本發(fā)明涉及到激光雷達(dá)測(cè)量領(lǐng)域，尤其是一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是一種將傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與先進(jìn)激光技術(shù)相結(jié)合的主動(dòng)遙感技術(shù)，通過(guò)測(cè)量激光脈沖往返于目標(biāo)與激光雷達(dá)平臺(tái)之間的時(shí)間，基于距離與光速和時(shí)間的關(guān)系得到激光雷達(dá)平臺(tái)與目標(biāo)之間的距離，配合掃描裝置的動(dòng)作，同時(shí)結(jié)合激光雷達(dá)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，激光雷達(dá)可以完成對(duì)目標(biāo)表面的掃描測(cè)距?；诩す饫走_(dá)成像方程，借助于距離數(shù)據(jù)，激光雷達(dá)平臺(tái)位置與姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)表面各點(diǎn)三維坐標(biāo)解算。根據(jù)解算得到的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的濾波與分類(lèi)方法從而得到目標(biāo)的數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型，最后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維幾何測(cè)量。由于激光雷達(dá)系統(tǒng)中所使用的激光器存在一定的發(fā)散角，導(dǎo)致所發(fā)射的激光脈沖光束以近似圓錐的形式向前傳播，當(dāng)激光脈沖光束與目標(biāo)相互作用時(shí)已不再是一個(gè)點(diǎn)，而是一個(gè)圓斑，此圓斑被稱(chēng)為激光光斑，又由于測(cè)量環(huán)境中目標(biāo)的復(fù)雜性和多樣性，在一個(gè)激光光斑中有可能包含多個(gè)散射目標(biāo)或一個(gè)目標(biāo)具有多個(gè)散射表面，從而導(dǎo)致激光回波信號(hào)波形的復(fù)雜性,例如一個(gè)回波中包含多個(gè)脈沖或者脈沖被展寬。但是常規(guī)激光雷達(dá)只是借助于一定的判別方法(上升沿、峰值或者重心等)檢測(cè)激光回波中一個(gè)或有限個(gè)時(shí)間點(diǎn)，從而得到激光光斑中一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)的距離值，又由于不同目標(biāo)具有不同的回波波形，因此僅采用固定的判別檢測(cè)方法，會(huì)導(dǎo)致不同的目標(biāo)具有不同的測(cè)距精度。為了彌補(bǔ)上述常規(guī)激光雷達(dá)缺陷，一種新型全波形激光雷達(dá)被提出。全波形激光雷達(dá)是借助于高速數(shù)據(jù)采集裝置將激光回波信號(hào)在一定的時(shí)間區(qū)間內(nèi)完整采集和存儲(chǔ),從而得到激光回波信號(hào)的完整波形，所采集到的波形信號(hào)被稱(chēng)為全波形信號(hào),根據(jù)激光脈沖與目標(biāo)相互作用的機(jī)理可知全波形信號(hào)中包含目標(biāo)豐富的物理和幾何特性信息。

在李小路申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)枺?01310093384.1)中，李端申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利(申請(qǐng)?zhí)枺?01310610608.1和申請(qǐng)?zhí)枺?01410086819.4)中，所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，都未實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光光束的三維掃描，且所述全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)只能獲取發(fā)射激光脈沖與接收激光脈沖的波形數(shù)據(jù)，并未實(shí)時(shí)獲取激光雷達(dá)系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離數(shù)據(jù)。

