一種n×n陣列激光雷達(dá)裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種N×N陣列激光雷達(dá)裝置。包括主控制器、姿態(tài)測量模塊、GPS接收機(jī)、外部存儲器、顯示器、脈沖激光器、準(zhǔn)直透鏡、分光片、光纖分束器、發(fā)射透鏡陣列、全反射鏡、PIN高速光電探測模塊、接收透鏡、光纖耦合陣列、雪崩光電二極管即APD陣列探測器、跨阻放大模塊、增益可調(diào)放大模塊、高速比較模塊、高精度時間間隔測量模塊、寬帶放大模塊、模擬數(shù)字即AD轉(zhuǎn)換模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B。本實用新型脈沖激光點(diǎn)陣照明目標(biāo)，發(fā)射功率利用充分；瞬間同步獲取距離、強(qiáng)度信息；多個APD面陣芯片構(gòu)成APD陣列探測器提高了分辨率；無掃描裝置顯著降低光學(xué)設(shè)計復(fù)雜度；使用光纖耦合陣列有效減少視場外環(huán)境光、雜散光進(jìn)入APD陣列探測器。
【專利說明】一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及主動光學(xué)航空遙感載荷領(lǐng)域的激光雷達(dá)技術(shù)，特別是一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光雷達(dá)測量是一種已迅速發(fā)展成為熱點(diǎn)的主動光學(xué)遙感技術(shù)，為獲取空間三維數(shù)據(jù)提供了重要手段，單點(diǎn)掃描激光雷達(dá)已發(fā)展成為商業(yè)化的產(chǎn)品，其主要缺點(diǎn)在于:對激光器重復(fù)頻率要求高，需要掃描裝置，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，功耗大，成像速度低。
[0003]90年代后發(fā)達(dá)國家開始研發(fā)面陣激光雷達(dá)，探測器主要采用ICXD (增強(qiáng)型電荷耦合器件)和APD (雪崩光電二極管)兩種類型。國內(nèi)由于光電探測材料和工藝水平等支撐基礎(chǔ)比較薄弱，因此在面陣激光雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】的研究還處于起步階段，進(jìn)展緩慢。
[0004]ICCD面陣探測器是基于獲取高分辨率二維圖像目的而研制的，申請?zhí)枮?00910071450.9的發(fā)明和《光電工程》期刊2013年2月第40卷第2期“基于面陣探測器的凝視成像激光雷達(dá)”，都公開了 ICCD面陣探測器進(jìn)行無掃描三維成像的研究，其缺點(diǎn)在于:必須采用復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)方式通過多幅強(qiáng)度圖像融合才能間接得到一幅距離圖像，精度不高，運(yùn)算量大，無法瞬間獲取目標(biāo)距離信息，且只限于至多幾百米的近距離探測，還要求很大的激光發(fā)射功率。
[0005]基于APD探測器的面陣激光雷達(dá)研究方面，一種方式是采用分立的單點(diǎn)APD組合成面陣進(jìn)行探測，另一種方式則采用APD面陣芯片進(jìn)行探測。長春理工大學(xué)博士論文“激光雷達(dá)模擬樣機(jī)系統(tǒng)與實驗研究”中設(shè)計了 2X2 APD陣列接收模塊，由4個透鏡分別接收激光回波信號，然后分別耦合進(jìn)4根光纖，光纖輸出分別進(jìn)入4個獨(dú)立的APD單元，然后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、測距等處理。這種結(jié)構(gòu)由I個接收透鏡，I根光纖和I個APD構(gòu)成2X2 APD陣列接收系統(tǒng)的一個接收單元，當(dāng)要求陣列像素較多時，必然造成體積龐大，加工、調(diào)試?yán)щy，一致性差等諸多問題。申請?zhí)枮?01310323433.6的發(fā)明公開了一種低空輕小型面陣激光雷達(dá)測量系統(tǒng)，采用了 一片APD面陣芯片，探測器的分辨率不高，而且沒有獲取強(qiáng)度信息，但該系統(tǒng)主要適用于載荷空間、重量受限的低空輕小型遙感平臺工作。浙江大學(xué)博士論文“基于達(dá)曼光柵的點(diǎn)陣照明成像激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究”為了降低激光發(fā)射功率采用達(dá)曼光柵實現(xiàn)對激光分束后對目標(biāo)實施點(diǎn)陣照明，其缺點(diǎn)在于達(dá)曼光柵價格昂貴。
