CN103576134B - 一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，突破了常规激光雷达只能测量有限个距离和强度数据的限制，同时解决了非同轴激光雷达探测盲区的问题；本发明所述基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***包括脉冲激光器，激光发射与接收单元，数据采集单元，控制单元和软件单元；控制单元控制脉冲激光器发射激光脉冲，激光脉冲经激光发射与接收单元后分为：出射光束、采集卡控制信号产生光束和发射波形记录光束，出射光束被目标散射后被发射与接收单元收集进入数据采集单元，作为接收信号被采集；软件单元用于提供人机交互接口。本发明可以存储发射激光脉冲和接收激光脉冲的完整波形，有效增强全波形激光雷达的探测能力。

Description

一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***

技术领域

本发明涉及到激光雷达测量领域，尤其是一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***。

背景技术

激光雷达是一种借助于激光的主动遥感技术，主要通过测量激光脉冲往返于目标与激光雷达平台之间的时间，根据距离与光速和时间的关系得到激光雷达平台与目标之间的距离，配合扫描装置的动作，激光雷达可以完成对目标表面的扫描，同时结合激光雷达平台的位置和姿态数据，从而得到目标的数字表面模型和数字高程模型。由于在实际中所使用的脉冲激光器存在一定的发散角，导致所发射的激光脉冲光束以近似圆锥的形式向前传播，当激光脉冲光束与目标相互作用时已不再是一个点，而是一个圆斑，此圆斑被称为激光光斑，又由于测量环境中目标的复杂性和多样性，因而在一个激光光斑中有可能包含多个散射目标或一个目标具有多个散射表面，从而导致激光脉冲回波信号波形的复杂性,例如一个回波中包含多个脉冲或者脉冲被展宽。但是常规激光雷达只是借助于一定的阈值方法（上升沿、峰值或者重心等）得到激光光斑中一个或多个目标的距离值（现阶段最多为6个），又由于不同目标具有不同的回波波形，因此仅采用固定的阈值检测方法，会导致不同的目标具有不同的测距精度。虽然有些国外厂商可以提供激光脉冲回波采集模块，但是价格昂贵。另一方面现阶段的激光雷达都是采用近似同轴的测量方式（出射光路与回波光路平行），这样会造成回波能量的损失、近距离盲区以及调整平行光路的复杂性。最后，由于激光雷达中激光器的不稳定性，导致各次测量中发射的激光脉冲波形各不相同，在后续处理数据时若不考虑这种差异，将会降低测量精度。全波形激光雷达是指借助于高速数据采集装置将激光脉冲信号在一定的时间区间内完整采集和存储,从而得到激光脉冲的完整波形，所采集到的波形信号被称为全波形信号,根据激光脉冲与目标相互作用的机理可知全波形信号中包含目标丰富的物理和几何特性信息。

发明内容

本发明公开了一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，目的在于提高常规激光雷达的探测能力和减小激光雷达的探测盲区,并同时记录发射激光脉冲和接收激光脉冲的完整波形。