本文所述一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)將全波形獲取技術(shù)、脈沖測(cè)距技術(shù)、三維掃描技術(shù)相結(jié)合不僅可以實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)系統(tǒng)與目標(biāo)之間距離的實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)每一束發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖波形的采集。另外，借助于垂直和水平方向掃描裝置，實(shí)現(xiàn)全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)的三維掃描測(cè)量，實(shí)現(xiàn)垂直方向和水平方向三維掃描實(shí)時(shí)點(diǎn)云成像，從而有效提高全波形激光雷達(dá)的探測(cè)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開(kāi)了一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)垂直方向和水平方向掃描的三維點(diǎn)云實(shí)時(shí)成像，而且可以實(shí)現(xiàn)每一束發(fā)射激光脈沖和目標(biāo)散射激光脈沖的全波形采集與存儲(chǔ)，所述三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制單元、測(cè)距單元、激光光源單元、掃描單元、激光脈沖發(fā)射與接收單元、波形采集單元和軟件單元，所述控制單元由嵌入式計(jì)算機(jī)、fpga和垂直掃描電機(jī)控制模塊，所述測(cè)距單元包含時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，所述激光光源由脈沖激光器和倍頻晶體組成，所述掃描單元由垂直掃描電機(jī)、橢圓反射鏡和水平掃描電機(jī)組成，激光脈沖發(fā)射與接收單元包括兩個(gè)分束立方、一個(gè)望遠(yuǎn)鏡和干涉濾光片，所述波形采集單元包括發(fā)射激光探測(cè)器、接收激光探測(cè)器和高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡，所述脈沖激光器接收來(lái)自系統(tǒng)控制單元中fpga產(chǎn)生的激光器控制信號(hào)，發(fā)出一定頻率的激光脈沖，所述激光脈沖中的一部分被激光光源單元中的倍頻晶體倍頻，未倍頻與已倍頻的激光脈沖經(jīng)激光脈沖發(fā)射與接收單元中的兩個(gè)分束立方分為3束，第1束激光脈沖經(jīng)激光脈沖發(fā)射與接收單元中的望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直輸出照向掃描單元中由垂直掃描電機(jī)控制的橢圓反射鏡，橢圓反射鏡法向量與入射光束夾角為45°，橢圓反射鏡繞光軸旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)垂直方向360°掃描，第2束激光脈沖經(jīng)觸發(fā)電路轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號(hào)，所述觸發(fā)信號(hào)被功率分配器分為兩路，其中一路用于觸發(fā)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片開(kāi)始計(jì)時(shí)，另一路被系統(tǒng)控制單元中的fpga接收用于控制波形采集單元中的高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡，第3束激光脈沖經(jīng)波形采集單元中的發(fā)射激光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)被高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)射脈沖波形采集通道采集，采集到的波形數(shù)據(jù)作為發(fā)射激光脈沖波形被系統(tǒng)控制單元中的嵌入式計(jì)算機(jī)讀取并存儲(chǔ)，由掃描單元中橢圓反射鏡掃描輸出的激光脈沖經(jīng)目標(biāo)散射后，再一次被橢圓反射鏡反射到激光脈沖發(fā)射與接收單元中的望遠(yuǎn)鏡，所述被目標(biāo)散射激光脈沖被激光脈沖發(fā)射與接收單元中的望遠(yuǎn)鏡收集，被收集的激光脈沖經(jīng)干涉濾光片濾波，被濾波后的激光脈沖經(jīng)波形采集單元中的接收激光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，所述電信號(hào)被功率分配器分為兩路，其中一路用于觸發(fā)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片停止計(jì)時(shí)，另一路被波形采集單元中高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡的發(fā)射脈沖波形采集通道采集，被采集到的波形數(shù)據(jù)作為接收脈沖波形數(shù)據(jù)被系統(tǒng)控制單元中的嵌入式計(jì)算機(jī)讀取并存儲(chǔ)，測(cè)距單元中的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片被觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)開(kāi)始計(jì)時(shí)，被接收激光脈沖電信號(hào)停止計(jì)時(shí)，從而完成發(fā)射激光脈沖與接收激光脈沖之間時(shí)間間隔的測(cè)量，基于距離與時(shí)間間隔和光速的關(guān)系實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離測(cè)量，所述軟件單元實(shí)現(xiàn)脈沖激光器發(fā)射激光脈沖頻率的控制，實(shí)現(xiàn)水平方向掃描區(qū)間、掃描速度的控制，實(shí)現(xiàn)垂直方向掃描速度的控制，實(shí)現(xiàn)高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡采樣頻率、采樣長(zhǎng)度、觸發(fā)方式、觸發(fā)水平、文件存儲(chǔ)格式與文件存儲(chǔ)位置的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)采集到的發(fā)射脈沖和接收脈沖波形的顯示，實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)顯示和基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)的目標(biāo)距離解算，實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖角度的解算，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維點(diǎn)云解算以及三維點(diǎn)云實(shí)時(shí)顯示；

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光光源單元由脈沖激光器和倍頻晶體組成，所述倍頻晶體將一部分人眼不可見(jiàn)近紅外激光脈沖倍頻到可見(jiàn)光，從而利于后續(xù)光學(xué)元件的裝配與調(diào)整；

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述波形采集單元中接收激光探測(cè)器輸出的接收脈沖電壓信號(hào)，以及所述觸發(fā)電路輸出的觸發(fā)信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)功率分配器分為兩路，其中一個(gè)功率分配器將接收脈沖電壓信號(hào)分為停止計(jì)時(shí)信號(hào)和接收脈沖波形采集信號(hào)，另一個(gè)功率分配器將觸發(fā)信號(hào)分為采集控制信號(hào)和開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)，采集控制信號(hào)和接收脈沖波形采集信號(hào)共同作用與高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖波形的采集，開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)和停止計(jì)時(shí)信號(hào)共同作用于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖與接收激光脈沖之間時(shí)間間隔的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離的測(cè)量，由此可以實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖波形和接收激光脈沖波形，以及目標(biāo)距離的同時(shí)分別采集與測(cè)量；

