CN106054204B - 一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统。测距方法在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距，脉冲编码法是低阶伪码信号与脉冲法的结合。测距系统包括两台连续激光器、m序列信号调制单元、相位调制单元、一对光学天线、两台光电探测器、脉冲编码处理模块、相位法处理模块和测距结果计算单元等。测距系统实现编码脉冲法与相位法两路测距信号的独立测量且互不干扰，并将脉冲编码与相位法的测距结果复合，得到更高的测距精度。本发明将伪码测距的精度优势引入传统的脉冲法，提升了测量精度，相比于脉冲式有更强的抗干扰性，相比于伪码测距法拥有更短的伪码捕获匹配时间。

Description

一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统

技术领域

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统。

背景技术

在诸多测距手段中，激光测距以其精度高、准直性好、抗干扰性强、操作便捷等优势受到广泛推崇。传统的激光测距方式包括脉冲法、相位法、干涉法、三角法、伪码测距法等，这些方式各有优缺，适用于不同场景。

目前主流的激光测距方式包括脉冲测距法、相位测距法和伪码测距法。这三种测距方式都是基于测量发射信号与回波信号之间的时间差来计算待测距离。脉冲法对时间是直接测量，相位与伪码方式对时间是间接测量。

脉冲测距是应用非常广泛的测距方式，也是诸多方式中实现较为简单的一种。测距原理是通过向待测目标发送单个激光脉冲或者脉冲串，然后在接收端接收目标反射的回光信号，据此通过时钟计数器测量往返脉冲之间的时间差t来计算待测距离D＝ct/2，c为光速。这种测距方式精度依赖于计数器时钟频率，一般为米级或分米级，其测程视发射功率与接收探测器灵敏度而定，可达到数十公里甚至更远。

相位测距在短程的精度测量中应用比较广泛，因为实现原理的区别，其精度比脉冲式测距要优数个量级。相位法是根据鉴别发射与接收两路的调制激光信号之间的相位差来实现间接测量传播时间。相位法的测距可以达到所选调制信号波长的千分之一，一般为毫米级，最大测程为半波长。

伪码测距在空间测控中应用广泛，其实现原理是在发端用伪随机码对连续光源进行调制，经光学天线发往目标，同时锁存发码的初始状态。经目标反射回的光信号被接收端捕获，此时收发两路信号存在一个相位差，通过比较器判断信号序列的相位差求得时延，即可得距离值。伪码测距法的测程与所选码长成正比，其精度介于脉冲法与相位法之间，一般为厘米级甚至更高。

对于脉冲法来说，通过提高激光脉冲的峰值功率并配合接收端高灵敏度的信号探测，即可快捷地实现长距离测量，但是单个脉冲的长距离测距不仅需要相当高的峰值功率，并且对于大气信道的抗干扰性也较差。另外，脉冲法在精度方面极大地受到计时器时钟频率的限制，理论上要完成0.3m精度的测量，计时器时钟频率需要达到1GHz以上，不仅实现上比较困难，其稳定性也较难保证。

相位法测量精度高，理论上能够达到测距半波长的千分之一，但是测程受限，最远为半波长的距离。如果通过增加测距波长从而实现长距离测量，则测距精度无法保证。同样，若需实现高精度测量，则又无法完成面向长距离应用场景的测距。

伪码测距的关键在于码本身，码长与测程成正比关系，码元宽度与测距精度同样成正比关系。因此，若想扩大量程，就必须增大码长，若想提升精度，就必须减小码元宽度。面对长距离的场景，伪码的码长必须足够长，这不仅给接收端码字的相位匹配带来巨大工作量，而且在能耗方面也远大于传统脉冲测距。因此虽然伪码测距在精度上优于脉冲式，但是面向长距离应用却仍显不足。

