高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验
卫星激光测距光路设计
4
机械结构设计
在进行接收光路机械结构设计时， 首先要满足光学
系统中光学元件的空气间隔和排布要求， 并在此基础上 保证机械结构具有足够的刚度和强度， 保证光学系统在 调试过程中的便捷性， 接收望远系统中， 主光学系统是最重要的组成部 分， 其成像质量的好坏， 直接影响第一像面后各光学系统 ， 的成像质量 而对主光学系统光学元件 （ 即主镜和次镜 ）
第 11 期
韩光宇 等： 卫星激光测距中接收光路光机结构设计
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的机械支撑， 是至关重要的。 为了减小温度梯度对主镜面形精度的影响， 主镜选 用热膨胀系数较小的微晶玻璃， 通光口径是 1 000 mm。 如图 4 所示。在工作过程中， 主镜需要围绕旋转轴 O 相 对于重力场在 俯 仰 角 α = － 90° ～ 90° 范 围 内 作 相 对 运 控制主镜上力的分布， 动。要设计合理的机械支撑结构， 当重力方向相对与主镜发生变化时， 使光学表面变化最 小， 主镜面形精度最好。根据主镜的运动方式， 通常设计 轴向支撑和径向支撑组合的方式； 当 α = 成中心轴定位， 0° 时， 只有轴向支撑起作用， 当 α = 90° （ 或 － 90° ） 时， 只 有径向支撑起作用， 当 α 在其他角度时， 两种支撑同时起 。 作用
当望远系统接收口径选取 1 000 mm 时， 对于 GEO 和 IGSO 卫星， N s = 4． 4 光电子； 对于 MEO 卫星， N s = 18． 5 光电子。 由于 GEO 卫星距离地面的高度为 36 000 km， 从卫 星返回地面的激光非常微弱。所以要求光电接收转换器 件必须具有极高的灵敏度和极快速的响应特性。 目前国 内外常用的是带有时间游动补偿功能的单光子雪崩二极 SPAD 作为光电接收探测器， 管 C通过采取有效抑制背 提高信噪比等措施， 可以满足测距要求。 景噪声， 3． 2 焦距选择 根据三路光学系统所选用的光电探测器接收靶面尺 利用式（ 2 ） 计算各路光学系统的焦距： 寸， f ' = φ / 2tan ω （ 2）
并行鉴相测距激光雷达
板像 增强 器 、方 波 调 制 电路 、Ｃ Ｄ 相 机 。在 光 阴 Ｃ 极加 上 同频 方波 调制 电压 ，如图 １ 所示 由激光 照射
是在 总结前 人工作 的基 础之 上深入 研究 了相 位 测距
法 即方 波 一 波相 关法 。本 文介绍 了这 种方 法 的原 方 理 与算 法 ，用 仿 真 工 具 Ｓｍ ｌ ｋ对 系统 进 行 了 仿 ｉｕｉ ｎ
真 ，并 分析 了影 响测 距精 度 的因素 。
１ 相 位 法 测 距 系统 结 构 及 原 理
参 考 文 献
［ ］张年英 ．高等院校计算 机房硬件 的维 护和管理 软件导 １ 刊［ ］ Ｊ ．软件导刊 ，２０ （２ ：１４—１５ ０９ １） ５ ５ ．
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［ ］舒松 ．计算机 维护 方式 与控 制 方法 ［ ］ ３ Ｊ ．科 技经 济市
代人式 （ ）可得 ＣＳ Ａ ） ０９９３ ７ Ｏ（ ｇ ＝ ．９ ，因为 只取 了前 ｏ ７次谐波 ，所以存在 误差 。在 这里 可 以看 做 ＣＳ Ａ ） Ｏ（ ｇ ｏ
＾，
一ｌ ，再代入 ｒ ＝
二（
可 得 ｒ＝１ ｍ，由此证 明了在 ０
Ｇ ｌ鲁 ＝ ＋
ｓ ＋（—）） 误差允许 的范围内此模型 的正确性 。 ｉ １ｔ ）３ ｎ ） ｇ（ （ ｗｏ
ｐ ｎｉｌ ｏ ｐ ａｅｒ ￣ ｇａ ｏ ｔｍ ａｅｄｓｕｓｄｗｔ ｆ ｂＳ ｈ ｋｓ ｕａ ｏ ｓｌ ｒ ｎ —ｉ ｎｉｎｌ ｉ ａｃ．Ｔ ｅｉ ｇ ｇ ｉ ｒ ｃｐ ｆ ｈｓ ａ ｎ ｌ ｒ ｉ ｓｅ ｉ Ｍａ ａ ｉ ｎ ｉ ｌｉｎｒ ｕ ｓ ｏ ｅｄ ｅ ｎ ｇｉ ｈ ｒ ｃ ｈ ｌ ｍｕ ｍ ｔ ｅ ｔｆ ｏ ｍｅｓ ａ ｄｓ ｎ ｅ ｈ ｏ ｔ ｍａｉ ｎ
基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计
第42卷 第9期2021年9月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.9September,2021收稿日期:2021-01-24作者简介:李龙骧(1990-),男,工程师,硕士,研究方向:光电对抗㊂Email:edwardwanzi2009@基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计李龙骧,郭俊超,马世伟,韩耀锋,张 佳,吕 祥,穆让修西安应用光学研究所,西安 710065摘 要:为了满足高精度多目标激光测距的需求,设计了一种高精度激光脉冲测距电路㊂电路采用高分辨率的时间-数字转换芯片TDC-GP22测量脉冲时间间隔,同时采用STM32F051K8U6作为主控芯片,实现了对最多三个脉冲时间间距的高精度测量㊂根据TDC-GP22的特点,设计了激光测距的硬件电路以及其软件控制流程,在试验中发现问题,通过对这些问题进行的分析,对电路做出改进,使电路达到应用要求㊂实验结果表明,该电路测距稳定性高,测量精度可以到达1ns 以内,对应的距离小于0.15m ㊂关键词:脉冲激光测距;TDC-GP22;时间间距测量;高精度中图分类号:TN249 文献标识码:A doi :10.14016/ki.jgzz.2021.09.027Design of circuit for multi -target pulsed laser range finding based on TDC -GP 22LI Longxiang,GUO Junchao,MA Shiwei,HAN Yaofeng,ZHANG Jia,LV Xiang,MU RangxiuXi ’an Institute of Applied Optics ,Xi ’an 710065,ChinaAbstract :In order to meet the requirements of multi-target laser range finding with high precision,a high-preci⁃sion circuit is designed for pulsed laser range finding.The Time-to-Digital chip,TDC-GP22,is used for time interval measurement between