全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究

摘 要：全波形激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行完整記錄和分析，具有測距精度高和目標(biāo)特征提取豐富的優(yōu)點(diǎn)。但現(xiàn)有商業(yè)全波形激光雷達(dá)價(jià)格較高，而且內(nèi)部硬件和軟件高度保密，很難滿足科研工作更深入更靈活的需求。本文提出了一種全波形激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用實(shí)驗(yàn)室常用的數(shù)字示波器和信號(hào)發(fā)生器，搭建出一套結(jié)構(gòu)緊湊且經(jīng)濟(jì)可行的全波形激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置。

關(guān)鍵詞：全波形激光雷達(dá);共光軸光學(xué)系統(tǒng);多功能示波器

一、緒論

全波形激光雷達(dá)是激光雷達(dá)的最新發(fā)展方向，可對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行完整記錄和分析，具有測距精度高和目標(biāo)特征提取豐富的優(yōu)點(diǎn)，在測量測繪和數(shù)字化城市等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。由于全波形激雷達(dá)涉及復(fù)雜的光機(jī)電綜合技術(shù)和高速采樣與存儲(chǔ)技術(shù)，現(xiàn)有研究工作主要使用商品化全波形激光雷達(dá)產(chǎn)品采集數(shù)據(jù)[1]，集中在后期波形處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用方面[2-3]，無法很好的實(shí)現(xiàn)仿真分析—算法實(shí)現(xiàn)—實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的全方位閉環(huán)研究[4]。本文給出了一種結(jié)構(gòu)緊湊且經(jīng)濟(jì)可行的全波形激光雷達(dá)設(shè)計(jì)方案。

二、系統(tǒng)框架圖

如圖1和圖2所示，全波形激光雷達(dá)方案主要由光學(xué)部分和電學(xué)部分組成：①光學(xué)部分，負(fù)責(zé)激光發(fā)射、接收與光電轉(zhuǎn)換功能，主要包括脈沖激光器、光學(xué)元件以及光電探測器等;②電學(xué)部分，負(fù)責(zé)激光器觸發(fā)控制、光電探測器信號(hào)采集與處理功能，主要包括信號(hào)發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)同步模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口以及波形記錄與分析等。

三、系統(tǒng)工作流程

光學(xué)部分采用發(fā)射-接收共光軸透射式望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，激光發(fā)射與接收過程：脈沖激光器發(fā)射的激光脈沖（波長1064nm，脈寬10ns，峰值能量20uJ，發(fā)散角1.0mrad），經(jīng)分光片分光（@1064nm，透過率94.5%，吸收率5%，反射率05%），其中05%激光能量經(jīng)反射棱鏡1入射到PIN探測器（銦鎵砷材料，響應(yīng)波長900-1700nm，帶寬125MHz，電流增益40V/mA）光敏面上，光電轉(zhuǎn)換得到發(fā)射信號(hào)，剩余的945%激光能量經(jīng)反射棱鏡2和反射棱鏡3依次反射后照射到目標(biāo)表面，形成激光腳斑。激光接收過程：目標(biāo)激光腳斑產(chǎn)生后向散射激光回波，其中一部分回波經(jīng)組合透鏡（低分散的冕牌玻璃正透鏡和高分散的火石玻璃負(fù)透鏡粘接而成的消色差透鏡，且鍍有1050-1620nm增透膜）匯聚到APD探測器（銦鎵砷雪崩二極管探測器，響應(yīng)波長800-1700nm，帶寬200MHz，增益1.4×104V/W）光敏面，光電轉(zhuǎn)換得到目標(biāo)回波信號(hào)。

電學(xué)部分利用一臺(tái)PICOSCOPE公司的PICO6404D型多功能示波器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)激光器觸發(fā)控制、波形數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、波形記錄與分析等一體化解決方案。PICO6404D型多功能示波器小巧易于攜帶，集成了任意信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字示波器。內(nèi)置的信號(hào)發(fā)生器，不僅可以產(chǎn)生正弦波、三角波和方波等波形，還支持用戶自定義波形數(shù)據(jù);內(nèi)置的數(shù)字示波器具有4個(gè)模擬通道，500MHz模擬帶寬以及最高5Gsa/s實(shí)時(shí)采樣率，內(nèi)置2GB超大容量緩存，通過USB3.0接口以高達(dá)150Mbps將采集到的波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X。

電學(xué)部分工作流程為：使用上位機(jī)設(shè)置PICO6404D型多功能示波器的信號(hào)發(fā)生模塊，產(chǎn)生方波信號(hào)（TTL電平類型，頻率5KHz，占空比82%），觸發(fā)脈沖激光器同步產(chǎn)生5KHz的脈沖激光;如下表所示設(shè)置多功能示波器的數(shù)據(jù)采集模塊（假設(shè)PIN探測器接到通道1，APD探測器接到通道2），采樣率設(shè)為1Gsa/s，觸發(fā)方式選擇通道1上升沿觸發(fā)。由于發(fā)射信號(hào)的峰值較為穩(wěn)定，設(shè)置固定觸發(fā)閾值，即可同步采集通道1和通道2的波形數(shù)據(jù)。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的采樣點(diǎn)數(shù)后，一次采集周期結(jié)束，并自動(dòng)開始下一周期的采集。多功能示波器將采集到的波形數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)后保存到上位機(jī)硬盤。利用Matlab實(shí)現(xiàn)波形分解算法，處理硬盤里保存的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)波形數(shù)據(jù)。

采樣點(diǎn)數(shù)以及采樣率決定了激光雷達(dá)的最大測量距離以及數(shù)據(jù)傳輸所需要的速率。假設(shè)采樣率為1Gsa/s和采樣點(diǎn)數(shù)為1400，則對(duì)應(yīng)的最大測量距離為：（1400bins×1ns×3×108m/s）/2=210m，對(duì)應(yīng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率：1400bins×5KHz×8bits×2通道=112Mbps。因此，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采集到的重疊目標(biāo)的回波如圖3所示，可以滿足近距離小光斑全波形激光雷達(dá)的波形采集與分析需求。

四、結(jié)語

本文提出了一種全波形激光雷達(dá)設(shè)計(jì)方案，該方案主要由光學(xué)和電學(xué)兩部分組成。光學(xué)部分采用發(fā)射-接收共光軸設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。電學(xué)部分采用一臺(tái)多功能示波器和一臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)激光器驅(qū)動(dòng)、目標(biāo)回波信號(hào)同步采集和數(shù)據(jù)采集與分析等功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hug C.，Ullrich A.，Grimm A.Litemapper-5600-a waveform-digitizing LiDAR terrain and vegetation mapping system[J].International Archives of Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2004，36（Part8）：25-29.

[2]程華.激光雷達(dá)回波信號(hào)處理技術(shù)研究[D].成都：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，2015.

[3]駱社周.激光雷達(dá)遙感森林葉面積指數(shù)提取方法研究與應(yīng)用[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2012.

[4]趙明波，何峻，付強(qiáng).全波形激光雷達(dá)回波信號(hào)建模仿真與分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（06）：246-259.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（61701266）

作者簡介：陳瑞強(qiáng)（1983—），男，漢族，河北石家莊人，工學(xué)博士，淮陰工學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，主要從事光電技術(shù)研究。