一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置和方法，裝置包括：二維陣列激光源、單元激光探測器、系統(tǒng)控制器、調(diào)制器和解調(diào)器；方法包括以下步驟：系統(tǒng)控制器控制調(diào)制器產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至二維陣列激光源和解調(diào)器，二維陣列激光源受調(diào)制器驅(qū)動產(chǎn)生相應(yīng)調(diào)制激光脈沖向目標區(qū)域照射；單元激光探測器接收目標區(qū)域反射的激光脈沖回波轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生電信號脈沖序列，解調(diào)器對單元激光探測器產(chǎn)生的電信號脈沖序列解調(diào)識別并處理后輸出至系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器控制輸出距離數(shù)值矩陣。本發(fā)明簡化了探測元件的復(fù)雜性，有利于激光探測距離增程和遠距離無掃描激光雷達的實現(xiàn)。
【專利說明】一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無掃描三維激光探測裝置及方法，特別涉及一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置及方法，屬于激光探測【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]激光探測技術(shù)以激光作為照射源，測定被測目標反射激光的幅值、相位等物理量獲取被測目標的方位、速度等信息，相對于傳統(tǒng)微波探測技術(shù)而言，具有更高的橫向分辨率和縱向分辨率，且因波束束寬更小而不易受到干擾，具有更好的探測性能。近年來，激光探測的窄波束特點進一步被發(fā)掘，用作各類激光雷達，尤其是高精度三維成像式激光雷達，用于遠距離目標的高精度主動探測。
[0003]三維成像式激光探測技術(shù)在發(fā)展中逐漸分化為掃描式三維激光探測技術(shù)和無掃描三維激光探測技術(shù)。掃描式三維激光探測技術(shù)須依賴于窄波束控制和傳統(tǒng)的激光掃描方式，如機械掃描和聲(電)光掃描，其受到了激光光束高速掃描的性能限制(嚴惠民，悅旭翔等.無掃描三維激光雷達的研究[J].中國激光，2000，09:861-864)。無掃描三維激光探測技術(shù)克服了掃描式在幀率和掃描速率的瓶頸，具有幀率高，視場寬，壽命長和體積小等優(yōu)點，相比掃描式三維激光探測更具有優(yōu)勢。現(xiàn)有的無掃描三維激光探測均采用寬光束、大能量脈沖激光源作為發(fā)射元件，各類焦平面陣列，尤其是AH)焦平面陣列作為探測元件(王飛.實時激光三維成像焦平面陣列研究進展[J].中國光學(xué)，2013，03:297-305)。然而，寬光束、大能量脈沖激光源同窄光束、大能量脈沖激光源相比，光束質(zhì)量和能量指標更難以達至IJ，工程實現(xiàn)難度更高；同樣地，相比于單元激光探測器件而言，陣列探測元件作用距離較短，信噪比較低，制作難度大，工程造價高?，F(xiàn)有的無掃描三維激光探測技術(shù)，同樣面臨種種挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一 )要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種作用距離長，接收回波信號信噪比高無掃描三維激光探測裝置及方法。
[0006]( 二 )技術(shù)方案
[0007]為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案。
[0008]一方面，本發(fā)明提供一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，包括:二維陣列激光源、單元激光探測器、系統(tǒng)控制器、調(diào)制器和解調(diào)器；
[0009]所述系統(tǒng)控制器、所述調(diào)制器、所述二維陣列激光源依序通信連接，所述單元激光探測器、所述解調(diào)器、所述系統(tǒng)控制器依序通信連接，所述調(diào)制器和所述解調(diào)器通信連接；
[0010]所述系統(tǒng)控制器控制所述調(diào)制器產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至所述二維陣列激光源和所述解調(diào)器，所述二維陣列激光源按所述調(diào)制器產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制激光脈沖向目標區(qū)域照射；[0011]所述單元激光探測器接收目標區(qū)域反射的激光脈沖回波轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生電信號脈沖序列，所述解調(diào)器對所述單元激光探測器產(chǎn)生的電信號脈沖序列解調(diào)識別并處理后輸出至所述系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器控制輸出距離數(shù)值矩陣。