[0006]總之，現(xiàn)有技術(shù)的缺陷主要體現(xiàn)在:ICCD系統(tǒng)需要很大的激光發(fā)射功率對目標(biāo)實施泛光照明，探測距離小，不能瞬間獲取距離信息，處理電路和算法復(fù)雜，體積、重量較大，不適合高速、高精度機(jī)載三維成像應(yīng)用場合。點(diǎn)掃描APD探測器對激光器重復(fù)頻率要求高，需要掃描裝置，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計難度大。采用單點(diǎn)APD組合的APD面陣均采用分立元件，若用其構(gòu)成更高分辨率的APD陣列，必然出現(xiàn)體積龐大，加工、調(diào)試?yán)щy，一致性差等諸多問題。采用一片APD面陣芯片的測量系統(tǒng)，分辨率偏低，不適合分辨率要求較高的應(yīng)用場合。采用達(dá)曼光柵對發(fā)射激光均勻分束，雖然可以減小激光發(fā)射功率，但達(dá)曼光柵價格昂貴。此外，上述激光雷達(dá)系統(tǒng)都沒有同步采集激光散射回波強(qiáng)度信息和距離信息。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實用新型的目的是為了解決上述激光雷達(dá)系統(tǒng)存在的問題，提供一種采用脈沖激光點(diǎn)陣照明目標(biāo)，多個Aro面陣芯片構(gòu)成Aro陣列探測器接收激光回波，具有激光發(fā)射功率利用充分，瞬間同步獲取距離和強(qiáng)度信息，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度低，分辨率高等特點(diǎn)的NXN陣列激光雷達(dá)裝置。
[0008]本實用新型是這樣實現(xiàn)的:一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置包括控制子系統(tǒng)、發(fā)射子系統(tǒng)、接收子系統(tǒng)和測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)?？刂谱酉到y(tǒng)包括:主控制器、姿態(tài)測量模塊、GPS (全球定位系統(tǒng))接收機(jī)、外部存儲器和顯示器。發(fā)射子系統(tǒng)包括:脈沖激光器、準(zhǔn)直透鏡、分光片、光纖分束器、發(fā)射透鏡陣列、全反射鏡和PIN (P-1-N結(jié)構(gòu)二極管)高速光電探測模塊。接收子系統(tǒng)包括:接收透鏡、光纖耦合陣列和Aro陣列探測器。測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)包括:跨阻放大模塊、增益可調(diào)放大模塊、寬帶放大模塊、高速比較模塊、AD (模擬數(shù)字)轉(zhuǎn)換模塊、高精度時間間隔測量模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B。
[0009]主控制器分別與姿態(tài)測量模塊、GPS接收機(jī)、顯示器、外部存儲器、脈沖激光器、PIN高速光電探測模塊、微控制器陣列A和微控制器陣列B相連。脈沖激光器發(fā)出的激光先經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡然后通過分光片分為反射和透射兩路激光，占小部分的反射激光通過全反鏡進(jìn)入PIN高速光電探測模塊，占大部分的透射激光經(jīng)光纖分束器進(jìn)入發(fā)射透鏡陣列照射目標(biāo)，PIN高速光電探測模塊輸出的信號分成三路分別輸入主控制器、高精度時間間隔測量模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊；目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡聚焦進(jìn)入光纖耦合陣列，光纖耦合陣列分組輸出多束激光信號耦合到APD陣列探測器的各個光敏面單元上；APD陣列探測器輸出的信號進(jìn)入跨阻放大模塊，跨阻放大模塊輸出的信號同時進(jìn)入增益可調(diào)放大模塊和寬帶放大模塊；增益可調(diào)放大模塊輸出的信號進(jìn)入高速比較模塊，高速比較模塊輸出的信號進(jìn)入高精度時間間隔測量模塊，高精度時間間隔測量模塊由微控制器陣列B控制，寬帶放大模塊輸出到AD轉(zhuǎn)換模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊由微控制器陣列A實現(xiàn)控制。
[0010]主控制器，是本裝置的控制核心。其主要工作有:讀取GPS接收機(jī)測得的位置信息；控制姿態(tài)測量模塊工作并讀取其測出的姿態(tài)信息；觸發(fā)脈沖激光器定時發(fā)射脈沖激光；以中斷方式接收微控制器陣列A和微控制器陣列B發(fā)送的強(qiáng)度、距離測量數(shù)據(jù)，并存儲到外部存儲器中或通過所述的顯示器進(jìn)行顯示。