所述激光雷达***包括脉冲激光器，激光发射与接收单元，数据采集单元，控制单元和软件单元，所述激光发射与接收单元由分束镜和同轴模块组成，所述数据采集单元由发射激光探测器、接收激光探测器、高速双通道数据采集卡和采集卡控制模块组成，所述控制单元由主控计算机和激光器控制单元组成，所述脉冲激光器接收来自激光器控制单元的激光器控制信号，发出一定频率和脉冲宽度的激光脉冲，为了实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的完整存储，并消除脉冲激光器的发射延时，所述激光脉冲经激光发射与接收单元中的分束镜分成3束，第1束激光脉冲经激光发射与接收单元中的同轴模块出射照向目标，激光脉冲经目标散射后，被激光发射与接收单元中的同轴模块聚焦到数据采集单元中的接收激光探测器，接收激光探测器将接收到的光信号转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的采样频率，接收激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现接收激光脉冲的全波形存储；第2束激光脉冲入射到数据采集单元中的发射激光探测器，发射激光探测器将激光脉冲转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的采样频率，发射激光脉冲的波形可以被完整采集，从而实现发射激光脉冲的全波形存储，由于脉冲激光器工作的不稳定性，导致所发射的激光脉冲具有不同的波形，同时存储发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，在后期的信号处理中，可以考虑到发射激光脉冲波形的差异性，从而得到更精确的测量结果，并可以根据发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的差异性，反演出目标的物理和几何特性；第3束激光脉冲进入数据采集单元中的采集卡控制模块用于产生采集卡控制信号，该信号用于设定数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速双通道数据采集卡中数据时的参考位置，借助于数据读取参考位置可以实现发射激光脉冲波形的完整读取，以及发射波形和接收波形时间坐标的一致；所述控制单元完成对脉冲激光器和数据采集单元中高速双通道数据采集卡的控制，以及对高速双通道数据采集卡中采集到的数据进行读取、显示、存储和计算，并为软件单元提供硬件平台；所述软件单元提供人机交互接口，完成数据采集单元和控制单元的配置，采集到的数据和数据处理结果的显示；本发明专利可以实现激光雷达光路中发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路的完全同轴，同时可以实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的全波形采集、显示和按照设定格式存储。

所述激光发射与接收单元可以实现发射激光脉冲与接收激光脉冲光路的完全同轴，并实现对脉冲激光器所发射激光脉冲的分光，从而将不同分量的激光脉冲信号分别用于产生采集卡控制信号，发射激光脉冲波形采集信号，以及出射激光脉冲信号，所述激光发射与接收单元由两个分束镜和同轴模块组成，第一个分束镜的反射透射比为9:1，从而将脉冲激光器发射的激光脉冲分为光强之比为9:1的两束激光脉冲，反射光束占很大比例主要因为反射光束将通过同轴模块作为出射激光脉冲照向目标，出射激光脉冲的能量越大，测量距离越远，经目标散射的激光脉冲信号信噪比越高，从而实现目标的远距离和精确测量；透射光束经过第二个分束镜再一次分束，第二个分束镜的反射透射比为1:9，其中透射光束占很大比例主要是因为透射光束作为发射激光脉冲波形采集信号被发射激光探测器接收，较高的信号能量保证了采集到的发射激光脉冲波形具有较高的信噪比，从而保证发射激光脉冲波形的精确存储；反射光束进入数据采集单元中的采集卡控制模块，用于产生采集卡控制信号；所述的同轴模块由平面反射镜，反射镜底座，底座支架，套筒和聚焦透镜组成，所述平面反射镜镀有提高反射率的介质膜，主要为了减少反射光束的能量损失，平面反射镜的厚度为1-2mm，宽度为2mm，长度为4mm，较小的厚度主要是为了保证反射镜固定到支架上仍处于同轴模块的中心，较小面积的反射镜是为了减少反射镜对经目标散射的激光脉冲信号的遮挡，从而减少回波能量的损失；所述反射镜底座为边长为2mm的正方体沿对角线切开的一半，所述平面反射镜通过胶合的方式固定在反射镜底座的斜面上；所述底座支架由圈状底座和共点三线支架组成，三线支架的宽度为2mm，一方面保证反射镜底座可以固定在三线支架的共点上并能够承受反射镜底座的重量，另一方面减少三线支架对回波信号的遮挡；所述反射镜底座通过胶合的方式固定在底座支架的共点上，所述底座支架的圈状底座通过螺母固定在套筒的前部，所述聚焦透镜并通过螺母固定于套筒的内部；由于平面反射镜位于底座支架的中心，聚焦透镜光轴与底座支架的圈状底座中心轴重合，因此平面反射镜位于聚焦透镜的光轴上；经第一个分束镜反射的激光脉冲以45°角的方式入射到同轴模块的平面反射镜上，从而使光束传播方向改变90°以水平方向出射，由于平面反射镜位于聚焦透镜光轴上，从而使发射激光脉冲出射光路与聚焦透镜光轴重合，发射激光脉冲经目标散射后沿光轴返回，从而实现发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路同轴，同时聚焦透镜可将散射激光脉冲回波聚焦到接收激光探测器上，从而增大探测到的接收激光脉冲光能量。

