CN104035097B - 一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置和方法，装置包括：二维阵列激光源、单元激光探测器、系统控制器、调制器和解调器；方法包括以下步骤：系统控制器控制调制器产生激光脉冲驱动序列传送至二维阵列激光源和解调器，二维阵列激光源受调制器驱动产生相应调制激光脉冲向目标区域照射；单元激光探测器接收目标区域反射的激光脉冲回波转换并产生电信号脉冲序列，解调器对单元激光探测器产生的电信号脉冲序列解调识别并处理后输出至系统控制器，系统控制器控制输出距离数值矩阵。本发明简化了探测元件的复杂性，有利于激光探测距离增程和远距离无扫描激光雷达的实现。

Description

一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种无扫描三维激光探测装置及方法，特别涉及一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置及方法，属于激光探测技术领域。

背景技术

激光探测技术以激光作为照射源，测定被测目标反射激光的幅值、相位等物理量获取被测目标的方位、速度等信息，相对于传统微波探测技术而言，具有更高的横向分辨率和纵向分辨率，且因波束束宽更小而不易受到干扰，具有更好的探测性能。近年来，激光探测的窄波束特点进一步被发掘，用作各类激光雷达，尤其是高精度三维成像式激光雷达，用于远距离目标的高精度主动探测。

三维成像式激光探测技术在发展中逐渐分化为扫描式三维激光探测技术和无扫描三维激光探测技术。扫描式三维激光探测技术须依赖于窄波束控制和传统的激光扫描方式，如机械扫描和声(电)光扫描，其受到了激光光束高速扫描的性能限制(严惠民，倪旭翔等.无扫描三维激光雷达的研究[J].中国激光，2000,09：861-864)。无扫描三维激光探测技术克服了扫描式在帧率和扫描速率的瓶颈，具有帧率高，视场宽，寿命长和体积小等优点，相比扫描式三维激光探测更具有优势。现有的无扫描三维激光探测均采用宽光束、大能量脉冲激光源作为发射元件，各类焦平面阵列，尤其是APD焦平面阵列作为探测元件(王飞.实时激光三维成像焦平面阵列研究进展[J].中国光学,2013,03:297-305)。然而，宽光束、大能量脉冲激光源同窄光束、大能量脉冲激光源相比，光束质量和能量指标更难以达到，工程实现难度更高；同样地，相比于单元激光探测器件而言，阵列探测元件作用距离较短，信噪比较低，制作难度大，工程造价高。现有的无扫描三维激光探测技术，同样面临种种挑战。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种作用距离长，接收回波信号信噪比高无扫描三维激光探测装置及方法。

(二)技术方案

为实现上述发明目的，本发明提供了如下的技术方案。

一方面，本发明提供一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，包括：二维阵列激光源、单元激光探测器、系统控制器、调制器和解调器；

所述系统控制器、所述调制器、所述二维阵列激光源依序通信连接，所述单元激光探测器、所述解调器、所述系统控制器依序通信连接，所述调制器和所述解调器通信连接；

所述系统控制器控制所述调制器产生激光脉冲驱动序列传送至所述二维阵列激光源和所述解调器，所述二维阵列激光源按所述调制器产生的激光脉冲驱动序列产生相应的调制激光脉冲向目标区域照射；

所述单元激光探测器接收目标区域反射的激光脉冲回波转换并产生电信号脉冲序列，所述解调器对所述单元激光探测器产生的电信号脉冲序列解调识别并处理后输出至所述系统控制器，所述系统控制器控制输出距离数值矩阵。

其中较优地，所述激光脉冲驱动序列是正交化处理的精确频率调制激光脉冲驱动序列、正交化处理的脉冲间隔调制激光脉冲驱动序列、正交化处理的脉冲编码调制激光脉冲驱动序列中的任意一种。

