CN102176024B - 多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达 - Google Patents

Abstract

多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，属于激光雷达技术领域。它解决了现有距离选通激光成像雷达的距离分辨率低的问题。它将时钟信号源的时钟信号输出给同步脉冲控制电路，同步脉冲控制电路发出驱动脉冲信号给脉冲调制激光器，同时同步脉冲控制电路的延迟信号发送给控制系统，当控制系统发送给距离门延迟电路延迟信号后，控制系统会将此时同步脉冲控制电路发出的驱动脉冲信号序数发送给图像编码系统，使图像编码系统将当前接收到的光信号图像按相同的序数进行编号，光信号图像通过ICCD探测器进行采集，采用光学发射天线和光学接收天线分别发射激光和接收目标的激光回波脉冲信号。本发明适用于目标的距离探测。

Description

多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达

技术领域

本发明涉及一种多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，属于激光雷达技术领域。

背景技术

距离选通激光成像雷达采用激光主动照明方式，利用距离选通技术，按时间的先后探测不同距离目标的回波信号，从而获取目标的3D成像信息。距离选通激光成像雷达的距离分辨率，首先取决于距离选通间隔，其次是距离门和激光脉冲信号的波动的影响，窄脉冲宽度和短采样间隔可以使雷达达到更高的距离分辨率。通常提高距离选通激光成像雷达的距离分辨率，需要缩短激光脉冲宽度和采样间隔，以及提高激光发射峰值功率，这将对激光器和接收系统提出苛刻要求，具体实行存在很多困难。

发明内容

本发明的目的是解决现有距离选通激光成像雷达的距离分辨率低的问题，提供一种多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达。

本发明由光学发射天线、脉冲调制激光器、同步脉冲控制电路、时钟信号源、控制系统、距离门延迟电路、图像编码系统、ICCD探测器和光学接收天线组成，

时钟信号源的时钟信号输出端连接同步脉冲控制电路的时钟信号输入端，同步脉冲控制电路的驱动脉冲信号输出端连接脉冲调制激光器的驱动脉冲信号输入端，脉冲调制激光器的激光脉冲信号输出端连接光学发射天线的光输入端；

同步脉冲控制电路的控制信号输出端连接控制系统的控制信号输入端，控制系统的延迟控制信号输出端连接距离门延迟电路的延迟信号输入端，

控制系统的脉冲序数信号输出端连接图像编码系统的图像序数信号输入端，图像编码系统的图像接收信号输入端连接ICCD探测器的图像发送信号输出端，ICCD探测器的控制信号输入端连接距离门延迟电路的延迟信号输出端，

光学接收天线用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线输出的光信号输入到ICCD探测器的光输入端。

对应于所述脉冲调制激光器发射的每个激光脉冲信号，ICCD探测器进行一次2D目标强度图像采样。

所述脉冲调制激光器用于对目标进行N次探测，每次探测由脉冲调制激光器发射的一个激光脉冲信号实现；ICCD探测器用于在距离门内设定的每个距离选通区间Δτ_stp内对所述目标的激光回波脉冲信号进行采样，完成一次探测；在相邻两次探测中，后一次探测所对应的距离门起始时间相对于前一次探测所对应的距离门起始时间延时一个延时区间δτ，设定采样区间为τ_S，则τ_S＝Mδτ，其中M为正整数，则Δτ_stp＝(M+N-1)δτ。

ICCD探测器用于对接收到的目标的激光回波脉冲信号进行编码，并将编码后的信息发送给图像编码系统；所述图像编码系统用于根据所获得的编码信息判断目标所在区域。

ICCD探测器对目标的激光回波脉冲信号进行编码的方法为：

当ICCD探测器对目标进行N次探测的过程中，其中连续K次探测所对应的采样区间τ_S内，ICCD探测器获得的激光回波脉冲信号表示有目标存在时，则将所述K次探测的采样结果均编码为1并发送给图像编码系统，并将其余次探测的采样结果编码为0发送给图像编码系统，K为自然数，且K≤M。