[0011]脈沖激光器，用于發(fā)射脈沖激光，發(fā)射的脈沖激光進(jìn)入準(zhǔn)直透鏡。
[0012]準(zhǔn)直透鏡，用于將脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光進(jìn)行準(zhǔn)直。
[0013]分光片，用于將準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后的激光分為比例懸殊的透射和反射兩部分，占大部分的透射激光進(jìn)入光纖分束器，占小部分的反射激光進(jìn)入全反射鏡。
[0014]光纖分束器，用于將分光片透射的脈沖激光均勻分為NXN束激光，再輸出到發(fā)射透鏡陣列。
[0015]發(fā)射透鏡陣列，用于將光纖分束器分出的NXN束激光準(zhǔn)直后發(fā)射對目標(biāo)實施NXN點(diǎn)陣照明。
[0016]全反射鏡，分光片分出的反射激光投射到全反射鏡，全反射鏡將投射的激光進(jìn)行全反射使其進(jìn)入PIN高速光電探測模塊。
[0017]PIN高速光電探測模塊，接收到全反射鏡反射的激光后進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并處理后輸出數(shù)字信號，該數(shù)字信號同時進(jìn)入高精度時間間隔測量模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊和主控制器，成為啟動測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)工作的開始信號并表明激光發(fā)射時刻；
[0018]接收透鏡，接收被發(fā)射透鏡陣列發(fā)射的NXN束激光點(diǎn)陣照明的目標(biāo)所散射的多束激光回波，并將接收到的多束激光回波分別聚焦進(jìn)入光纖耦合陣列。
[0019]光纖耦合陣列，將接收透鏡聚焦輸入的多束(最多NXN束)激光回波由多組光纖束輸出到APD陣列探測器，每組光纖束包含KXK束光纖。
[0020]Aro陣列探測器，由多個KXK APD面陣芯片構(gòu)成。每組KXK束光纖輸出端分別耦合到一個APD面陣芯片的KXK個APD光敏面單元上，從而使光纖耦合陣列的NXN束光纖輸出端一一對應(yīng)地耦合到APD陣列探測器的NXN個光敏面單元上。APD陣列探測器把光纖耦合陣列輸入的多束(最多NXN束)激光回波信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后并行輸出最多達(dá)NXN路微弱電流信號到跨阻放大模塊。
[0021]跨阻放大模塊，用于將APD陣列探測器輸出的NXN路微弱電流信號轉(zhuǎn)換為NXN路電壓信號，然后同時送入增益可調(diào)放大模塊和寬帶放大模塊。
[0022]寬帶放大模塊，用于將所述的跨阻放大模塊轉(zhuǎn)換輸出的NXN路電壓信號進(jìn)行多路并行放大，輸出放大后的NXN路電壓信號進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊。
[0023]AD轉(zhuǎn)換模塊，用于將寬帶放大模塊放大后的N X N路電壓信號同時進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，輸出代表NXN個目標(biāo)測量點(diǎn)強(qiáng)度信息的NXN路數(shù)字信號，這些轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號由微控制器陣列A讀取，AD轉(zhuǎn)換的啟動信號來自PIN高速光電探測模塊。
[0024]微控制器陣列A，用于控制AD轉(zhuǎn)換模塊執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的代表強(qiáng)度信息的數(shù)字信號暫存到其內(nèi)存中，然后上傳到主控制器。
[0025]增益可調(diào)放大模塊，用于將跨阻放大模塊輸出的NXN路電壓信號進(jìn)行可調(diào)增益的并行放大，并將放大后的NXN路電壓信號輸入高速比較模塊。
[0026]高速比較模塊，將增益可調(diào)放大模塊輸出的NXN路電壓信號與參考電平比較，輸出NXN個數(shù)字信號作為NXN路停止信號輸入到高精度時間間隔測量模塊。
[0027]高精度時間間隔測量模塊，用于測量從收到PIN高速光電探測模塊輸出的開始信號至收到高速比較模塊輸出的NXN路停止信號的時間間隔，測量后最多并行輸出NXN個時間間隔測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由微控制器陣列B讀取。
[0028]微控制器陣列B，用于配置、控制高精度時間間隔測量模塊執(zhí)行測量，并讀取代表NXN個目標(biāo)測量點(diǎn)距離信息的NXN個時間間隔測量值，再將測量值暫存到內(nèi)存中，然后上傳到主控制器。
