CN103529453A - 远距离脉冲激光测距系统 - Google Patents

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Abstract

一种远距离脉冲激光测距装置，具有脉冲激光发射源，还包括：放大滤波器、A/D转换器、高频时钟发生器、分频器、数字平均器和信号处理器，高频时钟发生器产生的时钟信号作为A/D转换器的采样时钟信号，而且还经分频器处理后用于控制激光脉冲发射，使激光脉冲发射周期为时钟信号周期的n倍。激光脉冲回波信号经过放大滤波器后送A/D转换器转换为数字信号，数字平均器根据A/D转换器在m个测量周期中采集到的数据进行数字平均处理，再经由信号处理器识别出激光脉冲返回时刻，从而获得测量距离。本发明的系统结构简单，成本低廉，使用方便可靠，可用于远距离无合作目标激光脉冲测距。

Description

远距离脉冲激光测距系统
技术领域
本发明涉及一种远距离脉冲激光测距系统，尤其适用于在发射安全脉冲激光功率条件下对远距离无合作目标的距离测量。
背景技术
在民用激光测距系统中，要求发射激光功率不超过1mw，当测量距离较远时，从目标漫反射回来的信号非常微弱，极其微小的脉冲激光幅值会被背景噪声掩没，信噪比往往小于1。而现有的脉冲激光测距是在直接探测基础上采取阈值检测方法，即通过对脉冲前沿局部甄别来提取出目标信号，要求目标回波信号的信噪比大于5，显然，采用现有的阈值检测方法根本无法提取远距离目标信号。
而且，脉冲激光信号检测往往是由模拟电路来完成,主要利用分离元件和小规模集成电路对脉冲激光回波信号进行放大、滤波、阈值触发、整形和计数。由于电路中存在一定的噪声和干扰，当信号较微弱时，通过降低电路中的噪声或干扰来提高信噪比非常困难。
因此，开发出结构简单、探测灵敏度高的远距离脉冲激光测距技术乃当务之急，也是当前业界的难点。
发明内容
基于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种远距离脉冲激光测距系统，利用多点数字采样平均原理实现微弱脉冲激光信号的探测。
为了实现上述目的，本发明提供了一种远距离脉冲激光测距系统，具有脉冲激光发射源，还包括：放大滤波器，用于对接收到的激光脉冲回波信号进行放大和滤波处理；A/D转换器，该A/D转换器对从放大滤波器传送来的激光脉冲回波信号采样并将其转换成数字信号；高频时钟发生器，用于产生高频时钟信号，并将所产生的高频时钟信号提供给A/D转换器，以作为A/D采样时钟信号；分频器，该分频器从高频时钟发生器接收高频时钟信号并对所接收到的高频时钟信号进行分频处理，处理后的时钟信号被用于控制脉冲激光发射源的激光脉冲发射，使得激光脉冲发射周期为高频时钟信号周期的n倍，其中n是大于1的整数；数字平均器，该数字平均器从A/D转换器接收数据，并将先后接收到的m个测量周期中每一个测量周期的第1至第n采样数据分别存储，进而基于所存储的数据将第1至第n采样数据在不同测量周期中的值分别进行求和取平均处理，得出第1至第n求和取平均数据，其中m为大于1的整数；以及信号处理器，该信号处理器从数字平均器接收第1至第n求和取平均数据，并基于第1至第n求和取平均数据提取出激光脉冲返回时刻信号，进而得出激光脉冲返回时刻（                                               
Figure 2013104316348100002DEST_PATH_IMAGE002
），从而计算出被测距离。
A/D转换器优选为高速A/D转换器。高频时钟发生器可以由温度补偿晶体振荡器构成。另外，数字平均器可以采用FPGA或CPLD高速数据处理芯片构成，通过FPGA或CPLD高速数据处理芯片实现对A/D转换器的输出数据的实时存储和运算。
本发明的技术方案，具有如下优点和效果：
1、通过多次测量回波脉冲激光信号进行数字采样平均处理后提取出激光回波脉冲信号，能够探测被噪声淹没的微弱脉冲回波信号；
2、结构简单，成本低，使用维护修理简易，尤其适合高精度远距离无合作目标的激光脉冲测距。
附图说明
图1本发明的远距离脉冲激光测距系统的总体结构；
图2本发明的远距离脉冲激光测距原理示意图；
图3本发明的多点平均处理器的结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一种远距离脉冲激光测距系统，包括：放大滤波器、优选为高速的A/D转换器、高频时钟发生器、分频器、数字平均器和信号处理器。其中，高频时钟发生器产生的高频时钟信号作为A/D转换器的触发信号，并且该高频时钟信号还通过分频器处理后被用于控制脉冲激光发射源（未示出）的激光脉冲发射，使得激光脉冲发射周期为高频时钟信号周期的n倍，其中n是大于1的整数。这样，可以理解的是，在一个测量周期中或者说在一次数据扫描中，可以采集到n个采样数据，即第1采样数据至第n采样数据。激光脉冲回波信号经过放大滤波器后送A/D转换器转换为数字信号并传送给数字平均器，在一个测量周期中或者说在一次数据扫描中，数字平均器将接收到第1至第n个采样数据。根据本发明的技术方案会进行多次测量或者说数据扫描，例如m次，显然m为大于1的整数。在m个测量周期中，数字平均器将接收到m组第1至第n个采样数据，进而可以分别对采集到的第1至第n个采样数据在m个测量周期中的值进行数字平均处理，并将处理结果提供给信号处理器。信号处理器从接收到的数据中提取出激光脉冲返回时刻信号，识别出激光脉冲返回时刻（），从而能够计算出测量距离。
下面，结合图2和图3进一步说明根据本发明的远距离脉冲激光测距系统的测距原理和过程。如图2所示，激光脉冲发射信号同时作为A/D采样触发同步信号，在激光脉冲发射起始时刻，触发A/D转换器开始采样激光脉冲回波信号。在第一个测量周期或者说第一次数据扫描期间，n个采样数据值（第1采样数据，第2采样数据，……，第n采样数据）依采样先后次序分别存入图3中的RegA1、RegA2、……、RegAn等存储单元中。完成了第一次扫描测量后，可以继续以同样的方式进行多次扫描测量，例如可共计进行m次扫描测量，m为大于1的整数。图3中只示意性地画出进行3次扫描测量的情况。
如图3所示，将各次扫描得到的相对应的数据相加并取平均值后分别存入存储器RegD1、RegD2、……、RegDn等存储单元中。由于A/D采样的回波脉冲信号中包含了信号和噪声，当测量距离较远时，信号将变小或被噪声淹没，因此只用一次扫描得到的数据难以确定脉冲信号返回时刻。但是经过上述累加后，由于信号提取（采样）是经过多次重复的，其值经过m次累加后变为单次测量值的m倍，而噪声是随机的，多次重复的统计平均值为零，所以经过累加后可大大提高信噪比，从而信号处理器能够从数字平均器提供的第1至第n求和取平均数据中提取出激光脉冲返回时刻信号，进而得出激光脉冲返回时刻
Figure 360952DEST_PATH_IMAGE002
。
另外，激光脉冲发射时刻
Figure 2013104316348100002DEST_PATH_IMAGE004
是已知的，因而能够得出激光脉冲发射时刻到激光脉冲返回时刻
Figure 981213DEST_PATH_IMAGE002
的时间间隔，进而可以计算出被测距离L：
Figure 2013104316348100002DEST_PATH_IMAGE008
其中，c为光速。

