CN111983585A - 一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，所述多面镜扫描控制系统至少包括：FPGA主端、FPGA从端、编码器、驱动电路、多面镜、驱动控制部、光电转换模块、放大整形模块和若干激光器，所述编码器、驱动电路、驱动控制部和放大整形模块分别与所述FPGA从端相连,通过本发明激光雷霆控制系统的结构设置，完成了将多路激光发射通道转化为一个激光接发射光路。避免了传统设备中的激光发射持续工作困难的问题，本发明采用同波长多路光源汇入一入射通道轮流发射，即是，通过四合一发射、单一接受的光路设计实现方法，在相同行进速度下可大大提高测量密度，而整个系统增加负担却很少，提高了设备的扫描效率。

Description

一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统
技术领域
本发明属于雷达测绘技术领域，尤其涉及一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的有关信息,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。
对于像地理测绘等方面的应用对激光测距的要求，脉冲式激光测距技术因其测量距离远，速度快等优点，成为首选方案。脉冲式激光测距的本质是测量发射波与反射波之间的时间间隔。但因时间间隔测量技术等因素的限制，这种脉冲式激光测距的精度较低。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术缺陷，提供了一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制方法，本发明采用同波长多路光源汇入一入射通道轮流发射，相同行进速度下可大大提高测量密度，而整个系统增加负担却很少。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，所述多面镜扫描控制系统至少包括：FPGA主端、FPGA从端、编码器、驱动电路、多面镜、驱动控制部、光电转换模块、放大整形模块和若干激光器，所述编码器、驱动电路、驱动控制部和放大整形模块分别与所述FPGA从端相连；所述编码器设置于所述多面镜之上，与多面镜联动，实现多面镜转动位置和角度数据的测量，并将测得的扫描时刻的角度数据发送至FPGA从端；所述驱动电路还与所述多面镜的驱动单元相连，用于实现多面镜旋转控制；所述驱动控制部还与所述激光器相连，用于实现激光器的激光发射的时序和间隔控制；各激光器经光路转换将多路入射光源合成一个入射通道后，将光路导向多面镜，并由所述多面镜将激光导向扫描目标；所述光电转换模块接收经目标反射的光回波，并将光信号转化为电信号发送至放大整形模块，由所述放大整形模块将回光时间信息发送至FPGA从端；且所述FGPA从端基于激光发射时间和回光时间，完成回光时间间隔数据测量；所述FPGA主端基于FPGA从端发送的编码器扫描时刻的角度数据，配合回光时间间隔数据，完成扫描路线上的地理信息计算。
根据一个优选的实施方式，所述编码器固定设置于多面镜的转轴之上，并随多面镜一起转动。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜的反射面包括但不限于为四个反射面或六个反射面。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜扫描控制系统还包括GPS模块，所述GPS模块与所述FPGA从端相连，用于实现GPS时间信息采集。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜扫描控制系统还包括惯导模块，所述惯导模块与所述FPGA从端相连，用于实现惯导数据的采集。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜扫描控制系统还包括ADC回波采样模块，所述ADC回波采样模块分别与放大整形模块和FPGA从端相连，用于实现回波强度数据采集。
根据一个优选的实施方式，所述FPGA从端将GPS时间信息、惯导数据和回波强度数据经数据通道发送至FPGA主端。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜扫描控制系统还包括PC机控制端，所述PC机控制端与所述FPGA主端相连，用于实现激光雷达的控制与测量结果显示。
根据一个优选的实施方式，所述多面镜扫描控制系统中激光器至少设置有四个。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果：通过本发明激光雷霆控制系统的结构设置，完成了将多路激光发射通道转化为一个激光接发射光路。避免了传统设备中的激光发射持续工作困难的问题，本发明采用同波长多路光源汇入一入射通道轮流发射，即是，通过四合一发射、单一接受的光路设计实现方法，在相同行进速度下可大大提高测量密度，而整个系统增加负担却很少，提高了设备的扫描效率。
附图说明
图1是本发明多面镜扫描控制系统的结构示意图；
