用于激光雷達系統(tǒng)的非對稱相位編碼測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于激光雷達領(lǐng)域，具體涉及用于激光雷達系統(tǒng)的非對稱相位編碼測距方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光雷達系統(tǒng)采用的典型相位編碼方法依據(jù)碼源對光波載頻信號進行調(diào)相，而后 發(fā)射相位編碼激光脈沖信號，目標反射的激光信號經(jīng)光學系統(tǒng)匯聚在探測器上，由探測器 轉(zhuǎn)化為回波編碼電脈沖信號，與解調(diào)制信號一起送入信號處理器，在信號處理器內(nèi)完成相 關(guān)運算，最終給出目標的距離參數(shù)。但相位編碼信號的探測需要高速探測器對信號進行快 速采樣，并由信號處理器進行快速處理，這對系統(tǒng)硬件提出很高的要求，尤其當系統(tǒng)采用陣 列探測器時，探測器像素數(shù)較多，陣列探測器和信號處理器的總信號帶寬很難滿足系統(tǒng)實 時探測的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出在激光雷達系統(tǒng)中采用非對稱相位編 碼方法對目標距離進行測量，降低系統(tǒng)對探測器采樣速率的要求，并降低信號處理的計算 量，降低系統(tǒng)硬件要求。
[0004] 本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0006] 步驟一、激光雷達系統(tǒng)中的激光器發(fā)射強度恒定的激光信號，在調(diào)制器中根據(jù)調(diào) 制信號序列進行強度調(diào)制；調(diào)制信號序列采用m序列，序列長度為N，子序列脈沖寬度為T ; 其中，N為正整數(shù)，取值范圍為4~16,t的取值在10納秒到10微秒中選取；
[0007] 步驟二、激光雷達系統(tǒng)中的解調(diào)制器根據(jù)解調(diào)制信號序列對回波信號進行強度解 調(diào)制；
[0008] 步驟三、激光雷達系統(tǒng)采用選通模式控制探測器的累積探測時間和輸出，選通時 間設(shè)為（kN+1)t，k的取值范圍為1~20 ;探測器在選通時間內(nèi)累積信號，并將累積得到的 信號輸出給信號處理器；
[0009] 步驟四、探測器輸出信號的順序顯示了相關(guān)峰位置，從而信號處理器直接判斷解 調(diào)制信號與回波信號的相位差L ;
[0010] 步驟五、根據(jù)相位差，激光雷達系統(tǒng)計算得到目標距離為d
，其中，C為光 速。
[0011] 所述的調(diào)制信號序列和解調(diào)制信號序列采用非對稱相位編碼，即采用雙序列工 作；所述的解調(diào)制信號序列由調(diào)制信號序列構(gòu)造而成，其構(gòu)造方法是在調(diào)制信號序列重復 k個周期后，在其末尾添加一位，編碼為-1。
[0012] 所述回波信號序列的解調(diào)制過程為回波信號序列和解調(diào)制信號序列的卷積過程， 周期為kN+1 ;解調(diào)制過程中回波信號序列自動進行了移位，解調(diào)制過程的輸出為典型相位 編碼方法移位卷積過程的輸出，按照輸出的最高值位置判斷解調(diào)制信號與回波信號的相位 差L。
[0013] 所述激光雷達系統(tǒng)的采樣時間為探測器累積時間，長度為解調(diào)制信號的周期，即 kN+1，設(shè)信號子碼寬度為t，則探測器采樣時間為（kN+1)t。
[0014] 所述的激光雷達系統(tǒng)將相關(guān)法分解為信號相乘與信號相加兩個階段，并分別通過 分離的解調(diào)制器和累積型探測器實現(xiàn)信號相乘和信號相加過程。激光雷達系統(tǒng)對回波信號 序列與解調(diào)制信號序列的相乘過程在解調(diào)制器中進行，對回波信號序列與解調(diào)制信號序列 的相加過程在探測器中。
