CN105738913A - 测距通信一体化激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种测距通信一体化激光雷达。利用伪随机码调制技术实现通信，利用伪随机码自相关特性进行测距，利用单光子探测技术实现高灵敏度接收。该系统由激光光源模块、激光发射光学模块、激光接收光学模块、单光子探测器模块和FPGA(可编程逻辑器件)信号处理电路模块组成。信号处理电路模块产生发射的调制通信码，激光光源模块将该编码转化为幅度调制的激光，接收探测器将接收的目标光子回波信号序列数字化成编码序列，传回给信号处理电路模块与原始通信编码进行相关运算来获取目标的距离信息，同时发射的通信码可以实现信息传输。该系统实现了测距与通信的双重功能，并采用低功率发射和高灵敏度接收的技术路线，实现了系统的低功耗和小型化。

Description

测距通信一体化激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达，特别是一种测距通信一体化激光雷达。
背景技术
激光测距雷达具有精度高，系统体积小，测量迅速的优点，有着广泛的应用背景，涉及的领域非常广泛，首先，在工程上有矿场检测、桥梁监测、公路检测等应用，工业上可用于流水线生产产品质量的监测、汽车的无人驾驶等广泛应用，同时在军事、航天等领域也发挥着关键的作用。激光通信技术具有容量大，抗干扰能力强，避免近地面和海面的多路径效应等优点。由于空间条件的限制，需要使设备具有多任务工作，从而降低对体积、功耗的要求，并提高系统的性价比。比如在目标定距和身份识别中，对敌方目标可以定距，对己方目标可以定距兼通信。因此，随着激光通信和测距等复合需求的不断提高，实现高精度，低功耗，小型化，测距通信一体化的激光雷达技术十分重要。
目前在工程应用领域，已经存在基本成熟的激光测距技术和激光通信技术，但都只能实现单一功能，系统性价比低。目前国内外为实现测距通信一体化技术研究的途径主要是基于激光通信的工作原理：激光通信由两个通信端机组成(这里分别记为A、B)。每个通信端都包含信标光、信号光两种光源和信标接收、信号接收两个接收端，都可以用来进行测距。利用端机A发射测距编码信号，同时打开距离测量计数器，端机B的接收单元接收到A端机的测距编码后，产生控制信号去触发激光发射单元，使其转发A端机的测距编码，A端机的接收单元收到B端机转发回的测距编码后，关闭距离测量计数器，计算出两通信端机之间的距离。这种测距通信一体化技术只能在合作目标间实现，当目标为非合作目标时，测距功能和通信功能都无法实现。
为了实现非合作目标可以测距，合作目标间可以测距兼通信，提出结合伪随机码调制、相关测距和光子计数技术的测距通信一体化激光雷达。这将在目标定距及身份识别方面有重要应用。
发明内容
为了实现非合作目标间可以测距，合作目标间可以测距兼通信，提出一种测距通信一体化激光雷达。利用伪随机码调制技术实现通信，利用伪随机码自相关特性进行测距，利用单光子探测技术实现高灵敏度接收。该方法实现了测距与通信的双重功能，并采用低功率发射和高灵敏度接收的技术路线，实现了系统的低功耗和小型化。
本发明的技术解决方案如下：
一种测距通信一体化激光雷达，其特点是：该激光雷达系统由主控电路模块、激光光源模块、单光子探测器模块、激光发射光学模块和激光接收光学模块组成，所述的主控电路模块包括命令输入模块、FPGA(可编程逻辑器件)控制电路模块、AD(模数转换)采集电路模块和显示模块，激光光源模块包括半导体激光器和半导体激光器驱动电路模块两部分，用户通过所述的命令输入模块设置通信码并传至FPGA控制电路模块，所述的FPGA控制电路模块产生的光源调制信号，经过半导体激光器驱动电路模块输入到所述的半导体激光器，该半导体激光器产生和调制信号波形一致的编码激光信号，该激光信号经激光发射光学模块发射，出射激光照射在非合作目标上，出射后的激光被目标反射后形成激光反射回波信号，激光反射回波信号由所述的激光接收光学模块接收，所述的激光反射回波信号入射到所述的单光子探测器模块，该单光子探测器模块将激光回波信号转化为电信号，被AD采集电路模块采集，转化为数字码序列，并将该数字码序列传至所述的FPGA控制电路模块，FPGA控制电路模块将激光反射回波信号转换的数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，并传至显示模块进行显示。