[0029]GPS接收機(jī)，通過異步串行口與主控制器相連，用于提供PPS (秒脈沖)信號作為本裝置的啟動信號以及獲取本裝置的經(jīng)緯度、高程和UTC (協(xié)調(diào)世界時)時間信息。
[0030]姿態(tài)測量模塊，通過異步串行口與主控制器相連，用于獲取本裝置的航向角、俯仰角和側(cè)滾角信息；
[0031]外部存儲器，通過SPI (串行外設(shè)接口)與主控制器相連，用于存儲主控制器接收到的來自微控制器陣列A和微控制器陣列B的強(qiáng)度測量數(shù)據(jù)和距離測量數(shù)據(jù)，以及GPS接收機(jī)和姿態(tài)測量模塊獲取的信息和時間同步信息。
[0032]顯示器，通過16位并行總線與主控制器相連，對探測到的目標(biāo)進(jìn)行含灰度或偽彩色信息的三維可視化，并顯示相關(guān)的控制、狀態(tài)信息。[0033]所述NXN，其中N ^ 10，所述KXK，其中K ^ 5，并且Κ〈Ν。
[0034]本實用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0035]I)發(fā)射的脈沖激光經(jīng)光纖分束器均勻分為NXN束后經(jīng)發(fā)射透鏡陣列對目標(biāo)實施點(diǎn)陣照明，可實現(xiàn)把泛光照明的整體能量集中到有限的NXN點(diǎn)陣上，使發(fā)射激光能量能夠更加集中、有效地利用，相比同等發(fā)射功率下的泛光照明其探測距離提高20%。
[0036]2)采用多個KXK APD面陣芯片構(gòu)成NXN AH)陣列探測器，提高了探測分辨率，對激光器重復(fù)頻率要求低，無需掃描裝置，降低了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度，簡化了電路處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了整機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性。
[0037]3)被脈沖激光點(diǎn)陣照明的目標(biāo)所產(chǎn)生的激光散射回波信號由接收透鏡聚焦后，再經(jīng)光纖耦合陣列輸入到Aro陣列探測器的NXN個Aro光敏面單元上，有效減少了視場外環(huán)境光、雜散光進(jìn)入APD陣列探測器。
[0038]4)實現(xiàn)了單脈沖激光發(fā)射瞬間同步獲取NXN通道的距離信息和強(qiáng)度信息。
[0039]5)采用增益可調(diào)放大模塊解決了因探測距離不同引起的激光回波脈沖時間游走問題，采用多通道高精度計時技術(shù)對NXN通道時間間隔并行精確測量，實現(xiàn)了距離測量誤K 0.lm。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本實用新型一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0041]圖中標(biāo)記:1-控制子系統(tǒng)；101-主控制器；102-姿態(tài)測量模塊；103_GPS接收機(jī)；104-外部存儲器；105_顯示器；
[0042]2-發(fā)射子系統(tǒng)；201_脈沖激光器；202_準(zhǔn)直透鏡；203_分光片；204_光纖分束器；205-發(fā)射透鏡陣列；206_全反射鏡；207-PIN高速光電探測模塊；
[0043]3-接收子系統(tǒng)；301_接收透鏡；302_光纖耦合陣列；303_APD陣列探測器；
[0044]4-測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)；401_跨阻放大模塊；402_增益可調(diào)放大模塊；403_寬帶放大模塊；404-高速比較模塊；405-AD轉(zhuǎn)換模塊；406-高精度時間間隔測量模塊；407-微控制器陣列A ；408-微控制器陣列B。
[0045]圖2為本實用新型控制子系統(tǒng)工作流程圖。
[0046]圖3為本實用新型發(fā)射子系統(tǒng)工作流程圖。
[0047]圖4為本實用新型接收子系統(tǒng)工作流程圖。
[0048]圖5為本實用新型測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)工作流程圖。
【具體實施方式】
[0049]實施例:
