CN117214917A - 一种激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，公开了一种激光雷达系统，包括：激光器，用于发射脉冲激光；脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；望远镜，用于接收并聚焦后向散射回波信号；衰减调节器，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换；单光子探测器，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；数据采集板，与激光器电性连接，用于累积采集脉冲信号；工控机，与衰减调节器和数据采集板电性连接，用于全天时控制衰减调节器切换对应的衰减片，并对数据采集板采集的信号进行处理。这样可以达到匹配信号强度需求的目的，保证全天时及全路径范围的大气参数测量的准确性，实现不同时段及不同距离的信号探测。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统。

背景技术

目前，激光雷达系统中，在进行微弱信号（如拉曼信号）的远距离探测时，不仅需要更大的发射激光脉冲能量和接收望远镜口径，还需要灵敏度更高的探测器。一般使用单光子探测模式的光电倍增管进行较长时间的探测。但是单光子探测模式的光电倍增管通常很难兼顾近场信号的正常获取，且白天测量时，由于与信号光谱段相同的太阳背景光强度远大于微弱信号，导致无法进行正常的信号探测。

在相关技术方案中，为保证远场信号的有效探测，利用信号分离的形式，使用模拟的探测器与光子计数探测器这两种探测器组合的形式完成相同信号的测量，再根据信号强度的特点进行数据选择与拼接，增加了系统的复杂度与成本，并且两种体制的工作模式并不相同，很难获取到理想的拼接效果。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光雷达系统，可以保证全天时及全路径范围的大气参数测量的准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光雷达系统，包括：

激光器，用于发射脉冲激光；所述脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；

望远镜，用于接收并聚焦所述后向散射回波信号；

衰减调节器，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对所述后向散射回波信号能量进行相应衰减；

单光子探测器，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；

数据采集板，与所述激光器电性连接，用于累积采集所述脉冲信号；

工控机，与所述衰减调节器和所述数据采集板电性连接，用于全天时控制所述衰减调节器切换对应的衰减片，并对所述数据采集板采集的信号进行处理。

第一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，所述工控机，用于在近场信号及白天测量时，控制所述衰减调节器切换为第一衰减倍数的衰减片；在远场信号及夜间测量时，控制所述衰减调节器切换为第二衰减倍数的衰减片；所述第二衰减倍数小于所述第一衰减倍数。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，所述工控机，还用于结合背景光的强度，在白天及夜间采用不同的衰减片切换模式控制所述衰减调节器切换对应的衰减片，以在最小切换次数下完成全探测范围的数据采集覆盖。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，所述衰减调节器还包含放置各衰减片的转轮切换结构，以及控制所述转轮切换结构转动的旋转驱动器件。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，还可以包括：小孔光阑，位于所述望远镜的焦点处且位于所述望远镜和所述衰减调节器之间，用于限制背景光强度。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，还可以包括：准直透镜，位于所述小孔光阑和所述衰减调节器之间。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，还可以包括：窄带滤波片，位于所述准直透镜和所述衰减调节器之间。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，还可以包括：聚焦透镜，位于所述衰减调节器和所述单光子探测器之间。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，所述准直透镜、所述窄带滤波片、所述聚焦透镜的中心均处于同一光轴上。

另一方面，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，所述数据采集板与所述激光器之间进行触发信号联动，用于同步数据采集与脉冲发射之间的时序。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种激光雷达系统，包括：激光器，用于发射脉冲激光；脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；望远镜，用于接收并聚焦后向散射回波信号；衰减调节器，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对后向散射回波信号能量进行相应衰减；单光子探测器，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；数据采集板，与激光器电性连接，用于累积采集脉冲信号；工控机，与衰减调节器和数据采集板电性连接，用于全天时控制衰减调节器切换对应的衰减片，并对数据采集板采集的信号进行处理。

本发明的有益效果在于，本发明提供的上述激光雷达系统，使用不同衰减倍数的衰减片配合进行信号衰减，达到匹配信号强度需求的目的，同时使用单一的单光子探测器进行信号探测，不需要进行不同探测模式、不同探测器之间的数据拼接，仅使用同一探测器完成所需数据的采集，结合明确稳定的衰减参数，可以准确地进行数据修正拼接，保证全天时及全路径范围的大气参数测量的准确性，实现不同时段及不同距离的信号探测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种衰减调节器的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的具体结构示意图。

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，都属于本发明保护范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：

激光器1，用于发射脉冲激光；脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；

望远镜2，用于接收并聚焦后向散射回波信号；

衰减调节器3，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对后向散射回波信号能量进行相应衰减；

单光子探测器4，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；

数据采集板5，与激光器1电性连接，用于累积采集脉冲信号；

工控机6，与衰减调节器3和数据采集板5电性连接，用于全天时控制衰减调节器3切换对应的衰减片，并对数据采集板5采集的信号进行处理。

本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，使用不同衰减倍数的衰减片配合进行信号衰减，达到匹配信号强度需求的目的，同时使用单一的单光子探测器4进行信号探测，不需要进行不同探测模式、不同探测器之间的数据拼接，仅使用同一探测器完成所需数据的采集，结合明确稳定的衰减参数，可以准确地进行数据修正拼接，保证全天时及全路径范围的大气参数测量的准确性，实现不同时段及不同距离的信号探测。

