[发明专利]基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置及方法

说明书

本发明公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制电脑和第一GNSS模块，激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，本发明还公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。本发明利用GNSS信号同步的激光雷达发射单元和激光雷达接收单元来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。

背景技术

激光雷达在大气探测中发挥着重要的作用。激光雷达通过发射模块向天空中发射激光脉冲，激光脉冲与大气中的物质相互作用后产生后向散射波并通过接收望远镜接收，然后通过光纤传输到检测模块经过检测处理后得到大气的密度、温度、风场等信息。

激光雷达是通过接收到回波信号的时延分辨来自不同高度的回波信号。设激光发出脉冲时，该时刻为t1，经过一段时间后，采集卡采集到回波信号，并记录下该时刻t2，接收到的回波信号对应的高度H则为：

其中c为光速，除以2是因为信号在大气中传播了一个来回。由于无法直接得到回波信号的高度，只能通过上面的计算间接得到，所以必须确保时间t1为脉冲出激光器的时刻，t2为采集卡接收到回波信号的时刻。通常激光器一秒钟发出几十个脉冲，采集卡每次采集时间持续几百微秒。一秒钟内，激光雷达工作时间只有十毫秒左右。

现有激光雷达系统为了确保得到正确的时延，通过数据线将采集卡和激光器连接起来，激光器发出激光脉冲的同时会发出一个电信号通过数据线传输到采集卡，采集卡记录下接收到该信号的时间并开始采集回波信号。由于必须将发射和接收系统用数据线连接起来，而数据线长度有限，无法实现异地接收发射的同步。另外，如果需要探测同一地点高空大气的多种属性，需要多台激光雷达系统共同工作，而不同的激光雷达系统之间会形成串扰(一台激光雷达发出的光脉冲产生的回波信号进入另一台激光雷达，而不同的激光雷达系统需要不同的信号处理装置)。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在以上问题，提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用GNSS信号同步的激光雷达发射装置和激光雷达接收装置来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。本发明利用两个原子钟生成了两个高精度的时间表(时间精度在纳秒级)，并通过接收GNSS授时信号将两个高精度时间表同步，并利用控制电脑和脉冲发生器实现同步收发。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制电脑和第一GNSS模块，第一时序控制器分别与第一原子钟、脉冲激光器、第一控制电脑以及第一GNSS模块连接，脉冲激光器出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，

激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，第二时序控制器分别与第二原子钟、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置、以及第二GNSS模块连接，第二控制电脑与激光雷达信号采集装置连接，激光雷达信号采集装置通过接收望远镜采集回波信号。

基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，包括以下步骤：

步骤一：连接第一原子钟和第一时序控制器，然后连接第二原子钟和第二时序控制器；