[0012]其中較優(yōu)地，所述激光脈沖驅(qū)動序列是正交化處理的精確頻率調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列、正交化處理的脈沖間隔調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列、正交化處理的脈沖編碼調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列中的任意一種。
[0013]其中較優(yōu)地,所述二維陣列激光源是mXη個激光發(fā)射單元,所述mXη個激光發(fā)射單元包含m個不同的水平方位角和η個不同的俯仰角；
[0014]所述二維陣列激光源是半導(dǎo)體陣列激光源、光纖陣列激光源、固體陣列激光源中的任意一種。
[0015]其中較優(yōu)地，所述單元激光探測器是高靈敏度APD探測器或單光子探測器件中的
任意一種。
[0016]其中較優(yōu)地，所述解調(diào)器是以可編程器件為核心的解調(diào)電路板，所述可編程器件是可編程邏輯門陣列FPGA、數(shù)字信號處理器DSP中的任意一種。
[0017]其中較優(yōu)地，所述可編程邏輯門陣列FPGA包括:信道總線、多個延遲線解碼模塊和多工器；
[0018]所述信道總線、所述多個延遲線解碼模塊和所述多工器依序通信連接；
[0019]所述電信號脈沖序列沿所述信道總線實時送入所述多個延遲線解碼模塊，所述延遲線解碼模塊處理后發(fā)送高電平至所述多工器，所述多工器根據(jù)所述延遲解碼模塊的具體地址，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列。
[0020]另一方面，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述無掃描三維激光探測裝置的無掃描三維激光探測方法，包括如下步驟:
[0021]調(diào)制器產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至所述二維陣列激光源和所述解調(diào)器；
[0022]二維陣列激光源向目標區(qū)域發(fā)射激光脈沖調(diào)制序列；
[0023]單元激光探測器接收目標區(qū)域反射的激光脈沖回波；
[0024]轉(zhuǎn)換激光脈沖回波并混合產(chǎn)生固定脈寬的電信號脈沖序列；
[0025]解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息的脈沖序列；
[0026]將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣。
[0027]其中較優(yōu)地，所述解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列的步驟是采用可編程延遲線組成的獨立模塊進行并行識別解碼運算，步驟具體包括:
[0028]將電信號脈沖序列沿著信道總線實時送入負責(zé)各方位角獨立解調(diào)的多個延遲線解碼模塊；
[0029]延遲線解碼模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制信息形成多個隊列，并在末端混合，若有符合該方位角區(qū)域的調(diào)制信號出現(xiàn)，則發(fā)送高電平至多工器；
[0030]多工器根據(jù)延遲線解碼模塊的具體地址，輸出帶有標記的當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列。
[0031]其中較優(yōu)地，所述解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列的步驟是針對電信號采集緩存數(shù)據(jù)進行識別解碼運算，具體步驟包括:
[0032]將電信號脈沖序列實時送入采集數(shù)據(jù)緩存器；[0033]調(diào)用調(diào)制信號與緩存的信號序列作相關(guān)運算；
[0034]根據(jù)調(diào)制信號各脈沖的方位信息和相關(guān)運算的結(jié)果，輸出帶有標記的當(dāng)前脈沖所屬方位信息序列。
[0035]其中較優(yōu)地，所述將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣的步驟是基于調(diào)制解調(diào)信號的時間飛行法，步驟具體包括:
