[发明专利]一种全波形激光雷达系统

权利要求书

1.本发明公开了一种全波形激光雷达系统，该系统基于激光测量技术和高频数据采集及控制技术；该全波形激光雷达系统包括激光发射系统，光电探测系统，数据采集系统，控制系统及数据分析系统；所述激光发射系统发射脉冲宽、光斑大的激光脉冲，经目标后散射产生的回波通过所述光电探测系统探测，得到宽脉冲、多峰值的复杂全波形激光回波；所述全波形回波数据由所述数据采集系统采集和存储，所述控制系统控制激光器发射激光脉冲和数据采集系统采集数据；本发明专利可实现在高重复频率测量情况下长时间持续测量，并能够有效的记录全波形数据，所记录的全波形数据能够在所述数据采集系统的控制程序界面上实时显示。

2.按照权利要求1所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述激光发射系统包括激光器和激光扩束系统；所述激光器为1064nm的近红外波长激光器，激光器的脉宽为6到10ns，激光发散角大于1.5mrad，可以产生远距离探测目标的大光斑覆盖效果；所述激光器重复频率范围为1-5kHz，可由所述控制系统控制激光器发射激光脉冲；所述激光扩束系统用来扩展激光束的直径；通过使用激光扩束系统使激光光束变为近似平行光束，并获得高功率光斑。

3.按照权利要求1所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述光电探测系统包括激光聚焦镜，光电探测器，光纤耦合器；所述激光聚焦镜孔径为35mm，外层透镜镀有红外增透膜，增大所收集的被目标散射回的红外波段激光脉冲能量；所述的光电探测器可为PIN二极管型探测器或APD雪崩二极管，所述全波形激光雷达系统目前采用具有4GHZ带宽的PIN探测器，可有效探测到所述激光器脉冲和目标后散射得到的激光回波信号；所述光纤耦合器用于实现光信号分路，使得激光脉冲能量的90%以发射脉冲探测信号，剩余10%的能量直接进入探测器，有效记录发射脉冲波形与时间。

4.按照权利要求1所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述数据采集系统为NI高速数据采集卡，具有单通道1GS/s的实时采样率，带宽可达2GS/s；所述控制系统为NI高速数字化仪，包括FPGA模块和适配器模块；所述两种板卡插在NI的8槽机箱中，该机箱支持Windows XP操作系统；所述控制模块从高速数字化仪的数字输出口输出两路触发脉冲信号作为控制信号控制激光器发射激光和数据采集卡采集数据；所述触发脉冲信号的输出可通过控制模块的FPGA模块编程实现。

5.按照权利要求1或4所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述数据采集卡的工作方式为触发后循环采集N个点，在采集间歇将数据上传，以二进制方式存储在所述8槽机箱的硬盘中；通过该工作方式，所述数据采集卡的板上存储作为短暂的中转，不是最终存储空间，从而避免由所述数据采集卡板载过小引起的采集中断；所述数据采集卡的驱动程序工作流程为：在数据采集开始之前设置参数，选择采集通道及存储路径，所述触发方式选择模拟边沿触发，利于通过外部信号控制数据采集卡采集数据，参数设置完成之后，等待触发信号的到来，当触发信号到来时，初始化数据采集，并开始记录数据；在所述数据采集卡循环采集N个点的过程中，每进入一次循环，数据采集卡记录N个点并将这N个点存储在所述8槽机箱的硬盘中，采集到的波形数据能够在所述数据采集卡的控制界面中实时显示。

6.按照权利要求1或4或5所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述数据采集系统及控制系统都支持LabView编程；通过LabView软件对所述数据采集卡的驱动程序进行编程，来设置数据采集卡的参数以及数据采集的工作方式，实现了数据采集卡在每次采集间歇将数据存储至机箱硬盘的功能，满足了全波形激光雷达对数据采集系统的实时和高速要求；通过LabView软件对所述控制系统的FPGA模块进行编程，使得所述控制模块按照一定的频率产生触发脉冲，并同时输入到激光器的控制端和数据采集卡的触发端，激光器在接收到脉冲控制信号之后发射激光脉冲，由目标后散射的回波信号经过探测器后转变成电信号，一段时间后，数据采集卡接收到控制模块发射的脉冲控制信号并开始采集回波数据，两个脉冲控制信号的间隔时间和采样时长是由探测距离和探测范围来决定的。

7.按照权利要求1所述的一种全波形激光雷达系统，其特征在于所述的数据分析系统读取所存储的二进制文件进而按照一定方法对全波形回波数据进行分析和处理，以得到所需要的目标信息。