基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制电脑和第一GNSS模块，激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，本发明专利技术还公开了基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。本发明专利技术利用GNSS信号同步的激光雷达发射单元和激光雷达接收单元来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达领域，具体涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还涉及基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法。

技术介绍

[0002]激光雷达在大气探测中发挥着重要的作用。激光雷达通过发射模块向天空中发射激光脉冲，激光脉冲与大气中的物质相互作用后产生后向散射波并通过接收望远镜接收，然后通过光纤传输到检测模块经过检测处理后得到大气的密度、温度、风场等信息。
[0003]激光雷达是通过接收到回波信号的时延分辨来自不同高度的回波信号。设激光发出脉冲时，该时刻为t1，经过一段时间后，采集卡采集到回波信号，并记录下该时刻t2，接收到的回波信号对应的高度H则为：
[0004][0005]其中c为光速，除以2是因为信号在大气中传播了一个来回。由于无法直接得到回波信号的高度，只能通过上面的计算间接得到，所以必须确保时间t1为脉冲出激光器的时刻，t2为采集卡接收到回波信号的时刻。通常激光器一秒钟发出几十个脉冲，采集卡每次采集时间持续几百微秒。一秒钟内，激光雷达工作时间只有十毫秒左右。
[0006]现有激光雷达系统为了确保得到正确的时延，通过数据线将采集卡和激光器连接起来，激光器发出激光脉冲的同时会发出一个电信号通过数据线传输到采集卡，采集卡记录下接收到该信号的时间并开始采集回波信号。由于必须将发射和接收系统用数据线连接起来，而数据线长度有限，无法实现异地接收发射的同步。另外，如果需要探测同一地点高空大气的多种属性，需要多台激光雷达系统共同工作，而不同的激光雷达系统之间会形成串扰(一台激光雷达发出的光脉冲产生的回波信号进入另一台激光雷达，而不同的激光雷达系统需要不同的信号处理装置)。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对现有技术存在以上问题，提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，还提供基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用GNSS信号同步的激光雷达发射装置和激光雷达接收装置来控制脉冲激光的发射和回波信号的接收，并在此基础上解决了同一位置多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作时的信号串扰问题。本专利技术利用两个原子钟生成了两个高精度的时间表(时间精度在纳秒级)，并通过接收GNSS授时信号将两个高精度时间表同步，并利用控制电脑和脉冲发生器实现同步收发。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，激光雷达发射单元包括脉冲激光器、第一原子钟、第一时序控制器、第一控制
电脑和第一GNSS模块，第一时序控制器分别与第一原子钟、脉冲激光器、第一控制电脑以及第一GNSS模块连接，脉冲激光器出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，
[0010]激光雷达接收单元包括接收望远镜、第二原子钟、第二时序控制器、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置和第二GNSS模块，第二时序控制器分别与第二原子钟、第二控制电脑、激光雷达信号采集装置、以及第二GNSS模块连接，第二控制电脑与激光雷达信号采集装置连接，激光雷达信号采集装置通过接收望远镜采集回波信号。
[0011]基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，包括以下步骤：
[0012]步骤一：连接第一原子钟和第一时序控制器，然后连接第二原子钟和第二时序控制器；
[0013]步骤二：通过第一GNSS模块和第二GNSS模块接收GNSS卫星信号，第一GNSS模块每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第一时序控制器，第二GNSS模块每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第二时序控制器，
[0014]步骤三：第一时序控制器根据第一GNSS模块输出的GNSS秒脉冲信号和第一原子钟输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；第二时序控制器根据第二GNSS模块输出的GNSS秒脉冲信号和第二原子钟输出的时间信号，将内部时钟同步到GNSS秒脉冲信号；
[0015]步骤四：连接第一控制电脑和第一时序控制器，然后连接第二控制电脑和第二时序控制器，第一控制电脑的时间与第一时序控制器的内部时间同步，第二控制电脑与第二时序控制器的内部时间同步，用第一控制电脑和第二控制电脑设定所需的相同触发时刻和相同触发间隔，
[0016]步骤五：连接第一时序控制器和脉冲激光器，连接第二时序控制器和激光雷达信号采集装置，
[0017]步骤六：用第一控制电脑和第二控制电脑分别控制第一时序控制器和第二时序控制器在相同触发时刻和相同触发间隔发出触发信号，第一时序控制器发出的触发信号触发脉冲激光器发出脉冲激光，第二时序控制器发出的触发信号触发激光雷达信号采集装置开始采集回波信号，连接激光雷达信号采集装置和第二控制电脑，采集到的回波信号存储到第二控制电脑。
