CN109946674A - 全波形激光雷达装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全波形激光雷达装置，具有接收光电探测器灵敏度和模拟放大器增益随时间动态调整的功能，以达到不同距离的目标回波匹配不同的光电探测器灵敏度和模拟放大器增益值，既解决了近距离目标回波过强失真问题，又解决了远距离目标回波太弱难以探测到的问题。
Description
技术领域
本发明涉及全波形激光雷达领域，本发明涉及一种全波形激光雷达装置。
背景技术
全波形激光雷达(Waveform-Digitizing LiDAR)将发射脉冲信号和回波脉冲信号均以很小的采样间隔进行采样并记录，用户根据实际应用需求，对记录的波形数据进行处理和分析，相比传统激光雷达，可以得到更丰富的激光回波次数和目标特征信息。
“Mallet C,Bretar F.Full-waveform topographic lidar:State-of-the-art[J].Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2009,64(1):1-16.”给出了激光雷达方程，其描述了激光雷达发射信号和接收信号之间的能量关系：
其中：t表示时间，Pr表示接收系统接收到的回波信号能量，Pt表示激光发射信号的能量，D表示接收系统中光学望远镜口径，λ表示发射激光波长，N表示激光传播路径上目标的个数，Ri表示激光传播路径上第i个目标与激光雷达的距离；ηatm和ηsys分别表示大气透射因子和激光雷达系统传递因子；σ'i(t)表示t时刻第i个目标表面上激光脚斑的横截面。
从激光雷达方程可以看出，当激光雷达硬件系统和大气传输条件确定时，目标回波能量随着目标距离增加而快速衰减。现有激光雷达系统一般采用固定灵敏度的光电接收探测器和固定增益的模拟放大器，无法很好处理远近目标的探测：远目标的回波信号微弱，应采用高灵敏度的光电探测器和高增益的模拟放大器，但会造成近距离目标的回波信号过强而失真；为了保证近目标的回波信号不失真，应采用低灵敏度的接收光电探测器和低增益的模拟放大器，但会造成远距离目标的回波信号太弱而无法探测到。因此目标距离与接收光电探测器灵敏度和模拟放大器增益三者存在矛盾关系。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种全波形激光雷达装置，具有接收光电探测器灵敏度和模拟放大器增益随时间动态调整的功能，以达到不同距离的目标回波匹配不同的光电探测器灵敏度和模拟放大器增益值，既解决了近距离目标回波过强失真问题，又解决了远距离目标回波太弱难以探测到的问题。
技术方案：本发明所述的全波形激光雷达装置，一种全波形激光雷达装置，包括激光控制器、脉冲激光器、光电探测器一、模数转换器一、处理器和储存器；脉冲激光器向目标发射脉冲激光，通过分光方式，部分光的能量被光电探测器一接收并形成参考信号；其特征在于还包括光电探测器二、可变增益放大器、模数转换器二；目标回波光信号经光电探测器二转换为电信号，电信号经可变增益放大器放大得到回波信号；光电探测器二灵敏度和可变增益放大器增益动态可调，以获取强度合适的回波信号；参考信号经模数转换器一和回波信号经模数转换器二都转换为数字信号；处理器通过波形分解和拟合的方式，分别得到参考信号和回波信号的峰值、脉宽和波峰时刻的信息，最终得到目标距离和反射率等信息。
通过采用上述技术方案，通过回波信号信息和参考信号信息，可以得到目标参数。根据回波时刻和参考时刻的时间差，获得目标距离；使用回波信号峰值和参考信号峰值，反演获得目标反射率；对比回波信号和参考信号脉宽变化，反演获得目标角度。根据应用场景中目标特征，如反射率和距离等，可以通过激光控制器设置脉冲激光器的脉冲能量，从而使目标回波强度控制在合理范围内。
有益效果：采用可以固定和动态调整灵敏度的光电探测器和动态调整增益的模拟放大器，既解决了近距离目标回波过强失真问题，又解决了远距离目标回波太弱难以探测到的问题。
附图说明
图1是本发明的一种全波形激光雷达装置的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，一种全波形激光雷达装置，包括激光控制器1、脉冲激光器2、光电探测器一3、模数转换器一4、处理器5和储存器6；脉冲激光器2向目标发射脉冲激光，通过分光方式，部分光的能量被光电探测器一3接收并形成参考信号，参考信号被模数转换器一4转换为数字信号，数字信号送入处理器5处理，处理器5通过波形分解和拟合的方法以得到参考信号的峰值、脉宽和波峰时刻的信息；储存器6用于存储处理器发送过来的信息，该全波形激光雷达装置还包括光电探测器二7、可变增益放大器8、模数转换器二9；目标回波光信号经光电探测器二7转换为电信号，电信号经可变增益放大器8放大，电信号通过模数转换器二9转换为数字信号，数字信号送入处理器5处理，处理器5通过波形分解和拟合的方式以得到回波信号的峰值、脉宽和波峰时刻的信息；处理器5将回波信号信息和参考信号信息比较获得目标参数以控制激光控制器1设置脉冲激光器2的脉冲能量。
