一種面陣激光雷達(dá)測量裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種面陣激光雷達(dá)測量裝置。該測量裝置包括位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)；位置和姿態(tài)測量子系統(tǒng)由全球定位系統(tǒng)即GPS接收機(jī)和姿態(tài)測量模塊組成；主控制子系統(tǒng)由微控制器、計(jì)時(shí)器和存儲器組成；面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)由脈沖激光發(fā)射模塊、準(zhǔn)直透鏡、分光片、全反鏡、擴(kuò)束發(fā)射透鏡、PIN高速光電探測模塊、接收透鏡、焦平面可調(diào)透鏡、濾波片、雪崩光電二極管即APD陣列探測模塊和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊組成。本實(shí)用新型的激光雷達(dá)測量裝置無需掃描，單脈沖即可三維成像，成像速度快，測量精度和工作效率高，體積小重量輕，適合低空輕小型遙感平臺搭載。
【專利說明】 一種面陣激光雷達(dá)測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及主動(dòng)光學(xué)航空遙感載荷領(lǐng)域的激光雷達(dá)技術(shù)，尤其是一種適合低空輕小型遙感平臺搭載的面陣激光雷達(dá)測量裝置。
【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(dòng)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，適用于目標(biāo)探測、對地觀測、城市建筑物三維建模、以及交通線路、電力線路、油氣管道的勘察與規(guī)劃等。激光雷達(dá)測量裝置包括激光測距單元、位置姿態(tài)測量單元和主控制單元。它是由激光測距單元測得距離信息，再聯(lián)合激光測距時(shí)刻位置姿態(tài)測量單元獲取的位置和姿態(tài)信息解算出探測目標(biāo)精確的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)三維成像。這三個(gè)單元在常規(guī)激光雷達(dá)測量裝置中互相分離，每次使用需要進(jìn)行組裝、拆卸，每拆一次會(huì)引起參數(shù)發(fā)生改變，若希望采集到高精度的數(shù)據(jù)，在使用前需要重新檢校。這種采用分立單元組合的方式不僅影響了使用效率，而且也導(dǎo)致整個(gè)激光雷達(dá)測量裝置體積和重量增加，難以做到輕型化和小型化。
[0003]激光測距單元是激光雷達(dá)測量裝置的核心，它通過激光發(fā)射機(jī)發(fā)射一束激光照射目標(biāo)物，然后由接收機(jī)將目標(biāo)反射的回波信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)激光雷達(dá)處理機(jī)得到測量裝置到目標(biāo)物的距離值。傳統(tǒng)激光測距單元采用單點(diǎn)發(fā)射、單點(diǎn)接收的方式，對激光器重頻要求高，需要配合機(jī)械掃描裝置才能成像，不僅體積大、功耗大，而且降低了成像速度，限制了它的應(yīng)用范圍。
[0004]為了克服掃描式單點(diǎn)探測的不足，國際上開始研究面陣激光雷達(dá)測量裝置，目前，主要米用ICCD (Intensified Charge-coupled Device)即像增強(qiáng)型電荷f禹合兀件面陣探測器進(jìn)行三維成像。中國發(fā)明專利說明書CN101498786A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，但這種方式存在一些不足，其一:I(XD面陣探測器不能直接獲取距離信息，需要采用調(diào)制解調(diào)方式，且至少兩幅強(qiáng)度圖像才能計(jì)算出距離圖像，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量大，同時(shí)對處理器和存儲空間要求很高；其二:由于采用調(diào)制解調(diào)方式，接收回波信號時(shí)必須使用附加高壓調(diào)制電源的調(diào)制器，生成三維信息時(shí)又需要使用處理強(qiáng)度圖像的解調(diào)器，這些額外器件致使該激光雷達(dá)測量裝置實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，且體積重量依然較大，難以做到輕小型；其三:上面期刊文獻(xiàn)中得到的測距誤差有0.6m，滿足不了對距離精度要求較高的低空探測場合。
[0005]APD (Avalanche Photo Diode)即雪崩光電二極管面陣探測器是由多個(gè)獨(dú)立APD單元探測器集成的NXN Aro陣列探測器，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。相比Aro單元探測器，可以實(shí)現(xiàn)無掃描激光探測，單脈沖即可三維成像；相比ICCD探測器，APD陣列探測器能直接獲取三維信息，成像速度更快，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。
