包括光纤激光器的高速激光测距系统的制作方法

专利名称：包括光纤激光器的高速激光测距系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于收集描W面的数据的装置和方法。
背景技术：
诸如激光器之类的光发射装置已经在各种应用中被用作收集信息的 传感器部件。例如，诸如激光扫描器以及光检测和测距装置(以下称作"LIDAR")之类的飞行时间测量装置已经被用于多种应用。这些应用的 示例包括地形测绘、海洋测深、地震学、故障检测、生物量测量、风速 测量、差异吸收LIDAR (DIAL )、温度计算、交通ii^测量、目标识别、 高清晰度勘测、i^巨离摄影测量、大气组成、气象学、距离测量以及多种 其它应用。LIDAR已经越来越多地用于地理区域的勘测和地形测绘，例如，使 用安装在诸如飞行器或卫星之类的空中平台上的俯瞰LIDAR设备。这种 LIDAR设备用于利用光脉冲来确定到诸如物体表面或地形表面之类的表 面的距离。到表面的距离是通过测量所发射的光脉冲与检测到相应的反射 信号之间的时延来确定的。在这种系统中，itil被用作利用光传播时间来 计算距离的已知常数。计算一表面的位置可以基于(1)关于发射光脉冲的系统的角度，(2 ) 该系统关于地球的定向，以及(3)该系统的当前位置。随着测量的^tA， 可以捕捉到源自往往数以百万计的快速激itiL射的数据，并且可以记录描 述il射表面的附加lt据模型。然而，仍然需要改进的诸如用于空中平台的LIDAR装置之类的测距 装置，所述测距装置具有改进的性能特性和改进的安全特性。发明内容本发明7>开了 一种激光测距系统。该激光测距系统包括配置成以至少 每秒20，000个光脉沖的速率向一表面发射光脉冲的至少一个光纤激光器。每个光纤激光器包括作为有源增益区的光纤，其中该有源增益区包^#土 摻杂元素。该激光测距系统还包括激光器控制电路，其中该激光器控制电M配置成使所述至少一个光纤激光器以至少每秒20,000个光脉冲的速 率发射光脉冲。该激光测距系统还包括光接收器，配置成接收返回信号， 所述返回信号表示所发射的光脉沖中从所述表面反射的部分。该激光测距 系统还包括耗用时间电路，配置成测量光纤激光器发射光脉冲与接收返回 信号之间的耗用时间。该激光测距系统还包括位置测量单元，配置成获取 描述该激光测距系统的位置的位置信息。该激光测距系统还包括惯性测量 单元(IMU)，配置成获W^述该激光测距系统的运动的俯仰、滚转及航 向信息。该激光测距系统还包括扫描子组件，配置成以不同的扫描角来引 导光纤激光器所发射的光脉冲。本发明公开了一种LIDAR系统，该LIDAR系统包括光纤激光器， 该光纤激光器被配置成向一表面发射光脉冲，每个光脉冲的脉冲宽度为5 纳秒或以下。该LIDAR系统还包括激光器控制电路。该激光器控制电路 被配置成使光纤激光器发射脉沖宽度为5纳秒或以下的光脉冲。该LIDAR 系统还包括光接收器，配置成接M所ii^面反射的返回信号。该LIDAR 系统还包括配置成区分与单个所发射的光脉冲相对应的多个返回信号的 电路。该LIDAR系统还包括耗用时间电路，配置成测量光纤激光器发射 光脉沖与接收返回信号之间的耗用时间。该LIDAR系统还包括配置成至 少部分地基于所述耗用时间来计算距离的电路，其中距离计算的精度大约 为10厘米或以下。该LIDAR系统还包括位置测量单元，配置成获W^ 述该LIDAR系统的位置的信息。该LIDAR系统还包括定向测量单元， 配置成获W^述该LIDAR系统的俯仰、滚转以及航向的信息。该LIDAR 系统还包括扫描子组件，配置成以不同的扫描角来引导光纤激光器所发射 的光脉冲。本发明公开了 一种用于获取描述一个或多个表面的数据的方法。该方 法包括以至少每秒20,000个光脉冲的速率从至少一个光纤激光器发射光 脉冲。该方法还包括针对每个所发射的光脉冲，接收至少一个返回信号。 该方法还包括针对每个返回信号，至少部分地基于发射每个光脉冲与接 ^目应的返回信号之间的耗用时间来确定相应的光脉冲的飞行时间。该方 法还包括计算光纤激光器与所述一个或多个表面之间的距离。该方法还包 括接收与该光纤激光器的位置相关联的信号，接收与该光纤激光器的姿态 变化相关联的信号，以及至少利用针对每个返回信号所确定的飞行时间来 产生三维数字数据模型。


为了进一步阐明本发明的以上及其它方面，下面将结合附图所示的本 发明的特定实施例来对本发明进行更具体的描述。应该理解的是，这些附 图仅描述了示例性实施例，而不是旨在限制本发明的范围。下面将通过附图更加具体和详细地描述和解释这些示例性实施例，在附图中 图1示出了根据一个示例性实施例的飞行时间测量装置； 图2示出了用于在激光测距系统中发射和接收信号的方法； 图3示出了用于收集地形信息的系统；以及 图4示出了用于创建描ii^面的数据模型的方法。
