[发明专利]一种全波形激光雷达系统

说明书

技术领域

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。

背景技术

传统的脉冲式测距激光雷达系统采用记录一次发射脉冲与一次回波脉冲的时间点的方式来计算目标点距离，如果激光脉冲的传播路径中只有一个真实目标，那么一次散射回波足够完成精确测量，但是现实情况中，激光的传播路径可能存在多个不同高程的目标，即使对于小光斑（脚点直径为0.2m到2m）的系统也存在这种情况，这时只记录一次回波就不能满足测量的要求。于是出现了能够记录多次回波的激光雷达系统，典型的多次回波的激光雷达系统是记录第一回波脉冲和最后一次回波脉冲（因为最后一次回波在处理时往往被认为是地面点），还有一些多次回波的激光雷达系统则能记录多达六次回波。然而，不论是记录单次回波还是多次回波的系统，它们所记录的回波都只是大于系统所设定强度阈值的峰值信号，将波峰信号转换为脉冲信号来计算被测目标的高程，记录脉冲个数和时间主要取决于探测方法和阈值的选取。由于只能利用回波的上升沿信息，使得即使高于阈值的潜在回波也无法被探测到。此外，在一些林地中比较低植被或者在城市地区街道，如果两个目标物的间隔小于1.5m，一般探测方法有可能没法区分两个回波。因此，能记录多个回波的系统仍然不能满足高精度的高程测量要求。但是如果能够对波形进行有效的分析，就能提高波形探测的可靠性，测量精度和分辨率。而这种分析是必须建立在能够记录完整回波的基础上的，而全波形激光雷达就可以满足这种需求。这种能够完整的记录回波的激光雷达系统就是全波形激光雷达系统(Full-Waveform LIDAR System)，其记录的完整的复合波形就称为全波形信号。相对于传统离散激光雷达而言,全波形激光雷达能够提供更多的目标信息,但同时也给数据处理和信息提取提出了更高的要求。尽管美国NASA已经实现机载（LVIS）和星载全波形激光雷达（GLAS）的实验性系统研究，但目前我国还未有全波形激光雷达系统的报道。在国外报道的方法研究中，全波形激光雷达技术仍有其不完善的地方：在数据存储和传输方面，由于全波形数据量很大，而存储模块容量有限，导致在高重复频率测量情况下，系统无法进行长时间持续测量；数据处理方面，全波形回波数据蕴含的信息量丰富，提取难度大，如何能有效的从回波中反演得到更多的信息，是全波形激光雷达领域研究的重点。

本发明专利目的在于解决上述全波形激光雷达系统在高重复频率测量情况下无法进行长时间持续测量的问题，采用的方法基于激光测量技术和高频数据采集及控制技术。搭建全波形激光雷达实验室平台系统，通过对采集卡工作方式的合理设计，使系统能够完成长时间持续的实际测量，并能够有效的记录全波形数据，实测得到的数据可作为波形解算算法精度及信息提取算法的数据基础。通过对控制模块工作方式的合理设计使其控制激光器发射激光和数据采集卡采集数据，保证两者同步工作。主要实现如下功能：1.搭建全波形激光雷达实验室平台系统，使系统能够完成长时间持续的实际测量，并能够有效的记录全波形数据。2.所采集的数据以二进制的形式存储，并能够实时地在控制面板上显示。3.激光器和数字采集卡能够同步工作。

发明内容

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。采用以下技术方案：

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。

其中，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。