pulses.Meanwhile,STM32F051K8U6is used as the main control chip and finally the high-pre⁃cision time interval measurement between pulses,which has three results at most,is achieved.According to the fea⁃tures of TDC-GP22,hardware and software of the circuit used for laser range finding are designed.Then problems ofthe circuit are found in experiments.Through the analysis of these problems,the circuit is improved to meet the re⁃quirements of application.Experimental results show that the circuit has high stability on range finding and the accura⁃cy of the measurement can reach below 1ns,which is corresponding to 0.15m.Key words :pulsed laser range finding;TDC-GP22;time interval measurement;high precision1 引言脉冲激光测距是通过时间测量模块来测量激光脉冲在发射点与被测目标点之间往返的时间间隔,以此来计算出发射点与目标点之间的距离[1]㊂相对于其他两种激光测距的方法 光子计数法和三角测距法,脉冲激光测距具有测距精度高㊁探测距离远㊁峰值功率高㊁对光源相干性要求低等特点,而广泛应用于工业㊁民用㊁航天㊁医疗等领域[2]㊂很多脉冲激光测距机都是对单个目标进行测量,计算激光发射时光电二极管采到的信号与探测器接收到最早到来的激光回波信号之间的时间间隔㊂本文中提到的多目标脉冲测距与单目标测距的原理基本相同,不同点在于,测距时,发射出的激光在其传播路径上,由于疏散角的影响,遇到距离不同的障碍物,而发生多次反射,被探测器接收到,探测电路把这些信号经过处理向控制端发送,即接收到的信号可以是多个脉冲,计算这些脉冲信号与发射时采集到的起始信号之间的时间间隔,经过公式换算就可以得到相应的多个目标的距离值㊂这种测距模式可以应用在对某目标的连续测距中,若目标前突然有其他小的物体出现,则可以通过这种模式进行对正确距离值的筛选,从而提高测距的准确性㊂由于脉冲激光测距是测量发射与接收脉冲信号之间的时间间隔,因此时间测量的精度决定了测距精度[3]㊂常用的测量方法有模拟法㊁数字法和数字插入法,其中延迟线数字插入法以其精度高㊁测量范围大的优点被广泛应用,这种方法可以用FPGA的内部延时单元实现,但是该单元容易受温度和工作电压的影响[4],一旦温度或者工作电压出现波动,测量的结果就会出现较大变化㊂设计时采用TDC-GP22芯片作为时间间隔测量芯片,该芯片内部采用延迟线插入技术[5],通过独特的校准及精确化技术,与利用FPGA内部延迟单元的方法相比,很好地降低了测量误差㊂2 TDC-GP22芯片简介TDC-GP22芯片是德国ACAM公司推出的一款专用的高分辨率时间-数字转换(Time-to-Digital Converter)芯片,其内部主要由脉冲发生器㊁数据处理单元ALU㊁时间数字转换单元TDC㊁温度测量单元㊁时钟控制单元㊁配置与结果寄存器以及SPI串口组成[6],TDC测量时间间隔时采用逻辑门延时单元来获取两个或者多个脉冲之间的精确时间间隔[7-9]㊂该芯片以其集成度高㊁尺寸小㊁功耗低以及精度高等特点,被广泛应用于水流速测量和距离测量等领域[10-15]㊂TDC-GP22有三个脉冲输入端 START,STOP1, STOP2,同时拥有两个测量模式,默认分辨率为90ps,脉宽须大于2.5ns㊂测量模式1的测量范围可以达到0~2.4μs(START与STOP上脉冲之间的时间间隔范围为3.5ns~2.4μs,两个STOP通道间的脉冲时间间隔范围为0~2.4μs,STOP上相邻两个脉冲的最小时间间隔为20ns),而实际测量范围最大到2×Tref,其中Tref为芯片参考时钟周期,同时需要确保2×Tref<2.4μs㊂在该模式下,芯片可以测量START 与STOP之间的脉冲时间间隔,也可以测量两个STOP 之间的脉冲时间间隔,还可以测量STOP1或STOP2上两个脉冲的时间间隔㊂如图1所示,为测量模式1的测量时序图,RefClk是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值,HIT1和HIT2是芯片内部数字延时单元测量的数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(1),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂在一次测量过程中(即START 引脚收到信号时,芯片认为测量开始,STOP引脚收到脉冲的数目与设定的数目相同时或测量值超出最大测量范围时,芯片认为一次测量完成),START引脚只能接收一个脉冲,两个STOP引脚最多可以接收4个脉冲,多出的脉冲被忽略,此模式下分辨率可以设置为45ps,此时只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔㊂相比于测量模式1,测量模式2的测量范围扩大了很多,在参考时钟频率(最高为8MHz)为4MHz时,其测量范围为500ns~4096μs,但是只能测量START与STOP1上脉冲之间的时间间隔,在一次测量过程中,START引脚同样只能接收一个脉冲, STOP1引脚最多可以接收3个脉冲,多出的脉冲被忽略,在此模式下,分辨率可以设置为45ps和22ps㊂其测量时序图如图2所示,与模式1的类似,RefClk 是芯片参考时钟,Cal1和Cal2是校准单元的校准值, FC1和FC2是芯片内部数字延时单元测量的数值,Cc 是粗计数值,校准后写入结果寄存器的值为R,这些值的关系如式(2),实际的时间间隔等于R乘以参考时钟的周期㊂图1 测量模式1的测量时序图图2 测量模式2的测量时序图R=HIT1-HIT2Cal2-Cal1(1)R=Cc+FC1-FC2Cal2-Cal1(2)当TDC-GP22对外部信号测量完成后,可以对结果进行校准,最后把测量结果写入对应的32位结果寄存器中(测量到的周期个数,高16位为整数位,低16位为小数位)㊂3 