷達系統簡圖。
[0014]圖2是全光纖光路全波形激光雷達系統軟件界面圖。
[0015]圖3是全光纖光路全波形激光雷達系統完整示意圖。
[0016]圖4是發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形采集時序圖。
[0017]圖5是采集到的發射激光脈沖和接收激光脈沖波形圖
【具體實施方式】
[0018]系統工作之前借助于軟件單元對系統工作參數進行設置，軟件單元主要完成全光纖光路全波形激光雷達系統開始工作之前的參數配置，以及發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的實時顯示，軟件界面如圖2所示，
[0019]軟件單元基于Labview平臺開發，前面板界面由高速數據采集卡配置部分、定時器配置部分、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置、采集通道電壓設置、采集通道時間設置、采集通道輸入設置和采集卡觸發設置。文件設置中包括文件存儲路徑設置和已存儲文件個數的顯示。采集通道電壓設置包括采集通道參考電壓設置和采集通道偏置電壓的設置。采集通道參考電壓和偏置電壓的設置取決于接收信號幅值的大小和高速數據采集卡參考電壓的大小。采集通道時間設置包括采樣頻率的設置、發射激光脈沖波形記錄長度的設置、發射激光脈沖向前存儲長度的設置和接收激光脈沖波形記錄長度的設置。發射激光脈沖波形記錄長度的設置，取決于脈沖激光器發射的激光脈沖的寬度和所要記錄的發射激光脈沖波形長度。發射激光脈沖向前存儲長度是超前讀取數據點數，主要是為了消除發射激光脈沖波形采集光束和發射激光脈沖標記光束到達數據采集單元的時間差，保證發射激光脈沖波形的完整存儲。采集通道輸入設置包括采集通最大輸入頻率和輸入信號耦合方式的設置。采集卡觸發設置包括觸發源設置、觸發電平大小設置和觸發通道耦合方式設置。觸發源的選擇取決于外部觸發信號與高速數據采集卡的哪個輸入通道相連，觸發電平大小設置取決于來自數據讀取參考位置產生單元的發射激光脈沖波形數據標記信號的電平大小。激光器控制單元配置部分包括激光器控制信號的頻率、幅值和占空比設置。控制信號的頻率取決于測量所要求的激光脈沖發射頻率，控制信號的幅值取決于脈沖激光器所能響應的觸發信號幅值大小，控制信號的占空比設置與控制信號的頻率設置配合使用，主要取決于脈沖激光器所能響應的觸發信號占空比的大小。波形顯示窗口用于發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的實時顯示。設置完成后，點擊運行按鈕系統開始工作，高數數據采集卡開始實時采集并將采集到的數據存儲到板載存儲器中。
[0020]如圖2所示，帶箭頭的粗實線為光束在空間傳輸，帶箭頭的細實線為光束在光纖中傳輸，帶箭頭的點劃線為電信號在導線中傳輸。脈沖激光器I為系統的測量提供激光脈沖。脈沖激光器I的波長選擇取決于測量環境中傳輸介質的傳輸窗口和被測目標的散射特性，例如在城市測繪中，激光傳輸介質為大氣，被測目標為高樓、草地和路面，激光器I的波長可以選擇為1064nm ;再比如在海洋測量中，激光的傳輸介質為水，此時激光器I波長可以選擇為532nm。脈沖激光器具有重復頻率高和峰值功率大的特性，從而可以滿足快速和遠距離測量的要求，因此激光器類型選擇為脈沖激光器。脈沖激光器I發射的激光脈沖寬度一般選擇5-lOns。過窄的激光脈沖一方面導致激光脈沖的峰值功率過高可能造成目標的損傷；另一方面導致激光器造價增大和激光探測器帶寬要求增大，從而增加系統的成本。在相同頻率、相同測量距離下，過寬的激光脈沖會增大激光器的功率需求，從而增大功耗。脈沖激光器I為頻率可調激光器，可以靈活的根據測量任務的需要調節激光器的發射頻率。
[0021]脈沖激光器I接收來自控制單元中的激光器控制模塊2發出的激光器控制信號，發射出一定頻率和脈寬的激光脈沖，所述激光脈沖經光纖接頭3耦合進光纖，經光纖傳輸到激光分束單元，經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的光強之比為99:1 ;光束I作為發射激光脈沖光束經激光發射單元中的光纖準直器出射照向目標，激光脈沖發射光束占很大比例主要因為發射光束的能量越大，測量距離越遠，相同距離下由光電探測器探測到的激光回波信號信噪比越高，從而實現目標的遠距離和精確測量。激光發射單元中的光纖準直器主要是為了減小由光纖出射的激光光束的發散角，從而減小激光脈沖傳輸過程中激光光斑的增大率，從而有利于遠距離測量。