[0050]如圖1所示，一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置由控制子系統(tǒng)1、發(fā)射子系統(tǒng)2、接收子系統(tǒng)3和測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4構(gòu)成。控制子系統(tǒng)I包括:主控制器101、姿態(tài)測量模塊102、GPS接收機(jī)103、外部存儲器104和顯示器105。發(fā)射子系統(tǒng)2包括:脈沖激光器201、準(zhǔn)直透鏡202、分光片203、光纖分束器204、發(fā)射透鏡陣列205、全反射鏡206和PIN高速光電探測模塊207。接收子系統(tǒng)3包括:接收透鏡301、光纖耦合陣列302和APD陣列探測器303。測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4包括:跨阻放大模塊401、增益可調(diào)放大模塊402、寬帶放大模塊403、高速比較模塊404、AD轉(zhuǎn)換模塊405、高精度時間間隔測量模塊406、微控制器陣列A407和微控制器陣列B408。
[0051]主控制器101分別與姿態(tài)測量模塊102、GPS接收機(jī)103、外部存儲器104、顯示器105、脈沖激光器201、PIN高速光電探測模塊207、微控制器陣列A407和微控制器陣列B408相連。脈沖激光器201發(fā)出的激光先經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡202，然后通過分光片203分為反射和透射兩路激光，反射的小部分激光通過全反鏡206進(jìn)入PIN高速光電探測模塊207，透射的大部分激光經(jīng)光纖分束器204進(jìn)入發(fā)射透鏡陣列205照射目標(biāo)，PIN高速光電探測模塊207輸出的信號分成三路分別輸入主控制器101、高精度時間間隔測量模塊406和AD轉(zhuǎn)換模塊405 ；目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡301聚焦進(jìn)入光纖耦合陣列302，光纖耦合陣列302分組輸出多束激光信號耦合到APD陣列探測器303的各個光敏面單元上；APD陣列探測器303輸出的信號進(jìn)入跨阻放大模塊401，跨阻放大模塊401輸出的信號同時進(jìn)入增益可調(diào)放大模塊402和寬帶放大模塊403 ;增益可調(diào)放大模塊402輸出的信號進(jìn)入高速比較模塊404，高速比較模塊404輸出的信號進(jìn)入高精度時間間隔測量模塊406，高精度時間間隔測量模塊406由微控制器陣列B408控制，寬帶放大模塊403輸出到AD轉(zhuǎn)換模塊405，AD轉(zhuǎn)換模塊405由微控制器陣列A407實現(xiàn)控制。
[0052]控制子系統(tǒng)I中GPS接收機(jī)103用于提供PPS (秒脈沖)信號作為本實施例裝置的啟動信號以及獲取本裝置的經(jīng)緯度、高程和UTC (協(xié)調(diào)世界時)時間信息；姿態(tài)測量模塊102用于獲取本裝置的航向角、俯仰角和側(cè)滾角信息。主控制器101是本實施例裝置的控制核心。
[0053]圖2為控制子系統(tǒng)I工作流程圖。該流程圖開始于步驟S201。
[0054]在步驟S202，GPS接收機(jī)103的PPS信號觸發(fā)主控制器101內(nèi)置32位計時器開始計時以啟動本裝置工作。
[0055]在步驟S203，主控制器101讀取GPS接收機(jī)103的位置信息。
[0056]在步驟S204，主控制器101控制姿態(tài)測量模塊102工作并讀取其姿態(tài)信息。
[0057]在步驟S205，主控制器101觸發(fā)發(fā)射子系統(tǒng)2中激光器201發(fā)射脈沖激光照明目標(biāo)。
[0058]在步驟S206，主控制器101以中斷方式接收測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4采集、測量并轉(zhuǎn)換得到的強(qiáng)度信息和距離信息。
[0059]在步驟S207，主控制器101將位置信息、姿態(tài)信息、強(qiáng)度信息、距離信息和時間同步標(biāo)簽信息保存到外部存儲器104中，所述的時間同步標(biāo)簽信息把三個時刻統(tǒng)一到GPS接收機(jī)103提供的UTC時間上，從而實現(xiàn)同步。所述的三個時刻是:GPS接收機(jī)103測出位置的時刻、姿態(tài)測量模塊102測出姿態(tài)的時刻、收到PIN高速光電探測模塊207發(fā)出脈沖的時亥Ij (即脈沖激光器201發(fā)射激光的時刻)。
[0060]控制子系統(tǒng)I工作流程結(jié)束于步驟S208。
[0061]本實施例中GPS接收機(jī)103采用加拿大NovAtel公司0EMV-2型號的差分GPS接收機(jī)，水平位置精度為0.45m，更新頻率達(dá)到50Hz，使用RS232串行接口和主控制器101通信。所述的姿態(tài)測量模塊102，采用IMU (慣性測量單元)獲取本裝置姿態(tài)信息，數(shù)據(jù)更新頻率可達(dá)100Hz，在GPS接收機(jī)103的輔助下采用公知技術(shù)可保證MU獲取的三個姿態(tài)角誤差小于0.08°，IMU使用RS232串行接口和主控制器101通信。所述的主控制器101作為本裝置的控制中心，采用意法半導(dǎo)體公司的ARM STM32高表現(xiàn)型低功耗產(chǎn)品，時鐘頻率高達(dá)120MHz，通信接口多達(dá)15個，含USB (通用串行總線)接口和以太網(wǎng)接口，內(nèi)置閃存容量可達(dá)IMHz且能輕松擴(kuò)展存儲容量。所述的外部存儲器104為輕巧型大容量存儲器，用于存儲本裝置采集的數(shù)據(jù)，本實施例裝置采用SD卡(安全數(shù)碼卡)，其重量只有1.5g，容量達(dá)32GB，存取速度高達(dá)30MB/s。
