全波形激光雷達系統設計方法研究

摘 要：全波形激光雷達對目標回波信號進行完整記錄和分析，具有測距精度高和目標特征提取豐富的優點。但現有商業全波形激光雷達價格較高，而且內部硬件和軟件高度保密，很難滿足科研工作更深入更靈活的需求。本文提出了一種全波形激光雷達系統設計方案，利用實驗室常用的數字示波器和信號發生器，搭建出一套結構緊湊且經濟可行的全波形激光雷達實驗裝置。

關鍵詞：全波形激光雷達;共光軸光學系統;多功能示波器

一、緒論

全波形激光雷達是激光雷達的最新發展方向，可對目標回波信號進行完整記錄和分析，具有測距精度高和目標特征提取豐富的優點，在測量測繪和數字化城市等領域具有重要的應用價值。由于全波形激雷達涉及復雜的光機電綜合技術和高速采樣與存儲技術，現有研究工作主要使用商品化全波形激光雷達產品采集數據[1]，集中在后期波形處理和數據應用方面[2-3]，無法很好的實現仿真分析—算法實現—實驗驗證的全方位閉環研究[4]。本文給出了一種結構緊湊且經濟可行的全波形激光雷達設計方案。

二、系統框架圖

如圖1和圖2所示，全波形激光雷達方案主要由光學部分和電學部分組成：①光學部分，負責激光發射、接收與光電轉換功能，主要包括脈沖激光器、光學元件以及光電探測器等;②電學部分，負責激光器觸發控制、光電探測器信號采集與處理功能，主要包括信號發生模塊、數據采集模塊、數據同步模塊、數據傳輸接口以及波形記錄與分析等。

三、系統工作流程

光學部分采用發射-接收共光軸透射式望遠鏡結構，激光發射與接收過程：脈沖激光器發射的激光脈沖（波長1064nm，脈寬10ns，峰值能量20uJ，發散角1.0mrad），經分光片分光（@1064nm，透過率94.5%，吸收率5%，反射率05%），其中05%激光能量經反射棱鏡1入射到PIN探測器（銦鎵砷材料，響應波長900-1700nm，帶寬125MHz，電流增益40V/mA）光敏面上，光電轉換得到發射信號，剩余的945%激光能量經反射棱鏡2和反射棱鏡3依次反射后照射到目標表面，形成激光腳斑。激光接收過程：目標激光腳斑產生后向散射激光回波，其中一部分回波經組合透鏡（低分散的冕牌玻璃正透鏡和高分散的火石玻璃負透鏡粘接而成的消色差透鏡，且鍍有1050-1620nm增透膜）匯聚到APD探測器（銦鎵砷雪崩二極管探測器，響應波長800-1700nm，帶寬200MHz，增益1.4×104V/W）光敏面，光電轉換得到目標回波信號。

電學部分利用一臺PICOSCOPE公司的PICO6404D型多功能示波器和一臺計算機，實現激光器觸發控制、波形數據采集、數據傳輸、波形記錄與分析等一體化解決方案。PICO6404D型多功能示波器小巧易于攜帶，集成了任意信號發生器和數字示波器。內置的信號發生器，不僅可以產生正弦波、三角波和方波等波形，還支持用戶自定義波形數據;內置的數字示波器具有4個模擬通道，500MHz模擬帶寬以及最高5Gsa/s實時采樣率，內置2GB超大容量緩存，通過USB3.0接口以高達150Mbps將采集到的波形數據傳輸到電腦。

電學部分工作流程為：使用上位機設置PICO6404D型多功能示波器的信號發生模塊，產生方波信號（TTL電平類型，頻率5KHz，占空比82%），觸發脈沖激光器同步產生5KHz的脈沖激光;如下表所示設置多功能示波器的數據采集模塊（假設PIN探測器接到通道1，APD探測器接到通道2），采樣率設為1Gsa/s，觸發方式選擇通道1上升沿觸發。由于發射信號的峰值較為穩定，設置固定觸發閾值，即可同步采集通道1和通道2的波形數據。當達到設定的采樣點數后，一次采集周期結束，并自動開始下一周期的采集。多功能示波器將采集到的波形數據上傳到上位機，上位機接收到數據后保存到上位機硬盤。利用Matlab實現波形分解算法，處理硬盤里保存的實驗目標波形數據。

采樣點數以及采樣率決定了激光雷達的最大測量距離以及數據傳輸所需要的速率。假設采樣率為1Gsa/s和采樣點數為1400，則對應的最大測量距離為：（1400bins×1ns×3×108m/s）/2=210m，對應的最大數據傳輸速率：1400bins×5KHz×8bits×2通道=112Mbps。因此，本文提出的系統設計方案，采集到的重疊目標的回波如圖3所示，可以滿足近距離小光斑全波形激光雷達的波形采集與分析需求。

四、結語

本文提出了一種全波形激光雷達設計方案，該方案主要由光學和電學兩部分組成。光學部分采用發射-接收共光軸設計，具有結構緊湊的優點。電學部分采用一臺多功能示波器和一臺計算機，實現激光器驅動、目標回波信號同步采集和數據采集與分析等功能。

參考文獻：

[1]Hug C.，Ullrich A.，Grimm A.Litemapper-5600-a waveform-digitizing LiDAR terrain and vegetation mapping system[J].International Archives of Photogrammetry，Remote Sensing and Spatial Information Sciences，2004，36（Part8）：25-29.

[2]程華.激光雷達回波信號處理技術研究[D].成都：中國科學院光電技術研究所，2015.

[3]駱社周.激光雷達遙感森林葉面積指數提取方法研究與應用[D].北京：中國地質大學，2012.

[4]趙明波，何峻，付強.全波形激光雷達回波信號建模仿真與分析[J].光學學報，2012，32（06）：246-259.

基金項目：國家自然科學基金（61701266）

作者簡介：陳瑞強（1983—），男，漢族，河北石家莊人，工學博士，淮陰工學院電子信息工程學院講師，主要從事光電技術研究。