CN101776749B - 机载凝视成像激光雷达同步触发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统，属于成像激光雷达高分辨率对地观测领域。该系统包括：激光脉冲接收模块、激光脉冲发射时间检测模块、光电转换模块、信号放大及整形限幅模块、时序控制模块。激光脉冲接收模块与激光脉冲发射时间检测模块连接，激光脉冲发射时间检测模块与光电转换模块和时序控制模块连接；光电转换模块与信号放大及整形限幅模块连接；信号放大及整形限幅模块连接与时序控制模块连接。本发明还提供了实现光电信号转换模块、信号放大及信号整形限幅模块功能的高速激光脉冲同步触发电路。本发明可有效实现机载凝视成像激光雷达的同步触发功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统，属于成像激光雷达高分辨率对地观测领域。
技术背景
目前国内外公开报道的对地观测的激光雷达三维成像系统，大多是基于激光点扫描三维成像方法，即通过测量激光发射与接收到回波的时间间隔，测得激光探测雷达平台到地球表面点的距离。这是一种将地球表面点有效地映射到三维坐标中的直接方法。但该技术是扫描型的，每次只能测表面的一个点，如果要对表面大面积成像或者进行地图测绘，就需要在与探测目标相复合的覆盖范围内，将激光束沿航空飞行轨道方向与垂直于该方向上对地进行二维扫描，同时逐点进行(高频率的)测距。此外，光机扫描技术从系统原理上也存在一系列的问题，主要有：①激光束要求具有高的扫描指向精度，扫描镜运动的非线性以及系统机械磨损影响其精度；②由于激光束发散的影响，在远方激光点云斑有一定面积，对有相对地形起伏或地物较复杂的区域，激光测距的回波不规整会带来的较严重的测距误差；③光机扫描元件增加了系统的重量、体积以及额外功耗，使系统的小型化、模块化变得较为困难；④为了得到高覆盖率、高垂直距离分辨力、高地元空间分辨力和高探测信号信噪比，发射激光必须具有很高的重复频率、足够的脉冲能量、很小的发散角、窄脉宽等特性，以取得比较好的三维测量结果，这要求采用很高性能的激光器，对激光器的制造与获得提出了挑战。
而采用凝视成像激光雷达可以通过面阵成像方式能获取目标的三维信息，具有成像速度快、探测范围大、抗干扰能力强等优点，并且其三维观测分辨力也明显高于目前国内自行研制的机载扫描型三维成像激光雷达系统。该方法不需要扫描系统，可降低系统复杂度，提高易操作性、易维护性及测量数据的可靠性。
而采用基于ICCD(intensified charge couple device，增强型电荷耦合摄像器件)的机载凝视成像激光雷达可以通过面阵成像方式能获取目标的三维信息，具有成像速度快、探测范围大、抗干扰能力强等优点，并且其三维观测分辨力也将明显高于目前国内自行研制的机载扫描型三维成像激光雷达系统。该方法不需要扫描系统，可降低系统复杂度，提高易操作性、易维护性及测量数据的可靠性。
机载凝视成像激光雷达，如图1所示，包括：激光光源、激光扩束模块、同步触发模块、光电成像探测器及目标高度判别模块、回波光信号接收模块、信号存储模块、数据处理及三维图像生成模块组成。
其工作过程为：激光光源发出的脉冲激光束分成两路，一路经过激光扩束模块的扩束后直接照射到成像目标，成像目标产生回波光信号，并由回波光信号接收模块实时接收；另一路脉冲激光束传输到同步触发模块，触发同步触发模块产生同步电脉冲信号，该同步电脉冲信号发送至光电成像探测器及目标高度判别模块，作为光电成像探测器及目标高度判别模块的工作触发信号，触发光电成像探测器及目标高度判别模块接收回波光信号接收模块实时接收的回波光信号并将其传输至信号存储模块进行存储，供数据处理及三维图像生成模块，在后期处理时生成三维图像。
机载凝视成像激光雷达系统高空间分辨率动态成像得以实现的关键技术之一是激光脉冲发射与成像高度及选通时间精确对应的高精度的同步控制系统设计，只有为成像器件ICCD提供符合要求且与激光发射脉冲对应的同步控制信号，成像器件ICCD才能准确工作，实现不同探测距离对应的高分辨率面阵成像。
但是，目前国内外尚无机载凝视成像激光雷达同步触发系统的完整实现公开。
发明内容