所述的数据采集单元可以实现发射激光脉冲与接收激光脉冲的双通道同时采集，同时实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的完整采集和存储，从而实现激光脉冲的全波形存储，所述数据采集单元包括：发射激光探测器、接收激光探测器、高速双通道数据采集卡和采集卡控制模块；发射激光探测器和接收激光探测器分别实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的光电转换，并分别于高速双通道数据采集卡的两个采集通道连接；高速双通道数据采集卡完成模拟信号到数字信号的转换，并将采集到的信号存储到自身板载存储器中；采集卡控制模块由光电二极管和信号调理电路组成，光电二极管接收来自激光发射与接收单元的激光脉冲信号，将激光脉冲信号转换为电脉冲，电脉冲经所述信号调理电路整形、滤波和放大后产生采集卡控制信号，从而完成对采集卡的控制；当采集结束后，控制单元中的主控计算机读取双通道数据采集卡中的数据，从而实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的存储和计算；双探测器双通道采集可以保证发射脉冲和接收脉冲的同时采集，保证发射信号和接收信号具有相同的时间坐标，相对于单探测器单通道采集可以消除测量盲区，实现近距离测量，同时可以避免发射信号与接收信号的相互干扰；由于发射波形采集信号和采集卡控制信号来自于不同的模块，导致采集卡控制信号相对于发射激光脉冲信号存在时间延迟，当发射脉冲信号到达采集卡时采集卡还没有被触发采集，为了保证发射激光脉冲波形的完整存储，高速双通道数据采集卡工作在实时采集模式，并将采集到的数据存储到板载存储器中，当高速双通道数据采集卡接收到来自采集卡控制模块的采集卡控制信号时，将会在当前采样点处设置读取数据参考位置，当采样满足采样配置要求后，主控计算机以读取数据参考位置为基准，在读取数据参考位置的前后分别读取一定长度的数据，在存储标志前读取一定长度的数据是为了消除采集卡控制信号相对于发射激光脉冲的滞后，在存储标志后读取一定长度的数据是为了保证数据的完整性，从而实现发射激光脉冲波形的完整读取，最后完成对发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的完整存储。

所述的软件单元包括：高速双通道数据采集卡配置部分、激光器控制单元配置部分和波形显示部分组成。高速双通道数据采集卡配置部分包括文件设置、采集通道电压设置、采集通道时间设置、采集通道输入设置、采集卡触发设置。文件设置中包括文件存储路径的设置和已存储文件个数的显示。采集通道电压设置包括采集通道0和采集通道1的参考电压设置和采集通道的偏置电压的设置。采样通道时间设置包括采样频率的设置、记录长度的设置和参考位置的设置。采集通道输入设置包括采集通道0和采集通道1的最大输入频率（采样之前通过低通滤波）和输入信号耦合方式的设置。采集卡触发设置包括触发源设置、触发电平大小设置、触发通道耦合方式设置和触发边沿的选择。激光器控制单元配置部分包括激光器控制信号频率、幅值和占空比设置。波形显示窗口用于发射波形和接收波形的实时显示。

所述的数据存储格式为配置参数与数据块分开存储，数据块又分为数据子块；第1-17字节存储配置参数，第17字节以后存储数据块；具体存储格式，如下所述：第1-4字节存储***开始工作时间，其中***开始工作时间包括年、月和日；第5个字节为采样通道连接方式，0代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，1代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连；第6-9字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第10-13字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第14-15字节存储高速双通道数据采集卡设定的采样频率，采样频率以兆赫兹为单位，采用高位在前低位在后的存储方式；第16字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位；第17字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位，第17字节以后分别存储每次测量的数据子块，每一个数据子块对应于脉冲激光器发射的一次激光脉冲和接收的散射激光脉冲，数据子块包含激光脉冲的发射时刻、发射激光脉冲全波形数据和接收激光脉冲全波形数据。