回波信号信息和参考信号信息，得到目标参数。例如，根据回波时刻和参考时刻的时间差，获得目标距离；使用回波信号峰值和参考信号峰值，反演获得目标反射率；对比回波信号和参考信号脉宽变化，反演获得目标角度。
根据应用场景中目标特征，如反射率和距离等，操作人员通过激光控制器1设置脉冲激光器2的脉冲能量，从而使目标回波强度控制在合理范围内。
光电探测器二7一般采用高灵敏度的雪崩二极管探测器，灵敏度控制器10可以控制雪崩二极管探测器的偏置电压，从而控制光电探测器的灵敏度，以实现控制光电探测器输出信号的强度。
灵敏度控制器10可以产生随时间变化的灵敏度信号，使雪崩探测器的探测灵敏度动态调整，从而使雪崩探测器输出的目标回波电信号强度控制在合理范围内。例如，根据目标回波信号强度与目标距离的衰减关系，雪崩探测器灵敏度随脉冲激光飞行时间增大进行增大，从而使回波电信号强度保持在合理范围内，并且符合背景技术中介绍的激光雷达方程式形成的函数形式；灵敏度随时间变化关系，符合背景技术中介绍的激光雷达方程式形成的函数形式，同时也方便根据目标特点进行特殊调整。
增益控制器11控制可变增益放大器8的放大倍数，从而控制放大器输出信号的强度。增益控制器11可以产生随时间变化的增益信号，使可变增益放大器8的放大倍数动态调整，从而使放大器输出的目标回波电信号强度控制在合理范围内。根据目标回波信号强度与目标距离的衰减关系，可调增益放大器的增益随脉冲激光的飞行时间增大进行增大，从而使回波强度保持在合理范围内，并且符合背景技术中介绍的激光雷达方程式形成的函数形式；可调增益放大器的增益随时间变化关系，符合背景技术中介绍的激光雷达方程式形成的函数形式，同时也方便根据目标特点进行特殊调整。
灵敏度控制器10结合光电探测器二7的灵敏度动态调节和增益控制器11配合可变增益放大器8的增益动态调节，可单独工作或者组合联动工作。光电探测器二7的灵敏度和可调增益放大器的增益也可以设置成固定值。
当光电探测器二7的灵敏度和可变增益放大器8的增益处于动态调节工作模式时，灵敏度控制器10和模数转换器2具有同步功能，可以记录模数转换器2每个采样时刻对应的灵敏度值；同时增益控制器11和模数转换器二9具有同步功能，可以记录模数转换器二9每个采样时刻对应的增益值。处理器5需要根据灵敏度控制器10和增益控制器11同步输出的灵敏度和增益数据，校正模数转换器二9输出的数字信号每个数据点的幅值，灵敏度控制器10可以记录下目标回波数字信号中每个采样点时刻的灵敏度值，增益控制器11可以记录下目标回波数字信号每个采样点时刻的增益值。
假设模数转换器2采集到m个采样点[v1,v2,…,vi,…vm]，灵敏度控制器记录下m个灵敏度值[s1,s2,…,si,…sm]，增益控制器记录下m个增益值[g1,g2,…,gi,…gm]，处理器通过灵敏度值和增益值校正目标回波数字信号的采样点电压值，得到准确的目标回波信号[v1g1s1，v2g2s2，…，vigisi，…vmgmsm]。
Claims (6)
1.一种全波形激光雷达装置，包括激光控制器(1)、脉冲激光器(2)、光电探测器一(3)、模数转换器一(4)、处理器(5)和储存器(6)；脉冲激光器(2)向目标发射脉冲激光，通过分光方式，部分光的能量被光电探测器一(3)接收并形成参考信号；其特征在于还包括光电探测器二(7)、可变增益放大器(8)、模数转换器二(9)；目标回波光信号经光电探测器二(7)转换为电信号，电信号经可变增益放大器(8)放大得到回波信号；光电探测器二(7)灵敏度和可变增益放大器(8)增益动态可调，以获取强度合适的回波信号；参考信号经模数转换器一(4)和回波信号经模数转换器二(9)都转换为数字信号；处理器(5)通过波形分解和拟合的方式，分别得到参考信号和回波信号的峰值、脉宽和波峰时刻的信息，最终得到目标距离和反射率等信息。
2.根据权利要求1所述的全波形激光雷达装置，其特征在于光电探测器二(7)为高灵敏度的雪崩二极管探测器，光电探测器二(7)和处理器(5)之间设置有有用于控制光电探测器二(7)灵敏度偏置电压的灵敏度控制器(10)。
3.根据权利要求1所述的全波形激光雷达装置，其特征在于灵敏度控制器(10)和模数转换器2具有同步功能，可以记录模数转换器2每个采样时刻对应的灵敏度值。
4.根据权利要求2所述的全波形激光雷达装置，其特征在于可变增益放大器(8)和处理器(5)之间设置有用于调节可变增益放大器(8)的放大倍数的增益控制器(11)。
5.根据权利要求2所述的全波形激光雷达装置，其特征在于增益控制器(11)和模数转换器二(9)具有同步功能，可以记录模数转换器二(9)每个采样时刻对应的增益值。
6.根据权利要求2所述的全波形激光雷达装置，其特征在于处理器(5)需要根据灵敏度控制器(10)和增益控制器(11)同步输出的灵敏度和增益数据，校正模数转换器二(9)输出的数字信号每个数据点的幅值。
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