CN108415028B - 脉冲参数加密的激光测距系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲参数加密的激光测距系统及方法，该系统包括激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、微控制器、时间间隔测量单元及脉冲调制编码装置，激光脉冲接收系统用于在探测目标反射的脉冲回波进入激光探测器前进行接收和处理，微控制器分别控制激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统并进行计算与处理，脉冲调制编码装置在微控制器控制下对脉冲发射系统的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码发送和接收解调，时间间隔测量单元用于计时，微控制器在解调时根据时间间隔测量单元记录的时间和激光发射脉冲频率、宽度或峰值解调出对应的接收激光，测得所需数据。该系统能有效消除干扰、防致盲、诱偏能力强。

Description

脉冲参数加密的激光测距系统及方法

技术领域

本发明涉及激光扫描技术领域，具体涉及一种脉冲参数加密的激光测距系统及方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光扫描技术越来越广泛地应用于测量、交通、驾驶辅助和无人机、移动机器人以及军事等领域。现有的激光雷达一般制造成本高，结构较为复杂，有些则是体积和质量都较大，不利于在激光雷达在驾驶辅助系统、无人驾驶系统及移动机器人、无人驾驶飞机避障与导航领域的应用。

激光测距是以激光器作为光源进行测距，目前，根据激光工作的方式不同，可分为连续激光器和脉冲激光器。氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态，用于相位式激光测距；双异质砷化镓半导体激光器，用于红外测距；红宝石、钕玻璃等固体激光器，用于脉冲式激光测距。

脉冲式激光测距大多应用于测量数十至数百米的距离测量中，具有测量距离远、数据精确率高的特点，其测量精度一般达到厘米量级。例如，脉冲激光测距是弹载对地近场测距的主要手段，由于内部和外部产生的干扰而导致虚警的问题，尤其是在恶劣环境如阳光、雪、雨水、烟尘及其它大气颗粒等环境下，干扰影响较大，使弹载脉冲激光测距精度严重下降，导致弹爆对地杀伤力严重减弱。因此，如何有效的消除内部或外部产生的干扰成为当前脉冲式激光测距的难题之一。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能有效消除虚警干扰、抗干扰能力强和防致盲、诱偏能力强和精度高的脉冲参数加密的激光测距系统和方法。

一种脉冲参数加密的激光测距系统，包括激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、微控制器、时间间隔测量单元及脉冲调制编码装置，所述脉冲发射系统用于发射脉冲激光，所述激光脉冲接收系统用于在探测目标反射的脉冲回波进入激光探测器前进行接收和处理，所述微控制器分别与激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统连接并提供相应的控制信号，以读取相应的测量数据进行计算与处理，所述脉冲调制编码装置分别与微控制器连接、脉冲发射系统连接，并在微控制器控制下对脉冲发射系统的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码发送和接收解调，所述时间间隔测量单元与微控制器以及脉冲调制编码装置连接，用于即时记录激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码的时间、计时终点并反馈给微控制器，所述微控制器在解调时根据时间间隔测量单元记录的时间和激光发射脉冲频率、宽度或峰值解调出对应的接收激光，测得所需数据。

进一步地，所述脉冲调制编码装置包括脉冲发生单元和脉冲调制单元，所述脉冲发生单元与脉冲发射系统连接，为激光发射单元提供所需的可调制的脉冲信号，所述脉冲调制单元与脉冲发生单元连接，以对脉冲信号进行调制。

进一步地，所述脉冲发射系统包括半导体激光器、LD偏置电压发生器、LD驱动电路，所述LD偏置电压发生器与半导体激光器连接，以提供工作所需的偏置电压并加载至LD驱动电路中，驱动半导体激光器发光，所述脉冲发生单元与LD驱动电路连接，为LD驱动电路提供所需的可调制的脉冲信号。

进一步地，所述激光脉冲接收系统包括APD驱动电路、APD偏压发生器及偏压控制电路、可控增益放大电路、时刻鉴别电路，所述APD偏压发生器与APD驱动电路连接，以提供偏置电压加载至APD驱动电路中，所述可控增益放大电路与APD驱动电路连接，所述APD驱动电路用于读取由探测目标反射的脉冲回波，并发送至可控增益放大电路中进行放大，所述可控增益放大电路与时刻鉴别电路连接，用于将放大的结果通过时刻鉴别电路鉴别，并将时间鉴别结果送入时间间隔测量单元，作为计时终点。

进一步地，所述可控增益放大电路包括可控增益放大器、峰值检测电路、增益控制电路，所述可控增益放大器与APD驱动电路连接以接收待放大信号，所述增益控制电路与可控增益放大器连接以对其进行增益控制，所述峰值检测电路连接到可控增益放大器，用于对放大的结果进行检测甄别，并发送到微控制器中进行分析处理。