若出射激光照射在合作目标上，合作目标一方面反射激光信号形成激光反射回波信号，一方面会解码激光信号，并根据解码的内容对反射激光信号进行被动调制，将应答内容调制到反射的激光信号上，形成应答激光信号。激光反射回波信号和应答激光信号由所述的激光接收光学模块接收，所述的激光反射回波信号和应答激光信号入射到所述的单光子探测器模块，该单光子探测器模块将两种激光信号转化为电信号，被AD采集电路模块采集，转化为数字码序列，并将该数字码序列传至所述的FPGA控制电路模块，FPGA控制电路模块将激光反射回波信号数字码序列和应答激光信号数字码序列进行区分，FPGA控制电路模块激光反射回波信号数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，FPGA控制电路模块将应答激光信号数字码序列进行解码，获得应答信息。FPGA控制电路模块将目标距离和应答信息传至显示模块进行显示。
所述的FPGA控制电路模块产生光源调制信号是由通信信息调制过的伪随机码序列
所述的半导体激光器是峰值功率为百毫瓦级的低功率半导体激光器。
所述的单光子探测器模块为具有光子级高灵敏度的盖革模式APD(雪崩光电二极管)探测器。
光发射光学模块由光学发射透镜和匀化片组成，实现激光发射光斑的均匀化和可变发散角，以适应不同场合的需求。
所述的激光接收光学模块由光学接收透镜、窄带滤光片和光阑组成，主要用于控制激光接收光学模块的接收视场角和滤除背景光，且激光接收光学模块的接收视场角可调，以适应不同场合的需求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
①实现了非合作目标间可以测距，合作目标间可以测距兼通信的双重功能。
②采用低功率发射和高灵敏度接收的技术路线，激光能量利用率高，在激光峰值功率为百毫瓦(平均功率几毫瓦)时，作用距离可达公里级。在低功耗下实现了远距离测距和通信。
附图说明
图1为本发明测距通信一体化激光雷达的整体机构示意图；
图2为本发明的相关测距的原理示意图；
图3为本发明的通信码编码、解码原理示意图；
图中：100——主控电路模块，110——命令输入模块，120——FPGA(可编程逻辑器件)控制电路模块，130——AD(模数转换)采集电路模块，140——显示模块，200——激光光源模块，210——半导体激光器驱动电路模块，220——半导体激光器，300——单光子探测器模块，400——激光发射光学模块，500——激光接收光学模块。
具体实施方式
本发明以某场合下的对测距通信为实施例，采用低功率的半导体激光器220作为光源，激光器的发射功率为200mW，激光波长为808nm，激光调制频率为10MHz，重复频率为1kHz；单光子探测器模块是盖革模式的APD探测器，主控电路模块100生成的原始伪随机码为10阶M序列伪随机码，通信码长为10bit。下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应该以此限制本发明的保护范围。
请参照图1，图1为一种测距通信一体化激光雷达的整体机构示意图，如图所示，一种测距通信一体化激光雷达，包括主控电路模块100、激光光源模块200、单光子探测器模块300、激光发射光学模块400和激光接收光学模块500。
所述的主控电路模块100包括命令输入模块110、FPGA控制电路模块120、AD采集电路模块130和显示模块140，所述激光光源模块200包括半导体激光器220和半导体激光器驱动电路模块210，所述的命令输入模块110接收用户设置的通信码并传至FPGA控制电路模块120，该FPGA控制电路模块120产生的光源调制信号，经半导体激光器驱动电路模块210输入到所述的半导体激光器220，该半导体激光器220产生与光源调制信号波形一致的编码激光信号，该编码激光信号经激光发射光学模块400发射出射激光：
