一种面阵激光雷达测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种面阵激光雷达测量装置。该测量装置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；位置和姿态测量子系统由全球定位系统即GPS接收机和姿态测量模块组成；主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成；面阵激光雷达测距子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、全反镜、扩束发射透镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、焦平面可调透镜、滤波片、雪崩光电二极管即APD阵列探测模块和多通道高精度时间间隔测量模块组成。本实用新型的激光雷达测量装置无需扫描，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。
【专利说明】 一种面阵激光雷达测量装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及主动光学航空遥感载荷领域的激光雷达技术，尤其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装置。
【背景技术】
[0002]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。激光雷达测量装置包括激光测距单元、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装置中互相分离，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装置体积和重量增加，难以做到轻型化和小型化。
[0003]激光测距单元是激光雷达测量装置的核心，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装置到目标物的距离值。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。
[0004]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装置，目前，主要米用ICCD (Intensified Charge-coupled Device)即像增强型电荷f禹合兀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:I(XD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装置实现复杂，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。
[0005]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NXN Aro阵列探测器，其结构紧凑、体积小、重量轻。相比Aro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。
[0006]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】
[0007]本实用新型的目的是为了解决上面提出的现有激光雷达测量装置存在的问题，提供一种面阵激光雷达测量装置。本实用新型的测量装置无需扫描，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。
[0008]本实用新型的面阵激光雷达测量装置从如下四个方面加以实现，其一:提出了基于NXN 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NXN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NXN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:本实用新型的激光雷达测量装置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，减小了测量装置体积，免去了使用前组装及参数重新检校，提高了使用效率；其四:本实用新型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装置的尺寸和重量。
[0009]本实用新型的面阵激光雷达测量装置，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。
[0010]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。
[0011 ] 主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成。
[0012]面阵激光雷达测距子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、全反镜、扩束发射透镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、焦平面可调透镜、滤波片、APD阵列探测模块和多通道高精度时间间隔测量模块 组成。
[0013]GPS接收机用于提供PPS (pulses per second)即秒脉冲信号作为本测量装置的启动信号以及获取本测量装置的经纬度、高程和UTC (Coordinated Universal Time)即协调世界时时间信息；姿态测量模块用于获取本测量装置的航向角、俯仰角和侧滚角信息。
[0014]微控制器作为本测量装置的控制中心，在PPS信号的触发下启动本测量装置工作，控制计时器计时，读取GPS接收机的位置信息，控制姿态测量模块工作并读取其姿态信息，触发脉冲激光发射模块发射激光，读取多通道高精度时间间隔测量模块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；存储器为轻巧型大容量存储器，用于存储本测量装置采集的数据；计时器在微控制器收到PPS信号即开始计时，记录GPS接收机定位、姿态测量模块测姿、脉冲激光发射模块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。