本发明的目的是为了实现高距离分辨率动态三维选通成像技术，为成像器件的选通控制提供纳秒级的同步触发，提供一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统，实现对外围设备机载凝视成像激光雷达系统的选通控制提供纳秒级的同步触发。该系统包括：激光脉冲接收模块、激光脉冲发射时间检测模块、光电转换模块、信号放大及整形限幅模块、时序控制模块；其连接关系为：激光脉冲接收模块的接收端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的激光光源连接，其输出端与激光脉冲发射时间检测模块的输入端连接；激光脉冲发射时间检测模块的输出端与光电转换模块的输入端以及时序控制模块的输入端连接；光电转换模块的输出端与信号放大及整形限幅模块的输入端连接；信号放大及整形限幅模块的输出端与时序控制模块的输入端连接；时序控制模块的输出端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块连接。
各模块的主要功能是：
所述激光脉冲接收模块用于接收激光光源发出的光脉冲信号，并将其发送至激光脉冲发射时间检测模块；
所述激光脉冲发射时间检测模块用于接收激光脉冲接收模块发送的光脉冲信号，并记录接收到该光脉冲信号的时间作为激光发射时间t，然后将所述激光发射时间t发送到时序控制模块；同时将接收到的光脉冲信号传输至光电转换模块；
所述光电转换模块将接收到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，并传输至信号放大及整形限幅模块；
所述信号放大及整形限幅模块用于快速放大接收到的电脉冲信号，并对其进行低噪声、小功率整形限幅后输出至时序控制模块；
时序控制模块对接收到的激光发射时间t、电脉冲信号进行处理，得到具有人为设定的固定延时t′的电脉冲信号发送至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块，作为其工作触发信号，其中t′＝t+Δt，Δt为人为设定的固定延时。
其工作流程为：
激光脉冲接收模块接收外围设备机载凝视成像激光雷达系统的激光光源发出的光脉冲信号，并将其发送至激光脉冲发射时间检测模块；激光脉冲发射时间检测模块记录接收到该光脉冲信号的时间作为激光发射时间t，然后将所述激光发射时间t发送到时序控制模块；同时将接收到的光脉冲信号传输至光电转换模块；光电转换模块将接收到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，并将该电脉冲信号传输至信号放大及整形限幅模块；信号放大及整形限幅模块快速放大接收到的电脉冲信号，并对其进行低噪声、小功率整形限幅后将输出至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的时序控制模块；时序控制模块对接收到的激光发射时间t、电脉冲信号进行处理，得到具有人为设定的固定延时t′的电脉冲信号发送至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块，作为其工作触发信号，其中t′＝t+Δt，Δt为人为设定的固定延时。
通过上述过程，即可实现机载凝视成像激光雷达的同步触发功能。
用于实现光电信号转换模块、信号放大及信号整形限幅模块功能的高速激光脉冲同步触发电路包括：1个光电二极管PD；5个电阻R1，R2，R3，R4，R5；1个开关晶体三极管T；1个隧道二极管TD；1个稳压二极管ZD；1个偏置电压Vcc；1个电容C；
光电二极管PD的阴极与偏置电压Vcc相连，光电二极管PD的阳极与电阻R1的一端及开关晶体三极管T的基极连接；电阻R1的另一端以及开关晶体三极管T的发射极接地；开关晶体三极管T的集电极与电阻R2、R3的一端连接；电阻R2的另一端与偏置电压Vcc连接；电阻R3的另一端与电容C的一端连接；电容C的另一端与电阻R4的一端、电阻R5的一端以及隧道二极管TD的阳极连接；电阻R4的另一端与偏置电压Vcc相连；电阻R5的另一端与稳压二极管ZD的阴极连接后，该连接点作为电脉冲信号的输出端；隧道二极管TD的阴极接地；稳压二极管ZD的阳极接地；
其中，光电二极管PD为高速光电二极管，其响应时间小于0.6纳秒；开关晶体三极管特征频率不低于500MHz；稳压二极管ZD的稳值电压根据外围设备时序控制模块需要的电信号幅值确定；隧道二极管TD的上升下降沿时间小于1纳秒；电阻R1的阻值，满足在有光时，光电二极管PD产生的光电流流经电阻R1后产生的压差大于开关晶体三极管T的导通阈值电压。电阻R2的阻值，满足使开关晶体三极管T在有光照射下，工作于饱和状态。电阻R3和R4的阻值，满足电阻R3和R4串联组合电阻小于隧道二极管TD的负阻值；而静态开路电压大于隧道二极管TD的电压峰值，且小于其电压谷值。电阻R5的阻值，保证稳压二极管ZD的电流在不超过稳压管的额定功率情况下达到最大。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下显著优点：
