CN113835100A - 一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，包括信号发生器、激光器、扫描转台、望远镜、单光子探测器和数据处理器。通过信号发生器发出两路的电脉冲序列，当激光器发出重复频率为1Hz～100KHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台低速转动，可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量。当激光器发出重复频率为10KHz‑100MHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台高速转动，可以探测测绘目标，对测绘目标的形状、高度、位置和距离信息进行判断。在两种模式下，实现空间气溶胶分布的三维扫描的同时对立体空间中的测绘目标进行距离判断和测绘分析，扩展单台激光雷达的观测功能。
Description
技术领域
本发明涉及雷达探测技术领域，特别是涉及一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统。
背景技术
大气探测激光雷达的原理是发射一束准直激光到大气中，激光脉冲与大气中的气溶胶粒子、大气分子和原子发生相互作用，望远镜收集回波信号，将该信号输入到反演算法中，可以获取到大气成分相关信息。脉冲式测绘激光雷达在固定发射频率下，雷达发射系统发射激光脉冲，经目标发射后由接收系统接收，根据激光发射和接收时间的精确计算确定目标距离、形状、高度等信息。
但是不论大气探测激光雷达还是脉冲式测绘激光雷达都只具备单一的功能，只能对单一的目标进行测量，不能同时实现对大气成分相关信息的获取和确定大气环境中测绘目标的距离、形状、高度等信息。随着技术的发展，常规激光雷达的单功能、单目标、单维度的特点不能满足实际需求，因此提出一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统。
发明内容
基于此，有必要针对现有常规激光雷达的单功能、单目标、单维度的特点不能满足实际需求的问题，提供一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统及识别方法。
一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其包括信号发生器、激光器、扫描转台、望远镜、单光子探测器和数据处理器。信号发生器用于产生两路相同的电脉冲序列，两路电脉冲序列分别发送给一个激光器和一个扫描转台。激光器用于接收一路电脉冲序列，并根据电脉冲序列调制激光器出射的脉冲光信号的重复频率。扫描转台用于接收另一路所述电脉冲序列，并根据所述电脉冲序列发生自转；所述扫描转台通过自转改变所述激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当发送到所述激光器的所述电脉冲序列控制所述激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台低速转动；当发送到所述激光器的所述电脉冲序列控制所述激光器发出重复频率为高频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台高速转动。望远镜连接在扫描转台上，用于将脉冲光信号发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号。单光子探测器用于探测回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数。数据处理器用于根据光子数以及光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。
上述基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，通过信号发生器发出两路的电脉冲序列，当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，扫描转台低速转动，此状态为大气探测模式，可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量。当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为高频的脉冲光信号时，扫描转台高速转动，此状态为目标测绘模式，可以探测地物地貌特征信息，对测绘目标的距离、形状、高度进行判断。在两种扫描模式下，可以连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。本发明的多功能雷达激光系统集成度高，两种雷达系统使用单个激光器、同一套光路和电路系统，扩展单台激光雷达的观测功能。
在其中一个实施例中，望远镜采用收发分置望远镜；望远镜安装在扫描转台上，望远镜的转动速度与扫描转台同步。
在其中一个实施例中，信号发生器产生的两路电脉冲序列为两路相同输出的电脉冲序列，其中一路用于控制激光器出射的脉冲光信号的重复频率，另外一路经扫描转台识别后，根据电脉冲序列的频率调整扫描转台的转动速度。
在其中一个实施例中，低频的脉冲光信号为1Hz-100KHz范围内的脉冲光信号；高频的脉冲光信号为10KHz-100MHz范围内的脉冲光信号；低速转动的转速范围为0.001～100rpm；高速转动的转速范围为100～10000rpm。
在其中一个实施例中，激光器为光纤激光器；激光器根据电脉冲序列调制后产生不同重复频率的光信号，经望远镜准直出射到大气中。
