CN104931973A - 用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法。激光雷达系统采用的典型相位编码方法对系统硬件提出很高的要求。本发明的步骤如下：激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，调制器根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列；解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出；探测器将累积得到的信号输出给信号处理器；探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差；根据相位差，计算得到目标距离。本发明采用非对称相位编码方法对目标距离进行测量，降低系统对探测器采样速率的要求，并降低信号处理的计算量。

Description

用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法

技术领域

本发明属于激光雷达领域，具体涉及用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法。

背景技术

激光雷达系统采用的典型相位编码方法依据码源对光波载频信号进行调相，而后发射相位编码激光脉冲信号，目标反射的激光信号经光学系统汇聚在探测器上，由探测器转化为回波编码电脉冲信号，与解调制信号一起送入信号处理器，在信号处理器内完成相关运算，最终给出目标的距离参数。但相位编码信号的探测需要高速探测器对信号进行快速采样，并由信号处理器进行快速处理，这对系统硬件提出很高的要求，尤其当系统采用阵列探测器时，探测器像素数较多，阵列探测器和信号处理器的总信号带宽很难满足系统实时探测的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出在激光雷达系统中采用非对称相位编码方法对目标距离进行测量，降低系统对探测器采样速率的要求，并降低信号处理的计算量，降低系统硬件要求。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明的具体步骤如下：

步骤一、激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，在调制器中根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ；其中，N为正整数，取值范围为4～16，τ的取值在10纳秒到10微秒中选取；

步骤二、激光雷达系统中的解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；

步骤三、激光雷达系统采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出，选通时间设为(kN+1)τ，k的取值范围为1～20；探测器在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器；

步骤四、探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差L；

步骤五、根据相位差，激光雷达系统计算得到目标距离为其中，c为光速。

所述的调制信号序列和解调制信号序列采用非对称相位编码，即采用双序列工作；所述的解调制信号序列由调制信号序列构造而成，其构造方法是在调制信号序列重复k个周期后，在其末尾添加一位，编码为-1。

所述回波信号序列的解调制过程为回波信号序列和解调制信号序列的卷积过程，周期为kN+1；解调制过程中回波信号序列自动进行了移位，解调制过程的输出为典型相位编码方法移位卷积过程的输出，按照输出的最高值位置判断解调制信号与回波信号的相位差L。

所述激光雷达系统的采样时间为探测器累积时间，长度为解调制信号的周期，即kN+1，设信号子码宽度为τ，则探测器采样时间为(kN+1)τ。

所述的激光雷达系统将相关法分解为信号相乘与信号相加两个阶段，并分别通过分离的解调制器和累积型探测器实现信号相乘和信号相加过程。激光雷达系统对回波信号序列与解调制信号序列的相乘过程在解调制器中进行，对回波信号序列与解调制信号序列的相加过程在探测器中。

所述的回波信号与发射的激光信号的相位差检测过程具体如下：

S＝(m₁,m₂,...,m_N)表示周期为N＝2ⁿ-1的m序列，其中，n为构造m序列的反馈移位寄存器的级数，且为大于2的整数。m_i表示序列各位，i＝1,...,N。序列的自相关函数为：

$R_p(S,S)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{m}_{j+p}---\left(1\right)$

其中，p表示移位的数目，取值范围为0～N。

当m_i的值为1或-1时，自相关函数的值表示为

$R_p(S,S)=\left\{\begin{array}{cc}N,& p=0\\ -1,& p\≠0\end{array}\right.---\left(2\right)$

在调制器中，激光信号的强度调制中仅有两种状态，通过或不通过。设通过状态时m_i的值为1，否则为-1。

设S₁＝(m₁,m₂,...,m_N)表示激光雷达系统的发射脉冲序列，其周期长度为N。S₂＝(n₁,n₂,...,n_N)表示回波脉冲序列，则S₁和S₂的互相关函数表示为：

$R_p^{\′}(S_1,S_2)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=\left\{\begin{array}{cc}N,& p=L\\ -1,& p\≠L\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据发射脉冲序列S₁构造解调制信号序列S₃＝(m₁,m₂,...,m_N,-1)，其周期长度为N+1。定义序列S₂和S₃的解调函数：

$D_p(S_2,S_3)=\underset{j=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}+m_{N+1}{n}_{N+1+p}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=R_p^{\′}(S_1,S_2)---\left(4\right)$