具体实施方式
这里所描述的实施例的原理对用于说明本发明的几个示例的结构和 ^Mt进行了描述。应该理解的是，附图是对这些示例性实施例的概略性和 示意性的表示，因此不对本发明的范围构成限制，并且附图也不必按比例这里公开的实施例涉及使用空中平台上的光纤激光器来收集大量的 距离数据。光纤激光器是一种光泵浦固态激光器，其中光纤为有源激光介 质。通常纤芯掺杂有诸如钕(Nd)、镱(Yb)或铒(Er)的标准稀土离 子中的一种。已经发现，光纤激光器纤芯对光(电磁)场的强大约束以及 光纤的长交互距离为诸如LIDAR系统的测距装置提供了极好的操作特 性。利用光纤激光器来收集距离泰:据可以产生^^吏用各种其它类型的 激光器的传统测距仪的许多优点。使用光纤激光器可以产生与脉冲速率无 关的、 一致的脉冲形状以及较高的脉冲速率。例如，由每秒产生20,000 个脉冲的光纤激光器产生的脉冲的形状与以每秒100，000个脉冲或更多脉 冲的速率来产生脉冲的同一光纤激光器所产生的脉冲形状基本相似。而 且，由每秒产生3,000个脉沖的光纤激光器产生的脉沖的形状与以每秒 150,000个脉冲或更多脉冲的速率来产生脉冲的同一光纤激光器所产生的 脉冲形状基^目似。这样，先前所需的对于不同脉冲速率时脉冲形状的变 化的补偿可以被省去。先前使用的激光器在脉冲产生速率上升时产生具有相对宽且形状较差的波形。 一致的脉冲形状改善了时间测量(timing), 这对于识别返回信号可能是必要的。光纤激光器还可以针对每个脉冲产生 较高的光功率输出。因此，在高速测距应用中。这里所公开的实施例可以 允许产生多种不同波长的光脉冲。另外，包括用于产生脉冲的光纤激光器的测距仪可以具有改进的竖直 鉴别力。竖直鉴别力可以涉及测距设备对多个脉冲返回信号进行区分的能 力。多个脉冲返回信号可以是单个发射脉冲从多个表面反射的结果，从而 识别另外的表面。例如，在高速获W^^形的数据时，第一返回信号可 以与到诸如房顶的第 一表面的距离相关，第二返回信号可以与诸如位于该 房顶以下的地表面的第二表面的距离相关。根据一些实施例，使用光纤激 光器可以将竖直鉴别力提高到大约3.5米或更小。这样，可以增加针对单 个所发射的光脉冲所记录的数据量，这是因为可以识别并在后续记录另外 的竖直可鉴别点。由光纤激光器以高速率产生的测距脉冲可以具有相对于先前实现的 激光器来说更窄的脉冲宽度。例如，由光纤激光器产生的测距脉冲可以具 有小于10纳秒的脉冲宽度。更优选地，由光纤激光器产生的测距脉冲可 以具有大约5纳秒或更小的脉冲宽度。在一些实施例中，由光纤激光器产 生的测距脉冲可以具有1纳秒或更小的脉冲宽度。所产生的具有这种减小 的脉冲宽度的脉冲使得能够提高竖直鉴别力，这是因为可以增大脉冲之间 的间隔，和/或在保持对脉冲进行区分的能力的同时，可以提高脉冲的发 射速率。由于减小了脉沖宽度，另外的优点如脉冲信号形状的改善、光功率的 提高以及信号之间的时间的增加可以进一步改善鉴别电路区分多个脉冲 返回信号的能力。较高的光功率输出也使得能够实现较长距离的测距。结 果，支撑实现光纤激光器的测距仪的空中平台可以在较高的高度4吏用。可以实现用来识别从一表面反射的脉冲的多个部分的电路。例如，在 高速测距设备中可以使用恒比值鉴别器(constant fraction discriminator, CFD)来区分多个脉冲返回信号。CFD是电子信号处理装置，设计成对 寻找最大脉冲强^iL生时间的数学运算进行近似。在高速应用场合，产生 上述脉冲宽度减小的光脉冲的光纤激光器提高了鉴别电路区分多个脉冲 返回信号的能力，从而提高了竖直鉴别力。将光纤激光器用于高速测距设备还具有关于安全性的许多优点。例 如，尽管可以产生较大的光功率输出，但是使用光纤激光器而不是其它类型的激光器可以提高用眼安全性。当在现有的测距装置中使用其它类型的 激光器时，因为减小光功率会对光脉沖的形状产生不希望的影响，因此作 为减小激光器装置本身的光功率的替选方案，使用衰减器来作用于发射光 束。然而，在对脉冲形状不产生实质性影响的情况下，由于光纤激光器的 输出能量可以被抑制，也就是说，其增益可以被提高或降低，因此可以提 高用眼安全性。由光纤激光器高速连续产生的光脉冲的减小的脉冲宽度和 发射频率可以增加测距设备的用眼安全性。例如，光脉冲的能量可以由时 间与光脉冲功率的关系图来表示。