在其中一个实施例中，单光子探测器采用光电倍增管单光子探测器、基于半导体的雪崩光电二极管单光子探测器、量子点场效应管探测器、超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器、铟镓砷单光子探测器中的任意一种。
本发明还公开了一种基于电脉冲编码的多目标识别方法，包括以下步骤：
激光器和扫描转台分别获取一路电脉冲序列。
激光器根据获得的电脉冲序列调制后发出不同重复频率的脉冲光信号。
扫描转台根据获得的电脉冲序列发生自转，且通过自转改变激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台低速转动；当激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台高速转动。
通过望远镜将脉冲光信号发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号。
探测回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数。
通过对光子数以及光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。
在其中一个实施例中，低频电脉冲的频率为1Hz-100KHz；高频电脉冲序列为频率为10KHz-100MHz；低速转动的转速为0.001～100rpm；高速转动的转速为100～10000rpm。
在其中一个实施例中，大气参数信息包括大气成分特性、大气边界层和能见度；目标测绘信息包括目标形状、高度、位置和距离信息。
本发明还公开了一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统的应用，其采用基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，可探测气溶胶的时空分布，对气溶胶的来源进行溯源；还可以通过测绘技术展示地物地貌的特征信息。
本发明还公开了一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序是实现的基于电脉冲编码的多目标识别方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过信号发生器发出两路的电脉冲序列，当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为1Hz～100KHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台低速转动，此状态为大气探测模式，可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量。当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为10KHz-100MHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台高速转动，此状态为目标测绘模式，可以探测地物地貌特征信息，对目标距离、形状、高度进行判断。在两种扫描模式下实现多目标探测，连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。本发明的多目标雷达激光系统在实际应用中可研究城市建筑物对气溶胶的扩散阻碍作用，绘制大气污染防治三维模型。本发明的多功能雷达激光系统集成度高，两种雷达系统使用单个激光器、同一套光路和电路系统，扩展了单台激光雷达的观测功能。
附图说明
图1为基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统的模块图；
图2为基于电脉冲编码的多目标识别方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，本实施例公开了一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，可以连续获取大气成分光学特性和目标测绘信息，使用单个激光器、同一套光路和电路系统，实现大气参数信息和目标测绘信息的双重探测。多功能激光雷达系统包括信号发生器、激光器、扫描转台、望远镜、单光子探测器和数据处理器。
信号发生器用于产生两路电脉冲序列，两路电脉冲序列分别发送给一个激光器和一个扫描转台。
激光器与信号发生器连接，接收一路电脉冲序列，根据电脉冲序列调制激光器出射的脉冲光信号的重复频率，发出调制后的脉冲光信号。本实施例中，激光器选用光纤激光器。激光器根据电脉冲序列调制后产生不同重复频率的光信号，经望远镜准直出射到大气中。
扫描转台用于接收另一路电脉冲序列，并根据电脉冲序列发生自转；扫描转台通过自转改变激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台低速转动；当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为高频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台高速转动。本实施例中，低频的脉冲光信号为1Hz-100KHz范围内的脉冲光信号；高频的脉冲光信号为10KHz-100MHz范围内的脉冲光信号；低速转动的转速范围为0.001～100rpm；高速转动的转速范围为100～10000rpm。当激光器出射低频脉冲光信号时，扫描转台的转速为低速，此时为大气探测模式，可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气边界层等参数，实现多参数光学测量。当激光器出射高频脉冲光信号时，扫描转台的转速为高速，此时为目标测绘模式，实现空间气溶胶分布的三维扫描的同时对立体空间中的测绘目标进行距离判断和测绘分析。