本发明的优点是：本发明是建立在典型距离选通激光成像雷达的基础之上，首先对脉冲调制激光器的发射脉冲进行编码，在光学接收天线对所述目标的激光回波脉冲信号进行检测时，通过对距离门延迟电路的控制，实现对距离门的开启时间进行控制，进而对激光回波脉冲信号进行编码，从而在不改变距离选通激光成像雷达的激光发射峰值功率和激光脉冲宽度的前提下，可以得到远超典型距离选通激光成像雷达所能达到的距离分辨率，同时使激光成像雷达的景深在较大延展。

本发明的距离分辨率或达到cδt/2，该值与典型距离选通激光雷达系统的分辨率相比，分辨率提高了M+N-1倍。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为本发明ICCD探测器的距离门延迟距离选通时序图；

图3为所述ICCD探测器对激光回波脉冲信号的编码示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式由光学发射天线1、脉冲调制激光器2、同步脉冲控制电路3、时钟信号源4、控制系统5、距离门延迟电路6、图像编码系统7、ICCD探测器8和光学接收天线9组成，

时钟信号源4的时钟信号输出端连接同步脉冲控制电路3的时钟信号输入端，同步脉冲控制电路3的驱动脉冲信号输出端连接脉冲调制激光器2的驱动脉冲信号输入端，脉冲调制激光器2的激光脉冲信号输出端连接光学发射天线1的光输入端；

同步脉冲控制电路3的控制信号输出端连接控制系统5的控制信号输入端，控制系统5的延迟控制信号输出端连接距离门延迟电路6的延迟信号输入端，

控制系统5的脉冲序数信号输出端连接图像编码系统7的图像序数信号输入端，图像编码系统7的图像接收信号输入端连接ICCD探测器8的图像发送信号输出端，ICCD探测器8的控制信号输入端连接距离门延迟电路6的延迟信号输出端，

光学接收天线9用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线9输出的光信号输入到ICCD探测器8的光输入端。

光学发射天线1输出的光信号用来实现对目标的探测。

工作过程：首先时钟信号源4的时钟信号输出给同步脉冲控制电路3，使同步脉冲控制电路3发出驱动脉冲信号给脉冲调制激光器2，同时同步脉冲控制电路3的延迟信号发送给控制系统5，当控制系统5发送给距离门延迟电路6延迟信号后，控制系统5会将此时同步脉冲控制电路3发出的驱动脉冲信号序数发送给图像编码系统7，使图像编码系统7将当前接收到的光信号图像按相同的序数进行编号。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，对应于所述脉冲调制激光器2发射的每个激光脉冲信号，ICCD探测器8进行一次2D目标强度图像采样。其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述脉冲调制激光器2用于对目标进行N次探测，每次探测由脉冲调制激光器2发射的一个激光脉冲信号实现；ICCD探测器8用于在距离门内设定的每个距离选通区间Δτ_stp内对所述目标的激光回波脉冲信号进行采样，完成一次探测；在相邻两次探测中，后一次探测所对应的距离门起始时间相对于前一次探测所对应的距离门起始时间延时一个延时区间δτ，设定采样区间为τ_S，则τ_S＝Mδτ，其中M为正整数，则Δτ_stp＝(M+N-1)δτ。其它与实施方式二相同。

本实施方式中脉冲调制激光器2可以采用中心波长λ＝532nm、脉冲能量为0.2mJ的半导体激光器，其脉冲重复频率为5kHz，脉冲宽度为30ns。ICCD探测器8可采用andor ICCD构成，其像素数为582×780，输出为8位数据。ICCD探测器8采集数据的距离选通区间Δτ_stp设为40ns，相邻采样区间τ_S的延时区间δτ为10ns。