1.电路中采用光电二极管作为光电探测器件，并采用光导模式对其外加反向电压，这种设计方式能够大大缩小光电转换延迟时间；
2.高速脉冲整形电路采用隧道二极管，脉冲上升下降沿时间小于1纳秒，能够很好的优化脉冲质量，利于后续时序控制；
3.整体触发电路采用模块化，与用分立元器件实现相比系统集成度高，抗电磁干扰能力强，系统体积小；同时有效降低了电路复杂度，提高了触发电路稳定性，时序时间离散量得到有效控制。
附图说明
图1为本发明已有技术的机载凝视成像激光雷达系统结构图；
图2为本发明关于机载凝视成像激光雷达同步触发系统的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为本发明关于机载凝视成像激光雷达同步触发系统的一种具体实施方式的用于实现光电信号转换、信号放大及信号整形限幅的高速激光脉冲同步触发电路实施图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统，如图2所示，实现对外围设备机载凝视成像激光雷达系统的选通控制提供纳秒级的同步触发。该系统包括：激光脉冲接收模块、激光脉冲发射时间检测模块、光电转换模块、信号放大及整形限幅模块、时序控制模块；其连接关系为：激光脉冲接收模块的接收端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的激光光源连接，其输出端与激光脉冲发射时间检测模块的输入端连接；激光脉冲发射时间检测模块的输出端与光电转换模块的输入端以及时序控制模块的输入端连接；光电转换模块的输出端与信号放大及整形限幅模块的输入端连接；信号放大及整形限幅模块的输出端与时序控制模块的输入端连接；时序控制模块的输出端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块连接。
用于实现光电信号转换、信号放大及信号整形限幅的高速激光脉冲同步触发电路，如图3所示，包括：1个光电二极管PD；5个电阻R1，R2，R3，R4，R5；1个开关晶体三极管T；1个隧道二极管TD；1个稳压二极管ZD；1个偏置电压Vcc；1个电容C；其中，光电二极管PD使用高速PIN光电二极管；偏置电压Vcc为5V；电阻R1为200kΩ；电阻R2为20kΩ；电阻R3为1kΩ；电阻R4为200Ω；电容C为100pF；稳压二极管ZD的稳幅电压为3.3V；电阻R5为390Ω。
光电二极管PD的阴极与偏置电压Vcc相连，光电二极管PD的阳极与电阻R1的一端及开关晶体三极管T的基极连接；电阻R1的另一端以及开关晶体三极管T的发射极接地；开关晶体三极管T的集电极与电阻R2、R3的一端连接；电阻R2的另一端与偏置电压Vcc连接；电阻R3的另一端与电容C的一端连接；电容C的另一端与电阻R4的一端、电阻R5的一端以及隧道二极管TD的阳极连接；电阻R4的另一端与偏置电压Vcc相连；电阻R5的另一端与稳压二极管ZD的阴极连接后，该连接点作为电脉冲信号的输出端；隧道二极管TD的阴极接地；稳压二极管ZD的阳极接地。
Claims (4)
1.一种机载凝视成像激光雷达同步触发系统，实现对外围设备机载凝视成像激光雷达系统的选通控制提供纳秒级的同步触发；其特征在于：该系统包括：激光脉冲接收模块、激光脉冲发射时间检测模块、光电转换模块、信号放大及整形限幅模块、时序控制模块；各模块的连接关系为：激光脉冲接收模块的接收端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的激光光源连接，其输出端与激光脉冲发射时间检测模块的输入端连接；激光脉冲发射时间检测模块的输出端与光电转换模块的输入端以及时序控制模块的输入端连接；光电转换模块的输出端与信号放大及整形限幅模块的输入端连接；信号放大及整形限幅模块的输出端与时序控制模块的输入端连接；时序控制模块的输出端与外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块连接；
各模块的主要功能是：