其中较优地，所述二维阵列激光源是m×n个激光发射单元，所述m×n个激光发射单元包含m个不同的水平方位角和n个不同的俯仰角；

所述二维阵列激光源是半导体阵列激光源、光纤阵列激光源、固体阵列激光源中的任意一种。

其中较优地，所述单元激光探测器是高灵敏度APD探测器或单光子探测器件中的任意一种。

其中较优地，所述解调器是以可编程器件为核心的解调电路板，所述可编程器件是可编程逻辑门阵列FPGA、数字信号处理器DSP中的任意一种。

其中较优地，所述可编程逻辑门阵列FPGA包括：信道总线、多个延迟线解码模块和多工器；

所述信道总线、所述多个延迟线解码模块和所述多工器依序通信连接；

所述电信号脉冲序列沿所述信道总线实时送入所述多个延迟线解码模块，所述延迟线解码模块处理后发送高电平至所述多工器，所述多工器根据所述延迟解码模块的具体地址，输出带有标记当前脉冲所属方位信息的脉冲序列。

另一方面，本发明还提供一种应用上述无扫描三维激光探测装置的无扫描三维激光探测方法，包括如下步骤：

调制器产生激光脉冲驱动序列传送至所述二维阵列激光源和所述解调器；

二维阵列激光源向目标区域发射激光脉冲调制序列；

单元激光探测器接收目标区域反射的激光脉冲回波；

转换激光脉冲回波并混合产生固定脉宽的电信号脉冲序列；

解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息的脉冲序列；

将带有标记当前脉冲方位信息序列转换成距离数值矩阵。

其中较优地，所述解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息序列的步骤是采用可编程延迟线组成的独立模块进行并行识别解码运算，步骤具体包括：

将电信号脉冲序列沿着信道总线实时送入负责各方位角独立解调的多个延迟线解码模块；

延迟线解码模块根据预先设定的调制信息形成多个队列，并在末端混合，若有符合该方位角区域的调制信号出现，则发送高电平至多工器；

多工器根据延迟线解码模块的具体地址，输出带有标记的当前脉冲所属方位信息的脉冲序列。

其中较优地，所述解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息序列的步骤是针对电信号采集缓存数据进行识别解码运算，具体步骤包括：

将电信号脉冲序列实时送入采集数据缓存器；

调用调制信号与缓存的信号序列作相关运算；

根据调制信号各脉冲的方位信息和相关运算的结果，输出带有标记的当前脉冲所属方位信息序列。

其中较优地，所述将带有标记当前脉冲方位信息序列转换成距离数值矩阵的步骤是基于调制解调信号的时间飞行法，步骤具体包括：

根据当前解调信号脉冲序列的标记，调取相应的调制信号序列；

计算出位于当前解调信号脉冲之前且紧邻的调制信号脉冲与当前解调信号脉冲的时间差；

按照时间飞行法将时间差转换为距离值；

将距离值作为第a帧距离数值矩阵中第m行，第n列的元素进行保存；

重复上述步骤，直至获取来自多个方位角的完整距离数据。

本发明提供的一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置及方法，利用激光编解码调制解调技术简化了探测元件的复杂性，有利于激光探测距离的增程，雷达帧率的提升，系统工作寿命的增长以及远距离无扫描激光雷达的实现。

附图说明

图1是本发明无扫描三维激光探测装置结构示意图；

图2是本发明无扫描三维激光探测装置中解调器结构示意图；

图3是本发明无扫描三维激光探测方法流程示意图；

图4是本发明获取距离信息并转换成距离数值矩阵的示意图；

图5是本发明距离数值矩阵应用举例。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，一种基于阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置，包括：二维阵列激光源1、单元激光探测器5、系统控制器7、调制器9和解调器8；系统控制器7、调制器9、二维阵列激光源1依序通信连接，单元激光探测器5、解调器8、系统控制器7依序通信连接，调制器9和解调器8通信连接；系统控制器7控制调制器9产生激光脉冲驱动序列传送至二维阵列激光源1和解调器8，二维阵列激光源1按调制器9产生的激光脉冲驱动序列产生相应的调制激光脉冲向目标区域4照射；单元激光探测器5接收目标区域4反射的激光脉冲回波转换并产生电信号脉冲序列，解调器8对单元激光探测器5产生的电信号脉冲序列比对识别并处理后输出至系统控制器7，系统控制器7控制输出距离数值矩阵。下面对本无扫描三维激光探测装置展开详细说明。