因此，虽然目前主流测距方式都具有各自独特的优势，但在面向长距离高精度的测距应用时却略显不足。干涉法、三角法相比于相位法有更高的精度，但是测程更为受限，主要应用于短距离精密测量。因此当面向长距离高精度的测距应用场景时，上述的传统方式就略显不足了。随着人们对空间的开发利用进一步深化，相应的对更为优越的长距离高精度的测距技术的需求也越发迫切。

发明内容

本发明针对传统的测距方式在面向长距离高精度应用时都有各自的短板的问题，提出一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统，采用脉冲编码与相位复合的测距方案，在满足长距离的基础上实现高精度测量。

本发明提供的面向长距离高精度的复合式激光测距方法，在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距。

(一)实现脉冲编码法测距的方法是：

首先，采用连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为测距信号，测距信号的总码长为2^K-1，码元宽度为1/f_Pulse，f_Pulse为脉冲串的重复频率。K为正整数。

其次，当接收到回波信号时，设计数器记下N个时钟周期，计数器的时钟频率f＝f_Pulse；将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；则最终的脉冲编码法的测量距离L₁为：

(二)实现相位法测距。

采用连续激光器生成的光信号经过相位调制生成测距信号，测距信号的波长λ；设相位法测距结果为L₂。

(三)将脉冲编码法和相位法的测距结果复合，确定最终的测距结果。

首先，将脉冲编码法的测距结果L₁和相位法的测距结果L₂复合，得到测量距离L_start为：

L_start＝L₁-mod(L₁,λ/2)+L₂-P_K×λ/2；

其中，mod表示取余数；P_K的取值为1或0，当L₂>λ/4时，P_K取1，否则P_K取0。

然后，判断下式是否成立：

|L₁-L_start|＞λ/4；

若成立，则最终测距结果L＝L_start+λ/2；若不成立，则最终测距结果L＝L_start。

相应地，本发明提供的一种面向长距离高精度的复合式激光测距系统，包括第一连续激光器、第二连续激光器、m序列信号调制单元、相位调制单元、发射光学系统、接收光学系统、第一光电探测器、第二光电探测器、脉冲编码处理模块、相位法处理模块以及测距结果计算单元。

所述的第一连续激光器发射的光信号经过m序列信号调制单元，按K阶m序列伪随机码调制生成第一测距信号，第一测距信号发送给发射光学系统；K为正整数。

所述的第二连续激光器发射的光信号经过相位调制单元调制后生成第二测距信号，第二测距信号发送给发射光学系统；设第二测距信号的波长为λ。

所述的发射光学系统将第一测距信号和第二测距信号汇聚后准直发射给被测目标；所述的接收光学系统收集被测目标反射的回波信号并进行分束；第一测距信号对应的回波信号经第一光电探测器转为电信号，输入脉冲编码处理模块进行处理；第二测距信号对应的回波信号经第二光电探测器转为电信号，输入相位法处理模块处理。

所述的脉冲编码处理模块将第一光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，利用计数器完成时钟信号的脉冲计数，设记下N个时钟周期；然后将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h。

所述的相位法处理模块将第二光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，鉴相获得相位差。

所述的测距结果计算单元，首先根据脉冲编码处理模块输出的数据N和h获取第一测量距离L₁，其次根据相位法处理模块输出的相位差获取第二测距结果L₂，最后将两个测距结果复合，获得复合测量距离L_start，判断|L₁-L_start|＞λ/4是否成立，若成立，则最终测距结果L＝L_start+λ/2，若不成立，则最终测距结果L＝L_start。

所述的第一测量距离其中，c为光速，f为计数器的时钟频率。

所述的复合测量距离L_start＝L₁-mod(L₁,λ/2)+L₂-P_K×λ/2；其中，mod表示取余数；参数P_K的取值为1或0，当L₂>λ/4时，P_K取1，否则P_K取0。

本发明的优点与积极效果在于：

(1)与三种传统的测距方法(脉冲测距法、相位测距法、伪码测距法)相比，本发明的编码脉冲与相位复合式的测距方法及系统，能够在面向长距离的应用时保证与相位法同级甚至更高的测量精度，相比于脉冲式有更强的抗干扰性，相比于伪码测距法拥有更短的伪码捕获匹配时间。