当出射激光照射在非合作目标上，经非合作目标反射后形成激光反射回波信号，该激光反射回波信号经所述的激光接收光学模块500接收后，入射到所述的单光子探测器模块300，该单光子探测器模块300将激光回波信号转化为电信号后由AD采集电路模块130采集，并转化为数字码序列传至所述的FPGA控制电路模块120，FPGA控制电路模块120将激光反射回波信号转换的数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，并传至显示模块140进行显示；
当出射激光照射在合作目标上，经合作目标反射后形成激光反射回波信号，同时，合作目标解码该出射激光，并根据解码的内容对激光反射回波信号进行被动调制，形成应答激光信号，所述激光反射回波信号和应答激光信号由所述的激光接收光学模块500接收后传输到所述的单光子探测器模块300，该单光子探测器模块300将两种激光信号转化为电信号，由AD采集电路模块130采集，并转化为数字码序列后传至所述的FPGA控制电路模块120，该FPGA控制电路模块120将激光反射回波信号数字码序列和应答激光信号数字码序列进行区分，FPGA控制电路模块120将激光反射回波信号数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，FPGA控制电路模块120将应答激光信号数字码序列进行解码，获得应答信息，FPGA控制电路模块120将目标距离和应答信息传至显示模块140进行显示。
图2为本发明的相关测距的原理示意图。接收模块收到回波信号后耦合至探测器，探测器输出的电脉冲信号经AD采集、阈值鉴别后得到回波的码元序列，将其与原始的伪随机码信号进行相关运算。相关函数的峰值对应的时刻给出了目标距离导致的延时量，从而可得到目标的距离信息。
图3为本发明的通信编码解码的原理示意图。FPGA控制电路模块生成原始的10阶M序列伪随机码，保持该伪随机码前512bit不变，作为捕获信息码的标志，后500bit，每50bit加载1bit通信码，加载方式为：如果通信码为1，保持原50bit伪随机码不变，如果通信码为0，对原50bit伪随机码取反。
本实施例采用的主要器件有：用于主控和运算的FPGA模块120；带有电压-电流转换、电流放大和过流保护等功能的半导体激光器的驱动电路模块210；平均功率为200mW、中心波长为808nm的低功率半导体激光器220；探测灵敏度可达单光子量级的高灵敏度单光子探测器300；激光发射光学模块400采用发射视场角可调的光学透镜组和具有光斑匀化作用的匀化片；激光接收光学模块500采用窄带滤光片、光阑和接收视场角可调的接收透镜组。
结合图1、图2，本实施例的一种测距通信一体化激光雷达的工作过程是：
①通信码输入：用户通过输入模块输入要发送的通信码。FPGA控制电路模块120生成原始的10阶M序列伪随机码，保持该伪随机码前512bit不变，作为捕获信息码的标志，后500bit，每50bit加载1bit通信码，加载方式为：如果通信码为1，保持原50bit伪随机码不变，如果通信码为0，对原50bit伪随机码取反。
②该加载通信码的伪随机码作为光源的调制信号经过半导体激光器驱动电路模块210输入到所述的半导体激光器220，该半导体激光器220产生和调制信号波形一致的激光信号，该激光信号经激光发射光学模块400发射。该发射过程以1kHz的重复频率重复发射10次，然后发射10ms未加载通信码的伪随机码用以等待合作端加载应答信号。整个过程周期为20ms。
③合作目标一方面反射激光信号形成激光反射回波信号，一方面会解码激光信号，并根据解码的内容对反射激光信号进行被动调制，将应答内容调制到反射的激光信号上，形成应答激光信号。
④激光回波信号由所述的激光接收光学模块500接收，入射到所述的单光子探测器模块300，该单光子探测器模块300将激光回波信号转化为电信号，被AD采集电路模块130采集，转化为数字码序列，并将该数字码序列传至所述的FPGA控制电路模块120，FPGA控制电路模块120对前10ms的10次数字信号序列进行叠加后，与原始发射码进行相关运算，得到相关运算峰值位置从而获得目标距离值。然后FPGA控制电路模块120将后10ms的数字序列与原始伪随机码的前512bit进行相关运算，得到相关运算的峰值，从而确定应答通信码开始的位置，然后将应答通信码每50bit与原始伪随机码后500bit的每50bit进行相关运算，若相关性大于等于25认为该位通信码为1，若相关性小于25认为该位通信码为0，从而获得应答信息。