[0036]根據(jù)當(dāng)前解調(diào)信號脈沖序列的標記，調(diào)取相應(yīng)的調(diào)制信號序列；
[0037]計算出位于當(dāng)前解調(diào)信號脈沖之前且緊鄰的調(diào)制信號脈沖與當(dāng)前解調(diào)信號脈沖的時間差；
[0038]按照時間飛行法將時間差轉(zhuǎn)換為距離值；
[0039]將距離值作為第a幀距離數(shù)值矩陣中第m行，第η列的元素進行保存；
[0040]重復(fù)上述步驟，直至獲取來自多個方位角的完整距離數(shù)據(jù)。
[0041]本發(fā)明提供的一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置及方法，利用激光編解碼調(diào)制解調(diào)技術(shù)簡化了探測元件的復(fù)雜性，有利于激光探測距離的增程，雷達幀率的提升，系統(tǒng)工作壽命的增長以及遠距離無掃描激光雷達的實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明無掃描三維激光探測裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖2是本發(fā)明無掃描三維激光探測裝置中解調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3是本發(fā)明無掃描三維激光探測方法流程示意圖；
[0045]圖4是本發(fā)明獲取距離信息并轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣的示意圖；
[0046]圖5是本發(fā)明距離數(shù)值矩陣應(yīng)用舉例。
【具體實施方式】
[0047]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0048]如圖1所示，一種基于陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置，包括:二維陣列激光源1、單元激光探測器5、系統(tǒng)控制器7、調(diào)制器9和解調(diào)器8 ;系統(tǒng)控制器7、調(diào)制器9、二維陣列激光源I依序通信連接，單元激光探測器5、解調(diào)器8、系統(tǒng)控制器7依序通信連接，調(diào)制器9和解調(diào)器8通信連接；系統(tǒng)控制器7控制調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至二維陣列激光源I和解調(diào)器8，二維陣列激光源I按調(diào)制器9產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制激光脈沖向目標區(qū)域4照射；單元激光探測器5接收目標區(qū)域4反射的激光脈沖回波轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生電信號脈沖序列，解調(diào)器8對單元激光探測器5產(chǎn)生的電信號脈沖序列比對識別并處理后輸出至系統(tǒng)控制器7，系統(tǒng)控制器7控制輸出距離數(shù)值矩陣。下面對本無掃描三維激光探測裝置展開詳細說明。
[0049]在圖1中，系統(tǒng)控制器7負責(zé)整個探測過程各模塊的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)控制器7主要控制調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列，及控制解調(diào)器8接收調(diào)制器9產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列和經(jīng)目標區(qū)域4反射后產(chǎn)生激光脈沖回波6，并最終輸出距離數(shù)值矩陣。
[0050]如圖1所示，系統(tǒng)控制器7控制調(diào)制器9根據(jù)mXn種互相正交的激光調(diào)制方式產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列。調(diào)制器9的激光調(diào)制方式須正交化處理，以保證各激光單元發(fā)出的調(diào)制脈沖獨一無二互不串?dāng)_，調(diào)制方式既可以是含有mXn種相互正交頻率的精確頻率調(diào)制，也可以是含有mXn種相互正交的脈沖間隔調(diào)制，還可以是含有mXn種相互正交的脈沖編碼調(diào)制。調(diào)制器9驅(qū)動產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制光脈沖驅(qū)動序列傳輸至二維陣列激光源I。