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)控制單元基于fpga和上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)，掃描角度數(shù)據(jù)和高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)之間的對(duì)準(zhǔn)，由于掃描角度數(shù)據(jù)與距離數(shù)據(jù)是通過(guò)fpga的usb接口上傳到嵌入式計(jì)算機(jī)，而高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡采集到的發(fā)射激光脈沖與接收激光脈沖的波形數(shù)據(jù)是通過(guò)pxi接口上傳到嵌入式計(jì)算機(jī)，因此為得到每一個(gè)波形數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的掃描角度數(shù)據(jù)，需要將usb接口得到的角度數(shù)據(jù)與pxi接口得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，所述三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)中的上位機(jī)軟件通過(guò)usb接口向fpga發(fā)送開(kāi)始工作標(biāo)志位，fpga接收到開(kāi)始工作標(biāo)志位后檢測(cè)電機(jī)零位信號(hào)，檢測(cè)到電機(jī)零位后使能時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片和高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡，以及讀取電機(jī)角度數(shù)據(jù)，從而保證時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片和高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡同時(shí)開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片、高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡測(cè)量的第一組數(shù)據(jù)與fpga讀取的第一組角度數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于同一個(gè)激光脈沖，另外通過(guò)fpga和高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡分別對(duì)采集到的角度數(shù)據(jù)和波形數(shù)據(jù)進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)編號(hào)完成波形數(shù)據(jù)與角度數(shù)據(jù)的對(duì)準(zhǔn)；

根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描單元包括垂直掃描電機(jī)、橢圓反射鏡和水平掃描電機(jī)，橢圓反射鏡法向量與電機(jī)軸夾角為45°，電機(jī)軸與入射激光脈沖光軸平行，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖在垂直與光軸方向做360°掃描，同時(shí)垂直掃描電機(jī)與橢圓反射鏡位于水平掃描電機(jī)平臺(tái)上，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光脈沖的三維掃描。

附圖說(shuō)明

圖1是三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2是三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)軟件界面

圖3是三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)完整框圖

具體實(shí)施方式

三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)工作之前借助于軟件單元對(duì)系統(tǒng)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，圖2為三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)軟件單元前面板。如圖2所示，軟件單元基于labview平臺(tái)開(kāi)發(fā)，軟件單元包括水平掃描設(shè)置部分、usb設(shè)置部分、采集卡設(shè)置部分、脈沖頻率和垂直轉(zhuǎn)速設(shè)置部分、以及發(fā)射激光脈沖和接收激光脈沖波形顯示與三維點(diǎn)云顯示部分。水平掃描設(shè)置部分完成水平云臺(tái)串口名稱(chēng)選擇、水平轉(zhuǎn)速設(shè)置、水平掃描角度設(shè)置和云臺(tái)當(dāng)前位置讀取。usb設(shè)置部分完成usb端口名稱(chēng)選擇、usb端口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑設(shè)置、usb端口每次讀取的字節(jié)數(shù)設(shè)置、寫(xiě)入到fpga的數(shù)據(jù)。采集卡設(shè)置部分完成采集卡端口名稱(chēng)選擇、采集卡數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)位置選擇、采集卡時(shí)間標(biāo)存儲(chǔ)位置選擇、采集卡觸發(fā)通道觸發(fā)水平設(shè)置、采集卡0和1通道的參考電壓設(shè)置、采樣頻率設(shè)置、采集長(zhǎng)度設(shè)置。脈沖頻率與垂直轉(zhuǎn)速設(shè)置部分完成激光器輸出脈沖頻率和垂直掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置。同時(shí)軟件單元完成采集到的發(fā)射脈沖與接收脈沖波形的顯示、fpga經(jīng)usb端口傳輸?shù)膾呙柰綌?shù)據(jù)顯示和三維點(diǎn)云實(shí)時(shí)顯示。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊開(kāi)始測(cè)量按鈕系統(tǒng)開(kāi)始工作。