[0015] 所述的回波信號與發(fā)射的激光信號的相位差檢測過程具體如下：
[0016] S=(mpm2,. . .，mN)表示周期為N= 2n-l的m序列，其中，n為構(gòu)造m序列的反饋 移位寄存器的級數(shù)，且為大于2的整數(shù)。叫表示序列各位，i=l，...，N。序列的自相關(guān)函 數(shù)為：
[0018] 其中，p表示移位的數(shù)目，取值范圍為0~N。
[0019] 當叫的值為1或-1時，自相關(guān)函數(shù)的值表示為
[0021] 在調(diào)制器中，激光信號的強度調(diào)制中僅有兩種狀態(tài)，通過或不通過。設(shè)通過狀態(tài)時 mi的值為1，否則為-1。
[0022] 設(shè)Si=(mpm2, . . .，mN)表示激光雷達系統(tǒng)的發(fā)射脈沖序列，其周期長度為N。S2 =(ni，n2,. . .，nN)表示回波脈沖序列，則SJPS2的互相關(guān)函數(shù)表示為：
[0024] 根據(jù)發(fā)射脈沖序列Si構(gòu)造解調(diào)制信號序列S3= (mi，m2,. . .，mN，-1)，其周期長度為 N+1。定義序列&和S3的解調(diào)函數(shù)：
[0026] 根據(jù)序列&和S3的解調(diào)函數(shù)來計算序列S:和S2的互相關(guān)函數(shù)，從而確定解調(diào)制 信號與回波信號的相位差L，則回波信號相對于發(fā)射信號的時間延遲為Lt，激光雷達系統(tǒng) 與目標的距離為
[0027] 本發(fā)明具有的有益效果：
[0028] 1、采樣速率低
[0029] 本發(fā)明根據(jù)調(diào)制器和累積型探測器的硬件特性，使信號相關(guān)運算的相乘和信號相 加過程在信號解調(diào)制和累積探測過程中通過硬件完成，系統(tǒng)采樣的時間等于kN+1倍的子 碼寬度。相對于其他相位編碼雷達的采樣時間，本發(fā)明的非對稱相位編碼激光成像雷達的 采樣時間被延長了kN+1倍，避免了對回波信號的高速采集，使探測器能夠滿足系統(tǒng)的采樣 要求。設(shè)信號子碼寬度T，探測器采樣時間為（kN+1)T。
[0030] 2、實時探測
[0031] 常規(guī)激光雷達系統(tǒng)中解調(diào)制信號與回波信號的卷積運算占用了大量的計算機資 源。由于本發(fā)明的調(diào)制器采用光學器件，解調(diào)制信號與回波信號的乘積實質(zhì)上是在解調(diào)制 器中完成，當累積型探測器對解調(diào)后的信號進行累積探測時，實質(zhì)上是完成了解調(diào)制信號 與回波信號乘積的相加。這樣由解調(diào)制器和累積型探測器在硬件上共同完成了解調(diào)制信號 和回波信號的卷積。計算機所起到的作用僅為時統(tǒng)作用，依信號輸出的順序判斷解調(diào)制信 號和回波信號的相位差，計算目標距離和成目標距離像。因此在計算機中的運算量明顯減 小，系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時探測過程。
[0032] 3、系統(tǒng)硬件要求低
[0033] 非對稱相位編碼激光雷達采用低采樣率探測器，使系統(tǒng)采用陣列探測器，實現(xiàn)高 精度高分辨率三維成像。且系統(tǒng)采用解調(diào)制器和探測器完成光信號的卷積過程，信號間的 互擾較小，可以實現(xiàn)信號并行處理，同時降低了電信號處理所占用的計算資源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和 編碼設(shè)計的獨特性降低了系統(tǒng)硬件的要求。
[0034] 4、信噪比高