[0062]發(fā)射子系統(tǒng)2由脈沖激光器201、準(zhǔn)直透鏡202、分光片203、光纖分束器204、發(fā)射透鏡陣列205、全反鏡206和PIN高速光電探測模塊207構(gòu)成。圖3為發(fā)射子系統(tǒng)2工作流程圖。該流程圖開始于步驟S301。
[0063]在步驟S302，主控制器101觸發(fā)脈沖激光器201發(fā)射激光，脈沖激光器201作為照明光源具備高峰值功率、窄脈沖、輸出頻率可調(diào)的特性，其工作波長與本接收子系統(tǒng)3中APD陣列探測器303峰值響應(yīng)波長匹配，本實施例中采用Solar LS公司鈦寶石可調(diào)諧激光器LX329，調(diào)諧范圍700nm-980nm，脈沖寬度7ns，峰值功率750kW，重復(fù)頻率IOOHz內(nèi)可調(diào)。
[0064]在步驟S303，準(zhǔn)直透鏡202用于準(zhǔn)直脈沖激光器發(fā)射的激光束，本實施例中為提高發(fā)射效率準(zhǔn)直透鏡202和發(fā)射透鏡陣列205均鍍905nm增透膜。
[0065]在步驟S304，分光片203將準(zhǔn)直后的激光分為比例懸殊的透射和反射兩部分激光，反射激光占小部分，透射激光占大部分。
[0066]在步驟S305，分光片203分出的大部分激光進(jìn)入光纖分束器204。
[0067]在步驟S306，光纖分束器204為兩級I分16分束器，將入射激光分為256束激光，分出的每束激光都對準(zhǔn)發(fā)射透鏡陣列205中的一個小透鏡，所述的發(fā)射透鏡陣列由16 X 16=256個小透鏡構(gòu)成。
[0068]在步驟S307，所述的256束激光經(jīng)發(fā)射透鏡陣列205中的256個小透鏡分別準(zhǔn)直后出射，對目標(biāo)實施16X16點(diǎn)陣照明。所述的點(diǎn)陣照明把泛光照明的整體能量集中到有限的16X16點(diǎn)陣上，使發(fā)射激光能量利用充分，經(jīng)試驗測定，相比同等發(fā)射功率下的泛光照明探測距離可提高20%。
[0069]在步驟S308，分光片203分出的小部分激光投射到全反射鏡206上。
[0070]在步驟S309，全反射鏡206將激光反射進(jìn)入PIN高速光電探測模塊207，本實施例中采用中電科44所的GT106高速PIN光電二極管作為所述PIN高速光電探測模塊207的光電探測器。
[0071 ] 在步驟S310，高速PIN光電二極管對入射激光進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，再由PIN高速光電探測模塊207內(nèi)部的跨阻放大電路和高速比較電路處理，最終入射激光被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出，該數(shù)字信號分為三路同時輸出，第一路啟動高精度時間間隔測量模塊406，第二路啟動AD轉(zhuǎn)換模塊405，第三路送至主控制器101，用以表明激光發(fā)射時刻。
[0072]發(fā)射子系統(tǒng)2工作流程結(jié)束于步驟S311。
[0073]接收子系統(tǒng)3由接收透鏡301，光纖耦合陣列302和APD陣列探測器303構(gòu)成。圖4為接收子系統(tǒng)3工作流程圖。該流程圖開始于步驟S401。
[0074]在步驟S402，從目標(biāo)漫反射回來的激光后向散射波進(jìn)入接收透鏡301，本實施例中接收透鏡采用非球面透鏡，為提高接收效率接收透鏡鍍905nm增透膜。
[0075]在步驟S403，接收透鏡301將激光回波聚焦進(jìn)入16 X 16光纖耦合陣列302，并保證回波信號剛好完全覆蓋光纖耦合陣列302端面，本實施例中光纖耦合陣列包含16 X 16路光纖。
