CN107272018A - 一种三维扫描全波形激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种三维扫描全波形激光雷达系统

技术领域

本发明涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种三维扫描全波形激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种将传统雷达技术与先进激光技术相结合的主动遥感技术，通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，基于距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的动作，同时结合激光雷达平台运动，激光雷达可以完成对目标表面的扫描测距。基于激光雷达成像方程，借助于距离数据，激光雷达平台位置与姿态数据，实现目标表面各点三维坐标解算。根据解算得到的三维坐标数据，采用先进的滤波与分类方法从而得到目标的数字表面模型和数字高程模型，最后实现目标三维几何测量。由于激光雷达系统中所使用的激光器存在一定的发散角，导致所发射的激光脉冲光束以近似圆锥的形式向前传播，当激光脉冲光束与目标相互作用时已不再是一个点，而是一个圆斑，此圆斑被称为激光光斑，又由于测量环境中目标的复杂性和多样性，在一个激光光斑中有可能包含多个散射目标或一个目标具有多个散射表面，从而导致激光回波信号波形的复杂性,例如一个回波中包含多个脉冲或者脉冲被展宽。但是常规激光雷达只是借助于一定的判别方法(上升沿、峰值或者重心等)检测激光回波中一个或有限个时间点，从而得到激光光斑中一个或多个目标的距离值，又由于不同目标具有不同的回波波形，因此仅采用固定的判别检测方法，会导致不同的目标具有不同的测距精度。为了弥补上述常规激光雷达缺陷，一种新型全波形激光雷达被提出。全波形激光雷达是借助于高速数据采集装置将激光回波信号在一定的时间区间内完整采集和存储,从而得到激光回波信号的完整波形，所采集到的波形信号被称为全波形信号,根据激光脉冲与目标相互作用的机理可知全波形信号中包含目标丰富的物理和几何特性信息。

在李小路申请的发明专利(申请号：201310093384.1)中，李端申请的发明专利(申请号：201310610608.1和申请号：201410086819.4)中，所述全波形激光雷达系统，都未实现发射激光光束的三维扫描，且所述全波形激光雷达系统只能获取发射激光脉冲与接收激光脉冲的波形数据，并未实时获取激光雷达系统与目标之间的距离数据。

本文所述一种三维扫描全波形激光雷达系统将全波形获取技术、脉冲测距技术、三维扫描技术相结合不仅可以实现激光雷达系统与目标之间距离的实时测量，同时实现每一束发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的采集。另外，借助于垂直和水平方向扫描装置，实现全波形激光雷达系统的三维扫描测量，实现垂直方向和水平方向三维扫描实时点云成像，从而有效提高全波形激光雷达的探测效率。

发明内容

本发明公开了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；

根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述激光光源单元由脉冲激光器和倍频晶体组成，所述倍频晶体将一部分人眼不可见近红外激光脉冲倍频到可见光，从而利于后续光学元件的装配与调整；

根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述波形采集单元中接收激光探测器输出的接收脉冲电压信号，以及所述触发电路输出的触发信号分别通过两个功率分配器分为两路，其中一个功率分配器将接收脉冲电压信号分为停止计时信号和接收脉冲波形采集信号，另一个功率分配器将触发信号分为采集控制信号和开始计时信号，采集控制信号和接收脉冲波形采集信号共同作用与高速双通道同步数据采集卡实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的采集，开始计时信号和停止计时信号共同作用于时间数字转换芯片，实现发射激光脉冲与接收激光脉冲之间时间间隔的测量，从而实现目标距离的测量，由此可以实现发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，以及目标距离的同时分别采集与测量；

根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述系统控制单元基于FPGA和上位机软件实现时间数字转换芯片数据，扫描角度数据和高速双通道数据采集卡数据之间的对准，由于扫描角度数据与距离数据是通过FPGA的USB接口上传到嵌入式计算机，而高速双通道同步数据采集卡采集到的发射激光脉冲与接收激光脉冲的波形数据是通过PXI接口上传到嵌入式计算机，因此为得到每一个波形数据所对应的扫描角度数据，需要将USB接口得到的角度数据与PXI接口得到的波形数据进行对准，所述三维扫描全波形激光雷达系统中的上位机软件通过USB接口向FPGA发送开始工作标志位，FPGA接收到开始工作标志位后检测电机零位信号，检测到电机零位后使能时间数字转换芯片和高速双通道数据采集卡，以及读取电机角度数据，从而保证时间数字转换芯片和高速双通道数据采集卡同时开始工作，实现时间数字转换芯片、高速双通道数据采集卡测量的第一组数据与FPGA读取的第一组角度数据对应于同一个激光脉冲，另外通过FPGA和高速双通道同步数据采集卡分别对采集到的角度数据和波形数据进行编号，根据编号完成波形数据与角度数据的对准；