光脉冲的总能量，例如表示单个脉冲的 曲线下方的面积，通常与该光脉沖损害眼睛的可能性相关。这样，随着光 脉冲宽度的减小，光脉沖的能量也减小。结果，可以降低单个光脉沖在用 眼安全性方面的风险。另外，在不显著影响光脉冲形状的情况下，还可以改变光纤激光器的 光脉冲的波长。就此而言，可以使用从最大程度上改善用眼安全性的波长。例如，可以使用如在大约1.3微米到1.8微米之间的波长，该波长可以提 高测距仪的用眼安全性。更具体地，可以使用产生波长在大约1.5微米到 1.7微米之间的光脉冲的光纤激光器。更具体地，可以产生波长在大约 1.535微米到1.545微米之间的光脉冲。光纤激光器也可以产生其它的光 波长光纤激光器还可以具有更好的电流传输比(也称为功率转换效率 (wall-plug efficiency))。电流传输比是输入到一装置的电能与该装置输 出的光能之比。因此，与用在先前系统中的其它类型的激光器对比，通过 使用光纤激光器，更高的电流传输比可以使激光扫描装置的效率更高。参考图1,其示出了诸如激光扫描系统或LIDAR系统的飞行时间测 量装置100。飞行时间测量装置100包括光纤激光器105 (可以是二极管 泵浦的)，以及光接收器110，如光电二极管。光纤激光器105和光接收 器110电耦合于电路115。光脉冲120由光纤激光器105发射，由表面140 反射，且至少所发射的光脉冲120的^Jt部分(也称为"返回信号")由 光接收器110接收，如图1所示。电路115可以包括耗用时间电路，配置成测量光纤激光器105发射光 脉冲120与光接收器IIO接收光脉冲120的反射部分之间的耗用时间。电 路115还可以包括数据处理装置，配置成计算光脉冲120的反射部分所传 播的距离。例如，发射光脉冲120与光接收器UO接收光脉冲120的反射 部分之间的耗用时间指示从飞行时间测量装置100到表面140之间的距距离=(光速x耗用时间)/2 (等式l)在光脉冲120以一角M射到表面140的情况下，可以对该角度进行 测量，并且可以利用公知的三角等式来计算飞行时间测量装置100与表面 140之间在反射点处的垂直距离(即斜距(slant range))。例如包括反射 镜、棱镜、全息光学器件和/或指向装置(如万向架(gimbal))的扫描子 组件135可以用来将光脉冲120导向表面140。扫描子组件135可以将光 脉冲导向表面140的不同位置，以便确定不同位置处的表面140的轮廓和 属性。可以测量扫描子组件135引导光脉冲120的角度以得出扫描角。可 替选地，也可以将具有到达时间输出的二维LIDAR检测阵列与透镜和/ 或全息元件结合使用，以实现对接收^^射的角度的测量。扫描子组件135 在各个实施例中不是必要部件，可以从飞行时间测量装置100中排除。电路115还可以包括激光器控制电路。该激光器控制电路可以被配置 成使光纤激光器105以高速率发射光脉冲。例如，光脉冲的发射速率可以 是至少每秒1000个光脉冲(即1千赫)。更具体地，光脉冲的发射速率可 以更高，例如为20千赫、83千赫或更高的光脉冲发射速率。电路115可 以控制任何数量的光纤激光器105或光纤激光器105与其它类型的、用于 发射光脉冲的激光器的任何组合。电路115可以包括用于确定光信号到达时间的时间测量电路。例如， 电路115可以包括CFD。该电路115可以对所接收的多个返回信号进行 竖直方向上的鉴别，并确定到竖直方向上的不同表面的多个距离。通过使 用光纤激光器，提高了电路115区分多个返回信号的能力，这是因为如这 里所述，光纤激光器产生的脉冲宽度减小了。光纤激光器105包括作为有源增益区的光纤。该有源增益区可以包括 稀土掺杂元素。该稀土掺杂元素可以包括铒、镱、钕，和/或其它适当的 材料。光纤激光器105可以以基于用眼安全参数而选择的波长来发射光。 例如，由光纤激光器105发射的光的波长可以在大约1.3微米到1.8微米 之间。更具体地，由光纤激光器105发射的光的波长可以为大约1.7微米。 然而，也可以^^用其它波长。在可以讨论单个光纤激光器的每种情况下， 这里所述的测距设备可以包括多个光纤激光器105。例如，可以实现多个 光纤激光器105以便在飞行中连续地或同时地发射光脉冲。使用光纤激光器105可以产生与脉冲速率无关的、 一致的脉冲形状。这种一致的脉冲形状改进了用于进行点定位的时间测量特性。而且，如以上所讨论的，光纤激光器105可以产生比传统类型的、用在激光测距系统 中的激光器更大的功率。由光纤激光器105产生的光脉冲的宽度可以小于 传统测距设备产生的光脉冲的宽度。例如，由光纤激光器105产生的光脉 冲的宽度可以是大约10纳秒、5纳秒或更小。