根据序列S₂和S₃的解调函数来计算序列S₁和S₂的互相关函数，从而确定解调制信号与回波信号的相位差L，则回波信号相对于发射信号的时间延迟为Lτ，激光雷达系统与目标的距离为

本发明具有的有益效果：

1、采样速率低

本发明根据调制器和累积型探测器的硬件特性，使信号相关运算的相乘和信号相加过程在信号解调制和累积探测过程中通过硬件完成，系统采样的时间等于kN+1倍的子码宽度。相对于其他相位编码雷达的采样时间，本发明的非对称相位编码激光成像雷达的采样时间被延长了kN+1倍，避免了对回波信号的高速采集，使探测器能够满足系统的采样要求。设信号子码宽度τ，探测器采样时间为(kN+1)τ。

2、实时探测

常规激光雷达系统中解调制信号与回波信号的卷积运算占用了大量的计算机资源。由于本发明的调制器采用光学器件，解调制信号与回波信号的乘积实质上是在解调制器中完成，当累积型探测器对解调后的信号进行累积探测时，实质上是完成了解调制信号与回波信号乘积的相加。这样由解调制器和累积型探测器在硬件上共同完成了解调制信号和回波信号的卷积。计算机所起到的作用仅为时统作用，依信号输出的顺序判断解调制信号和回波信号的相位差，计算目标距离和成目标距离像。因此在计算机中的运算量明显减小，系统可以实现实时探测过程。

3、系统硬件要求低

非对称相位编码激光雷达采用低采样率探测器，使系统采用阵列探测器，实现高精度高分辨率三维成像。且系统采用解调制器和探测器完成光信号的卷积过程，信号间的互扰较小，可以实现信号并行处理，同时降低了电信号处理所占用的计算资源。系统结构和编码设计的独特性降低了系统硬件的要求。

4、信噪比高

系统发射宽脉冲激光信号(宽度为m，序列周期Nτ)，信号能量大。因为采用选通方式接收信号，系统不接收选通区间外的背景噪声和大气散射噪声，从而降低了噪声能量，充分发挥了距离选通成像激光雷达的高信噪比优势。又因为系统采用m序列相位编码方式对信号进行调制，接收时仍采用等效的相关运算的算法，可以极大地提高信号信噪比。与子脉冲信噪比相比，信噪比提高了倍。

5、测距范围大(测距模糊距离大)

系统发射宽脉冲激光信号(宽度为m，序列周期Nτ)，信号能量大，从而使系统的测量范围增加。由于使用相位编码方式，进行距离的大尺度测量，可以通过改变序列长度改变测距的模糊距离。

6、抗干扰性能好

因为采用相位编码方式，编码规律近乎于随机序列，具备优良的抗干扰性能。

附图说明

图1为本发明中非对称相位编码激光雷达系统的结构及工作流程图；

图2为本发明的非对称相位编码方法和解调制过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，采用非对称相位编码激光雷达系统，包括激光器1、激光调制单元2、光学天线3、脉冲信号发生器4、激光探测单元5、信号处理器6和计算机7；激光调制单元2包括调制器21和第一信号源22，光学天线3包括光学发射天线31和光学接收天线32，激光探测单元5包括选通门控制器51、第二信号源52、探测器53和解调制器54。

光学通路：激光器1用来发射恒定强度的激光信号，激光器1的激光发射端连接调制器21的光输入端，调制器21的光输出端连接光学发射天线31的光输入端。激光经光学发射天线31照射在目标上。光学接收天线32用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线32输出的光信号输入到解调制器54的光输入端，解调制器54的光信号输出端输出的光信号照射在探测器53的像元表面上。

电信号通路：脉冲信号发生器4的时钟信号输出端连接第一信号源22和第二信号源52的信号输入端；第一信号源22的信号输出端连接调制器21的信号输入端；第二信号源52的脉冲信号输出端连接解调制器54和选通门控制器51的脉冲信号输入端；选通门控制器51的信号输出端连接探测器53和信号处理器6；探测器53的信号输出端连接信号处理器6；信号处理器6的信号输出端连接计算机7的信号输入端。

激光器1采用连续波激光器，型号为Gooch&Housego公司的Cobolt Jive75，激光器1发射幅度稳定的激光信号，激光波长为561nm，激光器输出功率为75mW。调制器和解调制器采用调制频率为10MHz的MZM电光调制器。脉冲信号发生器4采用带宽为240MHz，型号为Tektronix公司的AFG3252的信号发生器，产生码长为255位的m序列作为调制信号序列和256位的解调制信号序列；信号序列的子脉冲宽度τ为100ns。脉冲信号发生器时钟信号。探测器53采用PIN探测器，型号为Thorlabs公司的DET 10A/M，其灵敏度为0.45A/W，上升沿和下降沿限制在1ns；通门控制器51控制探测器53，实现解调制后的信号累积。