望远镜连接在扫描转台上，经调制后的脉冲光信号进入望远镜，望远镜通过扫描转台将脉冲光信号范围性发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号。本实施例中，望远镜采用收发分置望远镜；望远镜安装在扫描转台上，望远镜的转动速度与扫描转台同步。
单光子探测器用于探测回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数。本实施例中，单光子探测器采用光电倍增管单光子探测器、基于半导体的雪崩光电二极管单光子探测器、量子点场效应管探测器、超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器、铟镓砷单光子探测器中的任意一种。
数据处理器与单光子探测器相连接，用于根据光子数以及光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。大气参数信息包括大气成分特性、大气边界层、大气能见度；目标测绘信息包括测绘目标形状、距离、高度、位置等信息。
本其他实施例中，信号发生器产生的两路电脉冲序列可以为两路相同输出的电脉冲序列，其中一路用于控制激光器出射的脉冲光信号的重复频率，另外一路经扫描转台识别后，根据电脉冲序列的频率调整扫描转台的转动速度。
通过信号发生器发出两路的电脉冲序列，当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为1Hz～100KHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台低速转动，此状态为大气探测模式；可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量。当发送到激光器的电脉冲序列控制激光器发出重复频率为10KHz-100MHz范围内的脉冲光信号时，扫描转台高速转动，此状态为目标测绘模式，可以探测测绘到的地物地貌的特征信息，对测绘目标的距离、形状、高度进行判断。在两种扫描模式下实现多目标探测，连续获得大气成分光学特性和目标测绘信息。本发明的多目标雷达激光系统在实际应用中可研究城市建筑物对气溶胶的扩散阻碍作用，绘制大气污染防治三维模型。本发明的多功能雷达激光系统集成度高，两种雷达系统使用单个激光器、同一套光路和电路系统，扩展了单台激光雷达的观测功能。本系统协作性强，在探测大气成分的时空分布时同步对立体空间中的测绘目标进行距离判断和测绘分析。
本实施例的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统还可以在探测城市环境中应用，通过结合大气参数信息和目标测绘信息，实现大气探测和测绘技术融合发展。通过本实施例的激光雷达系统提供地理数据信息，研究城市建筑物对气溶胶的扩散阻碍作用，绘制三维模型，可以联合实时获取气溶胶的大气特性和周围建筑物位置、特征，探测气溶胶在建筑附近的时空分布，对气溶胶产生进行溯源。还可以分析城市建筑对气溶胶扩散阻碍作用，进一步分析气溶胶的传输轨迹，实时预报和预警。
实施例2
请参阅图2，本实施例公开了一种基于电脉冲编码的多目标识别方法，其应用实施例1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统。多目标识别方法包括下列步骤。
激光器和扫描转台分别获取一路电脉冲序列。本实施例中，两路电脉冲序列均由信号发生器产生，分别被激光器和扫描转台获取。
激光器根据一路电脉冲序列调制后发出不同重复频率的脉冲光信号。本实施例中，不同重复频率的脉冲光信号包括范围在1Hz-100KHz的低频信号和范围在10KHz-100MHz的高频信号。
扫描转台根据获得的电脉冲序列发生自转，且通过自转改变激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台低速转动；当激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给扫描转台的电脉冲序列控制扫描转台高速转动。本实施例中，低速转动的转速范围为0.001～100rpm；高速转动的转速范围为100～10000rpm。当信号发生器对激光器进行1Hz-100KHz范围内频率调制并同步控制扫描转台转速时，为大气探测模式，可探测气溶胶光学特性，反演大气气溶胶特性，大气成分特性、大气边界层、能见度等参数，实现多参数光学测量；当信号发生器对激光器进行10KHz-100MHz范围内频率调制并同步控制扫描转台转速时，为目标测绘模式，可以探测地物地貌特征信息，对目标距离、形状、高度进行判断。
通过望远镜将脉冲光信号发射到大气，并接收脉冲光信号在大气中的回波信号。
探测回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数；
通过对光子数以及光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。大气参数信息包括大气成分特性、大气边界层和能见度；目标测绘信息包括测绘目标的形状、高度、位置和距离信息。
本实施例拥有与实施例1相同的有益效果。
实施例3
本实施例提供了一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序是实现如实施例2的基于电脉冲编码的多目标识别方法的步骤。
实施例2的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例1的方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。
实施例4
