一种全光纤光路全波形激光雷达系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种全光纤光路全波形激光雷达系统，所述激光雷达系统包括控制单元、激光光源、激光分束单元、激光发射单元、数据读取参考位置产生单元、激光探测单元、数据采集单元和软件单元。控制单元控制脉冲激光器发射激光脉冲，激光脉冲经激光分束单元分为发射激光脉冲光束、发射激光脉冲波形采集光束和发射激光脉冲标记光束，发射激光脉冲光束被目标散射后经激光探测单元进入数据采集单元作为接收激光脉冲波形被采集，软件单元提供人机交互接口。本发明所述激光雷达系统突破了常规激光雷达只能测量有限个距离和强度数据的限制，用光纤元件实现了全波形激光雷达光路的完全光纤化，有效增强了全波形激光雷达调试的灵活性和系统集成的简易性。
【专利说明】一种全光纤光路全波形激光雷达系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种全光纤光路全波形激光雷达系统。【背景技术】
[0002]激光雷达是一种借助于激光的主动遥感技术，主要通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，根据距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的动作，激光雷达可以完成对目标表面的扫描，同时结合激光雷达平台的位置和姿态数据，从而得到目标的数字表面模型和数字高程模型。由于在实际中所使用的脉冲激光器存在一定的发散角，导致所发射的激光脉冲光束以近似圆锥的形式向前传播，当激光脉冲光束与目标相互作用时已不再是一个点，而是一个圆斑，此圆斑被称为激光光斑，又由于测量环境中目标的复杂性和多样性，因而在一个激光光斑中有可能包含多个散射目标或一个目标具有多个散射表面，从而导致激光回波信号波形的复杂性，例如一个回波中包含多个脉冲或者脉冲被展宽。但是常规激光雷达只是借助于一定的判别方法(上升沿、峰值或者重心等)检测激光回波中一个或有限个时间点，从而得到激光光斑中一个或多个目标的距离值(现阶段最多为6个)，又由于不同目标具有不同的回波波形，因此仅采用固定的判别检测方法，会导致不同的目标具有不同的测距精度。全波形激光雷达是借助于高速数据采集装置将激光回波信号在一定的时间区间内完整采集和存储，从而得到激光回波信号的完整波形，所采集到的波形信号被称为全波形信号，根据激光脉冲与目标相互作用的机理可知全波形信号中包含目标丰富的物理和几何特性信息。
[0003]在李小路申请的发明专利(申请号:201310093384.1)中，所述全波形激光雷达系统中，激光光束采用空间传输的方式，系统测量之前需要对发射激光脉冲的波形进行标定，针对单次测量，只能得到激光脉冲回波波形，无法得到发射激光脉冲波形；在李端申请的发明专利(申请号:201310610608.1)中，所述全波形激光雷达系统中，激光光束同样采用空间传输的方式，同时采用双探测器，双通道分别对发射和接收激光脉冲波形进行探测和采集。
[0004]本文所述全波形激光雷达系统将光纤技术与全波形激光雷达系统相结合，实现了全波形激光雷达系统光路的完全光纤化，因此减小了全波形激光雷达系统调试和集成的复杂性，同时采用光纤光路可以灵活实现单探测器，单通道对单次测量中发射和接收激光脉冲波形的同时采集，从而能够同时提供每次测量中的发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，而且单探测器探测，单通道采集消除了不同探测器，不同采集通道响应特性的不一致，提闻了系统的测量精度。

【发明内容】

[0005]本发明公开了一种全光纤光路全波形激光雷达系统，目的在于提高全波形激光雷达系统设计的灵活性，减小全波形激光雷达系统调节的复杂性，同时增加全波形激光雷达系统的可集成性。