非对称相位编码激光雷达系统的工作流程：

激光器1用来发射恒定强度的激光信号，输出给调制器21。脉冲信号发生器4产生宽度为τ的时钟信号，输出给第一信号源22和第二信号源52。

第一信号源22产生一个长度为N＝2ⁿ-1，排列顺序为m序列的脉冲序列，其中n为m序列的级数，且为大于2的整数，记录此m序列为调制信号序列。第一信号源22输出调制信号序列给调制器21，调制器21根据调制信号序列对激光进行强度调制，输出的发射脉冲序列S₁信号经过光学发射天线31照射在目标上。

光学接收天线32用来接收目标反射的回波脉冲序列S₂，并将接收到的信号聚焦到解调器54上。

第二信号源52再产生一个长度为kN+1的解调制信号序列S₃，其中，k的取值范围为1～20；记录此序列为解调制信号序列，分别输出给解调器54和选通门控制器51。解调器54根据解调制信号序列对激光回波脉冲信号进行强度调制，通过解调器54的激光信号照射在探测器53上。选通门控制器51根据解调制信号序列对探测器53的选通门进行控制，控制探测器53的累积探测时间(kN+1)τ和输出。

探测器53输出探测到的信号给信号处理器6。选通门控制器51同时输出同步信号给信号处理器6。信号处理器6根据探测器53的N次输出信号顺序，判断解调制信号和激光回波脉冲信号的相关峰位置(回波信号和解调制信号进行相关计算后，计算值最高的位置)，从而得到解调制信号与激光回波脉冲信号的相位差，并将相位差输出给计算机7。计算机7通过计算给出相应像素得到的目标距离，再综合所有像素，对激光照射区域成高分辨率的距离像。

激光雷达系统将相关法分解为信号相乘与信号相加两个阶段，并分别通过分离的解调制器和累积型探测器实现信号相乘和信号相加过程。激光雷达系统对回波信号序列与解调制信号序列的乘积过程在解调制器中进行，对回波信号序列与解调制信号序列的加和过程在探测器中。

激光雷达系统采用的解调制器和探测器为光学器件，解调制器的输入和输出均为激光信号；探测器处理的输入信号为激光信号。

如图1和2所示，该用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，具体步骤如下：

非对称相位编码。非对称相位编码采用双序列工作，一个为调制信号序列，另一个序列为解制调制信号序列。调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ。解调制信号序列由调制信号序列构造而成，其构造方法是在调制信号序列重复k个周期后，在其末尾添加一位，编码为-1，序列长度为kN+1。

激光器1发射幅度恒定的激光信号，经过调制器21，调制器21在第一信号源22的激励下，对激光进行幅度调制，激光被调制成排列顺序为m序列，即周期为N、子脉冲宽度为τ的发射脉冲序列S₁，经过光学发射天线31照射在目标上。光学接收天线32用来接收目标的回波脉冲序列S₂。激光回波脉冲信号经过解调制器54，照射在探测器53上。第二信号源52输出解调制信号序列，解调制器54在解调制信号序列的激励下，对激光回波脉冲信号进行解调制。选通门控制器51根据解调制信号序列控制探测器53在选通时间(kN+1)τ内对激光信号进行累积探测，得到信号其中，m_j表示序列各位，p表示移位的数目，取值范围为0～N，将累积的信号输出给信号处理器6，信号处理器6根据探测器53输出的N次累积信号中的最高峰，判断激光回波脉冲信号相对于发射的激光脉冲信号的相位差，并输出给计算机7，计算机7计算目标与激光雷达系统之间的距离。

相位编码序列的检测通常是采用相关法进行检测的，区别于传统的相关检测法，非对称相位编码激光雷达系统将相关法分解为信号相乘与信号相加两个阶段，并分别通过分离的解调制器54和累积型探测器53实现信号相乘和信号相加过程。系统对回波信号序列与解调制信号序列的乘积过程是在解调制器54中进行的，对回波信号序列与解调制信号序列的加和过程是在探测器53中进行的。

