CN103926590B - 一种不等间距的激光多脉冲测距方法及其测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种不等间距的激光多脉冲测距方法，发出多个不等间距的脉冲，在每个周期脉冲的位置处引入一个随机时间变量，记录测距起始时刻，当接收到多个脉冲时，信号处理模块有明显的峰值信号输出，并记录测距终止时刻，计算目标的距离。本发明还提供一种激光多脉冲测距装置，包括发射器、接收器、发射天线和接收天线，发射器通过发射天线发射不等间距多激光脉冲，经被测目标反射后被接收天线导入接收器内，并计算距离。本发明是在每个周期脉冲的位置处引入一个随机时间变量，可以在提高回波信噪比的同时，准确的得到回波到达的时刻，避免传统等间距脉冲叠加时所引起的虚警。

Description

一种不等间距的激光多脉冲测距方法及其测距装置
技术领域
本发明属于激光测距仪、激光雷达领域，涉及一种利用不等间距激光多脉冲测距的方法及其测距装置。
背景技术
激光雷达具有探测强度、速度、距离三维成像的能力，获得的信息比一般的相机更加丰富。随着半导体激光技术和工艺的成熟，高重复频率的激光脉冲二极管成为了广泛使用的光源，脉冲探测技术成为了重要的探测手段。
激光脉冲测距的一般原理是，驱动电路发射一束激光脉冲，同时记下该起始时刻T0，激光脉冲信号到达被测目标后反射回来，接受电路接受回波信号，并记下该终止时刻T1，根据公式L＝C*(T1-T0)/2，就可计算出测距装置到被测目标之间的距离，其中C为光速，L为得到的距离。
脉冲探测技术属于激光回波直接探测技术，脉冲回波的信噪比是决定探测能力的决定性指标。如何提高信噪比是目前高重复频率激光探测技术的重要研究方向。从信号处理的角度来讲，激光多脉冲积累是有效提高信噪比的方法。
传统的多脉冲回波测量方式为其中x(t)是从激光雷达接收器放大器放大以后采集到的信号，T是脉冲的间距，发射器发射的脉冲总数为m。信号按照等间距T进行裁剪，将m段相邻的信号进行叠加，参与叠加的原信号的长度为m*T,从而产生输出信号y(t)，最后通过y(t)来判断脉冲返回的时刻T1。
上述方法使用的脉冲序列都是等间距，在实际的系统的信号处理中，不管是在进行脉冲叠加还是在进行相关处理的时候，当叠加信号中的脉冲数量少于m的时候，依旧可以观测信号输出，会产生一些多余的峰值位置，这些峰值位置会影响主峰值位置的判断，特别是在信噪比很低的情况下。如图5所示，5(a)为回波中含有m个脉冲时的输出信号y(t)，5(b)为回波中含有m-1个脉冲时的输出信号y(t)，可知，当信号处理模块在接收到m和m-1个脉冲的时候，信号处理模块都会有明显的峰值信号输出，当使用恒定阈值进行脉冲判断的时候，额外的峰值位置会提高虚警的概率。因此，这种方法可以说是，在提高信噪比的情况的，引入了其他的噪声信号。
发明内容
本发明提供一种采用不等间距多激光脉冲测距的方法，并设计一种实现该测距方法的测距装置，提高了信噪比的同时消除了虚假回波。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种不等间距的激光多脉冲测距方法，包括如下步骤，
步骤一：由脉冲信号发生器发出m个不等间距的脉冲，第一个脉冲起始点在时刻t，第j个脉冲的时刻在t+(j-1)T+△Tj，最后一个脉冲的时刻在t+(m-1)T，总的脉冲串的长度为m*T，其中T是脉冲的间距，△Tj为随机时间变量{△Tj，1≤j≤m-1，j∈Z}，主控制器记录第一个脉冲发射的时刻作为测距起始时刻T0，并将T和△Tj发送至信号处理模块用于回波信号处理；
步骤二：脉冲信号发生器发出的脉冲序列通过激光器驱动电路驱动激光二极管产生激光脉冲，并经过发射天线向被测目标发射激光脉冲；
步骤三：激光脉冲经被测目标反射后形成回波光信号，并被光电探测器通过接收天线接收，光电探测器将回波光信号转化为回波电信号，回波电信号经过接收电路被放大后送至采样电路中进行采样，采样出回波数字信号为x(t)；