所述控制单元包括激光器控制单元和主控计算机，采用主控计算机和各单元独立子控制器相结合的分布式控制方式，子控制器分别对下属单元进行控制，总控制只是实现对子控制器的配置和监控，这样可以减少总控制单元的工作负荷，实现更精确的控制增加***的稳定性；因为现阶段的微处理器大多采用单线程的执行方式，如在运行过程需要实现多个任务，任务之间会相互影响，又由于本***需要高速的数据采集和存储，很小的影响都会造成数据的丢失和错乱，从而引起***的不稳定，因此采用分布式的控制方式可以保证整个***的稳定运行。

所述激光器控制单元由微处理器和适配器组成，所述微处理器可以为单片机、CPLD或FPGA；所述微处理器接收来自总控制器的配置信号，输出一定频率、幅值和占空比的方波信号，所述适配器根据激光器对控制信号的要求对方波信号进行放大，从而去驱动激光器发射一定频率的激光，适配器还用于激光器与微处理器之间的隔离，实现对微处理器的保护。

本发明的有益效果，基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***可以同时提供单次测量中的发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，并使得发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路完全同轴，从而消除了全波形激光雷达的测量盲区，同时增大了全波形激光雷达的探测距离。

附图说明

图1是基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***简图。

图2是基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***完整示意图。

图3是同轴模块的机械示意图。

图4是数据采集与存储时序图。

图5是数据存储格式示意图。

图6是基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***软件界面。

具体实施方式

如图2所示，脉冲激光器1是光源，为***的测量提供激光脉冲。脉冲激光器1的波长选择取决于测量环境中传输介质的传输窗口和被测目标的散射特性，例如在城市测绘中，激光传输介质为大气，被测目标为高楼、草地和路面，激光器1的波长可以选择为1064nm；再比如在海洋测量中，激光的传输介质为水，此时激光器1波长可以选择为532nm。脉冲激光器具有重复频率高和峰值功率大的特性，从而可以满足快速和远距离测量的要求，因此激光光源选择为脉冲激光器1。脉冲激光器1发射的激光脉冲宽度一般选择5-10ns。过窄的激光脉冲一方面导致激光脉冲与目标接触时间短，回波信号未能包含丰富的目标信息，失去全波形激光雷达的优势；另一方面导致激光器造价增大和激光探测器带宽要求增大，从而增加***的成本。在相同频率、相同测量距离下，过宽的激光脉冲会增大激光器的功率需求，从而增大能耗。脉冲激光器1为频率可调激光器，可以灵活的根据测量任务的需要调节激光器的发射频率。

脉冲激光器1接收来自激光器控制单元的激光器控制信号14，发射出一定频率和脉宽的激光脉冲，所述激光脉冲经分束镜2分成光束20和光束21，分束镜2为反射透射比为9:1分光平片。光束20为反射光束，光束21为透射光束。反射光束占很大比例主要因为反射光束将通过同轴模块作为出射光束照向目标，出射光束的能量越大，测量距离越远，由接收激光探测器探测到的激光脉冲信号信噪比越高，从而实现目标的远距离和精确测量。光束20通过同轴模块以水平方向出射照向目标。