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，程序被处理器执行时，实现如实施例2的基于电脉冲编码的多目标识别方法的步骤。
实施例2的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，存在计算机可读存储介质上，如U盘。采用U盘实施实施例2的基于电脉冲编码的多目标识别方法，这样可以对现有的雷达探测方法进行升级改造，直接插入U盘，即可让雷达系统在探测目标时用U盘中的计算机程序，实现对多目标的探测。通过实施例4的方式，可利于基于电脉冲编码的多目标识别方法的推广与应用。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，其包括：
信号发生器，其用于产生两路电脉冲序列，两路所述电脉冲序列分别发送给一个激光器和一个扫描转台；
激光器，其用于接收一路所述电脉冲序列，并根据所述电脉冲序列调制所述激光器出射的脉冲光信号的重复频率；
扫描转台，其用于接收另一路所述电脉冲序列，并根据所述电脉冲序列发生自转；所述扫描转台通过自转改变所述激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当发送到所述激光器的所述电脉冲序列控制所述激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台低速转动；当发送到所述激光器的所述电脉冲序列控制所述激光器发出重复频率为高频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台高速转动；
望远镜，其连接在所述扫描转台上；所述望远镜用于将所述脉冲光信号发射到大气，并接收所述脉冲光信号在大气中的回波信号；
单光子探测器，其用于探测所述回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数；以及
数据处理器，其用于根据所述光子数以及所述光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。
2.根据权利要求1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，所述信号发生器产生的两路电脉冲序列为两路相同输出的电脉冲序列，其中一路用于控制所述激光器出射的脉冲光信号的重复频率，另外一路经所述扫描转台识别后，根据所述电脉冲序列的频率调整所述扫描转台的转动速度。
3.根据权利要求1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，所述望远镜采用收发分置望远镜；所述望远镜安装在所述扫描转台上，所述望远镜的转动速度与所述扫描转台的转动速度相同。
4.根据权利要求1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，所述低频的脉冲光信号为1Hz-100KHz范围内的脉冲光信号；所述高频的脉冲光信号为10KHz-100MHz范围内的脉冲光信号；所述低速转动的转速范围为0.001～100rpm；所述高速转动的转速范围为100～10000rpm。
5.根据权利要求1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器；所述激光器根据所述电脉冲序列调制后产生不同重复频率的光信号，经望远镜准直出射到大气中。
6.根据权利要求1所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，其特征在于，所述单光子探测器采用光电倍增管单光子探测器、基于半导体的雪崩光电二极管单光子探测器、量子点场效应管探测器、超导纳米线单光子探测器、上转换单光子探测器、铟镓砷单光子探测器中的任意一种。
7.一种基于电脉冲编码的多目标识别方法，其特征在于，其应用于如权利要求1-6任意一项所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，所述多目标识别方法包括以下步骤：
所述激光器和所述扫描转台分别获取一路电脉冲序列；
所述激光器根据获得的所述电脉冲序列调制后发出不同重复频率的脉冲光信号；
所述扫描转台根据获得的所述电脉冲序列发生自转，且通过自转改变所述激光器发出的脉冲光信号的发射方向；当所述激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台低速转动；当所述激光器发出重复频率为低频的脉冲光信号时，发送给所述扫描转台的所述电脉冲序列控制所述扫描转台高速转动；
通过望远镜将所述脉冲光信号发射到大气，并接收所述脉冲光信号在大气中的回波信号；
探测所述回波信号中的光子数，并记录不同探测距离下的光子数；
通过对所述光子数以及所述光子的探测距离进行数据处理和算法反演，得出大气参数信息和目标测绘信息。
8.根据权利要求7所述的基于电脉冲编码的多目标识别方法，其特征在于，所述大气参数信息包括大气成分特性、大气边界层和能见度；所述目标测绘信息包括测绘目标的形状、高度、位置和距离信息。
9.一种基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统的应用，其特征在于，其采用如权利要求1-6任意一项所述的基于电脉冲编码的多功能激光雷达系统，用于探测气溶胶的时空分布，对气溶胶的来源进行溯源；并通过测绘技术展示地物地貌的特征信息。
10.一种计算机终端，其特征在于，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行程序是实现如权利要求7至8任一所述的基于电脉冲编码的多目标识别方法的步骤。
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