图2是本发明激光雷达四棱多面镜扫描示意图；
图3是本发明激光雷达六棱多面镜扫描示意图；
图4是本发明多面镜扫描控制系统的工作流程示意图；
图5是激光雷达平行扫描激光脚点示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
实施例1：
参考图1所示，本发明公开了一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，所述多面镜扫描控制系统至少包括：PC机控制端、FPGA主端、FPGA从端、GPS模块、惯导模块、编码器、驱动电路、多面镜、驱动控制部、光电转换模块、放大整形模块、ADC回波采样模块和若干激光器。
优选地，所述GPS模块、惯导模块、编码器、驱动电路、驱动控制部和放大整形模块分别与所述FPGA从端相连。
优选地，所述GPS模块被配置为用于实现GPS时间信息采集。所述惯导模块被配置为用于实现惯导数据的采集。并将测得的GPS时间信息和惯导数据发送至FPGA从端。
优选地，所述编码器设置于所述多面镜之上，与多面镜联动，实现多面镜转动位置和角度数据的测量。并将测得的扫描时刻的角度数据发送至FPGA从端。进一步地，所述编码器固定设置于多面镜的转轴之上，并随多面镜一起转动。
优选地，所述驱动电路还与所述多面镜的驱动单元相连，用于实现多面镜旋转控制。进一步地，所述多面镜的反射面包括但不限于为四个反射面或六个反射面，参考图2和图3所示。
优选地，所述驱动控制部还与所述激光器相连，用于实现激光器的激光发射的时序和间隔控制。
优选地，各激光器经光路转换将多路入射光源合成一个入射通道后，将光路导向多面镜，并由所述多面镜将激光导向扫描目标。
进一步地，所述多面镜扫描控制系统中激光器至少设置有四个。即是，本发明系统中包括多路(4路)激光发射通道和一个激光接收回路，即是四合一发射、单一接受的光路设计实现方法。由选用的发光二极管的参数可知，激光发射持续工作困难，本发明采用同波长多路光源汇入一入射通道轮流发射，相同行进速度下可大大提高测量密度，而整个系统增加负担却很少。同时，地理测绘时根据实际测量指标需求可进一步提高激光器数量，获得更多的采样数据。从而大大提高了雷达的测量效率。
优选地，所述FPGA从端的时钟定时逻辑可根据设定的扫描参数，控制四路激光器发射的时序和间隔。当多面镜旋转到扫描工作面时，系统按根据编码器输入的角度数据，控制多路激光光源等间隔进行脉冲发射，完成整个测量路线上的扫描。
优选地，所述光电转换模块接收经目标反射的光回波，并将光信号转化为电信号发送至放大整形模块，由所述放大整形模块将回光时间信息发送至FPGA从端。且所述FGPA从端基于激光发射时间和回光时间，完成回光时间间隔数据测量。
优选地，所述FPGA主端基于FPGA从端发送的编码器扫描时刻的角度数据，配合回光时间间隔数据，完成扫描路线上的地理信息计算。
优选地，所述ADC回波采样模块分别与放大整形模块和FPGA从端相连，用于实现回波强度数据采集。
优选地，所述多面镜扫描控制系统还包括PC机控制端，所述PC机控制端与所述FPGA主端相连，用于实现激光雷达的控制与测量结果显示。
本发明还公开了一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统的控制方法，如图4所示。所述控制方法至少包括如下步骤：
步骤S1:对激光雷达设备进行初始化设置。步骤S2：预置激光雷达或激光扫描仪的参数，并启动系统。步骤S3：设定多面镜的转速并经由驱动电缆控制多面镜的旋转。步骤S4：基于编码器的角度测量数据判断多面镜的转速是否符合要求，若转速达标则进入步骤S6，若转速不达标则进入步骤S5。步骤S5，经由PLL控制FPGA高速时钟逻辑，完成多面镜转速设定值修正，并从新进入步骤S3。步骤S6，等待激光器启动。步骤S7，进行激光发射其性能判断，若性能不达标则返回步骤S6，若性能达标则进入步骤S8。步骤S8，控制激光器和多面镜进行激光发射扫描。步骤S9，完成回波脉冲的接收和放大整形。步骤S10，完成回波或回光时间间隔测量。步骤S11，基于编码器扫描时刻的角度数据，配合回光时间间隔测量数据，完成扫描路线上的地理信息计算。在实际测量或实施过程中过程中：
机载激光雷达系统一般由激光扫描仪(即本发明中MEMS振镜扫描控制系统)、GNSS定位系统、惯性测量单元IMU等部分组成，其三维测量定位主要原理为：激光雷达系统固定在飞机上，在飞机航飞过程中激光扫描仪以用于精确测量激光发射点到地面反射点的距离；IMU测量激光发射瞬间扫描仪的姿态(侧滚角roll、俯仰角pitch和航向角heading)；机载GNSS结合地面基站GPS进行差分GPS获取激光发射瞬间扫描仪在空中的三维坐标。结合IMU记录的姿态信息、机载及地面GPS数据、以及激光扫描仪采集的高重频距离数据，在统一的时间基准下可以准确计算出到地面反射点(即地面地物)的精确三维坐标(x,y,z)，因激光扫描仪频率高，采集的数据点多，地物点的三维坐标点集构成三维激光点云，简称点云。目前激光雷达系统中也常集成数码相机，同步采集真彩色数码影像或多光谱影像等数据，根据实际应用需求，通过后续一定程序的数据处理地面数字高程模型DEM或数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM、数字线划图DLG、三维城市模型等数字化产品。