同轴模块机械结构如图3所示，图3（1）为平面反射镜24，主要完成激光光束传播方向90°转变，反射镜的宽度为2mm，长度为4mm，大小取决于光束20的光斑大小，反射镜的厚度为1-2mm，较小的厚度主要是为了保证反射镜固定到支架上仍处于同轴模块的中心，较小面积的反射镜是为了保证激光光斑完全反射的前提下，减少平面反射镜对经目标散射的激光脉冲回波信号的遮挡，从而减少回波能量的损失。图3（2）为反射镜底座25，用于固定平面反射镜24，使反射镜24与水平方向成45°角，反射镜底座25边长为2mm的正方体沿对角线切开的一半，，边长大小取决于平面反射镜24的大小，铝制材料主要是为了较小反射镜底座的重量，从而增加胶合强度。平面反射镜24通过胶合的方式固定在反射镜底座25的斜面26上。图3（3）为底座支架27，所述底座支架由圈状底座和共点三线支架组成，三线支架的宽度为2mm，一方面保证反射镜底座可以固定在三线支架的共点上并能够承受反射镜底座的重量，另一方面减少三线支架对经目标散射的激光脉冲回波信号的遮挡。反射镜底座25通过胶合的方式固定在底座支架27的中心位置28处。底座支架27用于固定反射镜底座25并与图3（4）中的套筒30连接，套筒30和底座支架27之间通过三个螺纹孔29和螺纹孔31经螺母连接。图3（6）为聚焦透镜组34，用于将散射回来的激光脉冲信号聚焦到接收激光探测器光敏面上，聚焦透镜组34通过三个螺纹孔32固定在套筒30的内部33处。图3（6）为完整的装配图。由于平面反射镜位于底座支架的中心，聚焦透镜的光轴与底座支架的圈状底座轴，因此平面反射镜位于聚焦透镜的光轴上；由于平面反射镜位于底座支架的中心，聚焦透镜光轴与底座支架的圈状底座中心轴重合，因此平面反射镜位于聚焦透镜的光轴上；经第一个分束镜反射的激光脉冲以45°角的方式入射到同轴模块的平面反射镜上，从而使光束传播方向改变90°以水平方向出射，由于平面反射镜位于聚焦透镜光轴上，从而使发射激光脉冲出射光路与聚焦透镜光轴重合，发射激光脉冲经目标散射后沿光轴返回，从而实现发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路同轴，同时聚焦透镜可将散射激光脉冲回波聚焦到接收激光探测器上，从而增大探测到的接收激光脉冲光能量。

图2中光束21再经反射与透射比为1:9的分束镜3分成光束22和光束23。光束22为透射光束，光束23为反射光束。其中透射光束占很大比例主要是因为透射光束作为发射激光脉冲波形采集信号被发射激光探测器接收，较高的激光脉冲能量能量保证了采集到的发射激光脉冲波形具有很高的信噪比，从而保证发射激光脉冲波形的精确存储。光束22入射到发射激光探测器6，转换为发射波形电信号16。光束23进入光电二极管12，光电二极管12将激光脉冲信号转换为电脉冲信号，电脉冲信号经信号调理电路11的滤波、整形和放大变为可以驱动高速双通道数据采集卡7的采集卡控制信号15，从而设置高速双通道数据采集卡7的数据读取参考位置。由于信号调理电路11相对于光束22的时间存在延时，因此采集卡控制信号15晚于发射波形电信号16到达高速双通道数据采集卡7，因此会导致采集到的发射波形不完整。为了解决此问题，配置高速双通道数据采集卡7工作在实时采集方式，当高速双通道数据采集卡7接收到采集卡控制信号15时，在当前的采样点处设置数据读取参考位置，当采样满足采样配置要求后，主控计算机8以数据读取参考位置为基准，向数据读取参考位置前读取一定个数的采样点，从而消除采集卡控制信号15相对于发射波形电信号16之间的时间延时，接着读取剩余点数，完成发射激光脉冲波形的完整存储。

数据采集与读取时序如图4所示。高速双通道数据采集卡上电后工作在实时采集模式，并将采集到的数据存储在板载存储器中。激光器控制单元按照设定频率和占空比发出激光器控制信号，脉冲激光器接收到激光器控制信号后经过一定的时间延迟，发射出激光脉冲，激光脉冲经激光发射与接收单元分束，其中一束进入到数据采集单元中的采集卡控制模块，从而产生采集卡控制信号，由于激光脉冲需要经过光电转换以及整形、滤波和放大，导致采集卡控制信号相对于激光脉冲信号存在延时，当采集卡控制信号到达高速双通道数据采集卡7时，会在当前的采样点处设置数据读取参考位置，当高速双通道数据采集卡7满足采样配置后，主控计算机8以读取数据参考位置为基准，在读取数据参考位置的前后分别读取一定长度的数据，从而完成发射激光脉冲波形的完整读取，在存储标志前读取一定长度的数据是为了消除采集卡控制信号相对于发射激光脉冲的滞后，在存储标志后读取一定长度的数据是为了保证数据的完整性，实现对发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的完整存储。