需要说明的是，单光子探测器4是进行弱光信号探测的光电探测器，为弱光将以单光子响应的形式产生窄的脉冲信号。本发明采用集成多个不同衰减倍数的衰减片的衰减调节器3对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对后向散射回波信号能量进行相应衰减，使其匹配信号强度需求，此时衰减后的光信号不会使单光子探测器4处于饱和状态，因此单光子探测器4可正常工作。

其中，衰减片的特性取决于固定材料，其特性稳定，参数明确，具有明确稳定的衰减参数。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，工控机6，具体可以用于在近场信号及白天测量时，控制衰减调节器3切换为第一衰减倍数的衰减片；在远场信号及夜间测量时，控制衰减调节器3切换为第二衰减倍数的衰减片；第二衰减倍数小于第一衰减倍数。

在实施中，本发明的衰减调节器3受工控机6的控制，可以将不同的采集信号与不同时序相结合；在近场强信号及白天测量时，可选用衰减倍数较高的衰减片；在远场信号及夜间测量时，选用衰减倍数较低的衰减片。需要说明的是，衰减片的数量及规格选择，可由实际系统信号强度及探测器性能，进行综合性的计算选择，达到使用最少数量的衰减片实现全距离范围内信号正常探测。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，工控机6，还可以用于结合背景光的强度，在白天及夜间采用不同的衰减片切换模式控制衰减调节器3切换对应的衰减片，以在最小切换次数下完成全探测范围的数据采集覆盖。

在实施中，本发明可以结合背景光的强度影响，在白天及夜间采用不同的衰减片切换模式，达到在最小切换次数的情况下完成全探测范围的数据采集覆盖；即本发明可以调整衰减片切换的方式，确保切换次数的次数最少，提高时间利用率。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，如图2所示，衰减调节器3还包含放置各衰减片的转轮切换结构31，以及控制转轮切换结构转动的旋转驱动器件32。

在实施中，衰减调整器6集成的多个衰减片可由转轮切换结构31进行切换；转轮切换结构31可由旋转驱动器件32控制转动，进而切换光路路径中的衰减片规格。需要说明的是，本发明可以根据不同的衰减率要求配置不同数量及衰减倍数的衰减片；通过旋转控制，切换插入光路的衰减片，确保达到匹配信号强度需求。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，如图3所示，还可以包括：小孔光阑7，位于望远镜2的焦点处且位于望远镜2和衰减调节器3之间，用于限制背景光强度。该小孔光阑7可以起到限制背景光强度的作用。

在实施中，通过小孔光阑7和衰减调节器3之间的相互作用，在需要进行远距离微弱信号探测时，如实现拉曼信号的探测，使用小孔光阑7和不同衰减倍数的衰减片进行配合，可以有效对背景光及信号光进行衰减。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，如图3所示，还可以包括：准直透镜8，位于小孔光阑7和衰减调节器3之间。该准直透镜8可以将通过小孔光阑7的回波光束变为平行光。

另外，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，如图3所示，还可以包括：窄带滤波片9，位于准直透镜8和衰减调节器3之间。

在实施中，通过小孔光阑7、窄带滤波片9和衰减调节器3之间的相互作用，在需要进行远距离微弱信号探测时，如实现拉曼信号的探测，使用小孔光阑7、窄带滤波片9和不同衰减倍数的衰减片进行配合，可以有效对太阳背景光进行衰减和过滤，避免与信号光谱段相同的太阳背景光强度远大于微弱信号，保证单光子探测器能够在白天及近场探测时正常工作，在整体测量距离范围内正常探测。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，如图3所示，还可以包括：聚焦透镜10，位于衰减调节器3和单光子探测器4之间。该聚焦透镜10可以将由衰减调节器3衰减后的光信号进行聚焦，并入射至单光子探测器4中，提高了光束入射到单光子探测器4的能力。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，准直透镜8、窄带滤波片9、聚焦透镜10的中心均可以处于同一光轴上，以避免影响光线的传输路径。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述激光雷达系统中，数据采集板5与激光器1之间进行触发信号联动，用于同步数据采集与脉冲发射之间的时序。

需要说明的是，数据采集板5在工作中需要获取一个与激光器1发射激光同步的触发信号，本发明将数据采集板5与激光器1之间进行触发信号联动，可以保证采集到的回波数字信号与回波对应高度相一致。激光器1发射激光时，同步输出一个TTL脉冲信号作为同步触发脉冲，脉冲信号的上升沿与激光脉冲出射在时间上是对应的。因此，本发明可以将激光器1的同步触发脉冲信号连接至数据采集板5触发输入接口，当数据采集板5检测到TTL信号上升沿时，开始进行高速的模数采集与信号存储，这样能够保证信号采集的第一个信号与激光脉冲发射在时间上同步，在根据数据采集板5的采样频率与光速，获取到采集信号之间的距离间隔，以此将数据采集板5获取到的数字信号同不同距离相对应，获取不同距离处的大气信息。