[0006]所述激光雷达系统中激光光束的传输、分束、合束、出射、接收和探测均采用光纤光路，所述激光雷达系统包括控制单元、激光光源、激光分束单元、激光发射单元、数据读取参考位置产生单元、激光探测单元、数据采集单元和软件单元。所述控制单元由主控计算机和激光器控制模块组成，所述激光光源由脉冲激光器和光纤接头组成，所述激光分束单元由两个分束比分别为99:1和90:10的光纤分束器组成，所述激光发射单元由光纤准直器组成，所述数据读取参考位置产生单元由光纤聚焦镜、光电二极管和放大整形电路组成，所述激光探测单元由望远镜、激光光纤耦合器、光纤合束器、光电探测器和前置放大器组成，所述数据采集单元由高速数据采集卡和定时器组成，所述控制单元完成对激光光源中脉冲激光器和数据采集单元中高速数据采集卡的控制，以及对数据采集单元中高速数据采集卡采集到的数据进行读取、显示、存储和计算。所述脉冲激光器接收来自激光器控制模块的激光器控制信号，发射一定频率和脉冲宽度的激光脉冲，并通过激光光源中的光纤接头耦合进光纤，经光纤传输到激光分束单元，为了实现发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的完整存储，并消除脉冲激光器的发射延时，所述激光脉冲经激光分束单元中的光纤分束器分成3束,第I束称为发射激光脉冲光束,所述发射激光脉冲光束经激光发射单兀中的光纤准直器准直输出照向目标，光纤准直器主要是为了减小由激光分束单元中光纤分束器输出的激光束的发散角，增大激光光束准直传输距离，增大激光光束光腰的大小。激光脉冲经目标散射后，被激光探测单元中的望远镜收集，并由激光光纤耦合器耦合进光纤，再经光纤合束器进入光电探测器，光电探测器将接收到的激光脉冲信号转换为电脉冲信号，从而被数据采集单元中的高速数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，接收激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现接收激光脉冲的全波形存储；第2束称为发射激光脉冲波形采集光束，所述发射激光脉冲波形采集光束经光纤传输到激光探测单元中的光纤合束器，经光纤合束器进入到光电探测器，光电探测器将激光脉冲转换为电脉冲，从而被数据采集单元中的高速数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，发射激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现发射激光脉冲的全波形存储，光纤合束器的分时复用，实现了发射激光脉冲光束和接收激光脉冲光束经同一光纤光路，被同一光电探测器探测，同一数据采集通道采集，从而减少了系统的复杂性，而且消除了不同探测器、不同数据采集通道之间响应特性的不一致。由于脉冲激光器工作的不稳定性，导致所发射的激光脉冲具有不同的波形，同时存储发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，使得在后期的信号处理中，考虑到发射激光脉冲波形宽度和幅值的差异性，得到更精确的测量结果，并可以根据发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形之间的差异，反演出目标的物理和几何特性;第3束称为发射激光脉冲标记光束，所述发射激光脉冲标记光束经光纤光路进入到数据读取参考位置产生单元，首先经光纤聚焦镜聚焦输出到光电二级管的光敏面，从而将激光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号经放大整形电路的放大和整形，转换为可以触发数据采集单元中定时器和高速数据采集卡的发射激光脉冲波形数据标记信号，一方面所述发射激光脉冲波形数据标记信号用于设定发射激光脉冲波形数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速数据采集卡中发射激光脉冲波形数据时的参考位置，借助于发射激光脉冲波形数据读取参考位置可以实现发射激光脉冲波形的完整读取；另一方面所述发射激光脉冲波形数据标记信号触发定时器开始计时，当定时器满足设定的定时长度时，定时器输出接收激光脉冲波形数据标记信号，所述接收激光脉冲波形数据标记信号用于设定接收激光脉冲波形数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速数据采集卡中接收激光脉冲波形数据时的参考位置，借助于定时器的定时操作可以实现接收激光脉冲波形的距离选通存储，同时根据高速数据采集卡中接收激光脉冲波形数据读取参考位置可以实现接收激光脉冲的全波形存储。所述软件单元提供人机交互接口，完成数据采集单元中高速数据采集卡采集参数和定时器定时长度的配置，以及激光器控制模块输出激光器控制信号频率和占空比的配置，采集到的数据和数据处理结果的显