在图1中，系统控制器7负责整个探测过程各模块的统筹协调工作。系统控制器7主要控制调制器9产生激光脉冲驱动序列，及控制解调器8接收调制器9产生的激光脉冲驱动序列和经目标区域4反射后产生激光脉冲回波6，并最终输出距离数值矩阵。

如图1所示，系统控制器7控制调制器9根据m×n种互相正交的激光调制方式产生激光脉冲驱动序列。调制器9的激光调制方式须正交化处理，以保证各激光单元发出的调制脉冲独一无二互不串扰，调制方式既可以是含有m×n种相互正交频率的精确频率调制，也可以是含有m×n种相互正交的脉冲间隔调制，还可以是含有m×n种相互正交的脉冲编码调制。调制器9驱动产生相应的调制光脉冲驱动序列传输至二维阵列激光源1。

如图1所示，二维阵列激光源1优选使用光纤阵列激光源，但本发明并不限于光纤阵列激光源，也可以是半导体阵列激光源或固体阵列激光源等其他激光光源。二维阵列激光发射单元各自独立接受调制器驱动，发出互相正交的激光脉冲序列。二维阵列激光源1包括m×n个激光发射单元2，二维阵列激光源1的m×n个激光发射单元2朝向固定，二维阵列激光源1的m×n个激光发射单元2的朝向目标区域4，m×n个激光发射单元2的朝向包含m个不同的水平方位角和n个不同的俯仰角。二维阵列激光源1优选包括128×128个激光发射单元2，128×128个激光发射单元2向128×128个对应的方位角发射出128×128种由调制器9调制的激光脉冲调制序列3。该激光发射单元2发射出的128×128种激光脉冲调制序列3优选是以8个脉冲为周期的序列，由7个独一无二的脉冲间隔组合而成。

如图1所示，单元激光探测器5的视场角覆盖m×n个激光发射单元的照射视场，以保证所有激光回波信号的接收。单元激光探测器5优选为高灵敏度的光电探测器，既可以是高灵敏度APD(雪崩光电二极管,Avalanche Photo Diode)探测器，也可以是更高灵敏度的单光子探测器件。二维阵列激光源1的m×n个激光单元向目标区域4发出的激光脉冲调制序列3经目标区域4的m×n个对应方位角反射后产生激光脉冲回波6，激光脉冲回波6传播回单元激光探测器5。单元激光探测器5接收m×n个方位角反射的激光脉冲回波6，转换并混合产生一路固定脉宽的电信号脉冲序列传输至解调器8。由于单元激光探测器5的视场角覆盖m×n个激光单元的照射视场，因此单元激光探测器5输出的电脉冲信号序列为来自m×n个方位角回波的混合信号。

如图1所示，解调器8是置于单元激光探测器5后端的解码设备，解调器8根据发射通道m×n个单元的调制信号解调并分离电信号脉冲序列，从而实现m×n个方位角区域目标探测信息的无扫描获取。解调器8根据各单元的调制方式对单元激光探测器5输出的m×n个方位角回波的混合电信号解调识别，然后分离或者加以标记输出，并最终输出可用于三维重构的距离数值矩阵。解调器8为以可编程器件为核心的解调电路板，可编程器件既可以是可编程逻辑门阵列FPGA，也可以是数字信号处理器DSP，或者各类型微处理器MCU，优选为可编程逻辑门阵列FPGA。以FPGA为核心的解调器8置于高灵敏度APD探测器电回路后端，根据各单元的调制方式解调高灵敏度APD探测器输出的128×128个方位角回波的混合电信号，然后分离或者加以标记输出带有标记当前脉冲所属方位信息的脉冲序列，并最终由解调器8或系统控制器7根据时间飞行法输出包含128×128个方位角的距离数值矩阵。