[0015]脉冲激光发射模块需要具备高功率、窄脉冲、输出频率可调的特性，作为本测量装置的发射光源，其工作波长需要与滤波片和APD阵列探测模块匹配；准直透镜和扩束发射透镜组成发射光学系统，接收透镜、焦平面可调透镜和滤波片组成接收光学系统，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；分光片和全反镜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高速光电探测模块探测分光片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的开始信号；接收光学系统中的接收透镜用于接收目标反射回来的激光并聚焦到焦平面可调透镜上，需满足Aro阵列探测模块接收视场角的要求，其中焦平面可调透镜用于调节接收透镜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，配合接收透镜满足光功率密度和接收视场角要求，滤波片用于滤除工作波长外的激光，抑制背景光的干扰;APD阵列探测模块为工作在线性模式的NXN (N ^ 8)阵列雪崩光电探测模块，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满足阻抗匹配；多通道高精度时间间隔测量模块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。
[0016]本实用新型的面阵激光雷达测量装置的工作步骤为:
[0017](I)当微控制器收到GPS接收机产生的PPS信号后触发计时器开始计时。
[0018](2)微控制器读取GPS接收机的位置信息和UTC时间信息保存在存储器中，接着控制姿态测量模块工作，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。
[0019](3)微控制器控制外围驱动电路输出TTL电平，触发脉冲激光发射模块发射激光，发出的激光经过准直透镜准直后通过分光片产生两路激光信号，反射的小部分激光通过全反镜进入PIN高速光电探测模块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的START端和微控制器的中断口，透射的大部分激光经扩束发射透镜照射目标，目标反射回来的激光经接收透镜聚焦到焦平面可调透镜，然后通过滤波片会聚到APD阵列探测模块产生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，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中。
[0020](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。
[0021 ] ( 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。
[0022]本实用新型相对已有技术，主要有以下优点:
[0023]I)本实用新型选用高分辨率计时芯片研制了多通道高精度时间间隔测量模块，每次可并行测量N2路激光往返飞行时差，能够获取目标探测区域误差约为0.12m的距离信
肩、O
[0024]2)相比单点扫描激光雷达，本实用新型实现了无扫描激光探测，单个激光脉冲即可生成三维图像，成像效率高，对激光器重频要求低；相比IC⑶面阵探测激光雷达，本实用新型无需调制解调，简化了系统结构，可快速直接获取三维信息，满足轻小型遥感平台搭载要求。
[0025]3)本实用新型将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，可在遥感平台上实时获取原始三维信息，而且使用时免除了各子系统组装和参数重新检校。[0026]4)本实用新型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装置的尺寸和重量，此外，低空作业时受气候条件影响较小，空域申请便利，可以更加快捷投入使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型的面阵激光雷达测量装置搭载在无人机上的工作示意图。
[0028]图2为本实用新型的面阵激光雷达测量装置结构原理框图。
[0029]图中标记:1-位置姿态测量子系统；101-GPS接收机；102-姿态测量模块。
[0030]2-主控制子系统；201-微控制器；202_计时器；203_存储器。
[0031]3-面阵激光雷达测距子系统；301_脉冲激光发射模块；302_准直透镜；303_分光片；304_全反镜；305_扩束发射透镜；306- PIN高速光电探测模块；307_接收透镜；308_焦平面可调透镜；309_滤波片；310- APD阵列探测模块；311_多通道高精度时间间隔测量模块。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的说明。
[0033]实施例:
[0034]如图1所示的工作示意图，本实施例的激光雷达测量装置搭载在200m低空小型无人机上进行三维数据采集工作，发射单个激光脉冲即可探测5mX 5 m的目标区域，生成的三维图像距离误差小于0.12m，像素间距为0.625m。
[0035]如图2所示，面阵激光雷达测量装置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。
[0036]位置姿态测量子系统I由GPS接收机101和姿态测量模块102组成。
[0037]主控制子系统2由微控制器201、计时器202和存储器203组成。
[0038]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、APD阵列探测模块310和多通道高精度时间间隔测量模块311组成。
[0039]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。
[0040]所述的GPS接收机101，用于提供PPS信号，UTC时间信息以及本测量装置的位置信息，采用加拿大NovAtel公司0EMV-2型号的差分GPS接收机，水平位置精度为0.45m，更新频率可达50HZ，使用RS232串行接口和微控制器201通信。
[0041]所述的姿态测量模块102，用于获取本测量装置姿态信息，采用惯性测量单元IMU(Inertial measurement unit)即惯性测量单元,数据更新频率可达100HZ,在GPS接收机的辅助下保证其获取的三个姿态角误差小于0.08°，使用RS232串行接口和微控制器201通信。
[0042]所述的微控制器201为32位ARM核的微控制器，作为本测量装置的控制中心，采用意法半导体公司的STM32高表现型低功耗产品，时钟频率高达120MHZ，2个USB(Universal Serial BUS)即通用串行总线，通信接口多达15个，16位和32位计时器多达17个，自带闪存容量可达IMHZ且能轻松扩展存储容量。
[0043]所述的计时器202在微控制器收到GPS接收机101的PPS信号后开始计时，记录GPS接收机101、姿态测量模块102、脉冲激光发射模块301的工作时间差作为三者的时间同步标签，将它们三者采集的数据统一到UTC时间上从而达到同步的目的，采用所述的微控制器201自带的32位定时器。