[0006]面陣激光測距相比單點(diǎn)激光測距方式，其發(fā)射的單脈沖激光需要照明較大的目標(biāo)區(qū)域，進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測時(shí)要求單脈沖激光達(dá)到極高的峰值功率，這對激光器的研發(fā)提出了很高的要求，并會(huì)造成激光器體積、重量及成本增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是為了解決上面提出的現(xiàn)有激光雷達(dá)測量裝置存在的問題，提供一種面陣激光雷達(dá)測量裝置。本實(shí)用新型的測量裝置無需掃描，單脈沖可三維成像，成像速度快，測量精度和工作效率高，而且體積重量顯著減少，適合低空輕小型遙感平臺搭載。
[0008]本實(shí)用新型的面陣激光雷達(dá)測量裝置從如下四個(gè)方面加以實(shí)現(xiàn)，其一:提出了基于NXN APD (N ^ 8)陣列探測器的面陣激光雷達(dá)測距方法，采用國際上最近研發(fā)的APD面陣探測器，通過直接探測方式，無需掃描裝置，單脈沖能探測一個(gè)矩形區(qū)域的NXN個(gè)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、成像速度快、探測效率高。其二:選用高分辨率計(jì)時(shí)芯片研制多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊，每次可并行測量激光往返飛行的N2路時(shí)差，根據(jù)激光測距公式即可算出探測區(qū)域上NXN個(gè)目標(biāo)測量點(diǎn)的距離信息，經(jīng)試驗(yàn)表明測距誤差小于0.12m。其三:本實(shí)用新型的激光雷達(dá)測量裝置把位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)三者集成于一體，減小了測量裝置體積，免去了使用前組裝及參數(shù)重新檢校，提高了使用效率；其四:本實(shí)用新型立足于低空遙感應(yīng)用，可以選擇峰值功率不是很高的輕小型脈沖激光器作為光源，進(jìn)一步減小了激光雷達(dá)測量裝置的尺寸和重量。
[0009]本實(shí)用新型的面陣激光雷達(dá)測量裝置，包括位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)。
[0010]位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)由GPS (Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)接收機(jī)和姿態(tài)測量模塊組成。
[0011 ] 主控制子系統(tǒng)由微控制器、計(jì)時(shí)器和存儲器組成。
[0012]面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)由脈沖激光發(fā)射模塊、準(zhǔn)直透鏡、分光片、全反鏡、擴(kuò)束發(fā)射透鏡、PIN高速光電探測模塊、接收透鏡、焦平面可調(diào)透鏡、濾波片、APD陣列探測模塊和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊 組成。
[0013]GPS接收機(jī)用于提供PPS (pulses per second)即秒脈沖信號作為本測量裝置的啟動(dòng)信號以及獲取本測量裝置的經(jīng)緯度、高程和UTC (Coordinated Universal Time)即協(xié)調(diào)世界時(shí)時(shí)間信息；姿態(tài)測量模塊用于獲取本測量裝置的航向角、俯仰角和側(cè)滾角信息。
[0014]微控制器作為本測量裝置的控制中心，在PPS信號的觸發(fā)下啟動(dòng)本測量裝置工作，控制計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，讀取GPS接收機(jī)的位置信息，控制姿態(tài)測量模塊工作并讀取其姿態(tài)信息，觸發(fā)脈沖激光發(fā)射模塊發(fā)射激光，讀取多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊時(shí)間數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)化為距離信息，并把這三種信息加上時(shí)間同步標(biāo)簽保存在存儲器；存儲器為輕巧型大容量存儲器，用于存儲本測量裝置采集的數(shù)據(jù)；計(jì)時(shí)器在微控制器收到PPS信號即開始計(jì)時(shí)，記錄GPS接收機(jī)定位、姿態(tài)測量模塊測姿、脈沖激光發(fā)射模塊發(fā)射激光這三個(gè)時(shí)刻的時(shí)差，并把時(shí)差作為三者時(shí)間同步標(biāo)簽，以GPS提供的UTC時(shí)間為基準(zhǔn)將它們采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到UTC時(shí)間上，從而達(dá)到同步的目的。