如图2所示，本发明提供的无扫描三维激光探测装置中以FPGA为核心的解调器8包括信道总线、多个延迟线解码模块和多工器(多频道合成器，Multiple-Channel Combiner)。信道总线、多个延迟线解码模块和多工器依序通信连接。电信号脉冲序列沿着信道总线实时送入负责各方位角独立解调的多个延迟线解码模块；延迟线解码模块根据预先设定的调制信息形成多个队列，并在末端混合，若有符合该方位角区域的调制信号出现，则发送高电平至多工器；多工器根据解码模块的具体地址，输出带有标记当前脉冲所属方位信息的脉冲序列。

为进一步体现本发明提供的无扫描三维激光探测装置的优越性，本发明还提供一种应用上述无扫描三维激光探测装置的探测方法，如图3所示，具体包括如下步骤：调制器9产生激光脉冲驱动序列传送至二维阵列激光源1和解调器8；二维阵列激光源1向目标区域4发射激光脉冲调制序列3；单元激光探测器5接收目标区域4反射的激光脉冲回波；转换激光脉冲回波并混合产生固定脉宽的电信号脉冲序列；解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当脉冲方位信息的脉冲序列；将带有标记当前脉冲方位信息的脉冲序列转换成距离数值矩阵。下面对该无扫描三维激光探测方法展开详细的说明。

首先,介绍调制器9产生激光脉冲驱动序列传送至二维阵列激光源1和解调器8的步骤；

系统控制器7控制调制器9产生激光脉冲驱动序列传送至二维阵列激光源1和解调器8。调制器9根据系统控制器7的控制以m×n种互相正交的激光调制方式产生激光脉冲驱动序列。调制器9产生的激光脉冲驱动序列既可以是含有m×n种相互正交频率的精确频率调制，也可以是含有m×n种相互正交的脉冲间隔调制，还可以是含有m×n种相互正交的脉冲编码调制。具体地，优选是以8个脉冲为周期的循环序列，由7个独一无二的脉冲间隔组合而成。系统控制器7控制调制器9产生激光脉冲驱动序列的同时需要向解调器8发出控制信号，告知解调器8接收调制器9产生的激光脉冲驱动序列和目标区域4反射的激光脉冲回波6。

其次，介绍二维阵列激光源1向目标区域4发射激光脉冲调制序列的步骤；

二维阵列激光源1接收到调制器9产生激光脉冲驱动序列后，二维阵列激光源1的各激光发射单元向各自所在的方位角朝向发射调制的激光脉冲。具体地，二维阵列激光源1的m×n个激光发射单元2向m×n个对应的方位角发射出m×n种由调制器9调制的激光脉冲调制序列3。如果二维阵列激光源1是128×128个激光发射单元2，则二维阵列激光源1的128×128个激光发射单元向128×128个对应的方位角发射出128×128种由调制器9调制的激光脉冲调制序列3。

再次，介绍单元激光探测器5接收目标区域4反射的激光脉冲回波的步骤；

由二维阵列激光源1的m×n个激光发射单元2向目标区域4发射的激光脉冲调制序列3经目标区域4反射后的激光脉冲回波6传播回单元激光探测器5。单元激光探测器5接收目标区域4反射的激光脉冲回波6并产生电信号脉冲序列送至解调器8进行信号解调。如果二维阵列激光源1是128×128个激光发射单元2，则激光脉冲经128×128个对应方位角的目标区域4反射后的激光脉冲回波6传播回单元激光探测测器5。