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[0007]所述激光分束单元可以实现激光脉冲的完全光纤分束，从而将不同分量的激光脉冲光束分别作为发射激光脉冲出射照向目标，用于产生发射激光脉冲波形数据标记信号和发射激光脉冲波形的采集，所述激光分束单元由两个光纤分束器组成，第一个光纤分束器的分束比为99:1，从而将脉冲激光器发射的激光脉冲分为光强之比为99:1的两束激光脉冲，其中能量较大的光束作为发射激光脉冲光束照向目标，发射激光脉冲的能量越大，测量距离越远，相同距离下，经目标散射的激光回波信号信噪比越高，从而实现目标的远距离和精确测量；其中能量较小的光束经过第二个光纤分束器再一次分束，第二个光纤分束器的分束比为90:10，其中能量较大的光束作为发射激光脉冲波形采集光束被激光探测单元接收，较高的激光能量保证了采集到的发射激光脉冲波形具有较高的信噪比，从而保证发射激光脉冲波形的精确存储；其中能量较小的光束进入数据读取参考位置产生单元，用于产生发射激光脉冲波形数据标记信号。
[0008]所述的数据采集单元可以实现发射激光脉冲波形的完整采集和存储，同时实现接收激光脉冲的距离选通存储。所述数据采集单元包括定时器和高速数据采集卡，高速数据采集卡借助于高速的数据采样，完成模拟电脉冲信号到数字信号的转换，并将采集到的信号存储到自身板载存储器中。定时器根据用户的配置实现接收激光脉冲的距离选通存储，从而减少接收激光脉冲的数据存储量；当高速数据采集卡接收到来自数据读取参考位置产生单元的发射激光脉冲波形数据标记信号，会在当前的采样点处设置发射激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据采集卡采样点数等于发射激光脉冲波形记录长度减去发射激光脉冲向前记录长度后，控制单元中的主控计算机根据发射激光脉冲波形数据读取参考位置读取高速数据采集卡中的发射激光脉冲波形数据，从而实现发射激光脉冲波形的完整存储，当定时器接收到发射激光脉冲波形数据标记信号后开始计时，当定时器满足设定的定时间隔时，输出接收激光脉冲波形数据标记信号，所述接收激光脉冲波形数据标记信号在高速数据采集卡的当前采样点处设置接收激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据采集卡采样点数满足接收激光脉冲波形记录长度后，控制单元中的主控计算机根据接收激光脉冲波形数据读取参考位置读取高速数据采集卡中采集到的接收激光脉冲波形数据，从而实现接收激光脉冲的距离选通存储；
[0009]所述的激光探测单元可以实现发射激光脉冲波形采集光束和接收激光脉冲光束进入同一光纤光路，借助于光纤合束器，利用探测光路、光电探测器和高速数据采集卡的分时复用，完成发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的单探测器探测，单数据采集通道采集，同时整个激光探测单元为全光纤光路，减少了系统调节的复杂性和接收激光脉冲信号的损失。所述激光探测单元由望远镜，激光光纤耦合器，光纤合束器，光电探测器和前置放大器组成，望远镜收集由目标散射的激光脉冲信号，激光光纤耦合器位于望远镜的焦点上，从而将望远镜收集的激光脉冲信号耦合进光纤合束器的一条光纤中，光纤合束器的另一条光纤接入激光分束单元中的发射激光脉冲波形采集光路，光纤合束器的输出光纤接光电探测器，由于发射激光脉冲波形采集光束早于接收激光脉冲光束到达光纤合束器，因此通过分时复用光纤合束器，光电探测器和高速数据采集卡，可以实现发射激光脉冲波形采集光束和接收激光脉冲光束的单探测器探测、单数据采集通道的采集和存储，光电探测器后的前置放大器主要用于光电探测器输出电信号的放大，由于目标散射的激光回波信号极其微弱，导致光电探测器输出的电压信号小于数据采集单元中高速数据采集卡的最小参考电压，只有对光电探测器输出电压进行放大，才有利于数据采集单元中数据采集卡的采集。