激光雷达系统测得的是基于地理坐标系的三维坐标点集，这些数据是大量反映地形地物的空间位置分布的不规则点的结合，通常称之为“点云”。具体一个实施例中，激光扫描的激光器光源发射脉宽为8ns，测量时分幅比例尺选取1:500，相对地面飞行高度为500m，点云密度设定16点/m2，影像分辨率为5cm。
小型雷达系统作业时的主要参数包括扫描仪扫描速度、数码相机拍摄时间间隔、点云密度等。雷达基于激光扫描仪在进行平行扫描时，设飞行高度为H，扫描角为θ，Y轴为飞行向，X为飞机右翼方向，飞机飞行速度为V，在1秒时间内沿飞行方向有M行激光点，垂直飞行方向有N列激光点，每秒扫描线速R，且，R＝M。假设沿飞行方向和垂直于飞行方向的点间距相等，即:
Dx＝Dy
根据激光重频和激光扫描仪工作效率可得:
Fe＝ηF
其中：F是需要设置的激光重频；η是激光扫描器效率，采用本发明公开的多面镜扫描方式时，效率η为0.33。
根据图5可得扫描线速度R为:
Figure BDA0002589296390000061
进而可以获得航向点距计算公式为：
Figure BDA0002589296390000062
旁向点距计算公式也为:
Figure BDA0002589296390000063
点云密度计算公式为:
Figure BDA0002589296390000064
提高测量时的点云密度(每平方米上的平均点数)是提高系统测量精度的直接有效方法。采用的四路光源设定每路光源脉冲发射频率为25kHz，四路光源合成后发射频率提高到了100kHz。可以更好的满足DEM等被测数据精度的需求。FPGA系统时间间隔计时精度和计时器的稳定性直接影响到测距的精度；控制系统对四路光源的时间同步，并按照实际出光时刻点进行时间的反馈，修正扫描时间间隔误差，达到精确地控制均分时间间隔的目的，减少因多路光源可能带来的误差影响，点云分布更准确。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统至少包括：FPGA主端、FPGA从端、编码器、驱动电路、多面镜、驱动控制部、光电转换模块、放大整形模块和若干激光器，
所述编码器、驱动电路、驱动控制部和放大整形模块分别与所述FPGA从端相连；
所述编码器设置于所述多面镜之上，与多面镜联动，实现多面镜转动位置和角度数据的测量，并将测得的扫描时刻的角度数据发送至FPGA从端；
所述驱动电路还与所述多面镜的驱动单元相连，用于实现多面镜旋转控制；
所述驱动控制部还与所述激光器相连，用于实现激光器的激光发射的时序和间隔控制；
各激光器经光路转换将多路入射光源合成一个入射通道后，将光路导向多面镜，并由所述多面镜将激光导向扫描目标；
所述光电转换模块接收经目标反射的光回波，并将光信号转化为电信号发送至放大整形模块，由所述放大整形模块将回光时间信息发送至FPGA从端；且所述FGPA从端基于激光发射时间和回光时间，完成回光时间间隔数据测量；
所述FPGA主端基于FPGA从端发送的编码器扫描时刻的角度数据，配合回光时间间隔数据，完成扫描路线上的地理信息计算。
2.如权利要求1所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述编码器固定设置于多面镜的转轴之上，并随多面镜一起转动。
3.如权利要求1所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜的反射面包括但不限于为四个反射面或六个反射面。
4.如权利要求1所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统还包括GPS模块，所述GPS模块与所述FPGA从端相连，用于实现GPS时间信息采集。
5.如权利要求4所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统还包括惯导模块，所述惯导模块与所述FPGA从端相连，用于实现惯导数据的采集。
6.如权利要求5所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统还包括ADC回波采样模块，所述ADC回波采样模块分别与放大整形模块和FPGA从端相连，用于实现回波强度数据采集。
7.如权利要求6所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述FPGA从端将GPS时间信息、惯导数据和回波强度数据经数据通道发送至FPGA主端。
8.如权利要求1所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统还包括PC机控制端，所述PC机控制端与所述FPGA主端相连，用于实现激光雷达的控制与测量结果显示。
9.如权利要求1所述的一种多发单收镜激光雷达的多面镜扫描控制系统，其特征在于，所述多面镜扫描控制系统中激光器至少设置有四个。
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