主控计算机8将读取到的数据以字节为单位的二进制形式存储，存储格式如图6所示。数据存储格式为配置参数与数据块分开存储，数据块又分为数据子块。第1-17字节存储配置参数，第17字节以后存储数据块；具体存储格式，如下所述：第1-4字节存储***开始工作时间，其中工作时间包括年、月和日；第5个字节为采样通道连接方式，0代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，1代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连；第6-9字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第10-13字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第14-15字节存储高速双通道数据采集卡设定的采样频率，采样频率以兆赫兹为单位，采用高位在前低位在后的存储方式；第16字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位；第17字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位，第17字节以后分别存储每次测量的数据子块，每一个数据子块对应于脉冲激光器发射的一次激光脉冲，数据子块包含激光脉冲的发射时刻、发射激光脉冲全波形数据和接收激光脉冲全波形数据。

基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***软件单元主要完成基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***开始工作之前的参数配置，以及发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的显示，软件单元界面如图6所示,软件单元界面由高速双通道数据采集卡配置部分、激光器控制单元配置部分和波形显示部分组成。高速双通道数据采集卡配置部分又包括文件设置、采集通道电压设置、采集通道时间设置、采集通道输入设置、采集卡触发设置。文件设置中包括文件存储路径设置和已存储文件个数的显示。采集通道电压设置包括采集通道0和采集通道1的参考电压设置和采集通道0和采集通道1的偏置电压的设置。采样通道时间设置包括采样频率的设置、记录长度的设置和参考位置的设置。采集通道输入设置包括采集通道0和采集通道1的最大输入频率和输入信号耦合方式的设置。采集卡触发设置包括触发源设置、触发电平大小设置、触发通道耦合方式设置和触发边沿的选择。激光器控制单元配置部分包括激光器控制信号频率、幅值和占空比设置。波形显示窗口用于发射波形和接收波形的实时显示。

以上所述，仅为本发明具体实施方法的基本方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明公开的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。所有落入权利要求的等同的含义和范围内的变化都将包括在权利要求的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，其特征在于，所述激光雷达***包括脉冲激光器，激光发射与接收单元，数据采集单元，控制单元和软件单元，所述激光发射与接收单元由分束镜和同轴模块组成，所述数据采集单元由发射激光探测器、接收激光探测器、高速双通道数据采集卡和采集卡控制模块组成，所述控制单元由主控计算机和激光器控制单元组成，所述脉冲激光器接收来自激光器控制单元的激光器控制信号，发出一定频率和脉冲宽度的激光脉冲，为了实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的完整存储，并消除脉冲激光器的发射延时，所述激光脉冲经激光发射与接收单元中的分束镜分成3束，第1束激光脉冲经激光发射与接收单元中的同轴模块出射照向目标，激光脉冲经目标散射后，被激光发射与接收单元中的同轴模块聚焦到数据采集单元中的接收激光探测器，接收激光探测器将接收到的光信号转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，接收激光脉冲的波形能够被完整采集，从而实现接收激光脉冲的全波形存储；第2束激光脉冲入射到数据采集单元中的发射激光探测器，发射激光探测器将激光脉冲转换为电信号，从而被数据采集单元中的高速双通道数据采集卡采集，借助于高速的数据采样，发射激光脉冲的波形能够被完整采集，从而实现发射激光脉冲的全波形存储，由于脉冲激光器工作的不稳定性，导致所发射的激光脉冲具有不同的波形，同时存储发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形，使得在后期的信号处理中，考虑到发射激光脉冲波形宽度和幅值的的差异性，得到更精确的测量结果，并能够根据发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形之间的差异，反演出目标的物理和几何特性；第3束激光脉冲进入数据采集单元中的采集卡控制模块用于产生采集卡控制信号，该信号用于设定数据读取参考位置，用于主控计算机读取高速双通道数据采集卡中数据时的参考位置，借助于数据读取参考位置能够实现发射激光脉冲波形的完整读取，以及发射波形和接收波形时间坐标的一致；所述控制单元完成对脉冲激光器和数据采集单元中高速双通道数据采集卡的控制，以及对高速双通道数据采集卡中采集到的数据进行读取、显示、存储和计算，并为软件单元提供硬件平台；所述软件单元提供人机交互接口，完成数据采集单元和控制单元的配置，采集到的数据和数据处理结果的显示；能够实现激光雷达光路中发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路的完全同轴，同时能够实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的全波形采集、显示和按照设定格式存储。

