本实用新型专利技术公开了一种面阵激光雷达测量装置。该测量装置包括位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统；位置和姿态测量子系统由全球定位系统即GPS接收机和姿态测量模块组成；主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成；面阵激光雷达测距子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、全反镜、扩束发射透镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、焦平面可调透镜、滤波片、雪崩光电二极管即APD阵列探测模块和多通道高精度时间间隔测量模块组成。本实用新型专利技术的激光雷达测量装置无需扫描，单脉冲即可三维成像，成像速度快，测量精度和工作效率高，体积小重量轻，适合低空轻小型遥感平台搭载。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术公开了一种面阵激光雷达测量装置。该测量装置包括位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统；位置和姿态测量子系统由全球定位系统即GPS接收机和姿态测量模块组成；主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成；面阵激光雷达测距子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、全反镜、扩束发射透镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、焦平面可调透镜、滤波片、雪崩光电二极管即APD阵列探测模块和多通道高精度时间间隔测量模块组成。本技术的激光雷达测量装置无需扫描，单脉冲即可三维成像，成像速度快，测量精度和工作效率高，体积小重量轻，适合低空轻小型遥感平台搭载。【专利说明】 一种面阵激光雷达测量装置
本技术涉及主动光学航空遥感载荷领域的激光雷达技术，尤其是一种适合低空轻小型遥感平台搭载的面阵激光雷达测量装置。
技术介绍
激光雷达测量是一种已迅速发展成为热点的主动光学遥感技术，为获取空间三维数据提供了重要手段，适用于目标探测、对地观测、城市建筑物三维建模、以及交通线路、电力线路、油气管道的勘察与规划等。激光雷达测量装置包括激光测距单元、位置姿态测量单元和主控制单元。它是由激光测距单元测得距离信息，再联合激光测距时刻位置姿态测量单元获取的位置和姿态信息解算出探测目标精确的三维坐标，从而实现三维成像。这三个单元在常规激光雷达测量装置中互相分离，每次使用需要进行组装、拆卸，每拆一次会引起参数发生改变，若希望采集到高精度的数据，在使用前需要重新检校。这种采用分立单元组合的方式不仅影响了使用效率，而且也导致整个激光雷达测量装置体积和重量增加，难以做到轻型化和小型化。激光测距单元是激光雷达测量装置的核心，它通过激光发射机发射一束激光照射目标物，然后由接收机将目标反射的回波信号转换为电信号，再经激光雷达处理机得到测量装置到目标物的距离值。传统激光测距单元采用单点发射、单点接收的方式，对激光器重频要求高，需要配合机械扫描装置才能成像，不仅体积大、功耗大，而且降低了成像速度，限制了它的应用范围。为了克服扫描式单点探测的不足，国际上开始研究面阵激光雷达测量装置，目前，主要米用ICCD (Intensified Charge-coupled Device)即像增强型电荷f禹合兀件面阵探测器进行三维成像。中国专利技术专利说明书CN101498786A和《光电工程》期刊2013年2月第40卷第2期“基于面阵探测器的凝视成像激光雷达”，都公开了 ICCD面阵探测器进行无扫描三维成像的研究，但这种方式存在一些不足，其一:I(XD面阵探测器不能直接获取距离信息，需要采用调制解调方式，且至少两幅强度图像才能计算出距离图像，导致数据处理量大，同时对处理器和存储空间要求很高；其二:由于采用调制解调方式，接收回波信号时必须使用附加高压调制电源的调制器，生成三维信息时又需要使用处理强度图像的解调器，这些额外器件致使该激光雷达测量装置实现复杂，且体积重量依然较大，难以做到轻小型；其三:上面期刊文献中得到的测距误差有0.6m，满足不了对距离精度要求较高的低空探测场合。APD (Avalanche Photo Diode)即雪崩光电二极管面阵探测器是由多个独立APD单元探测器集成的NXN Aro阵列探测器，其结构紧凑、体积小、重量轻。相比Aro单元探测器，可以实现无扫描激光探测，单脉冲即可三维成像；相比ICCD探测器，APD阵列探测器能直接获取三维信息，成像速度更快，并且系统结构简单。面阵激光测距相比单点激光测距方式，其发射的单脉冲激光需要照明较大的目标区域，进行远距离探测时要求单脉冲激光达到极高的峰值功率，这对激光器的研发提出了很高的要求，并会造成激光器体积、重量及成本增加。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决上面提出的现有激光雷达测量装置存在的问题，提供一种面阵激光雷达测量装置。本技术的测量装置无需扫描，单脉冲可三维成像，成像速度快，测量精度和工作效率高，而且体积重量显著减少，适合低空轻小型遥感平台搭载。本技术的面阵激光雷达测量装置从如下四个方面加以实现，其一:提出了基于NXN APD (N ^ 8)阵列探测器的面阵激光雷达测距方法，采用国际上最近研发的APD面阵探测器，通过直接探测方式，无需扫描装置，单脉冲能探测一个矩形区域的NXN个点，系统结构紧凑、成像速度快、探测效率高。