典型的相位编码系统的解调制过程实在探测器将激光回波信号采样后，转化为电信号，在计算机中由电信号进行解调制信号和回波信号的互相关函数。非对称相位编码激光雷达系统采用的解调制器54和探测器53为光学器件，解调制器54的输入和输出均为激光信号。探测器53的处理的输入信号为激光信号。因此可以说非对称相位编码激光雷达系统的解调制过程是由光信号完成的。

典型相位编码激光雷达系统中需要对回波信号进行快速采样，对探测器的采样速率有严格的要求，而且解调制信号与回波信号的卷积运算占用了大量的计算机资源。非对称相位编码激光雷达系统中解调制过程由光信号完成，避免了系统的快速采样要求，而且由于光信号之间的互相干扰极小，多个像素的信号卷积过程可以并行进行，解调制信号与回波信号的卷积是在解调制器和累积型探测器这样的硬件上共同完成，计算机所起到的作用仅为时统作用，依信号输出的顺序判断解调制信号和回波信号的相位差，计算目标距离和成目标距离像，有效避免了卷积运算对计算资源的占用，卷积计算的运算量明显减小，系统可以实现实时探测过程，总体上系统对硬件资源的要求降低了。

Claims (6)

1.用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤一、激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，在调制器中根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ；其中，N为正整数，取值范围为4～16，τ的取值在10纳秒到10微秒中选取；

步骤二、激光雷达系统中的解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；

步骤三、激光雷达系统采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出，选通时间设为(kN+1)τ，k的取值范围为1～20；探测器在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器；

步骤四、探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差L；

步骤五、根据相位差，激光雷达系统计算得到目标距离为其中，c为光速。

2.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：所述的调制信号序列和解调制信号序列采用非对称相位编码，即采用双序列工作；所述的解调制信号序列由调制信号序列构造而成，其构造方法是在调制信号序列重复k个周期后，在其末尾添加一位，编码为-1。

3.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：所述回波信号序列的解调制过程为回波信号序列和解调制信号序列的卷积过程，周期为kN+1；解调制过程中回波信号序列自动进行了移位，解调制过程的输出为典型相位编码方法移位卷积过程的输出，按照输出的最高值位置判断解调制信号与回波信号的相位差L。

4.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：所述激光雷达系统的采样时间为探测器累积时间，长度为解调制信号的周期，即kN+1，设信号子码宽度为τ，则探测器采样时间为(kN+1)τ。

5.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：所述的激光雷达系统将相关法分解为信号相乘与信号相加两个阶段，并分别通过分离的解调制器和累积型探测器实现信号相乘和信号相加过程；激光雷达系统对回波信号序列与解调制信号序列的相乘过程在解调制器中进行，对回波信号序列与解调制信号序列的相加过程在探测器中。

6.根据权利要求1所述的用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：所述的回波信号与发射的激光信号的相位差检测过程具体如下：

S＝(m₁,m₂,...,m_N)表示周期为N＝2ⁿ-1的m序列，其中，n为构造m序列的反馈移位寄存器的级数，且为大于2的整数；m_i表示序列各位，i＝1,...,N；序列的自相关函数为：

$R_p(S,S)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{m}_{j+p}---\left(1\right)$

其中，p表示移位的数目，取值范围为0～N；

当m_i的值为1或-1时，自相关函数的值表示为

$R_p(S,S)=\left\{\begin{array}{cc}N,& p=0\\ -1,& p\≠0\end{array}\right.---\left(2\right)$

在调制器中，激光信号的强度调制中仅有两种状态，通过或不通过；设通过状态时m_i的值为1，否则为-1；

设S₁＝(m₁,m₂,...,m_N)表示激光雷达系统的发射脉冲序列，其周期长度为N；S₂＝(n₁,n₂,...,n_N)表示回波脉冲序列，则S₁和S₂的互相关函数表示为：

$R_p^{\′}(S_1,S_2)=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=\left\{\begin{array}{cc}N,& p=L\\ -1,& p\≠L\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据发射脉冲序列S₁构造解调制信号序列S₃＝(m₁,m₂,...,m_N,-1)，其周期长度为N+1；定义序列S₂和S₃的解调函数：

$D_p(S_2,S_3)=\underset{j=1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}+m_{N+1}{n}_{N+1+p}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_j{n}_{j+p}=R_p^{\′}(S_1,S_2)---\left(4\right)$

根据序列S₂和S₃的解调函数来计算序列S₁和S₂的互相关函数，从而确定解调制信号与回波信号的相位差L，则回波信号相对于发射信号的时间延迟为Lτ，激光雷达系统与目标的距离为