下面对图3示出的拉激光雷达系统的操作方式进行说明，具体过程如下：

激光器1发射脉冲激光，脉冲激光光束传输至大气后产生后向散射信号，由望远镜2接收并聚焦，经过位于望远镜2焦点处的小孔光阑7限制背景光强度，通过准直透镜8将回波光束变为平行光，然后由窄带滤波片9进行滤光处理。经过滤光处理的信号光通过衰减调整器3，透射光经过聚焦透镜10后，进入单光子探测器4；单光子探测器4输出的脉冲信号经过数据采集板5进行累积采集后，传输进入工控机6中进行后续数据处理与结果显示。

需要指出的是，由于大气系统相对稳定，时间更新率要求较低，本发明的激光雷达系统在不同衰减倍数的衰减片配合的情况下，虽然延长了测量时间，但是并不会影响大气参数测量的准确性。使用不同衰减片确保单一的单光子探测器能够完成全天时全路径范围的数据采集；衰减片的参数选择需要结合系统参数，确保在最小切换次数下完成系统的全路径测量。

另外，本发明也可以使用光路遮挡的方式，通过在光路中增加可控制的遮挡器件，达到实现不同衰减倍数的目的；或，通过控制发射激光的脉冲能量，低脉冲能量进行近场探测，高脉冲能量进行远场信号探测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

综上，本发明实施例提供的上述激光雷达系统，包括：激光器，用于发射脉冲激光；脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；望远镜，用于接收并聚焦后向散射回波信号；衰减调节器，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对后向散射回波信号能量进行相应衰减；单光子探测器，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；数据采集板，与激光器电性连接，用于累积采集脉冲信号；工控机，与衰减调节器和数据采集板电性连接，用于全天时控制衰减调节器切换对应的衰减片，并对数据采集板采集的信号进行处理。这样使用不同衰减倍数的衰减片配合进行信号衰减，达到匹配信号强度需求的目的，同时使用单一的单光子探测器进行信号探测，不需要进行不同探测模式、不同探测器之间的数据拼接，仅使用同一探测器完成所需数据的采集，结合明确稳定的衰减参数，可以准确地进行数据修正拼接，保证全天时及全路径范围的大气参数测量的准确性，实现不同时段及不同距离的信号探测。

最后，还需要说明的是，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申请技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请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，不是旨在于限制本申请；本申请中的术语“包括”、“包含”和“具有”以及其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。在本申请中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

对于前述的各实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可能采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元之间的间接耦合或通信连接，可以是电信或者其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部实施例。基于这些实施例，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，都属于本发明所要保护的范围。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域普通技术人员依然可以在不冲突的情况下，不作出创造性劳动对本发明各实施例中的特征根据情况相互组合、增删或作其他调整，从而得到不同的、本质未脱离本发明的构思的其他技术方案，这些技术方案也同样属于本发明所要保护的范围。

以上对本发明所提供的激光雷达系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对发明的保护范围进行限制；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

激光器，用于发射脉冲激光；所述脉冲激光传输至大气后产生后向散射回波信号；

望远镜，用于接收并聚焦所述后向散射回波信号；

衰减调节器，包含多个不同衰减倍数的衰减片，用于对光路路径中的衰减片进行相应切换，以对所述后向散射回波信号能量进行相应衰减；

单光子探测器，用于对衰减后的光信号进行探测，产生脉冲信号；

数据采集板，与所述激光器电性连接，用于累积采集所述脉冲信号；

工控机，与所述衰减调节器和所述数据采集板电性连接，用于全天时控制所述衰减调节器切换对应的衰减片，并对所述数据采集板采集的信号进行处理。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述工控机，用于在近场信号及白天测量时，控制所述衰减调节器切换为第一衰减倍数的衰减片；在远场信号及夜间测量时，控制所述衰减调节器切换为第二衰减倍数的衰减片；所述第二衰减倍数小于所述第一衰减倍数。

3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述工控机，还用于结合背景光的强度，在白天及夜间采用不同的衰减片切换模式控制所述衰减调节器切换对应的衰减片，以在最小切换次数下完成全探测范围的数据采集覆盖。

4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述衰减调节器还包含放置各衰减片的转轮切换结构，以及控制所述转轮切换结构转动的旋转驱动器件。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：

小孔光阑，位于所述望远镜的焦点处且位于所述望远镜和所述衰减调节器之间，用于限制背景光强度。

6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：

准直透镜，位于所述小孔光阑和所述衰减调节器之间。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：

窄带滤波片，位于所述准直透镜和所述衰减调节器之间。

8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：

聚焦透镜，位于所述衰减调节器和所述单光子探测器之间。

9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述准直透镜、所述窄带滤波片、所述聚焦透镜的中心均处于同一光轴上。

10.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述数据采集板与所述激光器之间进行触发信号联动，用于同步数据采集与脉冲发射之间的时序。