[发明专利]低空轻小型面阵激光雷达测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及主动光学航空遥感载荷领域的激光雷达技术，特别是一种适合低空轻小型遥感平台搭载的面阵激光雷达测量系统。

背景技术

激光雷达测量是一种已迅速发展成为热点的主动光学遥感技术，为获取空间三维数据提供了重要手段，适用于目标探测、对地观测、城市建筑物三维建模、以及交通线路、电力线路、油气管道的勘察与规划等。激光雷达测量系统包括激光测距单元、位置姿态测量单元和主控制单元。它是由激光测距单元测得距离信息，再联合激光测距时刻位置姿态测量单元获取的位置和姿态信息解算出探测目标精确的三维坐标，从而实现三维成像。这三个单元在常规激光雷达测量系统中互相分离，每次使用需要进行组装、拆卸，每拆一次会引起参数发生改变，若希望采集到高精度的数据，在使用前需要重新检校。这种采用分立单元组合的方式不仅影响了使用效率，而且也导致整个激光雷达测量系统体积和重量增加，难以做到轻型化和小型化。

激光测距单元是激光雷达测量系统的核心，它通过激光发射机发射一束激光照射目标物，然后由接收机将目标反射的回波信号转换为电信号，再经激光雷达处理机得到测量系统到目标物的距离值。传统激光测距单元采用单点发射、单点接收的方式，对激光器重频要求高，需要配合机械扫描装置才能成像，不仅体积大、功耗大，而且降低了成像速度，限制了它的应用范围。

为了克服扫描式单点探测的不足，国际上开始研究面阵激光雷达测量系统，目前，主要采用ICCD（Intensified Charge-coupled Device）即像增强型电荷耦合元件面阵探测器进行三维成像。中国发明专利说明书CN101498786A和《光电工程》期刊2013年2月第40 卷第2 期“基于面阵探测器的凝视成像激光雷达”，都公开了ICCD面阵探测器进行无扫描三维成像的研究，但这种方式存在一些不足，其一：ICCD面阵探测器不能直接获取距离信息，需要采用调制解调方式，且至少两幅强度图像才能计算出距离图像，导致数据处理量大，同时对处理器和存储空间要求很高；其二：由于采用调制解调方式，接收回波信号时必须使用附加高压调制电源的调制器，生成三维信息时又需要使用处理强度图像的解调器，这些额外器件致使该激光雷达测量系统实现复杂，且体积重量依然较大，难以做到轻小型；其三：上面期刊文献中得到的测距误差有0.6m，满足不了对距离精度要求较高的低空探测场合。

APD（Avalanche Photo Diode）即雪崩光电二极管面阵探测器是由多个独立APD单元探测器集成的N×N APD阵列探测器，其结构紧凑、体积小、重量轻。相比APD单元探测器，可以实现无扫描激光探测，单脉冲即可三维成像；相比ICCD探测器，APD阵列探测器能直接获取三维信息，成像速度更快，并且系统结构简单。

面阵激光测距相比单点激光测距方式，其发射的单脉冲激光需要照明较大的目标区域，进行远距离探测时要求单脉冲激光达到极高的峰值功率，这对激光器的研发提出了很高的要求，并会造成激光器体积、重量及成本增加。

发明内容

本发明的目的是为了解决上面提出的现有激光雷达测量系统存在的问题，提供一种低空轻小型面阵激光雷达测量系统。本发明的测量系统无需扫描，单脉冲可三维成像，成像速度快，测量精度和工作效率高，而且体积重量显著减少，适合低空轻小型遥感平台搭载。

本发明的低空轻小型面阵激光雷达测量系统从如下四个方面加以实现，其一：提出了基于N×N APD（N≧8）阵列探测器的面阵激光雷达测距方法，采用国际上最近研发的APD面阵探测器，通过直接探测方式，无需扫描装置，单脉冲能探测一个矩形区域的N×N个点，系统结构紧凑、成像速度快、探测效率高。其二：选用高分辨率计时芯片研制多通道高精度时间间隔测量模块，每次可并行测量激光往返飞行的N²路时差，根据激光测距公式即可算出探测区域上N×N个目标测量点的距离信息，经试验表明测距误差小于0.12m。其三：本发明的激光雷达测量系统把位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统三者集成于一体，减小了测量系统体积，免去了使用前组装及参数重新检校，提高了使用效率；其四：本发明立足于低空遥感应用，可以选择峰值功率不是很高的轻小型脉冲激光器作为光源，进一步减小了激光雷达测量系统的尺寸和重量。

本发明的低空轻小型面阵激光雷达测量系统，包括位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统。

位置姿态测量子系统由GPS（Global Positioning System）即全球定位系统接收机和姿态测量模块组成。