圖3為三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)開(kāi)始工作后脈沖激光器在fpga輸出的激光器控制信號(hào)控制下輸出一定頻率的激光脈沖，由于所述三維掃描全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)中脈沖激光器波長(zhǎng)為人眼不可見(jiàn)1064nm，為了方便光路系統(tǒng)的搭建與調(diào)整，一部分1064nm激光脈沖經(jīng)倍頻晶體倍頻到綠光532nm，倍頻和未倍頻的激光脈沖經(jīng)激光脈沖發(fā)射與接收單元中的分束立方1和分束立方2分為三束。第1束激光脈沖經(jīng)激光發(fā)射與接收單元中的望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直輸出照向掃描單元中的橢圓反射鏡，橢圓反射鏡在垂直掃描電機(jī)的控制下繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，橢圓反射鏡法向量與電機(jī)軸夾角為45°，電機(jī)軸與出射激光光軸平行，從而實(shí)現(xiàn)出射激光在垂直于電機(jī)軸的平面內(nèi)做360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)垂直方向的360度掃描。垂直掃描電機(jī)的轉(zhuǎn)速由系統(tǒng)控制單元中的垂直掃描電機(jī)控制模塊控制和fpga共同控制，fpga輸出的轉(zhuǎn)速控制信號(hào)經(jīng)垂直掃描電機(jī)控制模塊調(diào)理為可用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的控制信號(hào)，從而控制電機(jī)以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。垂直掃描電機(jī)零位經(jīng)光電編碼器測(cè)量，測(cè)量的零位信號(hào)經(jīng)垂直掃描電機(jī)控制模塊調(diào)理為可被fpga檢測(cè)的零位信號(hào)，該零位信號(hào)用于垂直掃描角度測(cè)量，以及角度數(shù)據(jù)與波形數(shù)據(jù)的同步。激光脈沖發(fā)射與接收單元和垂直掃描單元位于水平掃描電機(jī)上，水平掃描電機(jī)在水平方向勻速旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)出射激光的水平方向掃描。垂直方向掃描與水平方向掃描相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)出射光束的三維掃描。

第2束激光脈沖經(jīng)觸發(fā)電路轉(zhuǎn)換為觸發(fā)信號(hào)，該觸發(fā)信號(hào)經(jīng)功率分配器1分為開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)和采集卡同步信號(hào)。開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)用于觸發(fā)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器開(kāi)始計(jì)時(shí)。采集卡同步信號(hào)輸入到系統(tǒng)控制單元中的fpga，經(jīng)fpga內(nèi)時(shí)序控制，轉(zhuǎn)換為采集卡控制信號(hào)，用于觸發(fā)采集卡開(kāi)始采集波形數(shù)據(jù)。第3束激光脈沖經(jīng)波形采集單元中的發(fā)射激光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為發(fā)射脈沖電壓信號(hào)，發(fā)射脈沖電壓信號(hào)被高速雙通道同步數(shù)據(jù)采集卡0通道采集，采集到的數(shù)據(jù)被系統(tǒng)控制單元中的嵌入式計(jì)算機(jī)讀取作為發(fā)射脈沖波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

經(jīng)目標(biāo)散射的激光脈沖再一次被橢圓反射鏡反射進(jìn)入激光脈沖發(fā)射與接收單元中的望遠(yuǎn)鏡，散射激光脈沖被望遠(yuǎn)鏡收集進(jìn)入干涉濾波片，干涉濾光片濾除所收集激光脈沖中的背景光，干涉濾光片輸出的激光脈沖被波形采集單元中的接收激光探測(cè)器轉(zhuǎn)換為接收脈沖電壓信號(hào)，接收脈沖電壓信號(hào)經(jīng)功率分配器2分為接收脈沖電壓信號(hào)和停止計(jì)時(shí)信號(hào)。接收脈沖電壓信號(hào)被高速雙通道數(shù)據(jù)采集卡的1通道采集，采集到的數(shù)據(jù)被系統(tǒng)控制單元中的嵌入式計(jì)算機(jī)讀取作為接收激光脈沖波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。停止計(jì)時(shí)信號(hào)觸發(fā)時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片停止計(jì)時(shí)。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片測(cè)量開(kāi)始計(jì)時(shí)信號(hào)與停止計(jì)時(shí)信號(hào)之間的時(shí)間間隔，所測(cè)時(shí)間間隔被系統(tǒng)控制單元中的fpga控制板讀取，fpga控制板將讀取到的垂直掃描角度數(shù)據(jù)與時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片讀取的時(shí)間間隔數(shù)據(jù)打包經(jīng)usb端口上傳到嵌入式計(jì)算機(jī)。嵌入式計(jì)算機(jī)對(duì)讀取到的角度數(shù)據(jù)和時(shí)間間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)算得到掃描區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)軟件單元實(shí)時(shí)顯示。

以上所述，僅為本發(fā)明具體實(shí)施方法的基本方案，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員在本發(fā)明公開(kāi)的技術(shù)范圍內(nèi)，可想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。所有落入權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的變化都將包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。