这样，可以提高对单个光 脉冲的多个>^射部分的竖直鉴别力。结果，飞行时间测量装置100可以在 距离表面140更远处工作，具有更高的精度和其它性能特性，在保持脉冲 形状特性的同时可以改变所产生的光脉冲的频率，而且，在脉冲速率发生 较大变化以及脉冲速率较高时，脉冲形状特性可以保持得较为一致。例如， 所测量的距离的精度可以为大约IO厘米或以下，或者大约5厘米或以下。使用光纤激光器105可以改善用眼安全性M。例如，光纤激光器 105可以抑制输出能量(通过增益调节)而不会影响脉冲形状。由于脉冲 形状在脉冲速率的较大范围内保持一致，因此可以不需要对脉冲进行衰 减。而且，由光纤激光器105实现的波长也提高了图l所示的飞行时间测 量装置IOO的用眼安全性。可以执行将光接收器110所接收的信号与光纤激光器105所发射的信 号相关联的任何方法。电路115可以至少部分地执行这些关联方法。例如， 可以对信号进行偏振；和/或以不同波长发送，以便利用该偏振；和/或以 不同的信号波长发送，以将光纤激光器105所发射的信号与返回信号相关 联。电路115还可以包括采样电子器件，其能够连续记录从接收器110接 收的、具有诸如时间戳的时间测量信息的采样，以及记录上述具有时间测 量信息的采样以便进行后处理。可以存储所记录的信息以及在后续对其进 行处理，以确定接收脉冲和发射脉冲之间的关联，从而根据所记录的信息 得出距离和/或表面模型。采样数据还可以包括波形(即强度分布)。电路115还可以包括强度 波形记录装置和/或峰值强度记录装置。这里所讨论的任何装置或通常和 飞行时间测量装置或某一应用相结合的公知的其它装置可以与引入光纤 激光器的实施例组合成单个装置(或电路)或多个装置(或电路)。可以 认为，波形记录装置的一个实施例类似于和具有数字采样装置的示波器。 波形记录装置可以包括电路115，其接收来自接收器110的釆样并记录波 形信息以便进行实时分析和/或后处理。强度记录装置也可以包括电路 115，其接收来自接收器110的采样并记录强度信息以便进行实时分析和/或后处理。电路115可以包括数据处理装置，用于执行存储在存储器中的指令， 进行计算，将数据存储到存储器以及从存储器取回数据，以及执行这里所 述的其它任务。例如，电路115可以包括具有处理器、存储器和用户接口 的常规计算机或专用计算机。如美国专利申请11/397,246所公开的，在飞行中可以连续地发射和接 收多个光脉沖，或可以同时发射和接收多个脉冲。该专利申请的内容通过 引用结合在本申请中。结果，与传统的系统相比，可以增加给定时间内的脉冲数量;M目应的距离测量。在这种多脉冲系统中使用光纤激光器有很大好处，尤其是在较高的高 度飞行时，此时任何单独的激光脉冲的飞行时间通常限制了可以获得的最 大脉冲速率。这种影响可能很显著。例如，对于仅能够进行串行测距操作 的系统，当高度为地平面以上(AGL) 6000 m时，光速将最大脉冲速率 限制在大约18 kHz，而当高度在500 m AGL以下时，可以获得150 + kHz 的脉冲速率。该实施例的结果是，对于给定的激光脉沖速率，飞行高度可 以加倍、增至三倍等(这取决于同时处理的脉冲的数量)，或者反过来， 对于给定的飞行高度，最大脉冲速率可以加倍、增至三倍等。而且，光纤 激光器以较高的速度产生功率较高且波形一致的脉冲。因此，光纤激光器 尤其有利于在飞行中从高空同时产生多个光脉冲。例如，参见图2，其示出了一种在激光测距系统中发射和接收信号的 方法。在T0时刻发射第一光脉冲120。在TO时刻发射第一光脉冲120 之后，但在接收第一光脉冲120的反射部分之前，在T1时刻发射第二光 脉冲125。在Tl时刻发射第二光脉冲125之后，在T2时刻接收第一光脉 冲120的反射部分。在这样的实施例中，光纤激光器与反射返回信号的表 面之间的距离可以增加到超出可用于不交叠间隔的距离。但是，在一些实 施例中，产生光脉冲的速率可以增加到至少100 kHz、 150 kHz那么高或 更高。因此，在这些实施例中发现，由于这里所述的各种原因，使用光纤 激光器是特别有利的。从而，系统可以将并行的或多脉冲的操作叠加成在 6000 m AGL高度时大约36 kHz (或更快)，以及在1000 m AGL (或更 低)的高度获得150 + kHz。在已知或可以估算出测距系统和表面之间的距离的情况下，可以不需 要连续地对来自光接收器的信号进行采样。相反，可以在预期收到信号的 特定间隔150 (该间隔150也可以称为"采样门")内对光接收器进行采样。这样，可以将返回信号与适当的发射信号相关联。