[0051]如圖1所示，二維陣列激光源I優(yōu)選使用光纖陣列激光源，但本發(fā)明并不限于光纖陣列激光源，也可以是半導(dǎo)體陣列激光源或固體陣列激光源等其他激光光源。二維陣列激光發(fā)射單元各自獨立接受調(diào)制器驅(qū)動，發(fā)出互相正交的激光脈沖序列。二維陣列激光源I包括mX η個激光發(fā)射單元2，二維陣列激光源I的mX η個激光發(fā)射單元2朝向固定，二維陣列激光源I的mX η個激光發(fā)射單元2的朝向目標區(qū)域4，mX η個激光發(fā)射單元2的朝向包含m個不同的水平方位角和η個不同的俯仰角。二維陣列激光源I優(yōu)選包括128 X 128個激光發(fā)射單元2，128 X 128個激光發(fā)射單元2向128 X 128個對應(yīng)的方位角發(fā)射出128X128種由調(diào)制器9調(diào)制的激光脈沖調(diào)制序列3。該激光發(fā)射單元2發(fā)射出的128X128種激光脈沖調(diào)制序列3優(yōu)選是以8個脈沖為周期的序列，由7個獨一無二的脈沖間隔組合而成。
[0052]如圖1所示，單元激光探測器5的視場角覆蓋mXn個激光發(fā)射單元的照射視場，以保證所有激光回波信號的接收。單元激光探測器5優(yōu)選為高靈敏度的光電探測器，既可以是高靈敏度APD (雪崩光電二極管，Avalanche Photo D1de)探測器，也可以是更高靈敏度的單光子探測器件。二維陣列激光源I的mXn個激光單元向目標區(qū)域4發(fā)出的激光脈沖調(diào)制序列3經(jīng)目標區(qū)域4的mXn個對應(yīng)方位角反射后產(chǎn)生激光脈沖回波6，激光脈沖回波6傳播回單元激光探測器5。單元激光探測器5接收mXn個方位角反射的激光脈沖回波6，轉(zhuǎn)換并混合產(chǎn)生一路固定脈寬的電信號脈沖序列傳輸至解調(diào)器8。由于單元激光探測器5的視場角覆蓋mXn個激光單元的照射視場，因此單元激光探測器5輸出的電脈沖信號序列為來自mXn個方位角回波的混合信號。
[0053]如圖1所示，解調(diào)器8是置于單元激光探測器5后端的解碼設(shè)備，解調(diào)器8根據(jù)發(fā)射通道m(xù)Xn個單元的調(diào)制信號解調(diào)并分離電信號脈沖序列，從而實現(xiàn)mXn個方位角區(qū)域目標探測信息的無掃描獲取。解調(diào)器8根據(jù)各單元的調(diào)制方式對單元激光探測器5輸出的mXn個方位角回波的混合電信號解調(diào)識別，然后分離或者加以標記輸出，并最終輸出可用于三維重構(gòu)的距離數(shù)值矩陣。解調(diào)器8為以可編程器件為核心的解調(diào)電路板，可編程器件既可以是可編程邏輯門陣列FPGA，也可以是數(shù)字信號處理器DSP，或者各類型微處理器MCU,優(yōu)選為可編程邏輯門陣列FPGA。以FPGA為核心的解調(diào)器8置于高靈敏度APD探測器電回路后端，根據(jù)各單元的調(diào)制方式解調(diào)高靈敏度APD探測器輸出的128X128個方位角回波的混合電信號，然后分離或者加以標記輸出帶有標記當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列，并最終由解調(diào)器8或系統(tǒng)控制器7根據(jù)時間飛行法輸出包含128X 128個方位角的距離數(shù)值矩陣。
[0054]如圖2所示，本發(fā)明提供的無掃描三維激光探測裝置中以FPGA為核心的解調(diào)器8包括信道總線、多個延遲線解碼模塊和多工器(多頻道合成器，Multiple-ChannelCombiner) 0信道總線、多個延遲線解碼模塊和多工器依序通信連接。電信號脈沖序列沿著信道總線實時送入負責(zé)各方位角獨立解調(diào)的多個延遲線解碼模塊；延遲線解碼模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制信息形成多個隊列，并在末端混合，若有符合該方位角區(qū)域的調(diào)制信號出現(xiàn)，則發(fā)送高電平至多工器；多工器根據(jù)解碼模塊的具體地址，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列。[0055]為進一步體現(xiàn)本發(fā)明提供的無掃描三維激光探測裝置的優(yōu)越性，本發(fā)明還提供一種應(yīng)用上述無掃描三維激光探測裝置的探測方法，如圖3所示，具體包括如下步驟:調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至二維陣列激光源I和解調(diào)器8 ;二維陣列激光源I向目標區(qū)域4發(fā)射激光脈沖調(diào)制序列3 ;單元激光探測器5接收目標區(qū)域4反射的激光脈沖回波?’轉(zhuǎn)換激光脈沖回波并混合產(chǎn)生固定脈寬的電信號脈沖序列；解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)脈沖方位信息的脈沖序列；將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息的脈沖序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣。下面對該無掃描三維激光探測方法展開詳細的說明。