[0010]所述数据读取参考位置产生单元包括光纤聚焦镜，光电二级管和放大整形电路；光纤聚焦镜接入激光分束单元中光纤分束器输出的发射激光脉冲标记光束，将光纤输出的发射激光脉冲标记光束聚焦到光电二极管的光敏面上，光纤聚焦镜的作用是汇聚光纤输出的发射激光脉冲标记光束到光电二极管的光敏面上，从而增大探测效率，光电二极管将发射激光脉冲标记光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号经所述放大整形电路进行放大和整形，成为可以驱动数据采集单元中高速数据采集卡和定时器的发射激光脉冲波形数据标记信号，由于经激光分束单兀输出的发射激光脉冲标记光束能量较小，因而造成由光电二极管输出的电压脉冲信号电平无法满足数据采集单元中高速数据采集卡对电平的要求，因此需要对二极管输出的电脉冲信号进行放大，同时由于数据采集单元中的高速数据采集卡和定时器为边沿触发，陡峭的上升沿可以提高触发精度，因此需要对光电二极管输出的电压脉冲信号进行整形。
[0011 ] 所述激光发射单元为一光纤准直器，将由激光分束单元经光纤输出的发射激光脉冲光束准直输出。所述控制单元包括主控计算机和激光器控制模块；主控计算机完成对数据采集单元中高速数据采集卡采集参数的配置和定时器定时频率和定时间隔的配置，同时对激光器控制模块输出方波信号频率，幅值和占空比的设置。
[0012]本发明的有益效果，全光纤光路全波形激光雷达系统可以同时采集和存储单次测量中的发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，用光纤传输代替空间光传输，增加了全波形激光雷达系统调试和系统中各组件空间位置摆放的灵活性，有利于系统集成。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1是全光纤光路全波形激光雷达系统简图。
[0014]图2是全光纤光路全波形激光雷达系统软件界面图。
[0015]图3是全光纤光路全波形激光雷达系统完整示意图。
[0016]图4是发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形采集时序图。
[0017]图5是采集到的发射激光脉冲和接收激光脉冲波形图
【具体实施方式】
[0018]系统工作之前借助于软件单元对系统工作参数进行设置，软件单元主要完成全光纤光路全波形激光雷达系统开始工作之前的参数配置，以及发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的实时显示，软件界面如图2所示，
[0019]软件单元基于Labview平台开发，前面板界面由高速数据采集卡配置部分、定时器配置部分、激光器控制模块配置部分和波形显示部分组成。高速采集卡配置部分又包括文件设置、采集通道电压设置、采集通道时间设置、采集通道输入设置和采集卡触发设置。文件设置中包括文件存储路径设置和已存储文件个数的显示。采集通道电压设置包括采集通道参考电压设置和采集通道偏置电压的设置。采集通道参考电压和偏置电压的设置取决于接收信号幅值的大小和高速数据采集卡参考电压的大小。采集通道时间设置包括采样频率的设置、发射激光脉冲波形记录长度的设置、发射激光脉冲向前存储长度的设置和接收激光脉冲波形记录长度的设置。发射激光脉冲波形记录长度的设置，取决于脉冲激光器发射的激光脉冲的宽度和所要记录的发射激光脉冲波形长度。发射激光脉冲向前存储长度是超前读取数据点数，主要是为了消除发射激光脉冲波形采集光束和发射激光脉冲标记光束到达数据采集单元的时间差，保证发射激光脉冲波形的完整存储。采集通道输入设置包括采集通最大输入频率和输入信号耦合方式的设置。采集卡触发设置包括触发源设置、触发电平大小设置和触发通道耦合方式设置。触发源的选择取决于外部触发信号与高速数据采集卡的哪个输入通道相连，触发电平大小设置取决于来自数据读取参考位置产生单元的发射激光脉冲波形数据标记信号的电平大小。激光器控制单元配置部分包括激光器控制信号的频率、幅值和占空比设置。控制信号的频率取决于测量所要求的激光脉冲发射频率，控制信号的幅值取决于脉冲激光器所能响应的触发信号幅值大小，控制信号的占空比设置与控制信号的频率设置配合使用，主要取决于脉冲激光器所能响应的触发信号占空比的大小。波形显示窗口用于发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的实时显示。设置完成后，点击运行按钮系统开始工作，高数数据采集卡开始实时采集并将采集到的数据存储到板载存储器中。