[0015]脈沖激光發(fā)射模塊需要具備高功率、窄脈沖、輸出頻率可調(diào)的特性，作為本測量裝置的發(fā)射光源，其工作波長需要與濾波片和APD陣列探測模塊匹配；準(zhǔn)直透鏡和擴(kuò)束發(fā)射透鏡組成發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，接收透鏡、焦平面可調(diào)透鏡和濾波片組成接收光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)采用光發(fā)射/接收平行光路結(jié)構(gòu)的透射式望遠(yuǎn)鏡方式；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)用于準(zhǔn)直脈沖激光發(fā)射模塊發(fā)射的激光束并擴(kuò)束后照射到目標(biāo)，準(zhǔn)直后的激光發(fā)散角大小根據(jù)探測距離滿足一次所需探測目標(biāo)面積的要求確定；分光片和全反鏡構(gòu)成分光鏡用于將準(zhǔn)直后的激光分為分光比很大的兩束激光；PIN高速光電探測模塊探測分光片分出的較小一路激光，作為激光發(fā)射時(shí)刻的標(biāo)志和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊的開始信號；接收光學(xué)系統(tǒng)中的接收透鏡用于接收目標(biāo)反射回來的激光并聚焦到焦平面可調(diào)透鏡上，需滿足Aro陣列探測模塊接收視場角的要求，其中焦平面可調(diào)透鏡用于調(diào)節(jié)接收透鏡會(huì)聚后激光焦平面的位置和大小，保證回波信號覆蓋整個(gè)光敏面，配合接收透鏡滿足光功率密度和接收視場角要求，濾波片用于濾除工作波長外的激光，抑制背景光的干擾;APD陣列探測模塊為工作在線性模式的NXN (N ^ 8)陣列雪崩光電探測模塊，回波信號通過光電探測和信號處理后產(chǎn)生N2路停止信號，其雪崩電壓由低壓直流電源通過升壓提供，偏置電壓和比較器參考電平可調(diào)，輸出阻抗與多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊滿足阻抗匹配；多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊用于測量激光往返飛行的N2路時(shí)間間隔，再根據(jù)激光測距公式計(jì)算出代表一個(gè)矩形區(qū)域的N2個(gè)目標(biāo)測量點(diǎn)距離信息，多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊通道數(shù)大于或等于APD陣列的單元數(shù)，為獲取高精度的距離信息，各通道需滿足高精度計(jì)時(shí)要求。
[0016]本實(shí)用新型的面陣激光雷達(dá)測量裝置的工作步驟為:
[0017](I)當(dāng)微控制器收到GPS接收機(jī)產(chǎn)生的PPS信號后觸發(fā)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。
[0018](2)微控制器讀取GPS接收機(jī)的位置信息和UTC時(shí)間信息保存在存儲器中，接著控制姿態(tài)測量模塊工作，讀取其輸出的姿態(tài)信息并加上時(shí)間同步標(biāo)簽保存到存儲器。
[0019](3)微控制器控制外圍驅(qū)動(dòng)電路輸出TTL電平，觸發(fā)脈沖激光發(fā)射模塊發(fā)射激光，發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后通過分光片產(chǎn)生兩路激光信號，反射的小部分激光通過全反鏡進(jìn)入PIN高速光電探測模塊產(chǎn)生開始信號和激光發(fā)射時(shí)刻監(jiān)視信號，并分別輸入多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊的START端和微控制器的中斷口，透射的大部分激光經(jīng)擴(kuò)束發(fā)射透鏡照射目標(biāo)，目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡聚焦到焦平面可調(diào)透鏡，然后通過濾波片會(huì)聚到APD陣列探測模塊產(chǎn)生N2路停止信號，分別輸入多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊的N2個(gè)STOP端，多路高精度計(jì)時(shí)得`到的N2路時(shí)間數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)轿⒖刂破鳎儆杉す鉁y距公式轉(zhuǎn)化為代表一個(gè)矩形區(qū)域的N2個(gè)距離值，加上時(shí)間同步標(biāo)簽后保存到存儲器中。
[0020](4)重復(fù)步驟(2)和步驟(3)工作，直到獲取整個(gè)成像區(qū)域的原始三維信息。
[0021 ] ( 5 )待遙感平臺降落地面經(jīng)數(shù)據(jù)后處理，生成精確的三維圖像。
[0022]本實(shí)用新型相對已有技術(shù)，主要有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)本實(shí)用新型選用高分辨率計(jì)時(shí)芯片研制了多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊，每次可并行測量N2路激光往返飛行時(shí)差，能夠獲取目標(biāo)探測區(qū)域誤差約為0.12m的距離信
肩、O