测距电路设计方案由于电路应用于远距离测距,要求能够测得的两82李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计个相邻目标的距离的最小值为50m,所以TDC-GP22选择测量模式2,同时选择8MHz的晶振作为TDC-GP22的参考时钟,测量范围变为250ns~2048μs, STOP1上相邻两个脉冲的时间间隔最小为2×Tref,Tref为参考时钟周期,即最小时间间隔为250ns㊂根据公式(3),其中S为距离值,c为光速,t为时间间隔,t可由公式(4)得出,其中n为从TDC-GP22读出的32位二进制结果,T为参考时钟周期,即125ns,最终可以算出测距范围为37.5m~307.2km,相邻两物体间的最小间距为37.5m,可以满足测距需求㊂S=12ct(3)t=n×T65536(4) 3.1 硬件设计方案硬件电路设计如图3所示,采用拥有尺寸小㊁片上资源丰富㊁易于开发等特点的STM32F051K8U6作为主控芯片,通过其4线SPI通信接口与TDC-GP22通信,从而完成配置TDC-GP22以及读取其测量结果和状态等信息的功能,其中SSN为SPI使能端,低电平有效,SCK为SPI的时钟输入端,最高可以到20 MHz,SO与SI端是数据输出和输入端,分别与主控芯片SPI(主机模式)的MISO和MOSI端相连接㊂TDC-GP22的START端与光电二极管采样电路的输出端连接,用于接收激光起始信号,STOP1端与探测电路输出端连接,用于接收探测到的激光回波信号㊂EN_ START,EN_STOP1与EN_STOP2端口是TDC-GP22的START,STOP1和STOP2端口的接收使能端,高电平有效,因为电路工作在测量模式2,所以EN_START 与EN_STOP1串联电阻接3.3V,EN_STOP2悬空或者接地即可㊂TDC-GP22的INTN端与主控芯片的IO 口连接,通过该端口的状态判断TDC-GP22是否完成测量计算或者是溢出,低电平有效㊂TDC-GP22的RSTN端为硬件复位端,也是低电平有效,该端口也与STM32芯片的IO口相连,方便对TDC-GP22进行硬件复位㊂CLK32OUT与CLK32IN端是32KHz晶振接口,该晶振用于校准高频陶瓷晶振,陶瓷晶振由于其温漂大,所以需要校准,而本设计高频时钟接口采用温漂小的石英晶振,故不需要接该晶振校准, CLK32IN端接地㊂信息传递方面,主控芯片采用422通迅串口与上位机通信,上传距离信息㊂图3 测距电路硬件原理图3.2 测距电路软件设计软件控制流程如图4所示,上电复位TDC-GP22,然后开始配置TDC-GP22,通过SPI串口(主机模式)发送写命令以及配置内容来设定其内部配置寄存器的内容㊂主要配置TDC-GP22工作在测量模式2,参考时钟为8MHz,配置STOP1接收脉冲个数为3,开启自动校准,开启自动计算功能(只有测量模式2有,即计算完成后自动将结果写入相应的结果寄存器中),使能计算完成中断,开启溢出时强制写入0xFFFFFFFF功能(此时也算计算完成),设置分辨率为4倍默认分辨率,即22ps㊂配置完成后,初始化TDC-GP22,开始时间间隔的测量㊂然后等待INTN 端口被拉低,即等待TDC-GP22计算完成㊂当INTN 端口变低,发送读取命令,读取所有的计算结果,乘以参考时钟周期就是脉冲时间间隔,带入公式1可以得到距离值㊂读取完结果,发送初始化TDC-GP22的命令,将INTN端口置高,内部状态寄存器相应的位清零,使其准备下一次测量㊂3.3 存在的问题设计完毕,将电路的STRAT端和STOP1端与信号发生器的两个输出端相连,用信号发生器的两个输出信号模拟光电二极管采样信号和接收到的探测信号㊂在TDC-GP22的测量范围内,并且信号也能满足前文提到的限制条件时(测试时计算时间向上发送),可以得到三个误差很小的结果㊂当STOP1端接收到的脉冲中,有一个或者两个脉冲由于超出测量范围,或者两个脉冲时间间隔太短,而被TDC-GP22芯片忽略,亦或是只有一个或者两个信号时,得到的三个数92李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计据都是0xFFFFFFFF对应的时间值,由此可知,测量模式2下TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22会溢出,此时开启的溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,会将所有数据写成0xFFFFFFFF㊂实际应用中,遇到脉冲丢失的情况,希望得到未丢失信号的时间间隔,这种状态不希望出现㊂图4 TDC-GP22软件控制流程图当关闭溢出强制写入0xFFFFFFFF功能,使能溢出中断时,继续模拟上文提到的脉冲丢失的情况㊂当发生溢出时,读取状态寄存器会发现,指向结果寄存器的指针保持为0,若有数据写入结果寄存器,该指针应该大于0,由此可以发现在测量模式2下,TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数小于寄存器中配置的数时,TDC-GP22溢出,其ALU数据处理单元不工作㊂3.4 改进方案为了得到正确的测量数据,必须要使TDC-GP22不发生溢出,即要保证TDC-GP22的STOP1端接收到的脉冲数大于等于寄存器中配置的数目,同时还要避免影响已接收到的脉冲信号㊂考虑到该应用中的激光测距范围不会超过75km,对应的时间间隔为500μs,而本设计里,TDC-GP22的测量范围可以到2048μs,所以考虑在接收到SATRT信号后500μs到2048μs之间,在STOP1端产生至少3个脉冲(相邻脉冲的间隔要大于250ns),作为探测信号的补偿信号,以保证TDC-GP22不发生溢出㊂硬件电路的改进如图5所示,光电二极管采样电路的输出端信号START分为两路,除了与TDC-GP22的START端相连外,另一路与STM32的一路IO相连,当STM32接收到START信号,则输出一组符合条件的多脉冲信号,该多脉冲信号输出端Pulse与逻辑或门芯片74LVC1G32的输入端A相连,同时逻辑或门的另外一个输入端B与探测电路的输出端STOP 连接,输出端Y与TDC-GP22的STOP1端连接,由于探测电路的输出信号与START信号之间的间隔小于500μs,而START信号与Pulse端的输出信号之间的间隔大于500μs,故在START信号到的500μs内, STM32的多脉冲信号输出端Pulse保持低电平,Y输出的就是探测电路的输出端的输出信号,在START 信号到来的500μs后,探测电路的输出端保持低电平,Y输出的就是Pulse端的输出信号,这样便可以保证TDC-GP22的STOP1端可以接收到足够的脉冲数,同时也不影响真正探测到的信号,从而得到正确的测量值㊂图5 