(2)本发明所采用的脉冲编码法是将伪码测距的精度优势引入传统的脉冲法，并用脉冲法的计数时钟辅助伪码的捕获与匹配，减少捕获时间，提高系统效率，同时起到提升抗干扰性的作用。

(3)本发明将脉冲编码与相位法结合的优点还在于，可以充分发挥这两种方式在测程与精度上的独特优势，此外如果脉冲法的测量精度提升，相位法只需选取更短的测距波长，即可实现系统整体的精度提升。因此，使用脉冲编码的根本目的就是提升脉冲法自身的精度，从而使整个系统获得比单纯的脉冲与相位结合更高的测距精度。

附图说明

图1是本发明提供的复合式激光测距系统的原理示意图；

图2是本发明将脉冲法与低阶伪码进行结合的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出的面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统，是将脉冲编码与相位复合协同的测距方式。这种方式是脉冲法、相位法、伪码测距法三种机制的复合，其中包括两层复合，如图1所示。第一层复合是低阶伪码信号与脉冲法的结合即脉冲编码法，起到提升脉冲法自身精度的作用。第二层复合是脉冲编码与相位法的结合，这是整个测距方案精度提升的关键部分。

脉冲编码法是将伪码测距的精度优势引入传统的脉冲法，并用脉冲法的计数时钟辅助伪码的捕获与匹配，减少捕获时间，提高系统效率，同时起到提升抗干扰性的作用；脉冲与相位结合的优点在于可以充分发挥这两种方式在测程与精度上的独特优势，此外如果脉冲法的测量精度提升，相位法只需选取更短的测距波长，即可实现系统整体的精度提升。因此，使用脉冲编码的根本目的就是提升脉冲法自身的精度，从而使整个系统获得比单纯的脉冲与相位结合更高的测距精度。

如图1所示，本发明提供的面向长距离高精度的复合式激光测距系统，包括：两台连续激光器；一个m序列信号调制单元；一个相位调制单元，即强度调制单元；一对光学天线，包括发射光学系统和接收光学系统；两台光电探测器；脉冲编码处理模块；相位法处理模块；测距结果计算单元等等。此外还需要有一对复用器和解复用器。本发明的复合式激光测距系统中，包含编码脉冲法测距与相位法测距共两路测距信号，且每路测距信号独立测量互不干扰。

两个连续激光器在接收到工作的控制信号后，发射激光。

第一连续激光器发射的光信号经过m序列信号调制单元，按K阶m序列伪随机码调制生成第一测距信号，第一测距信号发送给发射光学系统。

第二连续激光器发射光信号，光信号经过相位调制单元调制后生成第二测距信号，第二测距信号发送给发射光学系统。相位法中第二测距信号的波长λ，需要满足下面公式(2)。

两路光束经由发射光学系统汇聚，共同传向待测目标，经目标反射被接收光学系统接收并分束进入各自处理系统处理，分别得出各自的测距结果。

发射光学系统利用复用器将含有伪码序列的第一测距信号和由相位法生成的第二测距信号进行汇聚，经由光学天线准直发射给被测目标。被测目标反射的激光光束由接收光学系统的光学天线收拢汇聚，在经过解复用器分束。

第一测距信号对应的回波信号经第一光电探测器转为电信号，输入脉冲编码处理模块进行处理。脉冲编码处理模块将第一光电探测器输入的电信号通过放大整形等电路处理后，利用计数器完成时钟信号的脉冲计数，设记下N个时钟周期；进行m序列的自相关匹配检测，将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h。则脉冲编码法的来回测量时间为(N+1-h)/f。f为计数器的时钟频率。

第二测距信号对应的回波信号经第二光电探测器转为电信号，输入相位法处理模块处理。在相位法处理模块中，将第二光电探测器输入的电信号通过放大整形等电路处理后，鉴相获得相位差。