[0076]在步驟S404，光纖耦合陣列302將16X 16路光纖分為4組8X8路輸出，每組8X8=64路光纖輸出耦合到一個8X8 APD面陣芯片的64個光敏面單元上，APD光敏面單元大小為205um，間距320um，所述的光纖耦合陣列采用特制光纖，其參數(shù)根據(jù)耦合效率、接收視場角、光信號串?dāng)_等因素進(jìn)行確定。采用光纖耦合陣列的優(yōu)點(diǎn)在于有效減少了視場外環(huán)境光和雜散光進(jìn)入APD陣列探測器，并可使16 X 16 APD陣列探測器303上的256個APD單元精確對準(zhǔn)來自探測目標(biāo)反射的256路激光回波。本實施例中，APD陣列探測器303含有16X16=256個APD單元，采用4片德國First Sensor公司生產(chǎn)的8X8 APD面陣芯片組合構(gòu)成(即APD面陣芯片1，APD面陣芯片2，APD面陣芯片3和AI3D面陣芯片4構(gòu)成16X16APD陣列探測器303)。本實施例中使用的APD面陣芯片在905nm響應(yīng)度達(dá)到60A/W，其擊穿電壓為200V。電路設(shè)計時由5V電源升壓獲得雪崩效應(yīng)所需的偏置高壓，而且該偏置高壓和高速比較模塊404所需的參考電平均設(shè)計為可調(diào)節(jié)。
[0077]接收子系統(tǒng)3工作流程結(jié)束于步驟S405。
[0078]測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4由跨阻放大模塊401，增益可調(diào)放大模塊402，寬帶放大模塊403，高速比較模塊404，AD轉(zhuǎn)換模塊405，高精度時間間隔測量模塊406，微控制器陣列A407和微控制器陣列B408構(gòu)成。
[0079]圖5為測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4工作流程圖。該流程圖開始于步驟S501。
[0080]在步驟S502，APD陣列探測器303光電轉(zhuǎn)換后輸出的16 X 16=256路微弱電流信號進(jìn)入跨阻放大模塊401中，跨阻放大模塊401由4組64路跨阻放大電路組成，其作用是把256路電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后同時輸出到下級增益可調(diào)放大模塊402和寬帶放大模塊403中。本實施例中跨阻放大模塊401中的跨阻放大器使用飛利浦公司的NE5210，它具有低噪聲、高帶寬、跨阻適中、差分輸出等優(yōu)點(diǎn)。
[0081]在步驟S503，跨阻放大模塊401輸出的電壓信號進(jìn)入增益可調(diào)放大模塊402并行放大，增益可調(diào)放大模塊402由4組64路增益可調(diào)放大電路組成。由于跨阻放大器NE5210輸出的電壓信號正比于APD輸出的電流信號，而APD輸出的電流信號又與目標(biāo)物到APD的距離成平方反比，從而造成跨阻放大器輸出電壓有較大動態(tài)范圍，因此跨阻放大模塊401后續(xù)電路設(shè)計為增益可調(diào)放大電路，以此保證距離測量系統(tǒng)的精度，即:距離較遠(yuǎn)時電路增益變大，距離較近時增益變小，使得經(jīng)過此電路放大輸出的電壓信號基本不隨距離變化，從而解決了因探測距離不同引起的激光回波脈沖時間游走問題。本實施例中增益可調(diào)放大器選用亞德諾公司寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益的AD8330芯片，其增益控制電壓Vg與輸出信號大小成反比，可實現(xiàn)增益自動控制功能。
[0082]在步驟S504，增益可調(diào)放大模塊402輸出的信號進(jìn)入高速比較模塊404，高速比較模塊404由4組64路高速比較電路組成，通過與預(yù)設(shè)參考電壓比較后，高速比較模塊404輸出的數(shù)字信號作為停止信號輸入到高精度時間間隔測量模塊406中。本實施例中高速比較器采用德州儀器公司的單端輸入單端輸出的比較器LMV7219，其上升和下降時間為1.3ns,軌到軌輸出，很適合前沿定時。
[0083]在步驟S505，高精度時間間隔測量模塊406用于測量激光發(fā)射時刻至接收到停止信號的時間間隔，該模塊可并行測量16X 16=256路激光飛行時間，從而獲取256路距離信息。本實施例中，高精度時間間隔測量模塊406采用德國acam公司計時分辨率81皮秒的8通道TDC-GPX芯片，共使用32片。微控制器陣列B408由8片ARM STM32系列微處理器芯片組成，每片ARM STM32系列微處理器控制4片TDC-GPX芯片。TDC-GPX芯片的配置及測量過程都在微控制器陣列B408控制下完成，時間間隔測量數(shù)據(jù)由TDC-GPX芯片輸出到外部28位數(shù)據(jù)總線上以供微控制器陣列B408讀取。
[0084]在步驟S506，微控制器陣列B408將距離信息測量數(shù)據(jù)以DMA方式通過10M/100M以太網(wǎng)接口或USB接口上傳給控制子系統(tǒng)I中的主控制器101。
[0085]在步驟S507，跨阻放大模塊401輸出的256路電壓信號進(jìn)入寬帶放大模塊403的256路寬帶放大電路并行放大，寬帶放大模塊403分為4組，每組由64路寬帶放大電路組成。本實施例中寬帶放大模塊403采用亞德諾公司的ADL5565放大器，該放大器支持差分輸入，能夠匹配跨阻放大模塊401中的NE5210放大器。