此外，在某些情况 下可能接收不到返回信号，例如当光脉沖被引导得远离光接收器时。在这种情况下，在间隔150内将接收不到信号，并且将噪声、干扰或另一信号 误认为返回信号的可能性可以被最小化。可以执行任何用于将接收信号与发射信号相关联的方法。还可以执行 对信号的偏振，以将发射信号与接收信号相关联。例如，参见图2，信号 120可以具有第一偏振，信号125可以具有与信号120不同的偏振。这样， 基于发射信号和接收信号的偏振，可以将在时刻T2和T3接收的返回信 号120和125与在时刻TO和Tl发送的它们的发射信号相关联。还可以 执行其它的将发射脉冲和其对应的返回信号相关联的方法。参见图3，其示出了包括地形信息收集系统的飞行时间测量装置。该 地形信息收集系统包括空中平台，在该示例中为飞行器300类型的运栽工 具，承载包括光纤激光器的LIDAR 305、 GPS 310类型的位置测量单元 以及IMU 315类型的定向测量单元。LIDAR 305被配置成从光纤激光器 发射光脉冲以及接收返回信号，例如图1所示。从LIDAR 305的光纤激 光器发射的光脉冲可以以扫描角320来发射，以便在表面325的一部分上 进行距离和/或强度的测量。被釆样的表面325的该部分可以与LIDAR 305 的扫描角320相关。可以考虑LIDAR 305的扫描角320来根据使用^^p 的三角等式获得的数据确定表面325的轮廓以及产生后续的数据模型，如 点云、DSM (数字表面模型)，或DTM (数字地形模型)。LIDAR 305可以产生林;Mi被下的细节、夜晚"所见"以;5Ut射校正影像(利用软件)。GPS 310可以从多个卫星330接收信号并根据从卫星330接收的信 号来计算位置数据。该GPS可以包括^位置测量装置。位置数据可以 包括描述飞行器300给定时间点的位置的绰度、经度以及高程数据。IMU 315可以测量飞行器300的姿态变化，并可以包括任何定向测量装置。例 如，IMU 315可以测量飞行器300的俯仰、滚转及航向(例如包括偏航) 的变化。飞行器可以包括电路335，用于处理从LIDAR 305、 GPS 310和/或 IMU315接收的数据，以建立描述表面325的高空间分辨率数据模型。例 如，当飞行器300飞过包括表面325的投影区域时，以高速率向地面发射 光脉冲。这些光脉冲^L^面325和/或表面325上的诸如树木和建筑物之 类的物体反射。对于每个光脉冲，测量发射信号与返回信号之间的耗用时 间，这使得能够计算距离。同时，利用空载GPS 310和IMU 315来测量飞行器300的位置和姿态。也可以使用GPS地面参考站340来提高精度。除了记录由光纤激光器发射的光脉冲的往i4^用时间以外，还可以记 录返回的反射的强度。强度信息可以用图形的形式来绘制，这可以通过类 似于正射影像的过程来产生。当光脉沖遇到的不仅是表面325时，该光脉 沖可以被另外的物体反射，如电缆和树木。对于每个光脉沖，可以记录附 加的返回信号，产生关于采样区域的信息。在飞行器中执行的或在数据收 集任务之后执行的后处理固件和/或软件也可以将飞行器轨迹和光脉冲扫 描数据结M来计算数据点的地面坐标，并且如果需要的话，变换为用户 偏好的投影和基准(datum )。根据通过大气传播的激光脉冲的时间间隔 测量的处理不局限于检测在一时间间隔内发生的离散的单个或多个返回 的反射脉冲。使用光纤激光器的若千好处包括上述性能和安全性方面的优 点，例如，飞行器300可以在更高的高度飞行，光脉冲可以具有能够产生 若干优点的特性，如功率、波长和用眼安全特性。后处理固件和/或软件可以将从LIDAR 305、 GPS 310和IMU 315接 收的数据与描述大气状况、硬件特性和其它相关M的信息相结合，以便 为地面上的点产生一系列XYZ坐标三元组(可选地利用返回信号强度数 据)。随着数据收集任务的进行，可以捕捉到数百万的这种点，从而得到 DTM。在一个实施例中，LIDAR 305可以包括空载激光扫描器，如Leica ALS50空载激光扫描器，根据这里所述的技术，该空载激光扫描器包括 光纤激光器，以便产生用于获,形和返回信号强度数据的脉冲。LIDAR 305可以具有由一个或多个光纤激光器产生的最大为83千赫或更高的脉 冲速率以及四返回距离检测系统，并且可以针对高达4千米或更高的飞行 高度来配置。LIDAR 305可以具有自动适应性滚转补偿以及高达75度或 更大的扫描角，并且可以与数字航空相^4目结合。参见图4，其示出了一种获取表面描述数据的方法。光纤激光器高速 连续地发射一个或多个光脉冲(400)。这些光脉冲可以具有不同的波长， 可以被偏振以将返回信号与发射信号相关联。