测距结果计算单元中确定最终测距结果。首先根据脉冲编码处理模块输出的数据获取第一测量距离L₁，计算公式见下面公式(1)。再根据相位法处理模块输出的相位差获得第二测量距离L₂。最后根据下面公式(3)将两个测距结果复合，获得复合测量距离L_start。根据下面公式(5)是否成立，来确定最终测距结果L。

本发明的复合式测距方法在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距。

首先，说明第一层复合，由脉冲法与低阶伪码的结合而成的脉冲编码法。

如图2所示，标号①表示发射端发射的测距编码脉冲；图中编码脉冲的码长为5，码元宽度为1/f_Pulse，f_Pulse为脉冲信号重复频率，与计数时钟频率相同。标号②表示脉冲法自身的计数时钟信号；计数时钟信号频率为f与f_Pulse相同。标号③表示接收端接收到的编码脉冲回波信号，与发射端的编码脉冲存在一定的时延。这部分的原理与伪码测距法相同，不同之处在于本方案采用的是低阶伪码，码长较短，因此标号①与③的信号在中间省略号表示的部分都是空白的，无编码脉冲。标号④表示本方案中采用的捕获匹配运算方式，即寻找①、③路信号的相关运算最大值点。标号④中，显示平移N+1个时钟周期的接收信号，等同于N+1个码元周期的接收信号。

考虑到传统脉冲激光器的窄脉宽与偏低的重复频率导致的占空比过小的问题，在本发明方法中将连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为脉冲测距法的测距信号。此时总码长为2^K-1，码元宽度为1/f_Pulse，f_Pulse为脉冲串的重复频率。一般K的值取得较小，如取值为3、4或5。这样可以减少能耗、极大缩短捕获匹配运算时间。脉冲式的计数时钟频率为f，取时钟频率f＝f_Pulse，这可以为减少自相关运算次数起到辅助作用。当接收到回波信号(图2标号③)时，设计数器记下N个时钟周期。此时直接将回波信号左移N+1个码元宽度，如图2的标号④所示，保证①、③路信号的计时点经过平移后不会处于同一时钟周期内，这样再做精细捕获时便只需沿着一个方向寻找最佳自相关点。再在右侧的两个码元宽度区间内将回波信号做自相关运算，直至找到自相关函数的最大值处，记向右的位移量为h，h的精度值与鉴相器件精度相关。则实际偏移的总相位量为N+1-h，则最终的脉冲编码法的测量时间为(N+1-h)/f，则最终的脉冲编码法的测量距离L₁如下：

第二层复合：脉冲编码与相位法的结合(脉冲编码—相位法)。这层复合是整个测距方案的核心部分，是精度提升的关键。两种方式结合的前提条件是相位法的最大测程即半波长λ/2，必须大于脉冲编码法与相位法测量误差之和。本发明方法中取半波长λ/2大于两倍的误差和。之所以取两倍，一方面是因为系统中可能存在其余误差，这样做可以为这些误差预留一些缓冲空间，另一方面则是为最后结果整合时的条件判断做考虑。假设脉冲编码法的误差为σ₁，相位法的最大测量误差为σ₂，那么相位法中测距信号的波长λ应满足：

λ＞2×(2σ₁+2σ₂) (2)

选定相位法的波长λ之后，由系统产生控制信号触发光源生成脉冲编码法与相位法的测距光束，两路光束经由光学系统汇聚，共同传向待测目标，经目标反射被接收光学系统接收并分束进入各自处理系统处理，分别得出各自的测距结果。脉冲编码法最终的测距结果为(1)式的L₁，假设相位法的测距结果为L₂，那么复合后的测量距离L_start为：

L_start＝L₁-mod(L₁,λ/2)+L₂-P_K×λ/2 (3)

式中，mod表示取余数；P_K的取值为1或0，当满足公式(4)时，P_K取1，否则取0。

但是因为测量误差的干扰，式(3)的计算结果可能与预期值存在半波长的偏差，所以必须对L_start做最后修正。根据公式(2)的设定可知脉冲编码法的测距误差绝不会大于四分之波长，判断是否满足公式(5)，如下：