[0020]如图2所示，带箭头的粗实线为光束在空间传输，带箭头的细实线为光束在光纤中传输，带箭头的点划线为电信号在导线中传输。脉冲激光器I为系统的测量提供激光脉冲。脉冲激光器I的波长选择取决于测量环境中传输介质的传输窗口和被测目标的散射特性，例如在城市测绘中，激光传输介质为大气，被测目标为高楼、草地和路面，激光器I的波长可以选择为1064nm ;再比如在海洋测量中，激光的传输介质为水，此时激光器I波长可以选择为532nm。脉冲激光器具有重复频率高和峰值功率大的特性，从而可以满足快速和远距离测量的要求，因此激光器类型选择为脉冲激光器。脉冲激光器I发射的激光脉冲宽度一般选择5-lOns。过窄的激光脉冲一方面导致激光脉冲的峰值功率过高可能造成目标的损伤；另一方面导致激光器造价增大和激光探测器带宽要求增大，从而增加系统的成本。在相同频率、相同测量距离下，过宽的激光脉冲会增大激光器的功率需求，从而增大功耗。脉冲激光器I为频率可调激光器，可以灵活的根据测量任务的需要调节激光器的发射频率。
[0021]脉冲激光器I接收来自控制单元中的激光器控制模块2发出的激光器控制信号，发射出一定频率和脉宽的激光脉冲，所述激光脉冲经光纤接头3耦合进光纤，经光纤传输到激光分束单元，经激光分束单元中的光纤分束器I分成光束I和光束2，光束I与光束2的光强之比为99:1 ;光束I作为发射激光脉冲光束经激光发射单元中的光纤准直器出射照向目标，激光脉冲发射光束占很大比例主要因为发射光束的能量越大，测量距离越远，相同距离下由光电探测器探测到的激光回波信号信噪比越高，从而实现目标的远距离和精确测量。激光发射单元中的光纤准直器主要是为了减小由光纤出射的激光光束的发散角，从而减小激光脉冲传输过程中激光光斑的增大率，从而有利于远距离测量。
[0022]图2中光束2再经光纤分束器2分成光束3和光束4，光束3与光束4的光强之比为90:10，光束3作为发射激光脉冲波形采集光束，光束4作为发射激光脉冲标记光束；其中光束3占很大比例主要是因为光束3作为发射激光脉冲波形采集光束，较高的激光脉冲能量保证了采集到的发射激光脉冲波形具有较高的信噪比，从而保证发射激光脉冲波形的精确存储。光束3经光纤传输到激光探测单元中的光纤合束器4，再经过光纤入射到光电探测器11转换为电信号，所述电信号经前置放大器12放大后被数据采集单元中的高速数据采集卡采集，作为发射激光脉冲波形存储，从而实现了发射激光脉冲波形的全波形存储。
[0023]光束4经光纤传输到光纤聚焦镜5，光纤聚焦镜5将光纤输出的光束聚焦输出到光电二极管6的光敏面上，光电二极管6将光信号转换为电信号，电信号经放大整形电路7转换为可以驱动数据采集单元中的定时器8和高速数据采集卡9的发射激光脉冲波形数据标记信号，高速数据采集卡9工作在实时采集模式，并将采集到的数据存储在板载存储器中，当高速数据采集卡9接收到发射激光脉冲波形数据标记信号时会在当前的采样点处设置发射激光脉冲波形数据读取参考位置，高速数据采集卡9继续采集一定长度的数据(数据长度等于发射激光脉冲波形记录长度减去发射激光脉冲向前存储长度)后，控制单元中的主控计算机10根据发射激光脉冲波形数据读取参考位置和设定好的发射激光脉冲波形记录长度以及发射激光脉冲向前存储长度，读取高速数据采集卡9中采集到的发射激光脉冲波形数据。当定时器8接收到来自数据读取参考位置产生单元中的发射激光脉冲波形数据标记信号，定时器8开始计时，当定时器8满足设定的计时间隔时，输出接收激光脉冲波形数据标记信号，从而在高速数据采集卡当前采样点处设定接收激光脉冲波形数据读取参考位置，高速数据采集卡9继续采集一定长度的数据(数据长度等于设定好的接收激光脉冲波形记录长度)后，控制单元中的主控计算机10以接收激光脉冲波形数据读取参考位置为基准向后读取接收激光脉冲波形数据。定时器8与高速数据采集卡9同时开始工作保证了发射激光脉冲波形数据与接收激光脉冲波形数据具有相同的时间标，定时器8与数据采集卡9的配合工作实现了接收激光脉冲波形数据的距离选通存储，从而减少了接收激光脉冲波形数据的存储量。