每个光脉冲可以具有相关的 轨迹和与所a面的扫描角。脉冲可以与基于用眼安全性^所选择的波 W目关联。在飞行中可以高速连续发射或同时发射一个或多个光脉冲。接 M示所发射的光脉冲的反射部分的返回信号(405)。通过测量发射每个光脉冲与接收每个光脉冲的反射部分之间的耗用 时间来确定每个光脉冲的飞行时间(410)。利用每个光脉冲的飞行时间可以计算光脉冲的传播距离(415)，例如，利用上述等式l可以计算每个光 脉冲的传播距离。利用这些飞行距离可以创建诸如点云、DSM或DTM 的数据模型(420)。数据模型可以考虑第一和第二光脉冲的倾斜角并且可 以包括从另外的光脉冲接收的数据，例如可以利用数百万的光脉冲来创建 数据模型。使用一个光纤激光器(或多个光纤激光器)发射光脉冲，并使用光接 收器来检测光脉冲的反射部分，其中光接收器为诸如雪崩光电二极管、 PIN光电二极管、光电倍增器、信道倍增器、真空二极管、具有到达时间 输出的成像阵列，或本领域的普通技术人员公知的任何其它类型的光接收光纤激光器和接收器可以是激光测距系统的一部分，例如参见图1 和图2。激光测距系统可以产生描述光脉冲的发射和接收的电子信号。从 GPS和IMU可以接收描述空中平台的位置和姿态的附加信息，其中空中 平台为诸如图3所示的承栽LIDAR、GPS和IMU的飞行器。点云或DTM 可以至少部分地基于从LIDAR、 GPS和IMU接收的数据来创建。用于实现这里公开的方法的实施例还可以包括计算机可读介质，用于 承载或在其上存^i十算机可执行指令或数据结构。这种计算机可读介质可 以是任何能够通过通用计算机或专用计算机访问的可用介质。例如，不具 限制性地，这种计算机可读介质可以包括RAM、 ROM、 EEPROM、 CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储装置，或能够以计算 机可执行指令或数据结构的形式承载或存储需要的数据和程序代码装置 并且能够由通用计算机、专用计算机或其它数据处理装置访问的任何其它 介质。计算机可执行指令包括例如使电路、通用计算机、专用计算机或其 它数据处理装置执行特定功能或功能组的指令或数据。虽然这里所讨论的装置是结合了用于收集描述物体和地形表面的信 息的应用来描述的，但是应该理解的是，这些装置可以被用于各种其它的 应用，例如但不限于地震学、故障检测、生物量测量、风速测量、温度计 算、交通速度测量、目标识别、大气研究、气象学、距离测量，以及多种 其它应用。根据本文的教导的飞行时间测量装置可以包括激光扫描器，如美国专 利No. 6，734，849中公开的激光扫描器，该美国专利的内^it过引用结合 在本申请中，与该美国专利不同的是，如这里所公开的，使用了光纤激光 器来发射光。激光扫描器，如美国专利No. 6,734,849中^^开的激光扫描器，可以通过光纤激光器发射光脉冲以及接收这些光脉冲的>^射部分来采 集用于形成点云的点。点云中的每个点可以表示在真实场景中从该场景中 的物体表面的点到激光扫描器的距离。计算机可以在显示器上将这些点显 示为点云，其中显示设备包括这样的装置，如监视器、投影屏和立体眼镜。 通过显示这些点，计算糾艮据公知的原理、基于软件指令来分配像素值。本发明可以通过其它特定形式来实施，而不脱离本发明的精神和本质 特征。所描述的实施例应在所有方面祐^视为仅仅是示例性的而不具有限制性。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是以上说明书来表示。所有 在权利要求的等同的含义和范围内的改变都包括在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种激光测距系统，包括至少一个光纤激光器，配置成以至少每秒20,000个光脉冲的速率向一表面发射光脉冲，每个光纤激光器包括作为有源增益区的光纤，其中所述有源增益区包括稀土掺杂元素；激光器控制电路，其中所述激光器控制电路被配置成使所述至少一个光纤激光器以至少每秒20,000个光脉冲的速率发射所述光脉冲；光接收器，配置成接收返回信号，所述返回信号包括所发射的光脉冲中从所述表面反射的部分；耗用时间电路，配置成测量所述光纤激光器发射至少一个所发射的光脉冲与接收至少一个相应的返回信号之间的耗用时间；位置测量单元，配置成获取与所述激光测距系统的位置相对应的位置信息；惯性测量单元，配置成获取与所述激光测距系统的运动相对应的俯仰、滚转及航向信息；以及扫描子组件，配置成以不同的扫描角来引导所述光脉冲。