脉冲调制激光器2在同步脉冲控制电路3输出的驱动脉冲信号作用下，发射激光脉冲，经光学发射天线1整形后发射出去，对应于第一个激光脉冲，光学接收天线9将接收到的激光回波脉冲信号在采样区间τ_S内，汇聚到ICCD探测器8的光输入端，然后ICCD探测器8将输出第一幅回波脉冲信号的强度像到图像编码系统7，图像编码系统7对所获得的图像进行判定，判定此时ICCD探测器8的各像素点是否接收到激光回波脉冲信号，并将所获得的图像进行编码，记为图像1；对应于脉冲调制激光器2的第二个激光脉冲，此时光学接收天线9的采样开始时间顺延δτ，然后在采样区间τ_S内，光学接收天线9将接收到的激光回波脉冲信号再汇聚到ICCD探测器8的光输入端，ICCD探测器8将输出第二幅回波脉冲信号的强度像到图像编码系统7，图像编码系统7对所获得的图像进行判定，判定此时ICCD探测器8的各像素点是否接收到激光回波脉冲信号，并将所获得的图像进行编码，记为图像2；依此类推，在对距离门的起始位置不断进行延迟δτ后，将获得N幅图像。图像编码系统7在获得这N幅图像后，根据图3所示的编码图，即可以判定各像素对应区域内所述目标在距离门中所处的延时区间，从而获得目标的距离像。

距离选通区间Δτ_stp的选择取决于所述距离选通激光成像雷达的灵敏度参数等，一般根据典型距离选通激光成像雷达所要求达到的分辨率来设定，比如50ns或100ns

采样区间为τ_S的取值取决于所述距离选通激光成像雷达本身的参数，曝光时间以及恢复时间。通常这个参数可以取为10ns。

具体实施方式四：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，ICCD探测器8用于对接收到的目标的激光回波脉冲信号进行编码，并将编码后的信息发送给图像编码系统7；所述图像编码系统7用于根据所获得的编码信息判断目标所在区域。其它与实施方式三相同。

具体实施方式五：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式四的进一步说明，ICCD探测器8对目标的激光回波脉冲信号进行编码的方法为：

当ICCD探测器8对目标进行N次探测的过程中，其中连续K次探测所对应的采样区间τ_S内，ICCD探测器8获得的激光回波脉冲信号表示有目标存在时，则将所述K次探测的采样结果均编码为1并发送给图像编码系统7，并将其余次探测的采样结果编码为0发送给图像编码系统7，K为自然数，且K≤M。其它与实施方式四相同。

本实施方式表示目标所存在的位置被K次连续的探测的采样区间τ_S所覆盖。

图2所示，在所述雷达系统的景深范围内，对应于脉冲调制激光器2发射的每个激光脉冲光信号，分别对距离门内的距离选通区间Δτ_stp进行编号，并在各距离选通区间Δτ_stp内的采样区间τ_S进行1次2D目标强度图像采样，但每相邻两次探测对应的同一序号的距离选通区间Δτ_stp顺序后延了一个延时区间δτ，直到向后延迟了一个距离选通区间Δτ_stp为止。

假设目标存在于某个距离选通区间Δτ_stp内，此时要获得目标在此距离选通区间Δτ_stp内的具体位置。由于Δτ_stp＝(M+N-1)δτ，则每个距离选通时间间隔Δτ_stp分为了M+N-1个延时区间，对不同的延时区间内ICCD探测器8所获得的激光回波脉冲信号进行编码，可判断出目标所覆盖的采样区间τ_S的个数。

图3所示，在一个存在目标的距离选通区间Δτ_stp内，延时区间k为目标所处的延迟区间，k为大于0的自然数，且k≤M+N-1。假设目标所存在的位置被K次连续探测的采样区间τ_S所覆盖，存在一个且只有一个脉冲回波编码，使前k-K次探测没有在采样区间τ_S内采集到目标的激光回波脉冲信号，接着存在连续K次探测的的采样区间τ_S采集到目标的激光回波脉冲信号，接着有M+N-1-k次探测的采样区间τ_S没有目标的激光回波脉冲信号。