其二:选用高分辨率计时芯片研制多通道高精度时间间隔测量模块，每次可并行测量激光往返飞行的N2路时差，根据激光测距公式即可算出探测区域上NXN个目标测量点的距离信息，经试验表明测距误差小于0.12m。其三:本技术的激光雷达测量装置把位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统三者集成于一体，减小了测量装置体积，免去了使用前组装及参数重新检校，提高了使用效率；其四:本技术立足于低空遥感应用，可以选择峰值功率不是很高的轻小型脉冲激光器作为光源，进一步减小了激光雷达测量装置的尺寸和重量。本技术的面阵激光雷达测量装置，包括位置姿态测量子系统、主控制子系统和面阵激光雷达测距子系统。位置姿态测量子系统由GPS (Global Positioning System)即全球定位系统接收机和姿态测量模块组成。 主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成。面阵激光雷达测距子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、全反镜、扩束发射透镜、PIN高速光电探测模块、接收透镜、焦平面可调透镜、滤波片、APD阵列探测模块和多通道高精度时间间隔测量模块 组成。GPS接收机用于提供PPS (pulses per second)即秒脉冲信号作为本测量装置的启动信号以及获取本测量装置的经纬度、高程和UTC (Coordinated Universal Time)即协调世界时时间信息；姿态测量模块用于获取本测量装置的航向角、俯仰角和侧滚角信息。微控制器作为本测量装置的控制中心，在PPS信号的触发下启动本测量装置工作，控制计时器计时，读取GPS接收机的位置信息，控制姿态测量模块工作并读取其姿态信息，触发脉冲激光发射模块发射激光，读取多通道高精度时间间隔测量模块时间数据再转化为距离信息，并把这三种信息加上时间同步标签保存在存储器；存储器为轻巧型大容量存储器，用于存储本测量装置采集的数据；计时器在微控制器收到PPS信号即开始计时，记录GPS接收机定位、姿态测量模块测姿、脉冲激光发射模块发射激光这三个时刻的时差，并把时差作为三者时间同步标签，以GPS提供的UTC时间为基准将它们采集的数据统一到UTC时间上，从而达到同步的目的。脉冲激光发射模块需要具备高功率、窄脉冲、输出频率可调的特性，作为本测量装置的发射光源，其工作波长需要与滤波片和APD阵列探测模块匹配；准直透镜和扩束发射透镜组成发射光学系统，接收透镜、焦平面可调透镜和滤波片组成接收光学系统，发射光学系统和接收光学系统采用光发射/接收平行光路结构的透射式望远镜方式；发射光学系统用于准直脉冲激光发射模块发射的激光束并扩束后照射到目标，准直后的激光发散角大小根据探测距离满足一次所需探测目标面积的要求确定；分光片和全反镜构成分光镜用于将准直后的激光分为分光比很大的两束激光；PIN高速光电探测模块探测分光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种面阵激光雷达测量装置，其特征在于面阵激光雷达测量装置包括位置姿态测量子系统（1）、主控制子系统（2）和面阵激光雷达测距子系统（3）；位置和姿态测量子系统（1）由全球定位系统即GPS接收机（101）和姿态测量模块（102）组成，GPS接收机（101）和姿态测量模块（102）分别通过RS232串行接口与微控制器（201）连接进行通信，GPS接收机（101）的秒脉冲信号输出接口与微控制器（201）连接作为本测量装置的启动信号；主控制子系统（2）由微控制器（201）、计时器（202）和存储器（203）组成，计时器（202）和存储器（203）均与微控制器（201）连接；面阵激光雷达测距子系统(3)由脉冲激光发射模块（301）、准直透镜（302）、分光片（303）、全反镜（304）、扩束发射透镜（305）、PIN高速光电探测模块（306）、接收透镜（307）、焦平面可调透镜（308）、滤波片（309）、雪崩光电二极管即APD阵列探测模块（310）和多通道高精度时间间隔测量模块（311）组成，微控制器（201）的脉冲激光触发信号输出接口与脉冲激光发射模块（301）连接；脉冲激光发射模块（301）发出的激光经过准直透镜（302）然后通过分光片（303）产生两路激光信号，反射的小部分激光通过全反镜（304）进入PIN高速光电探测模块（306），透射的大部分激光经扩束发射透镜（305）照射目标，目标反射回来的激光经接收透镜（307）聚焦到焦平面可调透镜（308），然后通过滤波片（309）会聚到APD阵列探测模块（310）；PIN高速光电探测模块（306）输出的信号分成两路分别输入微控制器（201）和多通道高精度时间间隔测量模块（311）的START端，APD阵列探测模块（310）产生的N2路停止信号，分别输入多通道高精度时间间隔测量模块（311）的N2个STOP端；多通道高精度时间间隔测量模块（311）得到的N2路时间数据通过通用串行总线即USB接口传输到微控制器（201）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：周国清，周祥，农学勤，杨小平，张飙，杨春桃，马建军，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：实用新型
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。