测距电路硬件改进原理图软件上需配置STM32,设计时设置STM32的TIM1工作在OnePulse模式,同时配置TIM1的重复计数寄存器的内容为2,这样配置可以另STM32在使能TIM1之后,运行三个设定好的时钟周期自动失能停止㊂配置TIM1为触发模式,TIM1的Channel2为PWM输出,模式为PWM2模式,Channel1配置成输入触发源TI1FP1,即Channel1接收START信号作为触发使能TIM1㊂最后,设置TIM1的计数周期为510μs (510μs×3=1530μs,小于2048μs),由于在PWM2模式下,当计数器中的数值小于比较寄存器中的数值时,PWM输出端输出低电平,否则输出为高电平,所03李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计以设置比较寄存器的数值为509μs对应的值㊂此时,如图6所示,当TIM1的Channel1接收到START 信号被使能后,STM32的PWM输出端Pulse在延时509μs后,输出脉宽为1μs的3个脉冲,相邻的两个脉冲的间隔为509μs㊂这样便可自动完成对TDC-GP22的STOP1端的输入脉冲补充㊂图6 START与Pulse信号时序图保持对TDC-GP22的配置不变,完成上述的改进,接入信号发生器再次模拟前文提到的脉冲丢失的情况㊂当出现脉冲丢失的情况时,TDC-GP22没有发生溢出,读出的数值与理论值接近㊂最后,在软件上加入判断,判断测量值是否大于500μs,如果有数值大于500μs,则说明有脉冲丢失,向上位机发送0,代表有目标超过量程,或是两个目标太近,亦或是未接收到回波㊂4 实验结果将电路的脉冲输入端START和STOP接入信号发生器的两个信号输出端,与START连接的信号每次触发输出一个脉宽500ns的脉冲,与STOP连接的信号每次触发输出三个脉冲,相邻两脉冲间的间隔均为1μs,脉宽500ns,相对于START的触发延时可调㊂测得不同延时下的数据(计算的时间值),如表1所示㊂表1 不同延时条件下测量的时间间隔延时/μs10次平均测量值/ns间隔1间隔2间隔35 10 20 30 40 50 60 70 80 905004.3710004.6420005.2430005.7740006.3150006.8760007.4670008.0480008.6190009.176004.4411004.6821005.3031005.8441006.3751006.9361007.5571008.1081008.6791009.217004.4812004.7622005.3932005.8942006.4352006.9962007.5672008.1782008.7292009.29测量的误差主要来源于电路的传输延时以及TDC-GP22的测量误差㊂从表1的数据可知,TDC-GP22的测量误差随着测量间隔的增大而变大,可以绘制出实际值与误差值的关系图,其变化近似线性,对其进行直线拟合,如图7所示,横轴为实际值r,纵轴为误差值e,单位都为ns,最终可以得到e=0.000056×r+4.085㊂由于测量值t等于误差值加实际值,即t=e+r,因此可以得到测量值与实际值的关系为t=1.000056×r+4.085,从而可以对测量值校准,得到比较准确的结果㊂图7 实际值与误差值关系图电路的测量精度可通过对固定时间间隔的两个脉冲重复测量来得到,如图8,实验重复测量时间间隔为5μs的两个脉冲,绘出测量的波动图㊂由于误差在某点是相对稳定的,从图8可以发现测量值的波动在1ns以内,对应的距离值小于0.15m,故说明该电路稳定性好,精度高㊂为验证实际应用中,收到的激光回波信号数目不等于3的情况下,测距电路测得的数据是否正常,用信号发生器仿真该情况㊂STOP连接的信号每次触发输出数目可变的脉冲,STOP相对于START的触发延时设定为10μs,可以得到如表2的数据,其中,间隔1-4分别代表STOP上第一个到第四个回波脉冲与START上起始脉冲的时间间隔㊂从表2的数据可知,当出现脉冲丢失的情况,即接收到的回波脉冲数小于3时,测距电路得到的数据正常,当回波数目大于等于3时,也可以得到相应的结果,但是不会超过3个,多余的回波被忽略㊂图8 时间间隔为5000ns的测量结果分布图13李龙骧,等:基于TDC-GP22的多目标激光脉冲测距电路的设计表2 不同回波脉冲数条件下测量的结果回波脉冲个数信号发生器设定的间隔/μs测量结果/ns间隔1间隔2间隔3间隔41230----000 110---10004.7200 21020--10004.6720005.270 3102030-10004.6520005.3030005.70 41020304010004.7020005.3330005.725 结论为了满足远距离㊁高精度㊁多目标测距的应用需求,设计了一种高精度测距电路,该电路基于分辨率小于100ps的专用时间间隔测量芯片TDC-GP22,可以实现最多三个高精度的脉冲时间间隔测量㊂相对于传统的测距电路,该设计缩小了电路的尺寸,并且软件设计也得到了简化,降低了设计的复杂程度,同时还具有测量范围大㊁精度高㊁分辨率高等优点㊂参考文献[1] 陈超,叶桦,陈晓涛.TDC-GP21在激光测距中的应用[J].工业控制计算机,2017,30(6):127-128. 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相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究共3篇
相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究共3篇相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究1相干测风激光雷达系统设计及数据处理算法研究激光测风雷达是一种基于激光干涉原理，用于实现大气风场气动参数快速测量与反演的先进技术手段。
本文将介绍一种相干测风激光雷达系统的设计及数据处理算法研究。
一、相干测风激光雷达系统的设计风场参数反演的精度、可靠性和实时性直接关系到气象预报的准确性。
相干测风激光雷达系统采用一束激光器产生的激光束照射到目标区域中，利用散射光的特性实现对目标中各个高度层次风场参数的测量。
该系统主要由激光发射器、光学系统、探测器、机械结构和信号处理模块等部分组成，其中激光器产生的激光束由光学系统实现照射目标，探测器采集返回的散射光信号并将其转换为电信号，机械结构可以实现雷达的扫描，信号处理模块对采集到的信号进行处理。