[0024]如图2所示，经目标散射的激光回波光束被激光探测单元中望远镜13收集作为接收激光脉冲光束，激光光纤耦合器14位于望远镜13的焦点位置，从而将望远镜13收集的激光回波信号耦合进光纤，并经光纤传输到光纤合束器4，光纤合束器4再将激光回波信号传输到光电探测器11，从而将激光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号经前置放大器12的放大被数据采集单元中的高速数据采集卡9采集。光纤合束器4的主要作用是利用接收激光脉冲光束与发射激光脉冲波形采集光束到达光纤合束器的时间差，借助于分时复用的原理，将发射激光脉冲波形采集光束和接收激光脉冲光束通过同一光纤光路传输到同一探测器，从而利用单探测器和单数据采集通道，完成发射激光脉冲和接收激光脉冲的探测，采集和存储。前置放大器12的作用主要是放大光电探测器输出的电脉冲信号，由于接收激光脉冲光束功率很小，因此光电探测器的输出电压小于高速数据采集卡最小的参考电压，只有对光电探测器输出电压脉冲进行放大，才能被高速数据采集卡采集。
[0025]数据采集和存储时序如图4所示，系统开始工作后高速数据采集卡工作在实时采集模式，并将采集到的数据存储在板载存储器中。控制单元中的激光器控制模块发出激光器控制信号触发脉冲激光器发射激光脉冲。所述激光脉冲经激光分束单元分束，其中发射激光脉冲波形采集光束经激光探测单元转换为电信号传输到数据采集单元，同时发射激光脉冲标记光束经数据读取参考位置产生单元产生发射激光脉冲波形数据标记信号，所述发射激光脉冲波形数据标记信号在高速数据采集卡当前采样点处设置发射激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据数据采集卡以发射激光脉冲波形数据读取参考位置为基准，继续采集到的采样点数满足设定好的发射激光脉冲波形记录长度和发射激光脉冲向前存储长度后，控制单元中的主控计算机以发射激光脉冲波形数据读取参考位置为基准，读取高速数据采集卡中采集到的发射激光脉冲波形数据，向前读取一定点数的数据是为了消除发射激光脉冲波形采集信号与发射激光脉冲波形数据标记信号之间的时间差，从而保证发射激光脉冲波形数据的完整存储，当定时器接到发射激光脉冲波形数据标记信号后开始计时，当定时器的定时长度满足设定的定时间隔后，定时器输出接收激光脉冲波形数据标记信号，所述接收激光脉冲波形数据标记信号会在高速数据采集卡的当前采样点数设置接收激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据采集卡以接收激光脉冲波形数据读取参考位置为基准，继续采集到的采样点数满足接收激光脉冲波形记录长度后，控制单元中的主控计算机以接收激光脉冲波形数据读取参考位置为基准读取高速数据采集卡中采集到的接收激光脉冲波形数据，从而完成接收激光脉冲波形的存储。
[0026]图5所示为发射激光脉冲波形和接收接收激光脉冲波形图，如图5所示发射激光脉冲波形的记录长度是40ns，距离选通长度为8.55m (57ns)，接收回波波形的记录长度为70ns,发射激光脉冲波形的向前记录长度为13ns，从而保证了发射激光脉冲波形的完整存储。由于控制单元中的主控计算机只根据发射波形和接收回波数据读取参考位置读取设定好的发射激光脉冲波形记录长和接收激光脉冲波形记录长度，因此定时器距离选通的一段时间内没有数据。
[0027]以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。
【权利要求】