第四，介绍转换激光脉冲回波并混合产生固定脉宽的电信号脉冲序列的步骤；

为保证所有激光回波信号的接收，单元激光探测器5的视场角覆盖m×n个激光单元的照射视场，因此单元激光探测器5输出的电脉冲信号序列为来自m×n个方位角回波的混合信号。高灵敏度的单元激光探测器5接收来自m×n个方位角回波的混合信号转换并混合产生一路固定脉宽的电信号脉冲序列。单元激光探测器5将转换并混合产生的电信号脉冲序列发送至解调器8。

第五，介绍解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当脉冲方位信息的脉冲序列的步骤。

解调器8接收单元激光探测器5发送的电信号脉冲序列后，根据阵列激光各发射单元的调制信号解调并按照发射通道分离电信号脉冲序列。具体地，解调器8根据发射通道m×n个单元的调制信号解调并分离电信号脉冲序列，实现m×n个方位角区域目标探测信息的无扫描获取。解调并分离电信号脉冲序列的方法既可以是针对电信号采集缓存数据进行解码识别运算，也可以采用可编程延迟线组成的独立模块进行并行识别解码运算，优选为基于可编程延迟线的独立模块进行并行识别解码运算。

针对电信号采集缓存数据进行识别解码运算的具体步骤包括：解调器8将电信号脉冲序列实时送入采集数据缓存器；调用调制信号与缓存的信号序列作相关运算；根据调制信号各脉冲的方位信息和相关运算的结果，输出带有标记的当前脉冲所属方位信息序列。

基于可编程延迟线的独立模块进行并行识别解码运算的具体过程如下：解调器8将电信号脉冲序列沿着信道总线实时送入负责各方位角独立解调的128×128个延迟线解码模块；延迟线解码模块根据预先设定的调制信息形成7个与7位调制信息匹配的延迟量队列，并在末端混合作逻辑“与”运算，若有符合该方位角区域的调制信号出现，则发送高电平至多工器；多工器根据延迟线解码模块发送信号的地址线，输出标记当前脉冲所属方位信息的信号序列。

最后，介绍将带有标记当前脉冲方位信息的脉冲序列转换成距离数值矩阵的步骤。

解调器8将带有标记当前脉冲方位信息的脉冲序列转换成距离数值矩阵构建目标三维信息方法优选为基于调制解调信号的时间飞行法。如图4所示，对于第a帧距离数值矩阵的具体步骤为：解调器8根据输出的当前脉冲所属方位信息的标记信号序列，调取相应的调制信号序列，计算出位于当前解调信号脉冲(dm_a，dn_a)之前且紧邻的调制信号脉冲(cm_a，cn_a)与当前解调信号脉冲的时间差△t(m_a，n_a)；将时间差△t(m_a，n_a)作为第a帧距离数值矩阵中第m行，第n列的元素进行保存；根据时间飞行法将△t(m_a，n_a)转换成相应的距离数据D(m_a，n_a)，转换公式为其中，c为光速；重复上述步骤，直至获取来自m×n个方位角的完整距离数据，如图5所示，第a帧的距离数值矩阵已填满。

综上所述，本发明提供的一种基于阵列激光源的无扫描三维激光探测装置及方法，简化了探测元件的复杂性，有利于激光探测距离的增程，雷达帧率的提升，系统工作寿命的增长以及远距离无扫描激光雷达的实现。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种阵列发射单元接收的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，包括：二维阵列激光源、单元激光探测器、系统控制器、调制器和解调器；

所述系统控制器、所述调制器、所述二维阵列激光源依序通信连接，所述单元激光探测器、所述解调器、所述系统控制器依序通信连接，所述调制器和所述解调器通信连接；

所述系统控制器控制所述调制器产生激光脉冲驱动序列传送至所述二维阵列激光源和所述解调器，所述二维阵列激光源按所述调制器产生的激光脉冲驱动序列产生相应的调制激光脉冲向目标区域照射；

所述单元激光探测器接收目标区域反射的激光脉冲回波转换并产生电信号脉冲序列，所述解调器对所述单元激光探测器产生的电信号脉冲序列解调识别并处理后输出至所述系统控制器，所述系统控制器控制输出距离数值矩阵；