[0022]圖2中光束2再經光纖分束器2分成光束3和光束4，光束3與光束4的光強之比為90:10，光束3作為發射激光脈沖波形采集光束，光束4作為發射激光脈沖標記光束；其中光束3占很大比例主要是因為光束3作為發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射激光脈沖波形具有較高的信噪比，從而保證發射激光脈沖波形的精確存儲。光束3經光纖傳輸到激光探測單元中的光纖合束器4，再經過光纖入射到光電探測器11轉換為電信號，所述電信號經前置放大器12放大后被數據采集單元中的高速數據采集卡采集，作為發射激光脈沖波形存儲，從而實現了發射激光脈沖波形的全波形存儲。
[0023]光束4經光纖傳輸到光纖聚焦鏡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將光信號轉換為電信號，電信號經放大整形電路7轉換為可以驅動數據采集單元中的定時器8和高速數據采集卡9的發射激光脈沖波形數據標記信號，高速數據采集卡9工作在實時采集模式，并將采集到的數據存儲在板載存儲器中，當高速數據采集卡9接收到發射激光脈沖波形數據標記信號時會在當前的采樣點處設置發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，高速數據采集卡9繼續采集一定長度的數據(數據長度等于發射激光脈沖波形記錄長度減去發射激光脈沖向前存儲長度)后，控制單元中的主控計算機10根據發射激光脈沖波形數據讀取參考位置和設定好的發射激光脈沖波形記錄長度以及發射激光脈沖向前存儲長度，讀取高速數據采集卡9中采集到的發射激光脈沖波形數據。當定時器8接收到來自數據讀取參考位置產生單元中的發射激光脈沖波形數據標記信號，定時器8開始計時，當定時器8滿足設定的計時間隔時，輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，從而在高速數據采集卡當前采樣點處設定接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，高速數據采集卡9繼續采集一定長度的數據(數據長度等于設定好的接收激光脈沖波形記錄長度)后，控制單元中的主控計算機10以接收激光脈沖波形數據讀取參考位置為基準向后讀取接收激光脈沖波形數據。定時器8與高速數據采集卡9同時開始工作保證了發射激光脈沖波形數據與接收激光脈沖波形數據具有相同的時間標，定時器8與數據采集卡9的配合工作實現了接收激光脈沖波形數據的距離選通存儲，從而減少了接收激光脈沖波形數據的存儲量。
[0024]如圖2所示，經目標散射的激光回波光束被激光探測單元中望遠鏡13收集作為接收激光脈沖光束，激光光纖耦合器14位于望遠鏡13的焦點位置，從而將望遠鏡13收集的激光回波信號耦合進光纖，并經光纖傳輸到光纖合束器4，光纖合束器4再將激光回波信號傳輸到光電探測器11，從而將激光脈沖信號轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經前置放大器12的放大被數據采集單元中的高速數據采集卡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射激光脈沖波形采集光束到達光纖合束器的時間差，借助于分時復用的原理，將發射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束通過同一光纖光路傳輸到同一探測器，從而利用單探測器和單數據采集通道，完成發射激光脈沖和接收激光脈沖的探測，采集和存儲。前置放大器12的作用主要是放大光電探測器輸出的電脈沖信號，由于接收激光脈沖光束功率很小，因此光電探測器的輸出電壓小于高速數據采集卡最小的參考電壓，只有對光電探測器輸出電壓脈沖進行放大，才能被高速數據采集卡采集。
