[發明專利]一種具備采樣點時間定位的激光雷達回波全波形采集器

有效

• 申請號: 201410401846.6
• 申請日: 2014-08-15
• 公開（公告）號: CN104155640A
• 公開（公告）日: 2014-11-19
• 發明（設計）人: 郭穎;舒嶸;徐敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S7/493
• 分類號: G01S7/493;G01S17/88
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明屬于對地觀測激光雷達遙感技術領域，具體是指一種具備采樣點時間定位功能的激光雷達回波全波形采集器。

背景技術

對地觀測激光雷達系統是一種用于飛機和衛星等天基平臺，可以精確、快速獲取地面及地面目標三維空間信息的主動式光學遙感系統。與其他遙感技術相比，激光雷達技術具有生產成本低，自動化程度高、受天氣影響小、數據生產周期短、測量精度高等技術優點。此外，由于激光脈沖能部分地穿透森林遮擋，直接獲取真實地面的高精度三維地形信息，因此具有傳統攝影測量方法無法取代的優越性。

對地觀測激光雷達系統是從激光測距技術發展而來的，通過測量往返于機載平臺和地面測量點之間的光程并結合機載平臺自身姿態和位置測量來確定地面點的三維坐標。激光器產生并發射離散的激光脈沖，打在地表物體上并反射，接收系統會在一段時間后收到反射的回波脈沖，準確地測量激光脈沖從發射到被反射回的傳播時間ΔT，再結合空氣中的光速c，可以計算出地表物體距離R。通過位置姿態測量系統(Position?And?Orientation?System,POS)獲得航跡上任意采樣時刻激光發射中心的空間坐標和設備的空間姿態，結合激光測量激光發射中心到地面物體的距離R，便可求得每一個激光腳印點的空間三維坐標。再加上一定的機電設備使得激光器以一定的角度擺動，那么隨著平臺的飛行，可以得到一定幅寬的大量地面點的三維坐標，經過數據處理可以生成數字高程模型(Digital?Elevation?Model，DEM)和數字表面模型(Digital?Slope?Model，DSM)。

傳統的激光雷達系統只記錄發射激光的離散的有限次回波，首次回波一般用于建立測區的DSM，再通過一定的算法去除非地面點，便可獲得測區的DEM。不過，這種方式對用戶屏蔽了不少設備相關的有用信息，如回波信號如何被量化成幾次離散的脈沖信號，地物特性對獲取的回波信號的形狀和大小有何影響等等。新一代的激光雷達系統具備了回波全波形采樣功能，主要特點是以很小的采樣間隔對來自目標的激光雷達回波信號進行采樣記錄，形成一個隨時間變化的回波信號。用戶完全可以根據波形數據，結合其應用領域對回波波形數據進行分析和處理，通過波形分揀和反演算法可以實現復雜目標成像及其特征識別和提取。相比多次回波激光雷達，全波形激光雷達能夠提供更多的目標信息。

通常的激光雷達回波全波形數字化方法是直接使用高速ADC芯片(采樣率1GS/s以上)進行波形數據采集。但這種方法得到的回波波形不具備與發射主波脈沖高精度時間定位，其精度取決于采樣周期(采樣率1GS/s下精度為1ns)。利用這種波形數據無法進行高精度的回波波形分解和特征提取。因此精確測量波形采樣點與發射主波脈沖的時間關系，獲得包括采樣點時間定位的波形數據對高精度回波波形分析而言十分重要。文獻《一種高速全波形采集與高精度定位技術研究》提出了一種方法，利用時間數字轉換(Time?to?Digital?Convert，TDC)芯片首先得到發射主波脈沖和回波脈沖觸發時刻之間的高精度時間間隔，再利用時間展寬方法測得回波脈沖觸發時刻和其后第一個采樣點的精確時間間隔，這樣依照采樣周期關系可以得到回波波形的每個采樣點與發射脈沖之間的精確時間間隔關系。這種方法的不足在于外圍電路結構較多(包括FPGA、高速ADC芯片、高精度TDC芯片和時間展寬電路)且實現方式較為復雜。中國專利CN1719353A提出了一種在FPGA內部利用進位鏈時間內插實現的高精度的時間數字轉換方法。本發明將借鑒這個專利中利用FPGA內部進位鏈時間內插進行細時間測量的部分，提出一種僅基于FPGA和高速ADC芯片，具備采樣點時間定位功能的激光雷達回波全波形采集器。

發明內容：

本發明的目的是提供一種具備采樣點時間定位的激光雷達回波全波形采集器，從而以比較簡單的方式獲取帶有采樣點精確時間定位的激光雷達回波全波形用于波形分解和特征提取。

本發明的技術關鍵在于利用高速ADC采樣時鐘同步的分頻時鐘作為粗計數時鐘，控制在一定的時間區間內保存回波采樣點數據，同時利用內插延遲鏈對主波脈沖和粗計數時鐘沿之間的時間間隔進行精細測量，從而獲得相對激光發射主波脈沖有著精確時間定位的回波采樣點。

本發明的目的是通過下述技術途徑實現的。