进一步地，所述时间间隔测量单元包括计时芯片TDC/GP2和外围电路(具体是指什么功能电路)，所述时间间隔测量单元为系统提供低于65ps的时差测量，使测量的精度达最小分辨率为1cm以下。

进一步地，所述脉冲调制编码装置同时对激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率进行动态随机调制编码，所述激光发射脉冲频率是动态随机加密的，所述激光发射脉冲宽度在5ns～100ns范围内动态随机调制编码，所述激光发射脉冲峰值功率在10w～80w范围内动态随机调制编码，所述微控制器记录动态随机调制的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间，并在接收时对相应的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间进行识别和处理。

进一步地，该系统还包括电源管理单元和光学系统，所述电源管理单元用于将外部供电转换为系统各部分所需要的电压以供电，所述微控制器与电源管理单元连接，以对电源管理单元进行控制，对加密系统中各部分进行独立关断，分进行独立关断，所述光学系统包括准直透镜和将汇聚透镜，分别用于将半导体激光器产生的激光准直后发射至被测物上、将接收到的激光回波信号汇聚到激光探测器的光敏面上。

进一步地，所述脉冲发生单元与时间间隔测量单元连接，在发出脉冲信号给脉冲发射系统使其发射激光时，发送计时信号给时间间隔测量单元。

以及，一种脉冲参数加密的激光测距方法，其适用于如上所述的脉冲参数加密的激光测距系统，该方法包括如下步骤：

通过微控制器控制脉冲发射系统和脉冲调制编码装置，使脉冲发射系统发射激光，并控制脉冲调制编码装置动态随机调制激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率，使激光发射参数发生改变；

在调制的同时通过时间间隔测量单元记录脉冲调制编码装置调制编码的时间并反馈给微控制器；

经过调制编码的脉冲激光发射到探测目标后，由激光脉冲接收系统接收并处理，处理结果反馈到微控制器，同时由时间间隔测量单元记录计时终点；

微控制器根据激光脉冲接收系统反馈的脉冲信号以及时间间隔测量单元反馈的时间信息，对激光信号进行解调、分析计算处理，获得探测目标信息。

上述脉冲参数加密的激光测距系统及方法，通过微控制器控制脉冲调制编码装置随机调制编码脉冲发射系统的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率，在解调时，由于微控制器记载了调制的脉冲参数，将有针对性地筛选出对应参数的激光，并结合时间间隔测量单元记录的时间，分析并准确地计算出实际被探测目标的相对距离，准确高效。而且，通过对脉冲参数进行随机调制，外部很难干扰混淆，由此能有效地避免外来的干扰或诱偏，提高抗干扰能力和防致盲、诱偏能力，又能消除外部环境的干扰影响，阻抗大气微颗粒物等的虚警干扰。基于上述特点，上述脉冲参数加密的激光测距系统及方法可广泛使用于弹载对地近场测距领域，还可应用于如汽车的ADAS、机器人防障等民用设施上。

附图说明

图1是本发明实施例的脉冲参数加密的激光测距系统的框架结构示意图。

图2是本发明实施例的脉冲参数加密的激光测距方法的流程步骤示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。

请参照实施例图1，示出本实施例提供的一种脉冲参数加密的激光测距系统100，包括激光探测器、脉冲发射系统10、激光脉冲接收系统20、微控制器30、时间间隔测量单元(简称TDC)40及脉冲调制编码装置50，所述脉冲发射系统10用于发射脉冲激光，所述激光脉冲接收系统20用于在探测目标反射的脉冲回波进入激光探测器前进行接收和处理，所述微控制器30分别与激光探测器、脉冲发射系统10、激光脉冲接收系统20连接并提供相应的控制信号，以读取相应的测量数据进行计算与处理，所述脉冲调制编码装置50分别与微控制器30连接、脉冲发射系统10连接，并在微控制器30控制下对脉冲发射系统10的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码发送和接收解调，所述时间间隔测量单元40与微控制器30以及脉冲调制编码装置50连接，用于即时记录激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码的时间、计时终点并反馈给微控制器30，所述微控制器30在解调时根据时间间隔测量单元记录的时间和激光发射脉冲频率、宽度或峰值解调出对应的接收激光，测得所需数据。