2.根据权利要求1所述的一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，其特征在于，所述激光发射与接收单元能够实现发射激光脉冲与接收激光脉冲光路的完全同轴，并实现对脉冲激光器所发射激光脉冲的分光，从而将不同分量的激光脉冲信号分别用于产生采集卡控制信号，发射激光脉冲波形采集信号，以及出射激光脉冲信号，所述激光发射与接收单元由两个分束镜和同轴模块组成，第一个分束镜的反射透射比为9:1，从而将脉冲激光器发射的激光脉冲分为光强之比为9:1的两束激光脉冲，反射光束占很大比例主要因为反射光束将通过同轴模块作为出射激光脉冲照向目标，出射激光脉冲的能量越大，测量距离越远，经目标散射的激光脉冲信号信噪比越高，从而实现目标的远距离和精确测量；透射光束经过第二个分束镜再一次分束，第二个分束镜的反射透射比为1:9，其中透射光束占很大比例主要是因为透射光束作为发射激光脉冲波形采集信号被发射激光探测器接收，较高的信号能量保证了采集到的发射激光脉冲波形具有较高的信噪比，从而保证发射激光脉冲波形的精确存储；反射光束进入数据采集单元中的采集卡控制模块，用于产生采集卡控制信号；所述的同轴模块由平面反射镜，反射镜底座，底座支架，套筒和聚焦透镜组成，所述平面反射镜镀有提高反射率的介质膜，主要为了减少反射光束的能量损失，平面反射镜的厚度为1-2mm，宽度为2mm，长度为4mm，较小的厚度主要是为了保证反射镜固定到支架上仍处于同轴模块的中心，较小面积的反射镜是为了减少反射镜对经目标散射的激光脉冲信号的遮挡，从而减少回波能量的损失；所述反射镜底座为边长为2mm的正方体沿对角线切开的一半，所述平面反射镜通过胶合的方式固定在反射镜底座的斜面上；所述底座支架由圈状底座和共点三线支架组成，三线支架的宽度为2mm，一方面保证反射镜底座能够固定在三线支架的共点上并能够承受反射镜底座的重量，另一方面减少三线支架对回波信号的遮挡；所述反射镜底座通过胶合的方式固定在底座支架的共点上，所述底座支架的圈状底座通过螺母固定在套筒的前部，所述聚焦透镜并通过螺母固定于套筒的内部；由于平面反射镜位于底座支架的中心，聚焦透镜光轴与底座支架的圈状底座中心轴重合，因此平面反射镜位于聚焦透镜的光轴上；经第一个分束镜反射的激光脉冲以45°角的方式入射到同轴模块的平面反射镜上，从而使光束传播方向改变90°以水平方向出射，由于平面反射镜位于聚焦透镜光轴上，从而使发射激光脉冲出射光路与聚焦透镜光轴重合，发射激光脉冲经目标散射后沿光轴返回，从而实现发射激光脉冲光路与接收激光脉冲光路同轴，同时 聚焦透镜可将散射激光脉冲回波聚焦到接收激光探测器上，从而增大探测到的接收激光脉冲光能量。