[0018]如上所述的基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置为多套，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的发射脉冲激光的时间错开，多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置之间的采集回波信号的时间错开。
[0019]本专利技术相对与现有技术，具有以下优势：
[0020]本专利技术实现了基于原子钟和GNSS信号的时间数据生成基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，可以用电脑精确控制脉冲激光的发射和回波信号的接收。本专利技术可以应用于大型车载激光雷达中，当激光雷达发射装置和激光雷达接收装置相隔较远，使用数据线连接不方便时，也可以实现同步收发，打破了激光雷达发射装置和激光雷达接收装置之间不能相隔太远的限制，可以实现异地接收和发射的同步控制。还可以实现同一地点多台基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置同时工作，且相互之间不形成串扰。
附图说明
[0021]图1为基于GNSS信号和原子钟所生成时序表的原理图；
[0022]图2为基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置的结构示意图，左侧表示激光雷达发射单元的结构示意图，右侧表示激光雷达接收单元的结构示意图，激光雷达发射单元和激光雷达接收单元均不包括卫星群。
[0023]图中：1
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脉冲激光器；2
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第一原子钟；3
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第一时序控制器；4
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第一控制电脑；5
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第一GNSS模块；6
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第一导航卫星群；7
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接收望远镜；8
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第二原子钟；9
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第二时序控制器；10
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第二控制电脑；11
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激光雷达信号采集装置；12
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第二GNSS模块；13
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第二导航卫星群；
[0024]图3为多套基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置工作时，回波信号与时间的关系图。
[0025]图中：14
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第一套基于GNSS信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，包括激光雷达发射单元和激光雷达接收单元，其特征在于，激光雷达发射单元包括脉冲激光器(1)、第一原子钟(2)、第一时序控制器(3)、第一控制电脑(4)和第一GNSS模块(5)，第一时序控制器(3)分别与第一原子钟(2)、脉冲激光器(1)、第一控制电脑(4)以及第一GNSS模块(5)连接，脉冲激光器(1)出射激光经扩束镜扩束后再经发射镜反射至天空，激光雷达接收单元包括接收望远镜(7)、第二原子钟(8)、第二时序控制器(9)、第二控制电脑(10)、激光雷达信号采集装置(11)和第二GNSS模块(12)，第二时序控制器(9)分别与第二原子钟(8)、第二控制电脑(10)、激光雷达信号采集装置(11)、以及第二GNSS模块(12)连接，第二控制电脑(10)与激光雷达信号采集装置(11)连接，激光雷达信号采集装置(11)通过接收望远镜(7)采集回波信号。2.基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制方法，利用上述权利要求1所述的基于GNSS信号的激光雷达的同步收发控制装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：连接第一原子钟(2)和第一时序控制器(3)，然后连接第二原子钟(8)和第二时序控制器(9)；步骤二：通过第一GNSS模块(5)和第二GNSS模块(12)接收GNSS卫星信号，第一GNSS模块(5)每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第一时序控制器(3)，第二GNSS模块(12)每秒输出一次GNSS秒脉冲信号到第二时序控制器(9)，步骤三：第一时序控制器(3)根据第一GNSS模块(5...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹宇阳，杨勇，郑金州，刘林美，林鑫，季凯俊，程学武，王积勤，李发泉，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：发明
国别省市：