所述激光脉冲接收模块用于接收激光光源发出的光脉冲信号，并将其发送至激光脉冲发射时间检测模块；
所述激光脉冲发射时间检测模块用于接收激光脉冲接收模块发送的光脉冲信号，并记录接收到该光脉冲信号的时间作为激光发射时间t，然后将所述激光发射时间t发送到时序控制模块；同时将接收到的光脉冲信号传输至光电转换模块；
所述光电转换模块将接收到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，并传输至信号放大及整形限幅模块；
所述信号放大及整形限幅模块用于快速放大接收到的电脉冲信号，并对其进行低噪声、小功率整形限幅后输出至时序控制模块；
时序控制模块对接收到的激光发射时间t、电脉冲信号进行处理，得到具有人为设定的固定延时t′的电脉冲信号发送至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块，作为光电成像探测器及目标高度判别模块的工作触发信号，其中t′＝t+Δt，Δt为人为设定的固定延时；
机载凝视成像激光雷达同步触发系统的工作流程为：
激光脉冲接收模块接收外围设备机载凝视成像激光雷达系统的激光光源发出的光脉冲信号，并将其发送至激光脉冲发射时间检测模块；激光脉冲发射时间检测模块记录接收到该光脉冲信号的时间作为激光发射时间t，然后将所述激光发射时间t发送到时序控制模块；同时将接收到的光脉冲信号传输至光电转换模块；光电转换模块将接收到的光脉冲信号转换成电脉冲信号，并将该电脉冲信号传输至信号放大及整形限幅模块；信号放大及整形限幅模块快速放大接收到的电脉冲信号，并对其进行低噪声、小功率整形限幅后将输出至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的时序控制模块；时序控制模块对接收到的激光发射时间t、电脉冲信号进行处理，得到具有人为设定的固定延时t′的电脉冲信号发送至外围设备机载凝视成像激光雷达系统的光电成像探测器及目标高度判别模块，作为其工作触发信号。
2.根据权利要求1所述的机载凝视成像激光雷达同步触发系统，其特征在于：用于实现光电信号转换模块、信号放大及信号整形限幅模块功能的高速激光脉冲同步触发电路包括：1个光电二极管PD；5个电阻R1，R2，R3，R4，R5；1个开关晶体三极管T；1个隧道二极管TD；1个稳压二极管ZD；1个偏置电压Vcc；1个电容C；
光电二极管PD的阴极与偏置电压Vcc相连，光电二极管PD的阳极与电阻R1的一端及开关晶体三极管T的基极连接；电阻R1的另一端以及开关晶体三极管T的发射极接地；开关晶体三极管T的集电极与电阻R2、R3的一端连接；电阻R2的另一端与偏置电压Vcc连接；电阻R3的另一端与电容C的一端连接；电容C的另一端与电阻R4的一端、电阻R5的一端以及隧道二极管TD的阳极连接；电阻R4的另一端与偏置电压Vcc相连；电阻R5的另一端与稳压二极管ZD的阴极连接后，该连接点作为电脉冲信号的输出端；隧道二极管TD的阴极接地；稳压二极管ZD的阳极接地。
3.根据权利要求2所述的机载凝视成像激光雷达同步触发系统，其特征在于：所述高速激光脉冲同步触发电路中的光电二极管PD为高速光电二极管，其响应时间小于0.6纳秒；开关晶体三极管特征频率不低于500MHz；稳压二极管ZD的稳值电压根据外围设备时序控制模块需要的电信号幅值确定；隧道二极管TD的上升下降沿时间小于1纳秒；电阻R1的阻值，满足在有光时，光电二极管PD产生的光电流流经电阻R1后产生的压差大于开关晶体三极管T的导通阈值电压；电阻R2的阻值，满足使开关晶体三极管T在有光照射下，工作于饱和状态；电阻R3和R4的阻值，满足电阻R3和R4串联组合电阻小于隧道二极管TD的负阻值；而静态开路电压大于隧道二极管TD的电压峰值，且小于其电压谷值；电阻R5的阻值，保证稳压二极管ZD的电流在不超过稳压管的额定功率情况下达到最大。
4.根据权利要求2或3所述的机载凝视成像激光雷达同步触发系统，其特征在于：
优选的，光电二极管PD使用高速PIN光电二极管；偏置电压Vcc为5V；电阻R1为200kΩ；电阻R2为20kΩ；电阻R3为1kΩ；电阻R4为200Ω；电容C为100pF；稳压二极管ZD的稳幅电压为3.3V；电阻R5为390Ω。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120523 Termination date: 20130114 |