1.本发明公开了一种全光纤光路全波形激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统中激光光束的传输、分束、出射、接收、合束和探测均采用光纤光路，所述激光雷达系统包括控制单元、激光光源、激光分束单元、激光发射单元、数据读取参考位置产生单元、激光探测单元、数据采集单元和软件单元，所述控制单元由主控计算机和激光器控制模块组成，所述激光光源由脉冲激光器和光纤接头组成，所述激光分束单元由两个光纤分束器组成，分束比分别为99:1和90:10，所述激光发射单元由光纤准直器组成，所述数据读取参考位置产生单元由光纤聚焦镜、光电二极管和放大整形电路组成，所述激光探测单元由望远镜、激光光纤耦合器、光纤合束器、光电探测器和前置放大器组成，所述数据采集单元由高速数据采集卡和定时器组成，所述脉冲激光器接收来自控制单元中激光器控制模块输出的激光器控制信号，发出一定频率和脉冲宽度的激光脉冲，所述激光脉冲被激光光源中的光纤接头耦合进光纤，经光纤传输到激光分束单元，所述激光分束单元中的光纤分束器将脉冲激光器输出的激光脉冲分成3束，第I束称为发射激光脉冲光束，所述发射激光脉冲光束经激光发射单元中的光纤准直器准直输出照向目标，发射激光脉冲经目标散射后成为接收激光脉冲，被激光探测单元中的望远镜收集，并由激光光纤耦合器耦合进光纤，再经光纤合束器进入光电探测器，所述光电探测器将接收到的光信号转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，接收激光脉冲波形可以被完整采集，从而实现接收激光脉冲的全波形存储;第2束称为发射激光脉冲波形采集光束，所述发射激光脉冲波形采集光束经光纤传输到激光探测单元中的光纤合束器，经光纤合束器进入到光电探测器，光电探测器将激光脉冲转换为电脉冲信号，从而被数据采集单元中的高速数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，发射激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现发射激光脉冲的全波形存储，第3束称为发射激光脉冲标记光束,所述发射激光脉冲标记光束经光纤光路进入到数据读取参考位置产生单元，首先经光纤聚焦镜聚焦输出到光电二级管的光敏面，从而将激光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号经放大整形电路的放大和整形，转换为可以触发数据采集单元中定时器和高速数据采集卡的发射激光脉冲波形数据标记信号，一方面所述发射激光脉冲波形数据标记信号用于设定发射激光脉冲波形数据读取参考位置，用于控制单元中的主控计算机读取高速数据采集卡中发射激光脉冲波形数据时的参考位置，借助发射激光脉冲波形数据读取参考位置可以实现发射激光脉冲的全波形存储，另一方面所述发射激光脉冲波形数据标记信号触发定时器开始计时，当定时器满足设定的定时长度时，定时器输出接收激光脉冲波形数据标记信号，所述接收激光脉冲波形数据标记信号用于设定接收激光脉冲波形数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速数据采集卡中接收激光脉冲波形数据时的参考位置，借助定时器的定时操作可以实现接收激光脉冲波形数据的距离选通存储，同时根据高速数据采集卡中接收激光脉冲波形数据读取参考位置可以实现接收激光脉冲的全波形存储，控制单元完成对激光光源中脉冲激光器和数据采集单元中高速数据采集卡的配置，以及对高速数据采集卡中采集到的数据进行读取、显示、存储和计算；所述软件单元提供人机交互接口，完成数据采集单元中高速数据采集卡采集参数和定时器定时长度的配置，以及激光器控制模块输出激光器控制信号频率和占空比的配置，采集到的数据和数据处理结果的显示；本发明专利可以实现全波形激光雷达光路的全光纤化，同时采用单探测器和单采集通道实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的分时探测、分时采集和分时存储，从而得到单次测量中发射激光脉冲和接收激光脉冲的全波形数据。