⑤FPGA控制电路模块120将距离信息和通信信息打包传给显示模块140，显示模块140进行显示。

Claims (6)

1.一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：包括主控电路模块(100)、激光光源模块(200)、单光子探测器模块(300)、激光发射光学模块(400)和激光接收光学模块(500)；
所述的主控电路模块(100)包括命令输入模块(110)、FPGA控制电路模块(120)、AD采集电路模块(130)和显示模块(140)，所述激光光源模块(200)包括半导体激光器(220)和半导体激光器驱动电路模块(210)，所述的命令输入模块(110)接收用户设置的通信码并传至FPGA控制电路模块(120)，该FPGA控制电路模块(120)产生的光源调制信号，经半导体激光器驱动电路模块(210)输入到所述的半导体激光器(220)，该半导体激光器(220)产生与光源调制信号波形一致的编码激光信号，该编码激光信号经激光发射光学模块(400)发射出射激光：
当出射激光照射在非合作目标上，经非合作目标反射后形成激光反射回波信号，该激光反射回波信号经所述的激光接收光学模块(500)接收后，入射到所述的单光子探测器模块(300)，该单光子探测器模块(300)将激光回波信号转化为电信号后由AD采集电路模块(130)采集，并转化为数字码序列传至所述的FPGA控制电路模块(120)，FPGA控制电路模块(120)将激光反射回波信号转换的数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，并传至显示模块(140)进行显示；
当出射激光照射在合作目标上，经合作目标反射后形成激光反射回波信号，同时，合作目标解码该出射激光，并根据解码的内容对激光反射回波信号进行被动调制，形成应答激光信号，所述激光反射回波信号和应答激光信号由所述的激光接收光学模块(500)接收后传输到所述的单光子探测器模块(300)，该单光子探测器模块(300)将两种激光信号转化为电信号，由AD采集电路模块(130)采集，并转化为数字码序列后传至所述的FPGA控制电路模块(120)，该FPGA控制电路模块(120)将激光反射回波信号数字码序列和应答激光信号数字码序列进行区分，FPGA控制电路模块(120)将激光反射回波信号数字码序列与原始光源调制码序列进行相关运算，获得目标距离，FPGA控制电路模块(120)将应答激光信号数字码序列进行解码，获得应答信息，FPGA控制电路模块(120)将目标距离和应答信息传至显示模块(140)进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：所述的FPGA控制电路模块(120)产生的光源调制信号是由通信信息调制过的伪随机码序列。
3.根据权利要求1所述的一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：所述的半导体激光器(220)是峰值功率为百毫瓦级的低功率半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：所述的单光子探测器模块(300)为具有光子级高灵敏度的盖革模式APD探测器。
5.根据权利要求1所述的一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：光发射光学模块(400)由光学发射透镜和匀化片组成，实现激光发射光斑的均匀化和可变发散角。
6.根据权利要求1所述的一种测距通信一体化激光雷达，其特征是：所述的激光接收光学模块(500)由光学接收透镜、窄带滤光片和光阑组成，用于控制激光接收光学模块(500)的接收视场角和滤除背景光，且激光接收光学模块(500)的接收视场角可调。
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