步骤四：回波数字信号x(t)经过信号处理模块产生输出信号y(t)，该信号处理模块按照脉冲间距T将回波数字信号裁剪成m段并叠加输出，该输出信号y(t)的具体计算方法是：
y ( t ) = 1 m Σ j = 0 m - 1 x ( t + j * T + ΔT j ) ;
本发明中算法依旧是对信号进行裁剪成m段，按照间距T进行裁剪，并将m段相邻的信号进行叠加输出，但是在周期脉冲的位置加入随机时间变量△Tj，使得每段裁剪的位置稍微有些区别，由于△Tj的数量级与脉冲宽度相同，相对于脉冲间距T而言可以忽略不计，参与叠加的信号的长度仍然为m*T。采用该方法，当且仅当信号处理模块接收脉冲串中含有m个脉冲的时候，信号处理模块有明显的峰值输出。我们记下这个峰值时刻点，此峰值时刻点即为脉冲回波到达的时刻T1。
步骤五：当信号处理模块接收到m个脉冲的时候，信号处理模块有明显的峰值信号输出，主控制器记录该峰值时刻点作为测距终止时刻T1；
步骤六：主控制器计算目标的距离其中C为光速。
所述步骤三中采样的回波数字信号x(t)为电压信号或电流信号。
进一步地，所述△Tj＝r*pw，其中pw是脉冲的宽度，r是0到10内的随机整数。
本发明还提供一种实现上述测距方法的激光多脉冲测距装置，包括发射器、接收器、信息处理器以及测距天线装置，发射器包括脉冲信号发生器、驱动电路和激光二极管，该接收器包括光电探测器、接收电路、采样电路，该信息处理器包括信息处理模块和主控制器，所述测距天线装置包括同轴设置的发射天线和接收天线，该发射天线和接收天线外围分别设置有发射套筒和接收套筒，所述发射天线为发射透镜组，接收天线为接收透镜；
所述发射透镜组固定在发射套筒内径中，发射透镜组与激光二极管光路连接，该激光二极管的外壁与发射套筒内壁进行过盈配合；
所述接收透镜通过接收隔圈以及压圈固定在接收套筒前端内，接收套筒内设置有用于固定光电探测器的固定板，该固定板通过尾部压圈卡设在接收套筒后端内，所述接收透镜与光电探测器光路连接；
发射套筒套设在接收套筒的前端内，并通过紧锭螺钉调整发射套筒与接收套筒的间距。
进一步地，所述发射套筒与接收套筒之间间隙配合，该间隙内填充树脂用于固定内外结构。采用间隙设计是为了保证天线调整方便，在接收套筒和发射套筒之间留有0.5mm的空隙，当天线校准完成以后，该间隙内填充树脂用于固定内外结构。
为了保证足够的通过量，所述发射套筒中用于固定发射透镜组的前端部采用筋板支撑结构，优选地为三个筋板的结构保证尽量大的通光量。
由以上技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
本发明是在每个周期脉冲的位置处引入一个随机时间变量，可以提高回波信噪比的同时，准确的得到回波到达的时刻，避免传统等间距脉冲叠加时所引起的虚警。
附图说明
图1为本发明激光多脉冲测距方法的流程图；
图2为本发明激光多脉冲测距方法的工作原理图；
图3为本发明激光多脉冲测距方法的算法原理图；
图4为本发明激光多脉冲测距方法的输出信号效果图；
图5为现有技术激光多脉冲测距方法的输出信号效果图；
图6为本发明测距装置的主视图；
图7为本发明测距装置的轴向示意图；
图8为图7的A-A剖视图。
图中：1、发射套筒，2、接收套筒，3、发射透镜组，4、接收透镜，5、激光二极管，6、接收隔圈，7、压圈，8、光电探测器，9、固定板，10、尾部压圈，11、紧锭螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
本发明提供一种不等间距的激光多脉冲测距方法，产生该不等间距的激光多脉冲采用的方式是在周期脉冲中引入一个随机时间变量△Tj，由脉冲信号发生器发出m个不等间距的脉冲，第一个脉冲起始点在时刻t，第j个脉冲的时刻在t+(j-1)T+△Tj，最后一个脉冲的时刻在t+(m-1)T，其中T为脉冲的间距，m是脉冲信号发生器发射的脉冲总数，△Tj为随机时间变量{△Tj，1≤j≤m-1，j∈Z}，由于随机时间变量△Tj的数量级与脉冲宽度的数量级相同，相对于间距T而言可以忽略不计，所以总的脉冲串的长度仍然为m*T。