[0024]2)相比單點(diǎn)掃描激光雷達(dá)，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了無掃描激光探測，單個(gè)激光脈沖即可生成三維圖像，成像效率高，對激光器重頻要求低；相比IC⑶面陣探測激光雷達(dá)，本實(shí)用新型無需調(diào)制解調(diào)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可快速直接獲取三維信息，滿足輕小型遙感平臺搭載要求。
[0025]3)本實(shí)用新型將位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)、主控制子系統(tǒng)和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)三者集成于一體，可在遙感平臺上實(shí)時(shí)獲取原始三維信息，而且使用時(shí)免除了各子系統(tǒng)組裝和參數(shù)重新檢校。[0026]4)本實(shí)用新型立足于低空遙感應(yīng)用，可以選擇峰值功率不是很高的輕小型脈沖激光器作為光源，進(jìn)一步減小了激光雷達(dá)測量裝置的尺寸和重量，此外，低空作業(yè)時(shí)受氣候條件影響較小，空域申請便利，可以更加快捷投入使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本實(shí)用新型的面陣激光雷達(dá)測量裝置搭載在無人機(jī)上的工作示意圖。
[0028]圖2為本實(shí)用新型的面陣激光雷達(dá)測量裝置結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0029]圖中標(biāo)記:1-位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)；101-GPS接收機(jī)；102-姿態(tài)測量模塊。
[0030]2-主控制子系統(tǒng)；201-微控制器；202_計(jì)時(shí)器；203_存儲器。
[0031]3-面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)；301_脈沖激光發(fā)射模塊；302_準(zhǔn)直透鏡；303_分光片；304_全反鏡；305_擴(kuò)束發(fā)射透鏡；306- PIN高速光電探測模塊；307_接收透鏡；308_焦平面可調(diào)透鏡；309_濾波片；310- APD陣列探測模塊；311_多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。
[0033]實(shí)施例:
[0034]如圖1所示的工作示意圖，本實(shí)施例的激光雷達(dá)測量裝置搭載在200m低空小型無人機(jī)上進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集工作，發(fā)射單個(gè)激光脈沖即可探測5mX 5 m的目標(biāo)區(qū)域，生成的三維圖像距離誤差小于0.12m，像素間距為0.625m。
[0035]如圖2所示，面陣激光雷達(dá)測量裝置包括位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)1、主控制子系統(tǒng)2和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)3。
[0036]位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)I由GPS接收機(jī)101和姿態(tài)測量模塊102組成。
[0037]主控制子系統(tǒng)2由微控制器201、計(jì)時(shí)器202和存儲器203組成。
[0038]面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)3由脈沖激光發(fā)射模塊301、準(zhǔn)直透鏡302、分光片303、全反鏡304、擴(kuò)束發(fā)射透鏡305、PIN高速光電探測模塊306、接收透鏡307、焦平面可調(diào)透鏡308、濾波片309、APD陣列探測模塊310和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊311組成。
[0039]準(zhǔn)直透鏡302和擴(kuò)束發(fā)射透鏡305組成發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，接收透鏡307、焦平面可調(diào)透鏡308和濾波片309組成接收光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)采用光發(fā)射/接收平行光路結(jié)構(gòu)的透射式望遠(yuǎn)鏡方式。
[0040]所述的GPS接收機(jī)101，用于提供PPS信號，UTC時(shí)間信息以及本測量裝置的位置信息，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，更新頻率可達(dá)50HZ，使用RS232串行接口和微控制器201通信。
[0041]所述的姿態(tài)測量模塊102，用于獲取本測量裝置姿態(tài)信息，采用慣性測量單元IMU(Inertial measurement unit)即慣性測量單元,數(shù)據(jù)更新頻率可達(dá)100HZ,在GPS接收機(jī)的輔助下保證其獲取的三個(gè)姿態(tài)角誤差小于0.08°，使用RS232串行接口和微控制器201通信。