具体地，如图1所示，所述脉冲调制编码装置50包括脉冲发生单元51和脉冲调制单元52，所述脉冲发生单元51与脉冲发射系统10连接，为激光发射单元提供所需的可调制的脉冲信号，所述脉冲调制单元52与脉冲发生单元51连接，以对脉冲信号进行调制。另外，脉冲发生单元51还连接到时间间隔测量单元40，在发生脉冲时就给时间间隔测量单元40一个起始信号，时间间隔测量单元40开始计时。脉冲调制单元52的调制编码采用动态随机编码，外界根本无法破译，而且，经过调制的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率与环境的参数不同，避免了外在干扰。具体地，以脉冲宽度为例，本申请的发明人通过调制激光发射脉冲宽度，使激光发射功率周期性改变，按一般激光在大气中传播衰减理论，建立多个算法模型。计算出同一周期相同距离和目标物下，不同脉冲发射功率衰减值，通过试验论证后，形成近场测距多个激光发射脉冲功率等级条件下衰减值典型库模型，以此为基础建立脉冲调制范围。

所述脉冲发射系统10包括半导体激光器11、LD偏置电压发生器12、LD驱动电路13，所述LD偏置电压发生器12与半导体激光器连接，以提供工作所需的偏置电压并加载至LD驱动电路13中，驱动半导体激光器发光，所述脉冲发生单元51与LD驱动电路13连接，为LD驱动电路13提供所需的可调制的脉冲信号。半导体激光器优选采用905nmr激光二极管的激光光源，光峰值功率调制范围在10w～80w。优选地，半导体激光器为LD驱动电路13提供5ns～100ns可调制的窄脉冲信号。

进一步地，所述激光脉冲接收系统20包括APD驱动电路21、APD偏压发生器22及偏压控制电路23、可控增益放大电路、时刻鉴别电路26。所述APD偏压发生器22与APD驱动电路21连接，以提供偏置电压加载至APD驱动电路21中，所述可控增益放大电路与APD驱动电路21连接，所述APD驱动电路21用于读取由探测目标反射的脉冲回波，并发送至可控增益放大电路中进行放大，所述可控增益放大电路与时刻鉴别电路26连接，用于将放大的结果通过时刻鉴别电路26鉴别，并将时间鉴别结果送入时间间隔测量单元40，作为计时终点。

具体地，所述可控增益放大电路包括可控增益放大器24、峰值检测电路25、增益控制电路28，所述可控增益放大器24与APD驱动电路21连接以接收待放大信号，所述增益控制电路28与可控增益放大器24连接以对其进行增益控制，所述峰值检测电路25连接到可控增益放大器24，用于对放大的结果进行检测甄别，并发送到微控制器30中进行分析处理。其中，增益控制电路28根据微控制器30的指示进行控制。具体地，在增益控制电路28和微控制器30之间连接有一个数字模拟转换器27(简称DAC)，通过微控制器30根据数据读取和解调编码的需要，提供给增益控制电路28以所需增益的模拟信号，再反馈到可控增益放大器24中对脉冲回波进行放大。在峰值检测电路25和微控制器30之间连接有一个模拟数字转换器29(简称ADC)，将放大并经过鉴别检测的激光峰值等参数信号通过模数转换，反馈给微控制器30，由微控制器30进行数据分析处理。

所述时间间隔测量单元40包括计时芯片TDC/GP2和外围电路，所述时间间隔测量单元40为系统提供低于65ps的时差测量，使测量的精度达最小分辨率为1cm以下。外围电路包括寄存器控制电路、寄存器电路、SPI接口电路、ALU电路、译码器电路等。进一步地，所述脉冲发生单元51与时间间隔测量单元40连接，在发出脉冲信号给脉冲发射系统使其发射激光时，发送计时信号给时间间隔测量单元40，使其开始计时。

优选地，所述脉冲调制编码装置50同时对激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率进行动态随机调制编码，所述激光发射脉冲频率是动态随机加密的，所述激光发射脉冲宽度在5ns～100ns范围内动态随机调制编码，所述激光发射脉冲峰值功率在10w～80w范围内动态随机调制编码，所述微控制器30记录动态随机调制的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间，并在接收时对相应的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间进行识别和处理。

进一步地，该系统100还包括电源管理单元60和光学系统，电源管理单元60用于将外部供电转换为系统各部分所需要的电压以供电，所述微控制器30与电源管理单元60连接，以对电源管理单元60进行控制，对加密系统中各部分进行独立关断。光学系统位于APD(光电探测器)前端，具有准直透镜，先用准直透镜将半导体激光器产生的激光准直后发射至被测物上；光学系统将其接收到的激光回波信号汇聚到APD的光敏面上，以提高光电接收器件的探测能力。本实施例的光学系统采用发射接收出瞳口径18mm，焦距40mm的光机，使得整个系统100体积小，重量轻，而且功耗低、耐高低温。