如图2所示，该方法的工作原理是，脉冲信号发生器给出脉冲调制信号至驱动电路，并将T和△Tj发送至信号处理模块用于回波信号处理，驱动电路导通激光二极管，激光二极管通过发射天线发射出激光脉冲，该激光脉冲经被测目标的后向散射，接收天线接收回波光信号，回波光信号经过光电探测器转化成回波电信号，再分别通过接收电路和采样电路输出回波数字信号x(t)，采样的回波数字信号x(t)可以为电流信号，也可以为电压信号，本实施例中采样电压信号。
信号处理模块的参数有脉冲信号发生器提供，回波数字信号x(t)经过信号处理模块产生输出信号在这部分中进行算法处理后可以得到回波的时刻T1,回波时刻T1被送到主控器中，主控制器结合从脉冲序列发生器中得到的T0，利用距离公式即可计算出距离，其中T0为第一个脉冲发射的时刻，T1为信号处理模块检测到的峰值时刻。该方法中所采用的随机时间变量△Tj＝r*pw，其中pw是脉冲的宽度，r是0到10内的随机整数。优选地，脉冲宽度pw为50ns，周期T为18us，发射脉冲数目m为12。
如图1所示，该测距方法包括如下步骤：
步骤一：由脉冲信号发生器发出m个不等间距的脉冲，第一个脉冲起始点在时刻t，第j个脉冲的时刻在t+(j-1)T+△Tj，最后一个脉冲的时刻在t+(m-1)T，总的脉冲串的长度为m*T，其中T是脉冲的间距，△Tj为随机时间变量{△Tj，1≤j≤m-1，j∈Z}，主控制器记录第一个脉冲发射的时刻作为测距起始时刻T0，并将T和△Tj发送至信号处理模块用于回波信号处理；
步骤二：脉冲信号发生器发出的脉冲通过激光器驱动电路驱动激光二极管产生激光脉冲，并经过发射天线向被测目标发射激光脉冲；
步骤三：激光脉冲经被测目标反射后形成回波光信号，并被光电探测器通过接收天线接收，光电探测器将回波光信号转化为回波电信号，回波电信号经过接收电路被放大后送至采样电路中进行采样，采样的回波数字信号为x(t)；
步骤四：回波数字信号x(t)经过信号处理模块产生输出信号y(t)，该信号处理模块按照脉冲间距T将回波数字信号裁剪成m段并叠加输出，如图3所示，该输出信号y(t)的具体计算方法是：
y ( t ) = 1 m Σ j = 0 m - 1 x ( t + j * T + ΔT j ) ;
步骤五：当信号处理模块接收到m个脉冲的时候，信号处理模块将信号叠加就会有明显的峰值信号输出，主控制器记录该峰值时刻点作为测距终止时刻T1；在数字信号处理中，AD采样以后，数据含有强度信息和时间信息是一一对应的，峰值强度信息一旦被找到，峰值时刻也就知道。如图4所示，4(a)为回波中含有m个脉冲时的输出信号y(t)，4(b)为回波中含有m-1个脉冲时的输出信号y(t)，可知，当信号处理模块接收到m个脉冲的时候，信号处理模块将信号叠加就会有明显的峰值信号输出。
步骤六：主控制器计算目标的距离其中C为光速。
如图6至8所示，本发明还提供一种实现上述测距方法的激光多脉冲测距装置，包括发射器、接收器、信息处理器以及测距天线装置，发射器包括脉冲信号发生器、驱动电路和激光二极管，该接收器包括光电探测器、接收电路、采样电路，该信息处理器包括信息处理模块和主控制器。
测距天线装置包括同轴设置的发射天线和接收天线，因电路的设计是本领域的常识性内容，本发明只描述一种发射天线和接收天线同轴的天线的结构。发射天线和接收天线外围分别设置有用于固定天线的发射套筒1和接收套筒2。
所述发射天线为一种发射透镜组3，其中发射透镜为焦距6.16mm非球面透镜，发射透镜组3通过螺纹连接直接与发射套筒1内径相连，发射透镜组3与激光二极管5光路连接，该激光二极管的外壁与发射套筒1内壁进行过盈配合，为了保证足够的激光脉冲通过量，发射套筒1中用于固定发射透镜组3的前端部采用筋板支撑结构，优选地为三个筋板的结构。