在雷达景深中，相对于第一个激光脉冲光信号，在距离选通区间Δτ_stp内存在目标，则将该距离选通区间Δτ_stp的起始位置记为Z₀，如图2所示。

此时所述雷达判定获得的目标距离Z为：

$Z=Z_0+\frac{1}{2}\mathrm{ck\δ\τ},$

式中c为激光的光速，由上式可以看出，本发明所达到的距离分辨率为cδτ/2，该值与典型距离选通激光雷达系统的分辨率相比，分辨率提高了M+N-1倍。

当采样区间τ_S向后延迟移动的同时，雷达的可探测距离也同时向后延迟了一个选通区间，因而所述雷达的探测目标景深得到了延伸，即系统景深可以达到Z＝(n+1)Δz_scan。

距离门向后延迟移动的同时，系统可探测距离也同时向后延迟了一个选通区间，因而系统探测目标景深得到了延伸，即系统景深可以达到Z＝(n+1)Δz_scan，其中Δz_scan为典型距离选通激光雷达系统的分辨率。如果继续将采样区间τ_S的位置进行向后延迟，则雷达系统的景深在系统最大探测距离容许范围之内可以得到进一步提高。

Claims (4)

1.一种多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，其特征在于：它由光学发射天线（1）、脉冲调制激光器（2）、同步脉冲控制电路（3）、时钟信号源（4）、控制系统（5）、距离门延迟电路（6）、图像编码系统（7）、ICCD探测器（8）和光学接收天线（9）组成，

时钟信号源（4）的时钟信号输出端连接同步脉冲控制电路（3）的时钟信号输入端，同步脉冲控制电路（3）的驱动脉冲信号输出端连接脉冲调制激光器（2）的驱动脉冲信号输入端，脉冲调制激光器（2）的激光脉冲信号输出端连接光学发射天线（1）的光输入端；

同步脉冲控制电路（3）的控制信号输出端连接控制系统（5）的控制信号输入端，控制系统（5）的延迟控制信号输出端连接距离门延迟电路（6）的延迟信号输入端，

控制系统（5）的脉冲序数信号输出端连接图像编码系统（7）的图像序数信号输入端，图像编码系统（7）的图像接收信号输入端连接ICCD探测器（8）的图像发送信号输出端，ICCD探测器（8）的控制信号输入端连接距离门延迟电路（6）的延迟信号输出端，

光学接收天线（9）用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线（9）输出的光信号输入到ICCD探测器（8）的光输入端；

ICCD探测器（8）用于对接收到的目标的激光回波脉冲信号进行编码，并将编码后的信息发送给图像编码系统（7）；所述图像编码系统（7）用于根据所获得的编码信息判断目标所在区域。

2.根据权利要求1所述的多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，其特征在于：对应于所述脉冲调制激光器（2）发射的每个激光脉冲信号，ICCD探测器（8）进行一次2D目标强度图像采样。

3.根据权利要求2所述的多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，其特征在于：所述脉冲调制激光器（2）用于对目标进行N次探测，每次探测由脉冲调制激光器（2）发射的一个激光脉冲信号实现；ICCD探测器（8）用于在距离门内设定的每个距离选通区间Δτ_stp内对所述目标的激光回波脉冲信号进行采样，完成一次探测；在相邻两次探测中，后一次探测所对应的距离门起始时间相对于前一次探测所对应的距离门起始时间延时一个延时区间δτ，设定采样区间为τ_S，则τ_S=Mδτ，其中M为正整数，则Δτ_stp=(M+N-1)δτ。

4.根据权利要求3所述的多脉冲门延迟距离选通激光成像雷达，其特征在于：ICCD探测器（8）对目标的激光回波脉冲信号进行编码的方法为：

当ICCD探测器（8）对目标进行N次探测的过程中，其中连续K次探测所对应的采样区间τ_S内，ICCD探测器（8）获得的激光回波脉冲信号表示有目标存在时，则将所述K次探测的采样结果均编码为1并发送给图像编码系统（7），并将其余次探测的采样结果编码为0发送给图像编码系统（7），K为自然数，且K≤M。

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