[0056]首先，介紹調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至二維陣列激光源I和解調(diào)器8的步驟；
[0057]系統(tǒng)控制器7控制調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至二維陣列激光源I和解調(diào)器8。調(diào)制器9根據(jù)系統(tǒng)控制器7的控制以mXn種互相正交的激光調(diào)制方式產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列。調(diào)制器9產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列既可以是含有mXn種相互正交頻率的精確頻率調(diào)制，也可以是含有mX η種相互正交的脈沖間隔調(diào)制，還可以是含有mX η種相互正交的脈沖編碼調(diào)制。具體地，優(yōu)選是以8個脈沖為周期的循環(huán)序列，由7個獨一無二的脈沖間隔組合而成。系統(tǒng)控制器7控制調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列的同時需要向解調(diào)器8發(fā)出控制信號，告知解調(diào)器8接收調(diào)制器9產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列和目標區(qū)域4反射的激光脈沖回波6。
[0058]其次，介紹二維陣列激光源I向目標區(qū)域4發(fā)射激光脈沖調(diào)制序列的步驟；
[0059]二維陣列激光源I接收到調(diào)制器9產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列后，二維陣列激光源I的各激光發(fā)射單元向各 自所在的方位角朝向發(fā)射調(diào)制的激光脈沖。具體地，二維陣列激光源I的mXn個激光發(fā)射單元2向mXn個對應(yīng)的方位角發(fā)射出mXn種由調(diào)制器9調(diào)制的激光脈沖調(diào)制序列3。如果二維陣列激光源I是128X128個激光發(fā)射單元2，則二維陣列激光源I的128X128個激光發(fā)射單元向128X128個對應(yīng)的方位角發(fā)射出128 X 128種由調(diào)制器9調(diào)制的激光脈沖調(diào)制序列3。
[0060]再次，介紹單元激光探測器5接收目標區(qū)域4反射的激光脈沖回波的步驟；
[0061]由二維陣列激光源I的mXn個激光發(fā)射單元2向目標區(qū)域4發(fā)射的激光脈沖調(diào)制序列3經(jīng)目標區(qū)域4反射后的激光脈沖回波6傳播回單元激光探測器5。單元激光探測器5接收目標區(qū)域4反射的激光脈沖回波6并產(chǎn)生電信號脈沖序列送至解調(diào)器8進行信號解調(diào)。如果二維陣列激光源I是128 X 128個激光發(fā)射單元2，則激光脈沖經(jīng)128 X 128個對應(yīng)方位角的目標區(qū)域4反射后的激光脈沖回波6傳播回單元激光探測測器5。
[0062]第四，介紹轉(zhuǎn)換激光脈沖回波并混合產(chǎn)生固定脈寬的電信號脈沖序列的步驟；
[0063]為保證所有激光回波信號的接收，單元激光探測器5的視場角覆蓋mXn個激光單元的照射視場，因此單元激光探測器5輸出的電脈沖信號序列為來自mX η個方位角回波的混合信號。高靈敏度的單元激光探測器5接收來自mXn個方位角回波的混合信號轉(zhuǎn)換并混合產(chǎn)生一路固定脈寬的電信號脈沖序列。單元激光探測器5將轉(zhuǎn)換并混合產(chǎn)生的電信號脈沖序列發(fā)送至解調(diào)器8。
[0064]第五，介紹解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)脈沖方位信息的脈沖序列的步驟。
[0065]解調(diào)器8接收單元激光探測器5發(fā)送的電信號脈沖序列后，根據(jù)陣列激光各發(fā)射單元的調(diào)制信號解調(diào)并按照發(fā)射通道分離電信號脈沖序列。具體地，解調(diào)器8根據(jù)發(fā)射通道m(xù)X η個單元的調(diào)制信號解調(diào)并分離電信號脈沖序列，實現(xiàn)mX η個方位角區(qū)域目標探測信息的無掃描獲取。解調(diào)并分離電信號脈沖序列的方法既可以是針對電信號采集緩存數(shù)據(jù)進行解碼識別運算，也可以采用可編程延遲線組成的獨立模塊進行并行識別解碼運算，優(yōu)選為基于可編程延遲線的獨立模塊進行并行識別解碼運算。