[0042]所述的微控制器201為32位ARM核的微控制器，作為本測量裝置的控制中心，采用意法半導(dǎo)體公司的STM32高表現(xiàn)型低功耗產(chǎn)品，時(shí)鐘頻率高達(dá)120MHZ，2個(gè)USB(Universal Serial BUS)即通用串行總線，通信接口多達(dá)15個(gè)，16位和32位計(jì)時(shí)器多達(dá)17個(gè)，自帶閃存容量可達(dá)IMHZ且能輕松擴(kuò)展存儲容量。
[0043]所述的計(jì)時(shí)器202在微控制器收到GPS接收機(jī)101的PPS信號后開始計(jì)時(shí)，記錄GPS接收機(jī)101、姿態(tài)測量模塊102、脈沖激光發(fā)射模塊301的工作時(shí)間差作為三者的時(shí)間同步標(biāo)簽，將它們?nèi)卟杉臄?shù)據(jù)統(tǒng)一到UTC時(shí)間上從而達(dá)到同步的目的，采用所述的微控制器201自帶的32位定時(shí)器。
[0044]所述的存儲器203為輕巧型大容量存儲器，用于存儲本測量裝置采集的數(shù)據(jù)。采用SD卡(Secure Digital Memory Card)即安全數(shù)碼卡，其重量只有1.5g，容量達(dá)32GB，存取速度高達(dá)30MB/s。
[0045]所述的脈沖激光發(fā)射模塊301，作為本測量裝置的發(fā)射光源，采用輸出中心波長905nm,脈寬8ns，峰值功率29kw，重復(fù)頻率可調(diào)的脈沖微片激光模塊。
[0046]所述的準(zhǔn)直透鏡302和擴(kuò)束發(fā)射透鏡305組成的透射式發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，用于準(zhǔn)直脈沖激光發(fā)射模塊發(fā)射的激光束并擴(kuò)束后照射到目標(biāo)，準(zhǔn)直后的激光發(fā)散角為35mrad，為提高發(fā)射效率所述準(zhǔn)直透鏡302需鍍905nm增透膜。
[0047]所述的分光片303，將準(zhǔn)直后的激光分為反射光和透射光的比為1:999的兩束激光。
[0048]所述的全反鏡304，將分光片303分出的較小一路激光入射到PIN高速光電探測模塊 306。
[0049]所述的PIN高速光電探測模塊306，用于探測由全反鏡304入射的激光，產(chǎn)生的電脈沖信號作為激光發(fā)射時(shí)刻的標(biāo)志以及多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊311的開始信號，采用中電科44所的GT106高速PIN光電二極管探測入射的激光，再由跨阻放大器電路和高速比較器電路生成所需的電脈沖信號。
[0050]所述的接收透鏡307為口徑120mm、焦距IOOmm的非球面透鏡，用于接收目標(biāo)反射回來的激光并聚焦到焦平面可調(diào)透鏡308上，為提高接收效率所述接收透鏡307鍍905nm增透膜。
[0051]所述的焦平面可調(diào)透鏡308用于調(diào)節(jié)接收透鏡307會(huì)聚的激光焦平面位置和大小，保證回波信號覆蓋整個(gè)光敏面，滿足光功率密度和接收視場角要求，為提高接收效率所述焦平面可調(diào)透鏡308鍍905nm增透膜。
[0052]所述的濾波片309為帶寬±10nm，透過率大于85%的905nm濾波片，用于濾除工作波長外的激光，抑制背景光的干擾。
[0053]所述的APD陣列探測模塊310為工作在線性模式的NXN陣列的雪崩光電探測模塊，接收視場范圍的回波信號，通過8X8的APD陣列進(jìn)行光電探測后由64個(gè)獨(dú)立的高速跨阻運(yùn)算放大器和比較器兩級電路處理產(chǎn)生64路停止信號，實(shí)現(xiàn)一個(gè)面的光電探測。采用first sensor公司的8X8 APD陣列，在905nm處的響應(yīng)度為60A/W，其雪崩電壓為200V，高壓偏置電壓由5V電源升壓得到，偏置電壓和比較器參考電平可調(diào)，50歐姆輸出阻抗。
[0054]所述的多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊311輸入阻抗50歐姆，用于測量激光往返飛行的多路時(shí)差，進(jìn)而獲取代表一個(gè)矩形區(qū)域的目標(biāo)測量點(diǎn)距離信息。采用德國ACAM公司的計(jì)時(shí)分辨率81皮秒的8通道TDC-GPX芯片，在ARM核微控制單元或者FPGA (Field 一Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列的控制下通過片選,使用8片TDC-GPX芯片研制而成，可并行測量APD陣列探測模塊310輸出的64路停止信號相對開始信號的時(shí)間間隔，該模塊采用USB接口和微控制器201通信。
[0055]本測量裝置的工作步驟為:
[0056](I)當(dāng)微控制器收到GPS接收機(jī)101產(chǎn)生的PPS信號后觸發(fā)計(jì)時(shí)器202開始計(jì)時(shí)。
[0057](2)微控制器201讀取GPS接收機(jī)101的位置信息和UTC時(shí)間信息保存在存儲器203中，接著控制姿態(tài)測量模塊102工作，讀取其輸出的姿態(tài)信息并加上時(shí)間同步標(biāo)簽保存到存儲器203。