根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述扫描单元包括垂直扫描电机、椭圆反射镜和水平扫描电机，椭圆反射镜法向量与电机轴夹角为45°，电机轴与入射激光脉冲光轴平行，从而实现发射激光脉冲在垂直与光轴方向做360°扫描，同时垂直扫描电机与椭圆反射镜位于水平扫描电机平台上，两者结合实现发射激光脉冲的三维扫描。

附图说明

图1是三维扫描全波形激光雷达系统简图

图2是三维扫描全波形激光雷达系统软件界面

图3是三维扫描全波形激光雷达系统完整框图

具体实施方式

三维扫描全波形激光雷达系统工作之前借助于软件单元对系统工作参数进行设置，图2为三维扫描全波形激光雷达系统软件单元前面板。如图2所示，软件单元基于Labview平台开发，软件单元包括水平扫描设置部分、USB设置部分、采集卡设置部分、脉冲频率和垂直转速设置部分、以及发射激光脉冲和接收激光脉冲波形显示与三维点云显示部分。水平扫描设置部分完成水平云台串口名称选择、水平转速设置、水平扫描角度设置和云台当前位置读取。USB设置部分完成USB端口名称选择、USB端口数据存储路径设置、USB端口每次读取的字节数设置、写入到FPGA的数据。采集卡设置部分完成采集卡端口名称选择、采集卡数据流存储位置选择、采集卡时间标存储位置选择、采集卡触发通道触发水平设置、采集卡0和1通道的参考电压设置、采样频率设置、采集长度设置。脉冲频率与垂直转速设置部分完成激光器输出脉冲频率和垂直扫描电机转速设置。同时软件单元完成采集到的发射脉冲与接收脉冲波形的显示、FPGA经USB端口传输的扫描同步数据显示和三维点云实时显示。设置完成后，点击开始测量按钮系统开始工作。

图3为三维扫描全波形激光雷达系统框图。系统开始工作后脉冲激光器在FPGA输出的激光器控制信号控制下输出一定频率的激光脉冲，由于所述三维扫描全波形激光雷达系统中脉冲激光器波长为人眼不可见1064nm，为了方便光路系统的搭建与调整，一部分1064nm激光脉冲经倍频晶体倍频到绿光532nm，倍频和未倍频的激光脉冲经激光脉冲发射与接收单元中的分束立方1和分束立方2分为三束。第1束激光脉冲经激光发射与接收单元中的望远镜准直输出照向扫描单元中的椭圆反射镜，椭圆反射镜在垂直扫描电机的控制下绕电机轴旋转，椭圆反射镜法向量与电机轴夹角为45°，电机轴与出射激光光轴平行，从而实现出射激光在垂直于电机轴的平面内做360°旋转，实现垂直方向的360度扫描。垂直扫描电机的转速由系统控制单元中的垂直扫描电机控制模块控制和FPGA共同控制，FPGA输出的转速控制信号经垂直扫描电机控制模块调理为可用于电机转速控制的控制信号，从而控制电机以一定的转速旋转。垂直扫描电机零位经光电编码器测量，测量的零位信号经垂直扫描电机控制模块调理为可被FPGA检测的零位信号，该零位信号用于垂直扫描角度测量，以及角度数据与波形数据的同步。激光脉冲发射与接收单元和垂直扫描单元位于水平扫描电机上，水平扫描电机在水平方向匀速旋转，从而实现出射激光的水平方向扫描。垂直方向扫描与水平方向扫描相结合从而实现出射光束的三维扫描。