[0066]針對電信號采集緩存數(shù)據(jù)進行識別解碼運算的具體步驟包括:解調(diào)器8將電信號脈沖序列實時送入采集數(shù)據(jù)緩存器；調(diào)用調(diào)制信號與緩存的信號序列作相關(guān)運算；根據(jù)調(diào)制信號各脈沖的方位信息和相關(guān)運算的結(jié)果，輸出帶有標記的當(dāng)前脈沖所屬方位信息序列。
[0067]基于可編程延遲線的獨立模塊進行并行識別解碼運算的具體過程如下:解調(diào)器8將電信號脈沖序列沿著信道總線實時送入負責(zé)各方位角獨立解調(diào)的128Χ 128個延遲線解碼模塊；延遲線解碼模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制信息形成7個與7位調(diào)制信息匹配的延遲量隊列，并在末端混合作邏輯“與”運算，若有符合該方位角區(qū)域的調(diào)制信號出現(xiàn)，則發(fā)送高電平至多工器；多工器根據(jù)延遲線解碼模塊發(fā)送信號的地址線，輸出標記當(dāng)前脈沖所屬方位信息的信號序列。
[0068]最后，介紹將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息的脈沖序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣的步驟。
[0069]解調(diào)器8將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息的脈沖序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣構(gòu)建目標三維信息方法優(yōu)選為基于調(diào)制解調(diào)信號的時間飛行法。如圖4所示，對于第a幀距離數(shù)值矩陣的具體步 驟為:解調(diào)器8根據(jù)輸出的當(dāng)前脈沖所屬方位信息的標記信號序列，調(diào)取相應(yīng)的調(diào)制信號序列，計算出位于當(dāng)前解調(diào)信號脈沖(dma，dna)之前且緊鄰的調(diào)制信號脈沖(cma, cna)與當(dāng)前解調(diào)信號脈沖的時間差Λ t (ma, na);將時間差Λ t (ma, na)作為第a中貞距離數(shù)值矩陣中第m行，第n列的元素進行保存；根據(jù)時間飛行法將At(ma，na)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)
的距離數(shù)據(jù)D(ma，na)，轉(zhuǎn)換公式為
【權(quán)利要求】
1.一種陣列發(fā)射單元接收的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，包括:二維陣列激光源、單元激光探測器、系統(tǒng)控制器、調(diào)制器和解調(diào)器； 所述系統(tǒng)控制器、所述調(diào)制器、所述二維陣列激光源依序通信連接，所述單元激光探測器、所述解調(diào)器、所述系統(tǒng)控制器依序通信連接，所述調(diào)制器和所述解調(diào)器通信連接； 所述系統(tǒng)控制器控制所述調(diào)制器產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至所述二維陣列激光源和所述解調(diào)器，所述二維陣列激光源按所述調(diào)制器產(chǎn)生的激光脈沖驅(qū)動序列產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)制激光脈沖向目標區(qū)域照射； 所述單元激光探測器接收目標區(qū)域反射的激光脈沖回波轉(zhuǎn)換并產(chǎn)生電信號脈沖序列，所述解調(diào)器對所述單元激光探測器產(chǎn)生的電信號脈沖序列解調(diào)識別并處理后輸出至所述系統(tǒng)控制器，所述系統(tǒng)控制器控制輸出距離數(shù)值矩陣。
2.如權(quán)利要求1所述的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，所述激光脈沖驅(qū)動序列是正交化處理的精確頻率調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列、正交化處理的脈沖間隔調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列、正交化處理的脈沖編碼調(diào)制激光脈沖驅(qū)動序列中的任意一種。