[0025]數據采集和存儲時序如圖4所示，系統開始工作后高速數據采集卡工作在實時采集模式，并將采集到的數據存儲在板載存儲器中。控制單元中的激光器控制模塊發出激光器控制信號觸發脈沖激光器發射激光脈沖。所述激光脈沖經激光分束單元分束，其中發射激光脈沖波形采集光束經激光探測單元轉換為電信號傳輸到數據采集單元，同時發射激光脈沖標記光束經數據讀取參考位置產生單元產生發射激光脈沖波形數據標記信號，所述發射激光脈沖波形數據標記信號在高速數據采集卡當前采樣點處設置發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據數據采集卡以發射激光脈沖波形數據讀取參考位置為基準，繼續采集到的采樣點數滿足設定好的發射激光脈沖波形記錄長度和發射激光脈沖向前存儲長度后，控制單元中的主控計算機以發射激光脈沖波形數據讀取參考位置為基準，讀取高速數據采集卡中采集到的發射激光脈沖波形數據，向前讀取一定點數的數據是為了消除發射激光脈沖波形采集信號與發射激光脈沖波形數據標記信號之間的時間差，從而保證發射激光脈沖波形數據的完整存儲，當定時器接到發射激光脈沖波形數據標記信號后開始計時，當定時器的定時長度滿足設定的定時間隔后，定時器輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，所述接收激光脈沖波形數據標記信號會在高速數據采集卡的當前采樣點數設置接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據采集卡以接收激光脈沖波形數據讀取參考位置為基準，繼續采集到的采樣點數滿足接收激光脈沖波形記錄長度后，控制單元中的主控計算機以接收激光脈沖波形數據讀取參考位置為基準讀取高速數據采集卡中采集到的接收激光脈沖波形數據，從而完成接收激光脈沖波形的存儲。
[0026]圖5所示為發射激光脈沖波形和接收接收激光脈沖波形圖，如圖5所示發射激光脈沖波形的記錄長度是40ns，距離選通長度為8.55m (57ns)，接收回波波形的記錄長度為70ns,發射激光脈沖波形的向前記錄長度為13ns，從而保證了發射激光脈沖波形的完整存儲。由于控制單元中的主控計算機只根據發射波形和接收回波數據讀取參考位置讀取設定好的發射激光脈沖波形記錄長和接收激光脈沖波形記錄長度，因此定時器距離選通的一段時間內沒有數據。
[0027]以上所述，僅為本發明具體實施方法的基本方案，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的人員在本發明公開的技術范圍內，可想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。所有落入權利要求的等同的含義和范圍內的變化都將包括在權利要求的范圍之內。
【權利要求】
1.本發明公開了一種全光纖光路全波形激光雷達系統，其特征在于，所述激光雷達系統中激光光束的傳輸、分束、出射、接收、合束和探測均采用光纖光路，所述激光雷達系統包括控制單元、激光光源、激光分束單元、激光發射單元、數據讀取參考位置產生單元、激光探測單元、數據采集單元和軟件單元，所述控制單元由主控計算機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光纖分束器組成，分束比分別為99:1和90:10，所述激光發射單元由光纖準直器組成，所述數據讀取參考位置產生單元由光纖聚焦鏡、光電二極管和放大整形電路組成，所述激光探測單元由望遠鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測器和前置放大器組成，所述數據采集單元由高速數據采集卡和定時器組成，所述脈沖激光器接收來自控制單元中激光器控制模塊輸出的激光器控制信號，發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光纖，經光纖傳輸到激光分束單元，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束稱為發射激光脈沖光束，所述發射激光脈沖光束經激光發射單元中的光纖準直器準直輸出照