二、数据处理算法研究相干测风激光雷达系统采集的数据是获得风场参数的重要依据，因此数据处理算法的设计对于反演结果的准确性有着直接的影响。
本文研究的数据处理算法主要有多普勒谱分析算法、最小二乘法反演算法和平均滤波算法等。
1. 多普勒谱分析算法多普勒谱分析将时域信号转换为频域信号，可以分析目标物体在不同时刻的静态和动态特性，可以有效提取目标物体的速度信息，从而实现风场参数的反演。
该算法通过计算散射光频谱的谱宽来获取目标物体的运动速度信息。
2. 最小二乘法反演算法该算法通过对扫描目标附近某一层数据的最小二乘拟合，计算得到该层的风场参数，从而实现风场参数的反演。
该算法对目标物体反射信号的形态及信噪比等要求较高，但可以有效提高反演的准确性。
3. 平均滤波算法该算法通过对一定范围内数据的平均值进行计算，从而抑制噪声干扰，提高数据的可靠性。
该算法是一种简单有效的数据处理算法，在反演速度场等定量测量中得到了广泛应用。
三、结论相干测风激光雷达系统是一种先进的风场参数反演技术，其数据处理算法的设计是实现精确反演的关键。
哈工大激光雷达课件一——激光雷达基本知识
激 光 成 像 雷 达
100mrad
发射机和接收机共用一个孔径和分辨率 4mrad的灵活的光束控制反射镜。 在P-3C试验机上进行了飞行试验，可以利 用目标表面的变化、距离剖面、高分辨率红
外成像和三维激光雷达图像，识别目标。
④ 美国雷锡昂公司研制的ILR100激光雷达，
激光器采用GaAs半导体激光器，成像方式
微弱信号检测、数字化处理与算法
数据处理方法 数据反演、显示
1. 学时安排：20，1~5周
一、基本知识
1.
激光雷达的概念及内涵
“雷达”(RADAR-Radio Detection And Ranging)。传统的雷达是以微波和毫米波
一 基 本 知 识
作为载波的雷达，大约出现1935年左右。
最早公开报道提出激光雷达的概念是: 1967年美国国际电话和电报公司提出的，
代末进入装备应用。
1991年11月，美国通用动力公司和休斯公司 研制成ATLAS’CO2成像激光雷达制导系统。 1992吊舱式结构的ATLAS’CO2成像激光雷达系 统吊挂在试验飞机上完成了第一阶段的飞行 试验。
1993年又吊挂在美国空军的F-15飞机上进行
了第二阶段的高速飞行试验,获得高分辨率的
⑤ 大气环境监测
⑥ 主动遥感
7. 研究内容及关键技术
① 激光器技术
一 基 本 知 识
② 探测器及探测技术 ③ 大气传输特性 ④ 激光雷达理论
⑤ 信号处理技术
⑥ 数据处理技术 ⑦ 控制技术 ⑧ 光学系统设计与加工技术 ⑨ 机械设计与加工技术
二、应用前景
1. 侦察用成像激光雷达
2. 障碍回避激光雷达
该激光雷达驾驶员报警系统使用ophir公司的低截获概率激光发射机和激光接收机探测突然出现的凝结尾流向乘员报106myag相干激光多普勒测风雷达1993年clawscoherentatmosphericwindsounder计划已装备肯尼迪航天中心claclawsws相干相干激光激光风雷风雷达达claclawsws相干相干激光激光风雷风雷达达技术参数技术指标波长m106脉冲能量mj1000脉冲宽度ns脉冲重复频率hz10扫描器望远镜mm200距离分辨率径向速度精度ms最远作用距离km271990年美国相干技术公司cti研制出世界上第一台2m相干激光多普勒测风雷todwltwinotterdopplerwindlidargwolfgroundbasedwindobservinglidarfacilityvalidarvalidationlidarwintracejemcdljapaneseexperimentmodulechherentdopplerlidartodtodwlwl相干相干激光激光风雷风雷达达技术参数技术指标波长m205脉冲能量mj脉冲宽度ns500脉冲重复频率hz200扫描器望远镜mm100距离分辨率m径向速度精度gwgwolfolf相干相干激光激光风雷风雷达达技术参数技术指标波长m205人眼安全脉冲能量mj23脉冲重复频率hz500扫描器望远镜双轴120
基于相机激光雷达融合的目标检测方法
基于相机激光雷达融合的目标检测方法摘要：现阶段，我国科学技术飞速发展。
传感器作为能够获取车辆周围环境信息的设备，在智能驾驶领域有着重要的地位。
激光雷达能探测三维环境中目标物的空间信息，具有测距精度高、测量范围大等优点，但无法提供被探目标的颜色和纹理信息；相机可获取被探目标的颜色和外观等较为丰富的语义特征，但探测精度受光照及其他自然条件的影响较大。
为克服单传感器探测的局限性，智能驾驶系统通常采用相机和激光雷达等多传感设备实现对环境的感知，通过这些传感器数据的同步融合，发挥各个传感器的优势，提高目标识别的可靠性。
其中传感器的外参数标定是数据同步融合的关键。
关键词：相机；激光雷达；融合目标；检测方法引言多传感器融合在移动机器人自主导航领域应用广泛。
激光雷达和相机传感器是自动驾驶应用中最常见的感知传感器，相机可以提供丰富的色彩信息和其他特征，用于提取被检测物体的不同特征；激光雷达传感器可以准确检测物体的三维位置和结构。
为了增强目标检测和分类，可以将这两个传感器的数据进行融合，以获得更详细和准确的目标信息。
在使用传感器过程中，采集的图像数据和点云数据都是基于各自传感器的坐标系，数据融合的前提是将两个传感器的数据转换到同一坐标系中。
1激光雷达与相机的联合标定1.1数据采集由于传感器位于试验车车身的不同位置，每个传感器都有自身独立的坐标系。
为获得相机图像检测结果与激光雷达点云检测结果的一致性描述，需利用联合标定的方法将每个传感器的独立坐标系转换为统一坐标系，以实现传感器数据间的相互关联与空间同步。
联合标定通常采用标定物关联策略，利用标定物在不同传感器坐标系中的坐标值求解不同坐标系之间的转换参数。
采用平面靶标定法，将一个平面靶（标定板）置于激光雷达和相机前，通过多次变换标定板位姿生成多组约束，然后对不同位姿的平面靶特征点进行匹配，以求得不同坐标系之间的旋转、平移矩阵。
靶标定法的数据采集场地应选择在视野开阔、背景干扰物少、可在不同视野位置采样的地点。
TDLAS_气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计
文章编号 2097-1842（2024）01-0198-11TDLAS 气体激光遥测高灵敏光电探测电路设计裴梓伊1,2，胡朋兵2,3，潘孙强2,3，戚海洋2,3，刘素梅2,3，刘 东1 *（1. 浙江大学 光电科学与工程学院 极端光学技术与仪器全国重点实验室, 浙江 杭州310027；2. 浙江省计量科学研究院, 浙江 杭州310018；3. 浙江省能源与环境保护计量检测重点实验室, 浙江 杭州310018）摘要：针对气体激光遥测光信号微弱、环境因素干扰强等特点，结合波长调制技术，设计和研究了用于TDLAS 激光遥测的高灵敏度光电探测电路(Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit, HSPDC)。