3.如權(quán)利要求1所述的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，所述二維陣列激光源是mXn個激光發(fā)射單元，所述mXn個激光發(fā)射單元包含m個不同的水平方位角和η個不同的俯仰角； 所述二維陣列激光發(fā)射單元各自獨立接受調(diào)制器驅(qū)動，發(fā)出互相正交的激光脈沖序列。
4.如權(quán)利要求1所述的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，所述單元激光探測器是高靈敏度APD探測器或單光子探測器件中的任意一種。
5.如權(quán)利要求1所述的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，所述解調(diào)器是以可編程器件為核心的解調(diào)電路板，所述可編程器件是可編程邏輯門陣列FPGA、數(shù)字信號處理器DSP中的任意一種。
6.如權(quán)利要求1所述的無掃描三維激光探測裝置，其特征在于，所述可編程邏輯門陣列FPGA包括:信道總線、多個延遲線解碼模塊和多工器； 所述信道總線、所述多個延遲線解碼模塊和所述多工器依序通信連接； 所述電信號脈沖序列沿所述信道總線實時送入所述多個延遲線解碼模塊，所述延遲線解碼模塊處理后發(fā)送高電平至所述多工器，所述多工器根據(jù)所述延遲解碼模塊的具體地址，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列。
7.一種應(yīng)用權(quán)利要求1-6任意一項所述無掃描三維激光探測裝置的無掃描三維激光探測方法，其特征在于，包括如下步驟: 調(diào)制器產(chǎn)生激光脈沖驅(qū)動序列傳送至所述二維陣列激光源和所述解調(diào)器； 二維陣列激光源向目標區(qū)域發(fā)射激光脈沖調(diào)制序列； 單元激光探測器接收目標區(qū)域反射的激光脈沖回波； 轉(zhuǎn)換激光脈沖回波并混合產(chǎn)生固定脈寬的電信號脈沖序列； 解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息的脈沖序列； 將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣。
8.如權(quán)利要求7所述的無掃描三維激光探測方法，其特征在于，所述解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列的步驟是采用可編程延遲線組成的獨立模塊進行并行識別解碼運算，步驟具體包括: 將電信號脈沖序列沿著信道總線實時送入負責(zé)各方位角獨立解調(diào)的多個延遲線解碼模塊； 延遲線解碼模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的調(diào)制信息形成多個隊列，并在末端混合，若有符合該方位角區(qū)域的調(diào)制信號出現(xiàn)，則發(fā)送高電平至多工器； 多工器根據(jù)延遲線解碼模塊的具體地址，輸出帶有標記的當(dāng)前脈沖所屬方位信息的脈沖序列。
9.如權(quán)利要求7所述的無掃描三維激光探測方法，其特征在于，所述解調(diào)并分離電信號脈沖序列，輸出帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列的步驟是針對電信號采集緩存數(shù)據(jù)進行識別解碼運算，具體步驟包括: 將電信號脈沖序列實時送入采集數(shù)據(jù)緩存器； 調(diào)用調(diào)制信號與緩存的信號序列作相關(guān)運算； 根據(jù)調(diào)制信號各 脈沖的方位信息和相關(guān)運算的結(jié)果，輸出帶有標記的當(dāng)前脈沖所屬方位信息序列。
10.如權(quán)利要求7所述的無掃描三維激光探測方法，其特征在于，所述將帶有標記當(dāng)前脈沖方位信息序列轉(zhuǎn)換成距離數(shù)值矩陣的步驟是基于調(diào)制解調(diào)信號的時間飛行法，步驟具體包括: 根據(jù)當(dāng)前解調(diào)信號脈沖序列的標記，調(diào)取相應(yīng)的調(diào)制信號序列； 計算出位于當(dāng)前解調(diào)信號脈沖之前且緊鄰的調(diào)制信號脈沖與當(dāng)前解調(diào)信號脈沖的時間差; 按照時間飛行法將時間差轉(zhuǎn)換為距離值； 將距離值作為第a幀距離數(shù)值矩陣中第m行，第η列的元素進行保存； 重復(fù)上述步驟，直至獲取來自多個方位角的完整距離數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01S17/02GK104035097SQ201410309045
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年7月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月1日
【發(fā)明者】杜鵬飛, 鞏馬理 申請人:清華大學(xué)