[发明专利]一种三维扫描全波形激光雷达系统

摘要

本发明公开了一种三维扫描全波形激光雷达系统，所述三维扫描全波形激光雷达系统中激光光源单元、激光脉冲发射与接收单元、扫描单元、测距单元、波形采集单元和软件单元，在系统控制单元的控制下，以及各单元之间的协同下，不仅可以实现三维扫描点云实时成像，而且可以实现每一束发射激光脉冲和目标散射激光脉冲的全波形采集与存储。所述三维扫描全波形激光雷达系统突破了常规激光雷达只能获取点云数据的限制，可同时获取点云数据和发射激光脉冲与接收激光脉冲的波形，有效增强了激光雷达的探测能力，同时实现激光雷达的三维扫描实时成像，有效提高激光雷达的工作效率。

主权项

1.一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述三维扫描全波形激光雷达系统不仅可以实现垂直方向和水平方向扫描的三维点云实时成像，而且可以实现每一束发射激光脉冲和目标散射激光脉冲的全波形采集与存储，所述三维扫描全波形激光雷达系统包括系统控制单元、测距单元、激光光源单元、扫描单元、激光脉冲发射与接收单元、波形采集单元和软件单元，所述控制单元由嵌入式计算机、FPGA和垂直扫描电机控制模块，所述测距单元包含时间数字转换芯片，所述激光光源由脉冲激光器和倍频晶体组成，所述扫描单元由垂直扫描电机、椭圆反射镜和水平扫描电机组成，激光脉冲发射与接收单元包括两个分束立方、一个望远镜和干涉滤光片，所述波形采集单元包括发射激光探测器、接收激光探测器和高速双通道同步数据采集卡，所述脉冲激光器接收来自系统控制单元中FPGA产生的激光器控制信号，发出一定频率的激光脉冲，所述激光脉冲中的一部分被激光光源单元中的倍频晶体倍频，未倍频与已倍频的激光脉冲经激光脉冲发射与接收单元中的两个分束立方分为3束，第1束激光脉冲经激光脉冲发射与接收单元中的望远镜准直输出照向扫描单元中由垂直扫描电机控制的椭圆反射镜，椭圆反射镜法向量与入射光束夹角为45°，椭圆反射镜绕光轴旋转从而实现垂直方向360°扫描，第2束激光脉冲经触发电路转换为触发信号，所述触发信号被功率分配器分为两路，其中一路用于触发时间数字转换芯片开始计时，另一路被系统控制单元中的FPGA接收用于控制波形采集单元中的高速双通道同步数据采集卡，第3束激光脉冲经波形采集单元中的发射激光探测器转换为电信号，所述电信号被高速双通道同步数据采集卡的发射脉冲波形采集通道采集，采集到的波形数据作为发射激光脉冲波形被系统控制单元中的嵌入式计算机读取并存储，由扫描单元中椭圆反射镜扫描输出的激光脉冲经目标散射后，再一次被椭圆反射镜反射到激光脉冲发射与接收单元中的望远镜，所述被目标散射激光脉冲被激光脉冲发射与接收单元中的望远镜收集，被收集的激光脉冲经干涉滤光片滤波，被滤波后的激光脉冲经波形采集单元中的接收激光探测器转换为电信号，所述电信号被功率分配器分为两路，其中一路用于触发时间数字转换芯片停止计时，另一路被波形采集单元中高速双通道同步数据采集卡的发射脉冲波形采集通道采集，被采集到的波形数据作为接收脉冲波形数据被系统控制单元中的嵌入式计算机读取并存储，测距单元中的时间数字转换芯片被触发信号触发开始计时，被接收激光脉冲电信号停止计时，从而完成发射激光脉冲与接收激光脉冲之间时间间隔的测量，基于距离与时间间隔和光速的关系实现目标距离测量，所述软件单元实现脉冲激光器发射激光脉冲频率的控制，实现水平方向扫描区间、扫描速度的控制，实现垂直方向扫描速度的控制，实现高速双通道数据采集卡采样频率、采样长度、触发方式、触发水平、文件存储格式与文件存储位置的设置，实现采集到的发射脉冲和接收脉冲波形的显示，实现时间数字转换芯片数据显示和基于时间数字转换芯片数据的目标距离解算，实现发射激光脉冲角度的解算，实现目标三维点云解算以及三维点云实时显示。/n