接收天线为一种接收透镜4，接收透镜是焦距40mm，外径50mm的非球面透镜，接收透镜4利用压圈7和接收隔圈6被固定在接收套筒2上，接收套筒2内设置有用于固定光电探测器8的固定板9，该固定板通过尾部压圈10卡设在接收套筒2后端内，所述接收透镜4与光电探测器8光路连接，光电探测器用来将接收透镜收集到的光线转换成电信号，该光电探测器为APD探测器，本实施例中采用LaserComponents公司生产的SARF500F2。发射器通过发射天线发出多脉冲激光激光信号，激光信号经被测目标后向散射后被接收天线接收，回波光信号经由光电探测器被转换成回波电信号，并经接收器进行处理计算得出所测距离。
发射套筒1套设在接收套筒2的前端内，并通过紧锭螺钉11调整发射套筒与接收套筒之间的间隙大小。本实施例中，发射套筒与接收套筒之间间隙配合，该间隙内填充树脂用于固定内外结构，采用间隙设计是为了保证天线调整方便，在接收套筒和发射套筒之间留有0.5mm的空隙，当天线校准完成以后，该间隙内填充树脂用于固定内外结构。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种不等间距的激光多脉冲测距方法，其特征在于包括如下步骤，
步骤一：由脉冲信号发生器发出m个不等间距的脉冲，第一个脉冲起始点在时刻t，第j个脉冲的时刻在t+(j-1)T+△Tj，最后一个脉冲的时刻在t+(m-1)T，总的脉冲串的长度为m*T，其中T是脉冲的间距，△Tj为随机时间变量1≤j≤m-1，j∈Z，主控制器记录第一个脉冲发射的时刻作为测距起始时刻T0，并将T和△Tj发送至信号处理模块用于回波信号处理；
步骤二：脉冲信号发生器发出的脉冲序列通过激光器驱动电路驱动激光二极管产生激光脉冲，并经过发射天线向被测目标发射激光脉冲；
步骤三：激光脉冲经被测目标反射后形成回波光信号，并被光电探测器通过接收天线接收，光电探测器将回波光信号转化为回波电信号，回波电信号经过接收电路被放大后送至采样电路中进行采样，采样出回波数字信号为x(t)；
步骤四：回波数字信号x(t)经过信号处理模块产生输出信号y(t)，该信号处理模块按照脉冲间距T将回波数字信号裁剪成m段并叠加输出，该输出信号y(t)的具体计算方法是：
y ( t ) = 1 m Σ j = 1 m - 1 x ( t + j * T + ΔT j ) ;
步骤五：当信号处理模块接收到m个脉冲的时候，信号处理模块有明显的峰值信号输出，主控制器记录该峰值时刻点作为测距终止时刻T1；
步骤六：主控制器计算目标的距离其中C为光速。
2.根据权利要求1所述的激光多脉冲测距方法，其特征在于，所述步骤三中采样的回波数字信号x(t)为电压信号或电流信号。
3.根据权利要求1所述的激光多脉冲测距方法，其特征在于，所述△Tj＝r*pw，其中pw是脉冲的宽度，r是0到10内的随机整数。
4.一种实现权利要求1所述测距方法的激光多脉冲测距装置，包括发射器、接收器、信息处理器以及测距天线装置，发射器包括脉冲信号发生器、驱动电路和激光二极管，该接收器包括光电探测器、接收电路、采样电路，该信息处理器包括信息处理模块和主控制器，其特征在于：
所述测距天线装置包括同轴设置的发射天线和接收天线，该发射天线和接收天线外围分别设置有发射套筒(1)和接收套筒(2)，所述发射天线为发射透镜组(3)，接收天线为接收透镜(4)；
所述发射透镜组(3)固定在发射套筒(1)内径中，发射透镜组(3)与激光二极管(5)光路连接，该激光二极管的外壁与发射套筒内壁过盈配合；
所述接收透镜(4)通过接收隔圈(6)以及压圈(7)固定在接收套筒(2)前端内，接收套筒内设置有用于固定光电探测器(8)的固定板(9)，该固定板通过尾部压圈(10)卡设在接收套筒(2)后端内，所述接收透镜(4)与光电探测器(8)光路连接；
发射套筒(1)套设在接收套筒(2)的前端内，并通过紧锭螺钉(11)调整发射套筒与接收套筒的间距。
5.根据权利要求4所述的激光多脉冲测距装置，其特征在于，所述发射套筒(1)与接收套筒(2)之间间隙配合，该间隙内填充树脂用于固定内外结构。
6.根据权利要求4所述的激光多脉冲测距装置，其特征在于，所述发射套筒(1)中用于固定发射透镜组(3)的前端部采用筋板支撑结构。
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