[0035] 系統(tǒng)發(fā)射寬脈沖激光信號（寬度為m，序列周期Nt)，信號能量大。因為采用選通 方式接收信號，系統(tǒng)不接收選通區(qū)間外的背景噪聲和大氣散射噪聲，從而降低了噪聲能量， 充分發(fā)揮了距離選通成像激光雷達的高信噪比優(yōu)勢。又因為系統(tǒng)采用m序列相位編碼方式 對信號進行調(diào)制，接收時仍采用等效的相關(guān)運算的算法，可以極大地提高信號信噪比。與子 脈沖信噪比相比，信噪比提高了#倍。
[0036] 5、測距范圍大（測距模糊距離大）
[0037] 系統(tǒng)發(fā)射寬脈沖激光信號（寬度為m，序列周期Nt)，信號能量大，從而使系統(tǒng)的 測量范圍增加。由于使用相位編碼方式，進行距離的大尺度測量，可以通過改變序列長度改 變測距的模糊距離。
[0038] 6、抗干擾性能好
[0039] 因為采用相位編碼方式，編碼規(guī)律近乎于隨機序列，具備優(yōu)良的抗干擾性能。
【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明中非對稱相位編碼激光雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明的非對稱相位編碼方法和解調(diào)制過程示意圖。
【具體實施方式】
[0042] 下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0043] 如圖1和2所示，用于激光雷達系統(tǒng)的非對稱相位編碼測距方法，采用非對稱相位 編碼激光雷達系統(tǒng)，包括激光器1、激光調(diào)制單元2、光學天線3、脈沖信號發(fā)生器4、激光探 測單元5、信號處理器6和計算機7 ;激光調(diào)制單元2包括調(diào)制器21和第一信號源22,光學 天線3包括光學發(fā)射天線31和光學接收天線32,激光探測單元5包括選通門控制器51、第 二信號源52、探測器53和解調(diào)制器54。
[0044] 光學通路：激光器1用來發(fā)射恒定強度的激光信號，激光器1的激光發(fā)射端連接調(diào) 制器21的光輸入端，調(diào)制器21的光輸出端連接光學發(fā)射天線31的光輸入端。激光經(jīng)光學 發(fā)射天線31照射在目標上。光學接收天線32用來接收目標的激光回波脈沖信號，光學接 收天線32輸出的光信號輸入到解調(diào)制器54的光輸入端，解調(diào)制器54的光信號輸出端輸出 的光信號照射在探測器53的像元表面上。
[0045] 電信號通路：脈沖信號發(fā)生器4的時鐘信號輸出端連接第一信號源22和第二信號 源52的信號輸入端；第一信號源22的信號輸出端連接調(diào)制器21的信號輸入端；第二信號 源52的脈沖信號輸出端連接解調(diào)制器54和選通門控制器51的脈沖信號輸入端；選通門控 制器51的信號輸出端連接探測器53和信號處理器6 ;探測器53的信號輸出端連接信號處 理器6 ;信號處理器6的信號輸出端連接計算機7的信號輸入端。
[0046] 激光器1采用連續(xù)波激光器，型號為Gooch&Housego公司的CoboltJive75,激光 器1發(fā)射幅度穩(wěn)定的激光信號，激光波長為561nm，激光器輸出功率為75mW。調(diào)制器和解調(diào) 制器采用調(diào)制頻率為10MHz的MZM電光調(diào)制器。脈沖信號發(fā)生器4采用帶寬為240MHz，型 號為Tektronix公司的AFG3252的信號發(fā)生器，產(chǎn)生碼長為255位的m序列作為調(diào)制信號序 列和256位的解調(diào)制信號序列；信號序列的子脈沖寬度t為l〇〇ns。脈沖信號發(fā)生器時鐘 信號。探測器53采用PIN探測器，型號為Thorlabs公司的DET10A/M，其靈敏度為0.45A/ W，上升沿和下降沿限制在Ins;通門控制器51控制探測器53,實現(xiàn)解調(diào)制后的信號累積。
[0047] 非對稱相位編碼激光雷達系統(tǒng)的工作流程：
[0048] 激光器1用來發(fā)射恒定強度的激光信號，輸