基于波长调制技术，确定了TDLAS 信号噪声抑制方法；采用光电二极管理想模型，分析了光电探测电路的线性响应特性并确定了光电二极管的关键参数；基于级联放大原理设计、仿真并对HSPDC 进行测试。
结果表明：所设计HSPDC 的光功率检测下限为0.11 nW ，信号衰减仅为0.79 dB(f =10 kHz)，截止频率较现有108 V/A 跨阻放大电路高一个数量级，可用于高速调制微弱光信号的探测。
搭建了气体激光遥测系统，当调制频率为3 kHz 时，激光遥测系统获得了良好的检测性能，检测灵敏度达到88.66 mV/ppm ，检测限优于0.565 ppm ，线性拟合度R 2为0.999 6。
研究表明，研制的HSPDC 光电探测电路具有响应速度快、检测灵敏度高等优点，可集成化，能满足气体激光遥测应用需求。
关 键 词：光电探测；跨阻放大；TDLAS ；开放光路；激光遥测中图分类号：O433.1；O433.4 文献标志码：A doi ：10.37188/CO.2023-0107Design of a highly sensitive photoelectric detection circuitfor TDLAS gas laser telemetryPEI Zi-yi 1,2，HU Peng-bing 2,3，PAN Sun-qiang 2,3，QI Hai-yang 2,3，LIU Su-mei 2,3，LIU Dong 1 *（1. State Key Laboratory of Extreme Photonics and Instrumentation , College of Optical Scienceand Engineering , Zhejiang University , Hangzhou 310027, China ；2. Zhejiang Institute of Metrology , Hangzhou 310018, China ；3. Key Laboratory of Energy and Environmental Protection Measurement ofZhejiang Province , Hangzhou 310018, China ）* Corresponding author ，E-mail : ******************.cnAbstract : Aming at the characterstics of weak gas laser telemetry optical signals and strong interference from environmental factors, a Highly Sensitive Photoelectric Detection Circuit (HSPDC) for TDLAS laser tele-收稿日期：2023-06-25；修订日期：2023-07-20基金项目：2022 年度“尖兵”“领雁”研发攻关计划项目（No. 2022C03065，No. 2022C03162，No. 2022C03084）；浙江省市场监督管理局雏鹰计划 培育项目（No. CY2023001）；浙江省市场监督管理局科研计划项目（No. QN2023419）Supported by the “Pioneer ” and “Leading Goose ” R&D Program of Zhejiang (No. 2022C03065，No.2022C03162，No. 2022C03084); Science and Technology Plan Program, Eagle Plan Training Program of Mar-keting Surveillance & Administration Bureau of Zhejiang Province (No. QN2023419, No. CY2023001)第 17 卷 第 1 期中国光学（中英文）Vol. 17 No. 12024年1月Chinese OpticsJan. 2024metry based on wavelength modulation technology has been designed and investigated. In addition, a noise suppression method for TDLAS signals based on wavelength modulation technology was determined. The photodiode ideal model is utilized to analyze the linear response characteristics of the photodetector circuit and determine the essential photodiode parameters. Based on the cascade amplification principle， the HSP-DC is designed, simulated, and tested, achieving a lower limit of optical power detection of 0.11 nW, a sig-nal attenuation of 0.79 dB (f=10 kHz). The cutoff frequency is one order of magnitude higher than the exist-ing 108 V/A cross-impedance amplification circuit. Therefore, the HSPDC is applicable for high-speed modu-lation of weak optical signals. The laser telemetry system exhibits excellent detection performance at a modu-lation frequency of 3 kHz, with a detection sensitivity of 88.66 mV/ppm, a detection limit of less than 0.565 ppm, and a linear fit R2 of 0.999 6. The study demonstrates that the HSPDC photoelectric detection cir-cuit has the advantages of fast response, high detection sensitivity and accuracy. Thus, it can be integrated to meet the needs of gas laser telemetry applications.Key words: photoelectric detection；transimpedance amplification；TDLAS；open light path；laser telemetry1 引 言近年来，环境保护受到人们越来越多的关注，痕量/微量气体检测[1]、颗粒物检测[2]、尘埃气溶胶检测[3]、海洋水质检测[4]乃至气溶胶-水云特性检测[5-6]等相关领域均迎来了蓬勃的发展。