第2束激光脉冲经触发电路转换为触发信号，该触发信号经功率分配器1分为开始计时信号和采集卡同步信号。开始计时信号用于触发时间数字转换器开始计时。采集卡同步信号输入到系统控制单元中的FPGA，经FPGA内时序控制，转换为采集卡控制信号，用于触发采集卡开始采集波形数据。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发射脉冲电压信号，发射脉冲电压信号被高速双通道同步数据采集卡0通道采集，采集到的数据被系统控制单元中的嵌入式计算机读取作为发射脉冲波形数据存储。

经目标散射的激光脉冲再一次被椭圆反射镜反射进入激光脉冲发射与接收单元中的望远镜，散射激光脉冲被望远镜收集进入干涉滤波片，干涉滤光片滤除所收集激光脉冲中的背景光，干涉滤光片输出的激光脉冲被波形采集单元中的接收激光探测器转换为接收脉冲电压信号，接收脉冲电压信号经功率分配器2分为接收脉冲电压信号和停止计时信号。接收脉冲电压信号被高速双通道数据采集卡的1通道采集，采集到的数据被系统控制单元中的嵌入式计算机读取作为接收激光脉冲波形数据存储。停止计时信号触发时间数字转换芯片停止计时。时间数字转换芯片测量开始计时信号与停止计时信号之间的时间间隔，所测时间间隔被系统控制单元中的FPGA控制板读取，FPGA控制板将读取到的垂直扫描角度数据与时间数字转换芯片读取的时间间隔数据打包经USB端口上传到嵌入式计算机。嵌入式计算机对读取到的角度数据和时间间隔数据进行结算得到扫描区域的点云数据，点云数据经软件单元实时显示。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.本发明公开了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。

2.根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述激光光源单元由脉冲激光器和倍频晶体组成，所述倍频晶体将一部分人眼不可见近红外激光脉冲倍频到可见光，从而利于后续光学元件的装配与调整。

3.根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述波形采集单元中接收激光探测器输出的接收脉冲电压信号，以及所述触发电路输出的触发信号分别通过两个功率分配器分为两路，其中一个功率分配器将接收脉冲电压信号分为停止计时信号和接收脉冲波形采集信号，另一个功率分配器将触发信号分为采集控制信号和开始计时信号，采集控制信号和接收脉冲波形采集信号共同作用与高速双通道同步数据采集卡实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的采集，开始计时信号和停止计时信号共同作用于时间数字转换芯片，实现发射激光脉冲与接收激光脉冲之间时间间隔的测量，从而实现目标距离的测量，由此可以实现发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，以及目标距离的同时分别采集与测量。

4.根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述系统控制单元基于FPGA和上位机软件实现时间数字转换芯片数据，扫描角度数据和高速双通道数据采集卡数据之间的对准，由于扫描角度数据与距离数据是通过FPGA的USB接口上传到嵌入式计算机，而高速双通道同步数据采集卡采集到的发射激光脉冲与接收激光脉冲的波形数据是通过PXI接口上传到嵌入式计算机，因此为得到每一个波形数据所对应的扫描角度数据，需要将USB接口得到的角度数据与PXI接口得到的波形数据进行对准，所述三维扫描全波形激光雷达系统中的上位机软件通过USB接口向FPGA发送开始工作标志位，FPGA接收到开始工作标志位后检测电机零位信号，检测到电机零位后使能时间数字转换芯片和高速双通道数据采集卡，以及读取电机角度数据，从而保证时间数字转换芯片和高速双通道数据采集卡同时开始工作，实现时间数字转换芯片、高速双通道数据采集卡测量的第一组数据与FPGA读取的第一组角度数据对应于同一个激光脉冲，另外通过FPGA和高速双通道同步数据采集卡分别对采集到的角度数据和波形数据进行编号，根据编号完成波形数据与角度数据的对准。

5.根据权利要求1所述的一种三维扫描全波形激光雷达系统，其特征在于，所述扫描单元包括垂直扫描电机、椭圆反射镜和水平扫描电机，椭圆反射镜法向量与电机轴夹角为45°，电机轴与入射激光脉冲光轴平行，从而实现发射激光脉冲在垂直与光轴方向做360°扫描，同时垂直扫描电机与椭圆反射镜位于水平扫描电机平台上，两者结合实现发射激光脉冲的三维扫描。