[发明专利]低空轻小型面阵激光雷达测量系统

摘要

本发明公开了一种低空轻小型面阵激光雷达测量系统。该测量系统的主控制子系统触发脉冲激光发射模块发射激光，经准直后通过分光片产生两路激光信号，一路用于确定激光发射时刻并产生计时开始信号，另一路经扩束照射目标，回波信号由APD阵列探测模块接收并产生N2路停止脉冲，多通道高精度时间间隔测量模块结合开始信号测得一个矩形探测区域的N2路激光往返飞行时差。该测量系统的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，可实时获取原始三维信息，免除组装和检校。本发明的激光雷达测量系统无需扫描，单脉冲即可三维成像，成像速度快，测量精度和工作效率高，体积小重量轻，适合低空轻小型遥感平台搭载。

主权项

一种低空轻小型面阵激光雷达测量系统，其特征在于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（1）、主控制子系统（2）和面阵激光雷达测距子系统（3）；位置和姿态测量子系统（1）由全球定位系统即GPS接收机（101）和姿态测量模块（102）组成；主控制子系统（2）由微控制器（201）、计时器（202）和存储器（203）组成；面阵激光雷达测距子系统(3)由脉冲激光发射模块（301）、准直透镜（302）、分光片（303）、全反镜（304）、扩束发射透镜（305）、PIN高速光电探测模块（306）、接收透镜（307）、焦平面可调透镜（308）、滤波片（309）、雪崩光电二极管阵列即APD探测模块（310）和多通道高精度时间间隔测量模块（311）组成；GPS接收机(101)用于提供PPS即秒脉冲信号作为本测量系统的启动信号以及获取本测量系统的经纬度、高程和世界协调时即UTC时间信息；姿态测量模块（102）用于获取本测量系统的航向角、俯仰角和侧滚角信息；微控制器（201）作为本测量系统的控制中心，在PPS信号的触发下启动本测量系统工作，控制计时器（202）计时，读取GPS接收机（101）的位置信息，控制姿态测量模块（102）工作并读取其姿态信息，触发脉冲激光发射模块（301）发射激光，读取多通道高精度时间间隔测量模块（311）时间数据再转化为距离信息，并把这三种信息加上时间同步标签保存在存储器（203）；存储器（203）为轻巧型大容量存储器，用于存储本测量系统采集的数据；计时器（202）在微控制器（201）收到PPS信号即开始计时，记录GPS接收机（101）定位、姿态测量模块（102）测姿、脉冲激光发射模块（301）发射激光这三个时刻的时差，并把时差作为三者时间同步标签，以GPS接收机（101）提供的UTC时间为基准将它们采集的数据统一到UTC时间上，从而达到同步的目的；脉冲激光发射模块（301）作为本测量系统的发射光源，其工作波长需要与滤波片和APD阵列探测模块（310）匹配；准直透镜（302）和扩束发射透镜（305）组成发射光学系统，接收透镜（307）、焦平面可调透镜（308）和滤波片（309）组成接收光学系统，发射光学系统和接收光学系统采用光发射/接收平行光路结构的透射式望远镜方式；发射光学系统用于准直脉冲激光发射模块（301）发射的激光束并扩束后照射到目标，准直后的激光发散角大小根据探测距离满足一次所需探测目标面积的要求确定；分光片（303）和全反镜（304）构成分光镜用于将准直后的激光分为分光比很大的两束激光；PIN高速光电探测模块（306）探测分光片（303）分出的较小一路激光，作为激光发射时刻的标志和多通道高精度时间间隔测量模块（311）的开始信号；接收光学系统中的接收透镜（307）用于接收目标反射回来的激光并聚焦到焦平面可调透镜（308）上，需满足APD阵列探测模块（310）接收视场角的要求，其中焦平面可调透镜（308）用于调节接收透镜（307）会聚后激光焦平面的位置和大小，保证回波信号覆盖整个光敏面，配合接收透镜（307）满足光功率密度和接收视场角要求，滤波片（309）用于滤除工作波长外的激光，抑制背景光的干扰；APD阵列探测模块（310）为工作在线性模式的N×N阵列雪崩光电探测模块，N≧8，回波信号通过光电探测和信号处理后产生N2路停止信号，其雪崩电压由低压直流电源通过升压提供，偏置电压和比较器参考电平可调，输出阻抗与多通道高精度时间间隔测量模块（311）满足阻抗匹配；多通道高精度时间间隔测量模块（311）用于测量激光往返飞行的N2路时间间隔，再根据激光测距公式计算出代表一个矩形区域的N2个目标测量点距离信息，多通道高精度时间间隔测量模块（311）通道数大于或等于APD阵列的单元数，为获取高精度的距离信息，各通道需满足高精度计时要求；低空轻小型面阵激光雷达测量系统的工作步骤为： （1）当微控制器（201）收到GPS接收机（101）产生的PPS信号后触发计时器（202）开始计时；（2）微控制器（201）读取GPS接收机（101）的位置信息和UTC时间信息保存在存储器（203）中，接着控制姿态测量模块（102）工作，读取其输出的姿态信息并加上时间同步标签保存到存储器（203）；（3）微控制器（201）控制外围驱动电路输出TTL电平，触发脉冲激光发射模块（301）发射激光，发出的激光经过准直透镜（302）准直后通过分光片（303）产生两路激光信号，反射的小部分激光通过全反镜（304）进入PIN高速光电探测模块（306）产生开始信号和激光发射时刻监视信号，并分别输入多通道高精度时间间隔测量模块（311）的START端和微控制器（201）的中断口，透射的大部分激光经扩束发射透镜（305）照射目标，目标反射回来的激光经接收透镜（307）聚焦到焦平面可调透镜（308），然后通过滤波片（309）会聚到APD阵列探测模块（310）产生N2路停止信号，分别输入多通道高精度时间间隔测量模块（311）的N2个STOP端，多路高精度计时得到的N2路时间数据通过串口传输到微控制器（201），再由激光测距公式转化为代表一个矩形区域的N2个距离值，加上时间同步标签后保存到存储器（203）中；（4）重复步骤（2）和步骤（3）工作，直到获取整个成像区域的原始三维信息；（5）待遥感平台降落地面经数据后处理，生成精确的三维图像。