微控制器30主要采用微处理器，优选采用FBGA(细间距球栅阵列)，通过微控制器30处理好的数据由串口32输出，例如，可采用TTL串口或RS422串口。微控制器30主要为系统100各部分的正常工作提供控制信号，并通过SPI口配置TDC/GP2芯片，并读取相应的测量结果进行计算与处理，处理完成的送至发送至串口。

本发明实施例还提供一种脉冲参数加密的激光测距方法，其适用于如上所述的脉冲参数加密的激光测距系统100，请结合图1参阅图2，该方法包括如下步骤：

步骤S01：通过微控制器30控制脉冲发射系统10和脉冲调制编码装置50，使脉冲发射系统10发射激光，并控制脉冲调制编码装置50动态随机调制激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率，使激光发射参数发生改变；

步骤S02：在调制的同时通过时间间隔测量单元记录脉冲调制编码装置50调制编码的时间并反馈给微控制器30；

步骤S03：经过调制编码的脉冲激光发射到探测目标后，由激光脉冲接收系统20接收并处理，处理结果反馈到微控制器30，同时由时间间隔测量单元记录计时终点；

步骤S04：微控制器30根据激光脉冲接收系统20反馈的脉冲信号以及时间间隔测量单元反馈的时间信息，对激光信号进行解调、分析计算处理，获得探测目标信息。

如前对系统100的结构描述中可知，在步骤S01中，微控制器30脉冲调制编码装置50进行调制编码，具体为控制脉冲调制单元52对脉冲发生单元51进行调制编码，主要是针对脉冲参数进行调制，本实施例优选对激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率同时进行调制，提高抗干扰性，再通过脉冲发生单元51强加脉冲信号于脉冲发射系统10，激光发射到探测目标上。

在步骤S02中，在调制编码的同时，脉冲发生单元51强加脉冲信号于脉冲发射系统10的时刻开始计时，这时激光也开始发射，起始计时，并反馈给微控制器30。

步骤S03中，经过调制编码的脉冲激光发射到探测目标后，经反射，由激光脉冲接收系统20接收并处理。具体地，APD偏压发生器22与偏压控制电路23为APD提供精准的偏置电压加载至APD驱动电路21(即为APD前放)中，当APD接收到由探测目标反射的脉冲回波时，APD驱动电路21进行读取，并送至可控增益放大电路中进行放大，放大的结果送入峰值检测电路25中进行时刻甄别，并将时刻鉴别的结果送入时间间隔测量单元40中，作为计时终点(stop1信号)。

步骤S04中，微控制器30接收到数字信号后，根据激光脉冲接收系统20反馈的脉冲信号以及时间间隔测量单元反馈的时间信息，对激光信号进行解调、分析计算处理，获得探测目标信息。也就是说，通过激光测距原理计算出探测目标的相对位置。

在实际测量应用中，以一个测量周期多个功率等级的脉冲对地进行探测与典型库对比修正，获得一组距离值，再通过算法对其离散性进行分析后，获取准确的单次测量距离值。系统100可用在驾驶辅助系统、无人驾驶系统及移动机器人、无人驾驶飞机避障与导航等领域，尤其是应用于弹载脉冲激光测距领域。

上述脉冲参数加密的激光测距系统100及方法，通过微控制器30控制脉冲调制编码装置50随机调制编码脉冲发射系统10的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率，在解调时，由于微控制器30记载了调制的脉冲参数，将有针对性地筛选出对应参数的激光，并结合时间间隔测量单元记录的时间，分析并准确地计算出实际被探测目标的相对距离，准确高效。而且，通过对脉冲参数进行随机调制，外部很难干扰混淆，由此能有效地避免外来的干扰或诱偏，提高抗干扰能力和防致盲、诱偏能力，又能消除外部环境的干扰影响，阻抗大气微颗粒物等的虚警干扰。基于上述特点，上述脉冲参数加密的激光测距系统及方法可广泛使用于弹载对地近场测距领域，还可应用于如汽车的ADAS、机器人防障等民用设施上。