Claims (6)

1. 一种远距离脉冲激光测距系统，具有脉冲激光发射源，其特征在于，包括： 放大滤波器，用于对接收到的激光脉冲回波信号进行放大和滤波处理； A/D转换器，该A/D转换器对从所述放大滤波器传送来的激光脉冲回波信号采样并将其转换成数字信号； 高频时钟发生器，用于产生高频时钟信号，并将所产生的高频时钟信号提供给所述A/D转换器，以作为A/D采样时钟信号； 分频器，该分频器从所述高频时钟发生器接收所述高频时钟信号并对所接收到的高频时钟信号进行分频处理，处理后的时钟信号被用于控制所述脉冲激光发射源的激光脉冲发射，使得激光脉冲发射周期为所述高频时钟信号周期的n倍，其中n是大于1的整数； 数字平均器，该数字平均器从所述A/D转换器接收数据，并将先后接收到的m个测量周期中每一个测量周期的第1至第n采样数据分别存储，进而基于所存储的数据将所述第1至第n采样数据在不同测量周期中的值分别进行求和取平均处理，得出第1至第n求和取平均数据，其中m为大于1的整数；以及 信号处理器，该信号处理器从所述数字平均器接收所述第1至第n求和取平均数据，并基于所述第1至第n求和取平均数据提取出激光脉冲返回时刻信号，进而得出激光脉冲返回时刻（                                               
Figure 2013104316348100001DEST_PATH_IMAGE002
），从而计算出被测距离。
2.根据权利要求1所述的远距离脉冲激光测距系统，其特征在于，所述A/D转换器是高速A/D转换器。
3.根据权利要求1所述的远距离脉冲激光测距系统，其特征在于，所述高频时钟发生器由温度补偿晶体振荡器构成。
4.根据权利要求1所述的远距离脉冲激光测距系统，其特征在于，所述数字平均器采用FPGA或CPLD高速数据处理芯片构成，通过FPGA或CPLD高速数据处理芯片实现对所述A/D转换器的输出数据的实时存储和运算。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的远距离脉冲激光测距系统，其特征在于，m大于或等于3。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的远距离脉冲激光测距系统，其特征在于，n大于或等于14。
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