2. 如权利要求l所述的激光测距系统，还包括处理电路，配置成至少部分地基于所测量的耗用时间来得出所&面 的数字模型。
3. 如权利要求1所述的激光测距系统，其中所述稀土掺杂元素包括 铒、镱和/或钕。
4. 如权利要求1所述的激光测距系统，还包括配置成区分与单个光 脉沖相对应的、从所W面上的多个竖直间隔的物体>^射的多个返回信号 的电路。
5. 如权利要求1所述的激光测距系统，其中所述光纤激光器所产生 的脉冲的宽度4吏竖直鉴别力能够小于3.5米。
6. 如权利要求1所述的激光测距系统，还包括处理电路，该处理电 路包括处理器，该处理器被配置成至少部分地基于每个所测量的耗用时间 来计算所述激光测距系统与所述表面之间的距离。
7. 如权利要求1所述的激光测距系统，还包括采样电子器件，配置 成从所述光接收器接收离散返回脉冲、多个^Jt脉冲和/或整个返回反射脉冲波形的特性。
8. 如权利要求l所述的激光测距系统，还包括空中平台，其至少支持所述光纤激光器、光接收器、激光器控制电路、 耗用时间电路、位置测量单元、惯性测量单元和扫描子组件。
9. 如权利要求8所述的激光测距系统，其中所述空中平台包括飞机 或其它飞行器。
10. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所发射的光的波长U 于用眼安全性^而选择的。
11. 如权利要求10所述的激光测距系统，其中所发射的光的波长在 1.3微米到1.8微米之间。
12. 如权利要求10所述的激光测距系统，其中所发射的光的波长为 1.5微米。
13. 如权利要求10所述的激光测距系统，其中所发射的光的波长在 1.535微米到1.545微米之间。
14. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述系统具有相关的至 少100千赫的最大脉冲速率。
15. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述系统具有相关的至 少150千赫的最大脉冲速率。
16. 如权利要求1所述的激光测距系统，其中所述光纤激光器以20 千赫的速率产生的脉冲波形与所述光纤激光器以100千赫的速率产生的 脉冲波形相似。
17. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述至少一个光纤激光 器被配置成以至少150千赫的速率发射光脉冲，且所述激光器控制电路使 所述至少一个光纤激光器以至少150千赫的速率发射光脉冲。
18. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述至少一个光纤激光 器被配置成以100千赫的速率发射光脉冲，且所述激光器控制电路4吏所述 至少一个光纤激光器以100千赫的速率发射光脉冲。
19. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述激光器控制电路还 被配置成使所述光纤激光器在发射第二光脉冲之前发射第一光脉冲，所述 激光器控制电路进一步被配置成使所述光纤激光器在所述光接收器接收 所述第 一光脉冲的反射部分之前发射所述第二光脉冲。
20. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中每个光脉冲的脉冲宽度 为IO纳秒或以下。
21. 如权利要求l所述的激光测距系统，其中所述激光测距系统能够 将并行的或多脉沖的操作叠加成在地平面以上6000 m的高度时36 kHz 或更快。
22. —种光检测和测距系统，包括光纤激光器，配置成向一表面发射光脉冲，其中每个光脉冲的脉冲宽 度为5纳秒或以下；激光器控制电路，配置成使光纤激光器发射脉冲宽度为5纳秒或以下 的所述光脉冲；光接收器，配置成接收从所W面反射的返回信号；配置成区分与单个所发射的光脉冲相对应的多个返回信号的电路；耗用时间电路，配置成测量所述光纤激光器发射至少一个光脉冲与接 收至少一个相应的返回信号之间的耗用时间；配置成至少部分地基于所^用时间来计算距离的电路，其中距离计 算的精度为IO厘米或以下；位置测量单元，配置成获取与所述ib险测和测距系统的位置相关联的 信息，其中所述位置测量单元被配置成从多个卫星接收信号，以及根据从 所述卫星接收的信号来计算位置数据，其中所述位置数据包括绰度、经度 和高程数据；定向测量单元，配置成获取与所述光检测和测距系统的俯仰、滚转以 及航向相关联的信息，其中所述定向测量单元被配置成计算所述光检测和 测距系统的姿态数据，该姿态数据包括航向数据、俯仰数据和滚转数据； 以及扫描子组件，配置成以不同的扫描角来引导所述光脉冲。