激光雷达全套解决方案(3篇)
第1篇一、引言随着科技的飞速发展，激光雷达（LiDAR）技术在自动驾驶、测绘、机器人、无人机等领域的应用越来越广泛。
激光雷达通过发射激光脉冲，测量光与物体之间的距离，进而获取目标物体的三维信息。
本文将详细介绍激光雷达全套解决方案，包括激光雷达的工作原理、分类、关键技术、应用领域以及未来发展前景。
二、激光雷达工作原理激光雷达利用激光发射和接收系统，测量光与物体之间的距离。
其基本原理如下：1. 激光发射：激光雷达发射器发射一束激光脉冲，脉冲的光能量在短时间内集中，具有较高的强度。
2. 光传播：激光脉冲在空气中传播，遇到物体时发生反射。
3. 光接收：激光雷达接收器接收反射回来的光信号。
4. 时间测量：激光雷达测量发射激光脉冲到接收反射光信号所需的时间，根据光速和测量时间，计算出激光脉冲与物体之间的距离。
5. 数据处理：将测量到的距离信息进行处理，生成目标物体的三维点云数据。
三、激光雷达分类根据激光雷达的工作原理和应用场景，可分为以下几类：1. 激光雷达按波长分类：（1）短波激光雷达：波长在1064nm以下，如355nm、532nm等，主要用于军事、工业等领域。
（2）长波激光雷达：波长在1064nm以上，如1550nm等，主要用于汽车、无人机等领域。
2. 激光雷达按测量距离分类：（1）短距离激光雷达：测量距离在100m以内，如汽车前向激光雷达。
（2）中距离激光雷达：测量距离在100-500m之间，如无人机激光雷达。
（3）长距离激光雷达：测量距离在500m以上，如测绘激光雷达。
3. 激光雷达按扫描方式分类：（1）机械扫描激光雷达：通过旋转或摆动镜片等机械部件，改变激光束的扫描方向。
（2）相位激光雷达：通过测量光波相位差，实现激光束的扫描。
（3）固态激光雷达：采用半导体激光器，无需机械部件，具有体积小、功耗低等优点。
四、激光雷达关键技术1. 激光器技术：激光器是激光雷达的核心部件，其性能直接影响激光雷达的性能。
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高重频光子计数激光雷达样机设计及测距试验王遨游;陶宇亮;李旭;王春辉;彭欢;吴光;王龙;张靖涛【摘要】In order to verify the space borne three dimensional lidar imaging technology,a ground scaled model lidar prototype is designed based on high repetition rate photon counting technique,and it has the characteristics of sub-field,non-scanning and multi-channel.The system uses two high repetition frequency,micro-pulse lasers(repetition frequency 10 kHz,single pulse energy 60 μJ),and the multi-channel detection is achieved based on large spot multi-sub-array photondetection.Besides,the time interval and time correlation statistics for single photon response time are measured by using FPGA based time coincidence count signal processing technology.Then the target distance can be obtained according to the target response time consistency and randomness of the noise response.In the field experiment,the distance of the buildings that is more than 10 km was measured,and the ranging accuracy is better than 0.3 m,detection probability is more than 99%,and the influences of different atmospheric visibilities on ranging are compared.The system validates the feasibility of multi-sub field of view of space born lidar and fiber optic focal plane receiving scheme,and proves the ranging accuracy and adaptability of lidar based on photon counting.%为了验证星载激光三维成像雷达技术,设计研制了一种基于高重频光子计数体制的分视场、无扫描的多通道激光雷达地面原理样机.系统采用两路高重频、微脉冲激光器输出,结合大光斑多元细分阵列光子探测方式实现多通道探测,并采取基于FPGA的时间相关符合计数信号处理技术,对单光子响应时刻进行时间间隔测量和时间相关统计,根据目标响应发生时机一致性和噪声响应的随机性提取目标距离信息.在外场试验中对水平距离大于10 km的楼宇目标进行了有效地测量,单通道的距离测量精度优于0.3 m,探测概率超过99%,并对比不同大气能见度下对测距的影响.