所述单元激光探测器的视场角覆盖所述二维阵列激光源的照射视场，以保证所有激光回波信号的接收。

2.如权利要求1所述的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，所述激光脉冲驱动序列是正交化处理的精确频率调制激光脉冲驱动序列、正交化处理的脉冲间隔调制激光脉冲驱动序列、正交化处理的脉冲编码调制激光脉冲驱动序列中的任意一种。

3.如权利要求1所述的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，所述二维阵列激光源是m×n个激光发射单元，所述m×n个激光发射单元包含m个不同的水平方位角和n个不同的俯仰角；

所述二维阵列激光发射单元各自独立接受调制器驱动，发出互相正交的激光脉冲序列。

4.如权利要求1所述的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，所述单元激光探测器是高灵敏度APD探测器或单光子探测器件中的任意一种。

5.如权利要求1所述的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，所述解调器是以可编程器件为核心的解调电路板，所述可编程器件是可编程逻辑门阵列FPGA、数字信号处理器DSP中的任意一种。

6.如权利要求5所述的无扫描三维激光探测装置，其特征在于，所述可编程逻辑门阵列FPGA包括：信道总线、多个延迟线解码模块和多工器；

所述信道总线、所述多个延迟线解码模块和所述多工器依序通信连接；

所述电信号脉冲序列沿所述信道总线实时送入所述多个延迟线解码模块，所述延迟线解码模块处理后发送高电平至所述多工器，所述多工器根据所述延迟解码模块的具体地址，输出带有标记当前脉冲所属方位信息的脉冲序列。

7.一种应用权利要求1-6任意一项所述无扫描三维激光探测装置的无扫描三维激光探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

调制器产生激光脉冲驱动序列传送至所述二维阵列激光源和所述解调器；

二维阵列激光源向目标区域发射激光脉冲调制序列；

单元激光探测器接收目标区域反射的激光脉冲回波；

转换激光脉冲回波并混合产生固定脉宽的电信号脉冲序列；

解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息的脉冲序列；

将带有标记当前脉冲方位信息序列转换成距离数值矩阵。

8.如权利要求7所述的无扫描三维激光探测方法，其特征在于，所述解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息序列的步骤是采用可编程延迟线组成的独立模块进行并行识别解码运算，步骤具体包括：

将电信号脉冲序列沿着信道总线实时送入负责各方位角独立解调的多个延迟线解码模块；

延迟线解码模块根据预先设定的调制信息形成多个队列，并在末端混合，若有符合该方位角区域的调制信号出现，则发送高电平至多工器；

多工器根据延迟线解码模块的具体地址，输出带有标记的当前脉冲所属方位信息的脉冲序列。

9.如权利要求7所述的无扫描三维激光探测方法，其特征在于，所述解调并分离电信号脉冲序列，输出带有标记当前脉冲方位信息序列的步骤是针对电信号采集缓存数据进行识别解码运算，具体步骤包括：

将电信号脉冲序列实时送入采集数据缓存器；

调用调制信号与缓存的信号序列作相关运算；

根据调制信号各脉冲的方位信息和相关运算的结果，输出带有标记的当前脉冲所属方位信息序列。

10.如权利要求7所述的无扫描三维激光探测方法，其特征在于，所述将带有标记当前脉冲方位信息序列转换成距离数值矩阵的步骤是基于调制解调信号的时间飞行法，步骤具体包括：

根据当前解调信号脉冲序列的标记，调取相应的调制信号序列；

计算出位于当前解调信号脉冲之前且紧邻的调制信号脉冲与当前解调信号脉冲的时间差；

按照时间飞行法将时间差转换为距离值；

将距离值作为第a帧距离数值矩阵中第m行，第n列的元素进行保存；

重复上述步骤，直至获取来自多个方位角的完整距离数据。