23. 如权利要求22所述的光检测和测距系统，还包括数据处理单元，配置成从所述配置成计算距离的电^#^巨离数据， 所述数据处理单元进一步被配置成从所述定向测量单元接收俯仰、滚转和 航向数据，所述数据处理单元进一步被配置成从所述位置测量单元接收绰 度、经度和高程数据，其中所述数据处理单元进一步包括存储在计算机可 读介质上的计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被配置成使所述数 据处理单元至少部分地基于从所述配置成计算距离的电路、位置测量单元和定向测量单元接收的数据来创建描述地形的数字地形模型或描述地形 的点云。
24. 如权利要求22所述的光检测和测距系统，其中所述位置测量单 元包括全球定位系统，且所述定向测量单元包括惯性测量单元。
25. 如权利要求22所述的光检测和测距系统，其中所发射的光的波 长特性与用眼安全性^lt相对应。
26. 如权利要求25所述的光检测和测距系统，其中所发射的光的波 长在1.3微米到1.8微米之间。
27. —种用于测绘地形、进行海洋测深学研究、进行地震学研究、检 测故障、测量生物量、测量风速、进行臭氧测量、计算温度、测量交通速 度、识别目标、勘测、进行形巨离摄影测量学研究、分析大气、进行气象 学研究或测量距离的方法，包括使用权利要求22所述的光检测和测距系统来测绘地形、进行海洋测 深学研究、进行地震学研究、检测故障、测量生物量、测量风速、进行臭 氧测量、计算温度、测量交通速度、识别目标、勘测、进行i^巨离摄影测 量学研究、分析大气、进行气象学研究或测量距离。
28. —种用于获取描述一个或多个表面的数据的方法，该方法包括 以至少每秒20,000个光脉冲的速率从至少一个光纤激光器发射光脉冲；针对至少一个所发射的光脉冲，接收至少一个返回信号；针对至少一个返回信号，至少部分地基于发射所述光脉冲与接^M目应 的返回信号之间的耗用时间来确定相应的光脉冲的飞行时间；计算基准与所述一个或多个表面之间的距离；接收与所述光纤激光器的位置相关联的信号；接收与所述光纤激光器的姿态变化相关联的信号；以及至少利用所计算的基准与所述一个或多个表面之间的距离来产生三 维数字数据模型。
29. 如权利要求28所述的方法，其中所述至少一个光纤激光器以至 少每秒100,000个光脉冲的速率发射所述光脉沖。
30. 如权利要求28所述的方法，还包括计算到两个反射单个光脉冲 的表面的距离，其中距离计算对所述两个表面之间的竖直距离的竖直鉴别力小于3.5米。
31. 如权利要求28所述的方法，其中所产生的三维数字数据模型包 括对表面之间的3.5米或更小的竖直鉴别力。
32. 如权利要求28所述的方法，其中所发射的脉冲的宽度为10纳秒 或以下。
33. 如权利要求28所述的方法，其中所发射的脉冲的宽度为5纳秒 或以下。
34. 如权利要求28所述的方法，其中以每秒20,000个光脉冲的速率形相似。
35. 如权利要求28所述的方法，其中所述光脉冲不经过衰减。
36. 如权利要求28所述的方法，还包括 发射第一光脉冲；在发射所述第 一光脉冲之后发射第二光脉冲；在发射所述第二光脉冲之后接收所述第一光脉冲的反射部分；以及通过确定发射所述第 一光脉冲与接收所述第 一光脉沖的反射部分之 间的耗用时间来确定所述第 一光脉冲的飞行时间。
37. 如权利要求28所述的方法，其中所述三位数字数据模型包括描 述反射所述光脉冲的部分的一个或多个表面的数字地形模型、数字表面模 型或点云模型。
38. 如权利要求28所述的方法，还包括将描述离散返回反射脉冲、多个反射脉沖或整个返回反射脉冲波形的 信息记录在计算机可读介质中。
39. 如权利要求28所述的方法，还包括 执行对所述至少 一个返回信号的波形分析。
全文摘要
公开了用于收集描述表面的数据的装置和方法。该装置利用一个或多个光纤激光器以高速率发射光脉冲。这种装置的实例包括激光测距系统，如光检测和测距(LIDAR)系统以及激光扫描器。由数据处理单元从该装置接收的数据可以用来创建数据模型，如描述表面的点云、数字表面模型或数字地形模型。该表面可以是例如地形和/或物体的表面。使用光纤激光器具有许多优点，如提高了垂直表面鉴别力、提高了脉冲速率、具有安全性优点以及其它优点。
文档编号G01S17/06GK101246216SQ20081000826
公开日2008年8月20日 申请日期2008年2月14日 优先权日2007年2月14日
发明者罗伯特·B·伊顿 申请人:徕卡测量系统股份有限公司