[0086]在步驟S508，寬帶放大模塊403輸出的信號進(jìn)入AD轉(zhuǎn)換模塊405，AD轉(zhuǎn)換模塊405由4組64路AD轉(zhuǎn)換電路組成，微控制器陣列A407控制AD轉(zhuǎn)換模塊405并行轉(zhuǎn)換，并且微控制器陣列A407負(fù)責(zé)讀取并暫存轉(zhuǎn)換得到的代表回波強(qiáng)度信息的數(shù)字量。
[0087]在步驟S509，微控制器陣列A407將強(qiáng)度信息測量數(shù)據(jù)以DMA方式通過10M/100M以太網(wǎng)接口或USB接口上傳到控制子系統(tǒng)I中的主控制器101。本實施例中，微控制器陣列A407采用8片Altera公司Cyclone系列FPGA，每片F(xiàn)PGA控制32路AD轉(zhuǎn)換電路。
[0088]測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)4工作流程結(jié)束于步驟S510。
[0089]以上公開的僅為本實用新型的一個實施例，但本實用新型并非局限于此，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，做出的擴(kuò)展應(yīng)視為屬于本實用新型保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種NXN陣列激光雷達(dá)裝置，其特征在于NXN陣列激光雷達(dá)裝置包括:控制子系統(tǒng)(I)、發(fā)射子系統(tǒng)(2)、接收子系統(tǒng)(3)和測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)(4);控制子系統(tǒng)(I)包括:主控制器(101)、姿態(tài)測量模塊(102)、全球定位系統(tǒng)即GPS接收機(jī)(103)、外部存儲器(104)和顯示器(105);發(fā)射子系統(tǒng)(2)包括:脈沖激光器(201)、準(zhǔn)直透鏡(202)、分光片(203)、光纖分束器(204)、發(fā)射透鏡陣列(205)、全反射鏡(206)和P_I_N結(jié)構(gòu)二極管即PIN高速光電探測模塊(207);接收子系統(tǒng)(3)包括:接收透鏡(301)、光纖耦合陣列(302)和雪崩光電二極管即AH)陣列探測器(303);測距與強(qiáng)度獲取子系統(tǒng)(4)包括:跨阻放大模塊(401)、增益可調(diào)放大模塊(402)、寬帶放大模塊(403)、高速比較模塊(404)、模擬數(shù)字即AD轉(zhuǎn)換模塊(405)、高精度時間間隔測量模塊(406)、微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B (408)； 主控制器(101)分別與姿態(tài)測量模塊(102)、GPS接收機(jī)(103)、顯示器(105)、外部存儲器(104)、脈沖激光器(201)、PIN高速光電探測模塊(207)、微控制器陣列A(407)和微控制器陣列B(408)相連；脈沖激光器(201)發(fā)出的激光先經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(202)，然后通過分光片(203)分為反射和透射兩路激光，占小部分的反射激光通過全反鏡(206)進(jìn)入PIN高速光電探測模塊(207)，占大部分的透射激光經(jīng)光纖分束器(204)進(jìn)入發(fā)射透鏡陣列(205)照射目標(biāo)，PIN高速光電探測模塊(207)輸出的信號分成三路分別輸入主控制器(101 )、高精度時間間隔測量模塊(406)和AD轉(zhuǎn)換模塊(405);目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡(301)聚焦進(jìn)入光纖耦合陣列(302)，光纖耦合陣列(302)分組輸出多束激光信號耦合到AH)陣列探測器(303)的各個光敏面單元上；APD陣列探測器(303)輸出的信號進(jìn)入跨阻放大模塊(401)，跨阻放大模塊(401)輸出的信號同時進(jìn)入增益可調(diào)放大模塊(402)和寬帶放大模塊(403);增益可調(diào)放大模塊(402)輸出的信號進(jìn)入高速比較模塊(404)，高速比較模塊(404)輸出的信號進(jìn)入高精度時間間隔測量模塊(406 )，高精度時間間隔測量模塊(406 )由微控制器陣列B (408)控制，寬帶放大模塊(403)輸出到AD轉(zhuǎn)換模塊(405)，AD轉(zhuǎn)換模塊(405)由微控制器陣列A (407)實現(xiàn)控制。
【文檔編號】G01S17/89GK203688802SQ201420015686
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月11日
【發(fā)明者】周國清, 周祥, 張飆, 馬建軍, 衛(wèi)斌 申請人:桂林理工大學(xué)