该系统验证了星载激光雷达大光斑多元细分、光纤拼接焦面接收方案的可能性,并验证光子计数体制激光雷达测距精度及适应性.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2017(047)007【总页数】5页(P803-807)【关键词】激光雷达;单光子探测;光斑细分【作者】王遨游;陶宇亮;李旭;王春辉;彭欢;吴光;王龙;张靖涛【作者单位】北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;华东师范大学光谱学与波谱学国家教育部重点实验室,物理系,上海 200062;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094;北京空间机电研究所激光工程技术研究室,北京 100094【正文语种】中文【中图分类】P228.5传统星载光学测绘测量精度依赖于地面纹理特征,对于冰原、滩涂地区测量具有局限性,并且易受云的遮挡影响,在无控制点区域高程精度较低[1]。
与之相比,星载激光雷达测绘系统具有几点优势；第一、星载激光雷达测量精度不依赖于地面纹理,可以很好地实现对滩涂、冰原等区域的测量；第二、可穿透薄云,实现全天时工作,提升大范围区域地理空间信息的快速获取能力；第三、可获取包括云层、植被层多层次的地面空间信息；第四、实现高精度的高程信息测量,并提升全球范围控制基准数据高精度获取能力[2]。
综上所述,激光测距雷达可在星载测绘领域发挥不可替代的作用。
现阶段星载激光测绘、测距系统一般是依赖于脉冲式、直接探测结合飞行时间法测量,该系统通过发出激光脉冲、测量激光同步信号或参考信号与目标表面散射回波信号时间差来间接测定目标的距离。
R=c×t/2传统的激光测距仪采用大能量低重频激光信号和线性探测工作模式。
该模式所需能量孔径积较大。
由于这种模式需要高能量脉冲,限制了激光器的发射重频,也很难实现很多波束、高密度的发射,而且线性探测要求有较高的阈噪比,回波光子的利用率非常低。
所以不适合多波束高采样密度的三维成像要求。
本文提出的星载高重频光子探测激光雷达将探测灵敏度提升至极限,激光回波能量只需在光子量级,避免了回波光子的浪费,降低了系统能量孔径积的要求。
同时,微脉冲的发射系统减小了对激光器本身和光学系统造成损坏[3],同时为实现多波束、高重频发射创造了条件,大大提高了卫星沿轨和穿轨方向的采样率。
该模式使得星载激光三维成像成为了可能。
本文设计搭建了一种视场分割、非扫描式、微脉冲、多通道星载激光雷达地面原理样机,系统采用高重频光子计数体制,结合时间相关符合计数技术,对多次单光子回波信号提取采集,实现了微脉冲多回波信号的探测,并在外场试验中对激光雷达测距能力进行了验证。
2.1 光子计数体制探测原理基于光子计数体制激光雷达利用盖革模式APD单光子探测器实现了直接脉冲探测的方法,并利用时间相关符合计数(即多脉冲累计)的方法,提取微弱的有效信号,实现测距。
当激光雷达发射激光脉冲照射到郎伯目标时,单光子探测器能够对光子能量量级的回波信号进行响应。
激光脉冲将落在距离选通门某个子区间内,单光子探测模块接收激光脉冲并产生初始信号光电子数和初始噪声光电子数,初始噪声光电子数包括背景噪声和探测器的热噪声,平均分布在距离门内,光子探测模块在距离门内输出多个电平信号[4]。
利用目标距离信息的相关性和噪声信号的非相关性,通过相关累积算法,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高探测概率和测距精度。
光子计数体制激光脉冲测距过程示意图如图1所示。
2.2 基于光子计数体制激光雷达原理样机方案设计设计搭建基于视场分割大光斑细分实现了多通道回波信号的检测,该激光雷达样机主要发射机、接收机、管理控制组件和整机配套设备构成。
组成如图2所示。
系统管理控制组件用于激光雷达用于发射、接收等个单机的工作状态控制、时统管理、任务调度、供配电管理及状态巡检,完成与地检台的双向通讯。
发射机由两个通道组成,每通道为60 uJ、10 kHz重频激光器,波段为1064 nm,脉宽1 ns；每个发射通道发散角为0.5 mrad,两个发射通道之间的夹角为4 mrad,两台发射机独立工作,激光器的出射脉冲经各自发射镜头扩束准直后,照射到目标；在每台发射机出光口处设计主波检测电路,对发射机出射的激光经45°全透镜的残余反射进行检测,生成相应通道的主波光电脉冲,用作单光子数据处理的起始信号。
基于大光斑细分的单光子探测方案如图3所示。
接收光学系统利用光纤拼焦面实现对回波光斑的多元细分,最终实现8通道的单光子信号探测及处理。
接收机主要由接收镜头、平行光路组件和APD单光子探测器接收及信道处理通道构成,接收镜头主要由遮光罩、主镜组件、次镜组件、光阑和校正透镜组构成,完成对激光回波信号的收集并进行像差校正；平行光路组件主要由透镜组件、窄带滤光片组成,用于形成平行光路并对接收镜头接收的激光回波进行光谱滤波,降低背景噪声光子触发单光子探测器的事件响应；每个接收通道主要由2×2 四元面阵单光子探测模块和4路完全相同的单光子信号处理电路组成。
四元阵列单光子探测模块通过共孔径多波束视场分割技术对应完成四个探测通道的回波光信号收集探测；每个四元单光子探测模块均由高压电路、猝灭电路和阈值鉴别电路组成,该模块每个面元对单个回波光子事件进行响应[5]；光子事件响应脉冲送入后续的信号处理电路,对应四元面阵中的一个像素的工作状态。
信号处理电路是基于FPGA最小系统搭建的,该电路通过三线通讯实现与管理控制组件双向数据交换,接收管理控制组件指令、同步信号、门控信息,并向其发送获得的距离和遥测信息等。
单光子响应脉冲以LVDS差分信号送入FPGA接口电路,通过信号分配电路,完成多回波信号的分解；单脉冲信号通过正交移相位法实现高精度时间间隔测量(TDC)[6]；通过累计多次单光子响应脉冲信息,应用时间相关测量技术得到回波光子分布,并用波形恢复算法获得回波直方图分布信息,并由回波分布信息获得波形质心位置,进而得到目标距离信息。
同时通过一路距离预判通道实时获得目标距离该处理方法利用回波信号中的能量(单光子级别)目标距离信息的相关性,在背景噪声和暗计数中将真实的距离数据提取出来,提高整机探测概率[7]。
3.1 激光雷达原理样机研制指标参数原理样机参数如表1所示。
3.2 外场测试方案及结果分析利用上述原理样机对,进行了外场测距试验。
试验地点位于科研楼顶楼,搭建的外场试验装置包括激光雷达样机、地检设备、变孔径光阑、俯仰台和方位角转台；待测目标为北京中关村一带的目标楼房。
设备搭建如图4所示。
外场试验于2015年12月15日开展测试,测试时间为15点,记录当时的大气能见度、湿度、环境温度。