3.根据权利要求1所述的一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，其特征在于，所述的数据采集单元能够实现发射激光脉冲与接收激光脉冲的双通道同时采集，同时实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的完整采集和存储，从而实现激光脉冲的全波形存储，所述数据采集单元包括：发射激光探测器、接收激光探测器、高速双通道数据采集卡和采集卡控制模块；发射激光探测器和接收激光探测器分别实现发射激光脉冲和接收激光脉冲的光电转换，并分别于高速双通道数据采集卡的两个采集通道连接；高速双通道数据采集卡完成模拟信号到数字信号的转换，并将采集到的信号存储到自身板载存储器中；采集卡控制模块由光电二极管和信号调理电路组成，光电二极管接收来自激光发射与接收单元的激光脉冲信号，将激光脉冲信号转换为电脉冲，电脉冲经所述信号调理电路整形、滤波和放大后产生采集卡控制信号，从而完成对采集卡的控制；当采集结束后，控制单元中的主控计算机读取双通道数据采集卡中的数据，从而实现发射激光脉冲和接收激光脉冲波形的存储和计算；双探测器双通道采集能够保证发射脉冲和接收脉冲的同时采集，保证发射信号和接收信号具有相同的时间坐标，相对于单探测器单通道采集能够消除测量盲区，实现近距离测量，同时能够避免发射信号与接收信号的相互干扰；由于发射波形采集信号和采集卡控制信号来自于不同的模块，导致采集卡控制信号相对于发射激光脉冲信号存在时间延迟，当发射脉冲信号到达采集卡时采集卡还没有被触发采集，为了保证发射激光脉冲波形的完整存储，高速双通道数据采集卡工作在实时采集模式，并将采集到的数据存储到板载存储器中，当高速双通道数据采集卡接收到来自采集卡控制模块的采集卡控制信号时，将会在当前采样点处设置读取数据参考位置，当采样满足采样配置要求后，主控计算机以读取数据参考位置为基准，在读取数据参考位置的前后分别读取一定长度的数据，在存储标志前读取一定长度的数据是为了消除采集卡控制信号相对于发射激光脉冲的滞后，在存储标志后读取一定长度的数据是为了保证数据的完整性，从而实现发射激光脉冲波形的完整读取，最后完成对发射激光脉冲波形和接收激光脉冲波形的完整存储。

4.根据权利要求1所述的一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，其特征在于，所述的软件单元包括：高速双通道数据采集卡配置部分、激光器控制单元配置部分和波形显示部分组成；高速双通道数据采集卡配置部分包括文件设置、采集通道电压设置、采集通道时间设置、采集通道输入设置、采集卡触发设置；文件设置中包括文件存储路径的设置和已存储文件个数的显示；采集通道电压设置包括采集通道0和采集通道1的参考电压设置和采集通道的偏置电压的设置；采样通道时间设置包括采样频率的设置、记录长度的设置和参考位置的设置；采集通道输入设置包括采集通道0和采集通道1的最大输入频率和输入信号耦合方式的设置；采集卡触发设置包括触发源设置、触发电平大小设置、触发通道耦合方式设置和触发边沿的选择；激光器控制单元配置部分包括激光器控制信号频率、幅值和占空比设置；波形显示窗口用于发射波形和接收波形的实时显示。

5.根据权利要求1所述的一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达***，其特征在于，所述的数据存储格式为配置参数与数据块分开存储，数据块又分为数据子块；第1-17字节存储配置参数，第17字节以后存储数据块；具体存储格式，其中：第1-4字节存储***开始工作时间，其中***开始工作时间包括年、月和日；第5个字节为采样通道连接方式，0代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，1代表发射激光探测器与高速双通道数据采集卡的第2通道相连，同时接收激光探测器与高速双通道数据采集卡的第1通道相连；第6-9字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第10-13字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的采样点数，采用高位在前低位在后的存储方式；第14-15字节存储高速双通道数据采集卡设定的采样频率，采样频率以兆赫兹为单位，采用高位在前低位在后的存储方式；第16字节存储高速双通道数据采集卡第1通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位；第17字节存储高速双通道数据采集卡第2通道设定的参考电压，所述参考电压以毫伏为单位，第17字节以后分别存储每次测量的数据子块，每一个数据子块对应于脉冲激光器发射的一次激光脉冲和接收的散射激光脉冲，数据子块包含激光脉冲的发射时刻、发射激光脉冲全波形数据和接收激光脉冲全波形数据。