如果满足式(5)，说明计算结果存在半波长偏差，则最终测距结果L＝L_start+λ/2，否则最终测距结果L＝L_start。

Claims (4)

1.一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距；

(一)实现脉冲编码法测距的方法是：

首先，采用连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为测距信号，测距信号的总码长为2^K-1，码元宽度为1/f_Pulse，f_Pulse为脉冲串的重复频率；K为正整数；

其次，当接收到回波信号时，设计数器记下N个时钟周期，计数器的时钟频率f＝f_Pulse；将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；则脉冲编码法的测距结果L₁为：

其中，c为光速；

(二)实现相位法测距，具体是：采用连续激光器生成的光信号经过相位调制生成测距信号，测距信号的波长为λ；设相位法的测距结果为L₂；相位法的最大测程即半波长λ/2，必须大于脉冲编码法与相位法测量误差之和；

(三)将脉冲编码法和相位法的测距结果复合，确定最终的测距结果；

首先，将脉冲编码法的测距结果L₁和相位法的测距结果L₂复合，得到测量距离L_start为：

L_start＝L₁-mod(L₁,λ/2)+L₂-P_K×λ/2；

其中，mod表示取余数；P_K的取值为1或0，当L₂>λ/4时，P_K取1，否则P_K取0；

然后，判断下式是否成立：

|L₁-L_start|＞λ/4；

若成立，则最终测距结果L＝L_start+λ/2；若不成立，则最终测距结果L＝L_start。

2.根据权利要求1所述的一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，所述的K取值范围为[3,5]。

3.一种面向长距离高精度的复合式激光测距系统，包括发射光学系统、接收光学系统、和测距结果计算单元，其特征在于，还包括第一连续激光器、第二连续激光器、m序列信号调制单元、相位调制单元、第一光电探测器、第二光电探测器、脉冲编码处理模块以及相位法处理模块；

所述的第一连续激光器发射的光信号经过m序列信号调制单元，按K阶m序列伪随机码调制生成第一测距信号，第一测距信号发送给发射光学系统；K为正整数；

所述的第二连续激光器发射的光信号经过相位调制单元调制后生成第二测距信号，第二测距信号发送给发射光学系统；设第二测距信号的波长为λ；相位法的最大测程即半波长λ/2，必须大于脉冲编码法与相位法测量误差之和；

所述的发射光学系统将第一测距信号和第二测距信号汇聚后准直发射给被测目标；所述的接收光学系统收集被测目标反射的回波信号并进行分束；第一测距信号对应的回波信号经第一光电探测器转为电信号，输入脉冲编码处理模块进行处理；第二测距信号对应的回波信号经第二光电探测器转为电信号，输入相位法处理模块处理；

所述的脉冲编码处理模块将第一光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，利用计数器完成时钟信号的脉冲计数，设记下N个时钟周期；然后将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；

所述的相位法处理模块将第二光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，鉴相获得相位差；

所述的测距结果计算单元，首先根据脉冲编码处理模块输出的数据N和h获取第一测量距离L₁，其次根据相位法处理模块输出的相位差获取第二测距结果L₂，最后将两个测距结果复合，获得复合测量距离L_start，判断|L₁-L_start|＞λ/4是否成立，若成立，则最终测距结果L＝L_start+λ/2，若不成立，则最终测距结果L＝L_start；

所述的第一测量距离其中，c为光速，f为计数器的时钟频率；

所述的复合测量距离L_start＝L₁-mod(L₁,λ/2)+L₂-P_K×λ/2；其中，mod表示取余数；参数P_K的取值为1或0，当L₂>λ/4时，P_K取1，否则P_K取0。

4.根据权利要求3所述的一种面向长距离高精度的复合式激光测距系统，其特征在于，所述的K取值范围为[3,5]。