[0044]所述的存储器203为轻巧型大容量存储器，用于存储本测量装置采集的数据。采用SD卡(Secure Digital Memory Card)即安全数码卡，其重量只有1.5g，容量达32GB，存取速度高达30MB/s。
[0045]所述的脉冲激光发射模块301，作为本测量装置的发射光源，采用输出中心波长905nm,脉宽8ns，峰值功率29kw，重复频率可调的脉冲微片激光模块。
[0046]所述的准直透镜302和扩束发射透镜305组成的透射式发射光学系统，用于准直脉冲激光发射模块发射的激光束并扩束后照射到目标，准直后的激光发散角为35mrad，为提高发射效率所述准直透镜302需镀905nm增透膜。
[0047]所述的分光片303，将准直后的激光分为反射光和透射光的比为1:999的两束激光。
[0048]所述的全反镜304，将分光片303分出的较小一路激光入射到PIN高速光电探测模块 306。
[0049]所述的PIN高速光电探测模块306，用于探测由全反镜304入射的激光，产生的电脉冲信号作为激光发射时刻的标志以及多通道高精度时间间隔测量模块311的开始信号，采用中电科44所的GT106高速PIN光电二极管探测入射的激光，再由跨阻放大器电路和高速比较器电路生成所需的电脉冲信号。
[0050]所述的接收透镜307为口径120mm、焦距IOOmm的非球面透镜，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，为提高接收效率所述接收透镜307镀905nm增透膜。
[0051]所述的焦平面可调透镜308用于调节接收透镜307会聚的激光焦平面位置和大小，保证回波信号覆盖整个光敏面，满足光功率密度和接收视场角要求，为提高接收效率所述焦平面可调透镜308镀905nm增透膜。
[0052]所述的滤波片309为带宽±10nm，透过率大于85%的905nm滤波片，用于滤除工作波长外的激光，抑制背景光的干扰。
[0053]所述的APD阵列探测模块310为工作在线性模式的NXN阵列的雪崩光电探测模块，接收视场范围的回波信号，通过8X8的APD阵列进行光电探测后由64个独立的高速跨阻运算放大器和比较器两级电路处理产生64路停止信号，实现一个面的光电探测。采用first sensor公司的8X8 APD阵列，在905nm处的响应度为60A/W，其雪崩电压为200V，高压偏置电压由5V电源升压得到，偏置电压和比较器参考电平可调，50欧姆输出阻抗。
[0054]所述的多通道高精度时间间隔测量模块311输入阻抗50欧姆，用于测量激光往返飞行的多路时差，进而获取代表一个矩形区域的目标测量点距离信息。采用德国ACAM公司的计时分辨率81皮秒的8通道TDC-GPX芯片，在ARM核微控制单元或者FPGA (Field 一Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列的控制下通过片选,使用8片TDC-GPX芯片研制而成，可并行测量APD阵列探测模块310输出的64路停止信号相对开始信号的时间间隔，该模块采用USB接口和微控制器201通信。
[0055]本测量装置的工作步骤为:
[0056](I)当微控制器收到GPS接收机101产生的PPS信号后触发计时器202开始计时。
[0057](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。
[0058](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扩束后照射目标，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64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64个STOP端，多路高精度计时得到的64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5mX 5m方形目标区域的64路距离值，加上时间同步标签后保存到存储器203中。
[0059](4)重复步骤(2)和步骤(3)工作，直到获取任务所要求的成像区域的原始三维信肩、O
[0060](5)待无人机降落地面经数据后处理，生成精确的三维图像。
[0061]以上公开的仅为本实用新型的一个实施例，但本实用新型并非局限于此，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，做出的变形应视为属于本实用新型保护范围。
【权利要求】
1.一种面阵激光雷达测量装置，其特征在于面阵激光雷达测量装置包括位置姿态测量子系统(I)、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(I)由全球定位系统即GPS接收机(101)和姿态测量模块(102)组成，GPS接收机(101)和姿态测量模块(102)分别通过RS232串行接口与微控制器(201)连接进行通信，GPS接收机(101)的秒脉冲信号输出接口与微控制器(201)连接作为本测量装置的启动信号； 主控制子系统(2)由微控制器(201)、计时器(202)和存储器(203)组成，计时器(202)和存储器(203)均与微控制器(201)连接； 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)、雪崩光电二极管即AH)阵列探测模块(310)和多通道高精度时间间隔测量模块(311)组成，微控制器(201)的脉冲激光触发信号输出接口与脉冲激光发射模块(301)连接；脉冲激光发射模块(301)发出的激光经过准直透镜(302)然后通过分光片(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)，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) ;PIN高速光电探测模块(306)输出的信号分成两路分别输入微控制器(201)和多通道高精度时间间隔测量模块(311)的START端，APD阵列探测模块(310)产生的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；多通道高精度时间间隔测量模块(311)得到的N2路时间数据通过通用串行总线即USB接口传输到微控制器(201)。
【文档编号】G01S17/89GK203385859SQ201320457012
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年7月30日 优先权日:2013年7月30日
【发明者】周国清, 周祥, 农学勤, 杨小平, 张飙, 杨春桃, 马建军 申请人:桂林理工大学