向目標，發射激光脈沖經目標散射后成為接收激光脈沖，被激光探測單元中的望遠鏡收集，并由激光光纖耦合器耦合進光纖，再經光纖合束器進入光電探測器，所述光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號，從而被數據采集單元中的高速數據采集卡采集，借助于高速的數據采樣，接收激光脈沖波形可以被完整采集，從而實現接收激光脈沖的全波形存儲;第2束稱為發射激光脈沖波形采集光束，所述發射激光脈沖波形采集光束經光纖傳輸到激光探測單元中的光纖合束器，經光纖合束器進入到光電探測器，光電探測器將激光脈沖轉換為電脈沖信號，從而被數據采集單元中的高速數據采集卡采集，借助于高速的數據采樣，發射激光脈沖的波形可以被完整采集，從而實現發射激光脈沖的全波形存儲，第3束稱為發射激光脈沖標記光束,所述發射激光脈沖標記光束經光纖光路進入到數據讀取參考位置產生單元，首先經光纖聚焦鏡聚焦輸出到光電二級管的光敏面，從而將激光脈沖信號轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經放大整形電路的放大和整形，轉換為可以觸發數據采集單元中定時器和高速數據采集卡的發射激光脈沖波形數據標記信號，一方面所述發射激光脈沖波形數據標記信號用于設定發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，用于控制單元中的主控計算機讀取高速數據采集卡中發射激光脈沖波形數據時的參考位置，借助發射激光脈沖波形數據讀取參考位置可以實現發射激光脈沖的全波形存儲，另一方面所述發射激光脈沖波形數據標記信號觸發定時器開始計時，當定時器滿足設定的定時長度時，定時器輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，所述接收激光脈沖波形數據標記信號用于設定接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，用于主控計算機讀取高速數據采集卡中接收激光脈沖波形數據時的參考位置，借助定時器的定時操作可以實現接收激光脈沖波形數據的距離選通存儲，同時根據高速數據采集卡中接收激光脈沖波形數據讀取參考位置可以實現接收激光脈沖的全波形存儲，控制單元完成對激光光源中脈沖激光器和數據采集單元中高速數據采集卡的配置，以及對高速數據采集卡中采集到的數據進行讀取、顯示、存儲和計算；所述軟件單元提供人機交互接口，完成數據采集單元中高速數據采集卡采集參數和定時器定時長度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號頻率和占空比的配置，采集到的數據和數據處理結果的顯示；本發明專利可以實現全波形激光雷達光路的全光纖化，同時采用單探測器和單采集通道實現發射激光脈沖和接收激光脈沖的分時探測、分時采集和分時存儲，從而得到單次測量中發射激光脈沖和接收激光脈沖的全波形數據。
2.根據權利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達系統，其特征在于，所述的數據采集單元可以實現發射激光脈沖波形的采集和存儲，同時實現接收激光脈沖的距離選通存儲，所述數據采集單元包括定時器和高速數據采集卡，高速數據采集卡借助于高速的數據采樣，完成電脈沖模擬信號到數字信號的轉換，并將采集到的信號存儲到自身板載存儲器中，定時器根據用戶的配置實現接收激光脈沖信號的距離選通存儲，從而減少接收激光脈沖信號的數據存儲量，當高速數據采集卡接收到來自數據讀取參考位置產生單元的發射激光脈沖波形數據標記信號，會在當前的采樣點處設置發射激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據采集卡以發射激光脈沖波形數據讀取參考位置為起始點，采集到的采樣點數等于發射激光脈沖波形記錄長度減去發射激光脈沖向前記錄長度后，控制單元中的主控計算機根據發射激光脈沖波形數據讀取參考位置讀取高速數據采集卡中的發射激光脈沖波形數據，從而實現發射激光脈沖波形的存儲，當定時器接收到發射激光脈沖波形數據標記信號后開始計時，定時器滿足設定的定時間隔時，輸出接收激光脈沖波形數據標記信號，所述接收激光脈沖波形數據標記信號在高速數據采集卡的當前采樣點處設置接收激光脈沖波形數據讀取參考位置，當高速數據采集卡以接收激光脈沖數據參考位置為起始點，采集到的采樣點數滿足接收激光脈沖波形數據記錄長度后，控制單元中的主控計算機根據接收激光脈沖波形數據讀取參考位置讀取高速數據采集卡中的接收激光脈沖波形數據，從而實現接收激光脈沖的距離選通存儲。