2.根据权利要求1所述的一种全光纤光路全波形激光雷达系统，其特征在于，所述的数据采集单元可以实现发射激光脉冲波形的采集和存储，同时实现接收激光脉冲的距离选通存储，所述数据采集单元包括定时器和高速数据采集卡，高速数据采集卡借助于高速的数据采样，完成电脉冲模拟信号到数字信号的转换，并将采集到的信号存储到自身板载存储器中，定时器根据用户的配置实现接收激光脉冲信号的距离选通存储，从而减少接收激光脉冲信号的数据存储量，当高速数据采集卡接收到来自数据读取参考位置产生单元的发射激光脉冲波形数据标记信号，会在当前的采样点处设置发射激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据采集卡以发射激光脉冲波形数据读取参考位置为起始点，采集到的采样点数等于发射激光脉冲波形记录长度减去发射激光脉冲向前记录长度后，控制单元中的主控计算机根据发射激光脉冲波形数据读取参考位置读取高速数据采集卡中的发射激光脉冲波形数据，从而实现发射激光脉冲波形的存储，当定时器接收到发射激光脉冲波形数据标记信号后开始计时，定时器满足设定的定时间隔时，输出接收激光脉冲波形数据标记信号，所述接收激光脉冲波形数据标记信号在高速数据采集卡的当前采样点处设置接收激光脉冲波形数据读取参考位置，当高速数据采集卡以接收激光脉冲数据参考位置为起始点，采集到的采样点数满足接收激光脉冲波形数据记录长度后，控制单元中的主控计算机根据接收激光脉冲波形数据读取参考位置读取高速数据采集卡中的接收激光脉冲波形数据，从而实现接收激光脉冲的距离选通存储。
3.根据权利要求1所述的一种全光纤光路全波形激光雷达系统，其特征在于，所述激光探测单元由望远镜、激光光纤耦合器、光纤合束器、光电探测器和前置放大器组成，望远镜收集由目标散射的激光脉冲信号，激光光纤耦合器位于望远镜的焦点上，从而将望远镜收集的激光脉冲信号耦合进光纤合束器的一条光纤中，光纤合束器的输出光纤接光电探测器，由于发射激光脉冲波 形采集光束早于接收激光脉冲光束到达光纤合束器，因此通过分时复用光纤合束器，光电探测器和高速数据采集卡，采用单探测器和单数据采集通道实现发射激光脉冲波形采集光束和接收激光脉冲光束的分时探测、分时采集和分时存储，光电探测器后的前置放大器主要用于光电探测器输出电信号的放大，所述的激光探测单元可以实现发射激光脉冲波形采集光束和接收激光脉冲光束进入同一光纤探测光路，借助于光纤合束器，利用光纤探测光路、光电探测器和高速数据采集卡的分时复用，完成发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的单探测器探测、单数据采集通道采集，同时整个激光探测单元为全光纤光路，减少了系统调节的复杂性和接收激光脉冲信号的损失。
4.根据权利要求1所述的一种全光纤光路全波形激光雷达系统，其特征在于，所述数据读取参考位置产生单元包括光纤聚焦镜，光电二级管和放大整形电路，所述光纤聚焦镜接入由光纤输出的来自激光分束单元的发射激光脉冲标记光束，所述发射激光脉冲标记光束被光纤聚焦镜聚焦到光电二极管的光敏面上，所述光电二极管将发射激光脉冲标记光束转换为电脉冲信号，电脉冲信号经所述放大整形电路进行放大和整形，成为可以驱动数据采集单元中高速数据采集卡和定时器的发射激光脉冲波形数据标记信号。
5.根据权利要求1所述的一种全光纤光路全波形激光雷达系统，其特征在于，所述的软件单元包括高速数据采集卡配置部分、激光器控制模块配置部分、定时器配置部分和波形显示部分，高速数据采集卡配置部分包括文件设置、采集通道电压设置、采集通道时间设置、采集通道输入设置和采集卡触发设置，文件设置中包括文件存储路径的设置和已存储文件个数的显示，采集通道电压设置包括采集通道参考电压设置和采集通道偏置电压设置，采样通道时间设置包括采样频率的设置、发射激光脉冲波形记录长度的设置、发射激光脉冲向前存储长度的设置和接收激光脉冲波形记录长度的设置，采集通道输入设置包括采集通道最大输入频率和输入信号耦合方式的设置，采集卡触发设置包括触发源设置、触发电平大小设置和触发通道耦合方式设置，定时器配置部分包括定时器计时频率的设置和定时长度的设置，激光器控制单元配置部分包括激光器控制信号频率、幅值和占空比设置，波形显示窗口用于发射激光脉冲波形和接收激光回波波形的实时显示，所述软件单元提供人机交互接口，可以完成数据采集单元中高速数据采集卡采集参数和定时器定时长度的配置，以及激光器控制模块输出激光器控制信号频率和占空比的配置，采集到的数据和数据处理结果的 显示。
【文档编号】G01S17/02GK103901435SQ201410086819
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】徐立军, 李端, 李小路, 孔德明, 马莲 申请人:北京航空航天大学