[0058](3)微控制器201控制外圍驅(qū)動(dòng)電路輸出TTL電平觸發(fā)脈沖激光發(fā)射模塊301發(fā)射激光，發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡302準(zhǔn)直后通過分光片303產(chǎn)生兩路激光信號，反射的小部分激光通過全反鏡304進(jìn)入PIN高速光電探測模塊306產(chǎn)生開始信號和激光發(fā)射時(shí)刻監(jiān)視信號并分別輸入多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊311的START端和微控制器201的中斷口，透射的大部分激光經(jīng)擴(kuò)束發(fā)射透鏡305擴(kuò)束后照射目標(biāo)，目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡307聚焦到焦平面可調(diào)透鏡308，然后通過濾波片309會(huì)聚到APD陣列探測模塊310產(chǎn)生64路停止信號分別輸入多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊311的64個(gè)STOP端，多路高精度計(jì)時(shí)得到的64路時(shí)間數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)轿⒖刂破?01，再由激光測距公式轉(zhuǎn)化為代表5mX 5m方形目標(biāo)區(qū)域的64路距離值，加上時(shí)間同步標(biāo)簽后保存到存儲器203中。
[0059](4)重復(fù)步驟(2)和步驟(3)工作，直到獲取任務(wù)所要求的成像區(qū)域的原始三維信肩、O
[0060](5)待無人機(jī)降落地面經(jīng)數(shù)據(jù)后處理，生成精確的三維圖像。
[0061]以上公開的僅為本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，但本實(shí)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(shí)用新型原理的前提下，做出的變形應(yīng)視為屬于本實(shí)用新型保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種面陣激光雷達(dá)測量裝置，其特征在于面陣激光雷達(dá)測量裝置包括位置姿態(tài)測量子系統(tǒng)(I)、主控制子系統(tǒng)(2)和面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)(3)； 位置和姿態(tài)測量子系統(tǒng)(I)由全球定位系統(tǒng)即GPS接收機(jī)(101)和姿態(tài)測量模塊(102)組成，GPS接收機(jī)(101)和姿態(tài)測量模塊(102)分別通過RS232串行接口與微控制器(201)連接進(jìn)行通信，GPS接收機(jī)(101)的秒脈沖信號輸出接口與微控制器(201)連接作為本測量裝置的啟動(dòng)信號； 主控制子系統(tǒng)(2)由微控制器(201)、計(jì)時(shí)器(202)和存儲器(203)組成，計(jì)時(shí)器(202)和存儲器(203)均與微控制器(201)連接； 面陣激光雷達(dá)測距子系統(tǒng)(3)由脈沖激光發(fā)射模塊(301)、準(zhǔn)直透鏡(302)、分光片(303)、全反鏡(304)、擴(kuò)束發(fā)射透鏡(305)、PIN高速光電探測模塊(306)、接收透鏡(307)、焦平面可調(diào)透鏡(308)、濾波片(309)、雪崩光電二極管即AH)陣列探測模塊(310)和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊(311)組成，微控制器(201)的脈沖激光觸發(fā)信號輸出接口與脈沖激光發(fā)射模塊(301)連接；脈沖激光發(fā)射模塊(301)發(fā)出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(302)然后通過分光片(303)產(chǎn)生兩路激光信號，反射的小部分激光通過全反鏡(304)進(jìn)入PIN高速光電探測模塊(306)，透射的大部分激光經(jīng)擴(kuò)束發(fā)射透鏡(305)照射目標(biāo)，目標(biāo)反射回來的激光經(jīng)接收透鏡(307 )聚焦到焦平面可調(diào)透鏡(308 )，然后通過濾波片(309 )會(huì)聚到APD陣列探測模塊(310) ;PIN高速光電探測模塊(306)輸出的信號分成兩路分別輸入微控制器(201)和多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊(311)的START端，APD陣列探測模塊(310)產(chǎn)生的N2路停止信號，分別輸入多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊(311)的N2個(gè)STOP端；多通道高精度時(shí)間間隔測量模塊(311)得到的N2路時(shí)間數(shù)據(jù)通過通用串行總線即USB接口傳輸?shù)轿⒖刂破?201)。
【文檔編號】G01S17/89GK203385859SQ201320457012
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月30日
【發(fā)明者】周國清, 周祥, 農(nóng)學(xué)勤, 楊小平, 張飆, 楊春桃, 馬建軍 申請人:桂林理工大學(xué)