3.根據權利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達系統，其特征在于，所述激光探測單元由望遠鏡、激光光纖耦合器、光纖合束器、光電探測器和前置放大器組成，望遠鏡收集由目標散射的激光脈沖信號，激光光纖耦合器位于望遠鏡的焦點上，從而將望遠鏡收集的激光脈沖信號耦合進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器，由于發射激光脈沖波 形采集光束早于接收激光脈沖光束到達光纖合束器，因此通過分時復用光纖合束器，光電探測器和高速數據采集卡，采用單探測器和單數據采集通道實現發射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束的分時探測、分時采集和分時存儲，光電探測器后的前置放大器主要用于光電探測器輸出電信號的放大，所述的激光探測單元可以實現發射激光脈沖波形采集光束和接收激光脈沖光束進入同一光纖探測光路，借助于光纖合束器，利用光纖探測光路、光電探測器和高速數據采集卡的分時復用，完成發射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形的單探測器探測、單數據采集通道采集，同時整個激光探測單元為全光纖光路，減少了系統調節的復雜性和接收激光脈沖信號的損失。
4.根據權利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達系統，其特征在于，所述數據讀取參考位置產生單元包括光纖聚焦鏡，光電二級管和放大整形電路，所述光纖聚焦鏡接入由光纖輸出的來自激光分束單元的發射激光脈沖標記光束，所述發射激光脈沖標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射激光脈沖標記光束轉換為電脈沖信號，電脈沖信號經所述放大整形電路進行放大和整形，成為可以驅動數據采集單元中高速數據采集卡和定時器的發射激光脈沖波形數據標記信號。
5.根據權利要求1所述的一種全光纖光路全波形激光雷達系統，其特征在于，所述的軟件單元包括高速數據采集卡配置部分、激光器控制模塊配置部分、定時器配置部分和波形顯示部分，高速數據采集卡配置部分包括文件設置、采集通道電壓設置、采集通道時間設置、采集通道輸入設置和采集卡觸發設置，文件設置中包括文件存儲路徑的設置和已存儲文件個數的顯示，采集通道電壓設置包括采集通道參考電壓設置和采集通道偏置電壓設置，采樣通道時間設置包括采樣頻率的設置、發射激光脈沖波形記錄長度的設置、發射激光脈沖向前存儲長度的設置和接收激光脈沖波形記錄長度的設置，采集通道輸入設置包括采集通道最大輸入頻率和輸入信號耦合方式的設置，采集卡觸發設置包括觸發源設置、觸發電平大小設置和觸發通道耦合方式設置，定時器配置部分包括定時器計時頻率的設置和定時長度的設置，激光器控制單元配置部分包括激光器控制信號頻率、幅值和占空比設置，波形顯示窗口用于發射激光脈沖波形和接收激光回波波形的實時顯示，所述軟件單元提供人機交互接口，可以完成數據采集單元中高速數據采集卡采集參數和定時器定時長度的配置，以及激光器控制模塊輸出激光器控制信號頻率和占空比的配置，采集到的數據和數據處理結果的 顯示。
【文檔編號】G01S17/02GK103901435SQ201410086819
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月11日 優先權日:2014年3月11日
【發明者】徐立軍, 李端, 李小路, 孔德明, 馬蓮 申請人:北京航空航天大學
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