需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲参数加密的激光测距系统，其特征在于，包括激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统、微控制器、时间间隔测量单元及脉冲调制编码装置，所述脉冲发射系统用于发射脉冲激光，所述激光脉冲接收系统用于在探测目标反射的脉冲回波进入激光探测器前进行接收和处理，所述微控制器分别与激光探测器、脉冲发射系统、激光脉冲接收系统连接并提供相应的控制信号，以读取相应的测量数据进行计算与处理，所述脉冲调制编码装置分别与微控制器连接、脉冲发射系统连接，并在微控制器控制下对脉冲发射系统的激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码发送和接收解调，所述时间间隔测量单元与微控制器以及脉冲调制编码装置连接，用于即时记录激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率随机调制编码的时间、计时终点并反馈给微控制器，所述微控制器在解调时根据时间间隔测量单元记录的时间和激光发射脉冲频率、宽度或峰值解调出对应的接收激光，测得所需数据，所述脉冲调制编码装置同时对激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率进行动态随机调制编码，所述激光发射脉冲频率是动态随机加密的，所述激光发射脉冲宽度在5ns～100ns范围内动态随机调制编码，所述激光发射脉冲峰值功率在10w～80w范围内动态随机调制编码，所述脉冲调制编码装置通过调制激光发射脉冲宽度，使激光发射功率周期性改变，形成近场测距多个激光发射脉冲功率等级条件下衰减值典型库模型。

2. 如权利要求1所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述脉冲调制编码装置包括脉冲发生单元和脉冲调制单元，所述脉冲发生单元与脉冲发射系统连接，为激光发射单元提供所需的可调制的脉冲信号，所述脉冲调制单元与脉冲发生单元连接，以对脉冲信号进行调制。

3. 如权利要求2所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述脉冲发射系统包括半导体激光器、LD偏置电压发生器、LD驱动电路，所述LD偏置电压发生器与半导体激光器连接，以提供工作所需的偏置电压并加载至LD驱动电路中，驱动半导体激光器发光，所述脉冲发生单元与LD驱动电路连接，为LD驱动电路提供所需的可调制的脉冲信号。

4. 如权利要求1所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述激光脉冲接收系统包括APD驱动电路、APD偏压发生器及偏压控制电路、可控增益放大电路、时刻鉴别电路，所述APD偏压发生器与APD驱动电路连接，以提供偏置电压加载至APD驱动电路中，所述可控增益放大电路与APD驱动电路连接，所述APD驱动电路用于读取由探测目标反射的脉冲回波，并发送至可控增益放大电路中进行放大，所述可控增益放大电路与时刻鉴别电路连接，用于将放大的结果通过时刻鉴别电路鉴别，并将时间鉴别结果送入时间间隔测量单元，作为计时终点。

5. 如权利要求4所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述可控增益放大电路包括可控增益放大器、峰值检测电路、增益控制电路，所述可控增益放大器与APD驱动电路连接以接收待放大信号，所述增益控制电路与可控增益放大器连接以对其进行增益控制，所述峰值检测电路连接到可控增益放大器，用于对放大的结果进行检测甄别，并发送到微控制器中进行分析处理。

6. 如权利要求5所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述时间间隔测量单元包括计时芯片TDC/GP2和外围电路，所述时间间隔测量单元为系统提供低于65ps的时差测量，使测量的精度达最小分辨率为1cm以下。

7. 如权利要求6所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述微控制器记录动态随机调制的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间，并在接收时对相应的激光发射脉冲频率、宽度和峰值功率以及对应的时间进行识别和处理。

8. 如权利要求1所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，还包括电源管理单元和光学系统，所述电源管理单元用于将外部供电转换为系统各部分所需要的电压以供电，所述微控制器与电源管理单元连接，以对电源管理单元进行控制，对加密系统中各部分进行独立关断，所述光学系统包括准直透镜和将汇聚透镜，分别用于将半导体激光器产生的激光准直后发射至被测物上、将接收到的激光回波信号汇聚到激光探测器的光敏面上。

9. 如权利要求2所述的脉冲参数加密的激光测距系统， 其特征在于，所述脉冲发生单元与时间间隔测量单元连接，在发出脉冲信号给脉冲发射系统使其发射激光时，发送计时信号给时间间隔测量单元。

10.一种脉冲参数加密的激光测距方法，其特征在于，其适用于如权利要求1－9任一项所述的脉冲参数加密的激光测距系统，该方法包括如下步骤：

通过微控制器控制脉冲发射系统和脉冲调制编码装置，使脉冲发射系统发射激光，并控制脉冲调制编码装置动态随机调制激光发射脉冲频率、宽度或峰值功率，使激光发射参数发生改变；

在调制的同时通过时间间隔测量单元记录脉冲调制编码装置调制编码的时间并反馈给微控制器；

经过调制编码的脉冲激光发射到探测目标后，由激光脉冲接收系统接收并处理，处理结果反馈到微控制器，同时由时间间隔测量单元记录计时终点；

微控制器根据激光脉冲接收系统反馈的脉冲信号以及时间间隔测量单元反馈的时间信息，对激光信号进行解调、分析计算处理，获得探测目标信息。