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专利号: 2014100118874
申请人: 桂林理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统,其特征在于脉冲式N×N阵列激光雷达系统包括:控制子系统(1)、发射子系统(2)、接收子系统(3)和测距与强度获取子系统(4);控制子系统(1)包括:主控制器(101)、姿态测量模块(102)、全球定位系统即GPS接收机(103)、外部存储器(104)和显示器(105);发射子系统(2)包括:脉冲激光器(201)、准直透镜(202)、分光片(203)、光纤分束器(204)、发射透镜阵列(205)、全反射镜(206)和P-I-N结构二极管即PIN高速光电探测模块(207);接收子系统(3)包括:接收透镜(301)、光纤耦合阵列(302)和雪崩光电二极管即APD阵列探测器(303);测距与强度获取子系统(4)包括:跨阻放大模块(401)、增益可调放大模块(402)、宽带放大模块(403)、高速比较模块(404)、模拟数字即AD转换模块(405)、高精度时间间隔测量模块(406)、微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408);

主控制器(101)分别与姿态测量模块(102)、GPS接收机(103)、显示器(105)、外部存储器(104)、脉冲激光器(201)、PIN高速光电探测模块(207)、微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)相连;脉冲激光器(201)发出的激光先经过准直透镜(202),然后通过分光片(203)分为反射和透射两路激光,占小部分的反射激光通过全反镜(206)进入PIN高速光电探测模块(207),占大部分的透射激光经光纤分束器(204)进入发射透镜阵列(205)照射目标,PIN高速光电探测模块(207)输出的信号分成三路分别输入主控制器(101)、高精度时间间隔测量模块(406)和AD转换模块(405);目标反射回来的激光经接收透镜(301)聚焦进入光纤耦合阵列(302),光纤耦合阵列(302)分组输出多束激光信号耦合到APD阵列探测器(303)的各个光敏面单元上;APD阵列探测器(303)输出的信号进入跨阻放大模块(401),跨阻放大模块(401)输出的信号同时进入增益可调放大模块(402)和宽带放大模块(403);增益可调放大模块(402)输出的信号进入高速比较模块(404),高速比较模块(404)输出的信号进入高精度时间间隔测量模块(406),高精度时间间隔测量模块(406)由微控制器阵列B(408)控制,宽带放大模块(403)输出到AD转换模块(405),AD转换模块(405)由微控制器阵列A(407)实现控制;

主控制器(101),是本系统的控制核心;其主要工作有:读取GPS接收机(103)测得的位置信息;控制姿态测量模块(102)工作并读取其测出的姿态信息;触发脉冲激光器(201)定时发射脉冲激光;以中断方式接收微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)发送的强度、距离测量数据,并存储到外部存储器(104)中或通过显示器(105)进行显示;

脉冲激光器(201),用于发射脉冲激光,发射的脉冲激光进入准直透镜(202);

准直透镜(202),用于将所述的脉冲激光器(201)发出的脉冲激光进行准直;

分光片(203),用于将准直透镜(202)准直后的激光分为比例悬殊的透射和反射两部分,占大部分的透射激光进入光纤分束器(204),占小部分的反射激光进入全反射镜(206);

光纤分束器(204),用于将分光片透射的脉冲激光均匀分为N×N束激光,再输出到发射透镜阵列(205);

发射透镜阵列(205),用于将光纤分束器(204)分出的N×N束激光准直后发射对目标实施N×N点阵照明;

全反射镜(206),分光片(203)分出的反射激光投射到全反射镜(206),全反射镜(206)将投射的激光进行全反射使其进入PIN高速光电探测模块(207);

PIN高速光电探测模块(207),接收到全反射镜(206)反射的激光后进行光电转换并处理后输出数字信号,该数字信号同时进入高精度时间间隔测量模块(406)、AD转换模块(405)和主控制器(101),成为启动测距与强度获取子系统(4)工作的开始信号并表明激光发射时刻;

接收透镜(301),接收被发射透镜阵列(205)发射的N×N束激光点阵照明的目标所散射的多束激光回波,并将接收到的多束激光回波分别聚焦进入光纤耦合阵列(302);

光纤耦合阵列(302),将接收透镜(301)聚焦输入的N×N束激光回波由多组光纤束输出到APD阵列探测器(303),每组光纤束包含K×K束光纤;

APD阵列探测器(303),由多个K×K APD面阵模块构成;每组K×K束光纤输出端分别耦合到一个APD面阵模块的K×K个APD光敏面单元上,从而使光纤耦合阵列(302)的N×N束光纤输出端一一对应地耦合到APD阵列探测器(303)的N×N个光敏面单元上;APD阵列探测器(303)把光纤耦合阵列(302)输入的多束激光回波信号进行光电转换后并行输出最多达N×N路微弱电流信号到跨阻放大模块(401);

跨阻放大模块(401),用于将APD阵列探测器(303)输出的N×N 路微弱电流信号转换为N×N路电压信号,然后同时送入增益可调放大模块(402)和宽带放大模块(403);

宽带放大模块(403),用于将跨阻放大模块(401)转换输出的N×N路电压信号进行多路并行放大,输出放大后的N×N路电压信号进入AD转换模块(405);

AD转换模块(405),用于将宽带放大模块(403)放大后的N×N路电压信号进行AD转换,输出代表强度信息的N×N路数字信号,这些转换得到的数字信号由微控制器阵列A(407)读取,AD转换的启动信号来自所述的PIN高速光电探测模块(207);

微控制器阵列A(407),用于控制AD转换模块(405)执行模数转换,并将转换得到的代表强度信息的数字信号暂存到其内存中,然后上传到主控制器(101);

增益可调放大模块(402),用于将跨阻放大模块(401)输出的N×N路电压信号进行可调增益的并行放大,并将放大后的N×N路电压信号输入高速比较模块 (404);

高速比较模块 (404),将增益可调放大模块(402)输出的N×N路电压信号与参考电平比较,输出N×N个数字信号作为N×N路停止信号输入到高精度时间间隔测量模块(406);

高精度时间间隔测量模块(406),用于测量从收到PIN高速光电探测模块(207)输出的开始信号至收到高速比较模块(404)输出的N×N路停止信号的时间间隔,测量后最多并行输出N×N 个时间间隔测量数据,该数据由微控制器阵列B(408)读取;

微控制器阵列B(408),用于配置、控制所述的高精度时间间隔测量模块(406)执行测量,并读取代表N×N个目标测量点距离信息的N×N 个时间间隔测量值,再将测量值暂存到内存中,然后上传到主控制器(101);

GPS接收机(103),通过异步串行口与主控制器(101)相连,用于提供PPS即秒脉冲信号作为本系统的启动信号以及获取本系统的经纬度、高程和UTC即协调世界时时间信息;

姿态测量模块(102),通过异步串行口与主控制器(101)相连,用于获取本系统的航向角、俯仰角和侧滚角信息;

外部存储器(104),通过SPI即串行外设接口与主控制器(101)相连,用于存储主控制器(101)接收到的来自微控制器阵列A(407)和微控制器阵列B(408)的距离测量数据和强度测量数据,以及GPS接收机(103)和姿态测量模块(102)获取的信息,以及时间同步信息;

显示器(105),通过16位并行总线与主控制器(101)相连,对探测到的目标进行含灰度或伪彩色信息的三维可视化,并显示相关的控制、状态信息;

所述N×N,其中N≧10,所述K×K,其中K≧5,并且K