CN109343069B - 可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法，该雷达包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，通过组合激光脉冲发射与接收，结合低通滤波和组合脉冲相关识别，实现光子计数高精度测距。本发明可实现组合脉冲相关光子计数测距，具有作用距离远、测距精准度高和实时性好等突出优势，特别适用于近程高速目标的测距与成像。

Description

可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法

技术领域

本发明涉及光子计数激光雷达技术，具体是涉及一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法。

背景技术

激光雷达具有高角度分辨率、高距离分辨率、小发散角等优点，在工业生产、航天、军事等方面都有广泛的应用。基于时间相关单光子计数激光雷达具有更高的时间分辨精度和探测灵敏度，是当代激光雷达主要的发展方向之一。中国专利201510477918.X公开了一种基于复合调制脉冲编码的4D成像光子计数激光雷达。通过信号发生器、激光器、发射光学系统、接收光学系统、窄带滤波片、Gm-APD单光子探测器、信号处理模块，实现了多组合脉冲的测距并获得了目标的强度信息。该专利通过信号发生器驱动单个激光器产生脉冲序列，其缺点在于需要大量的累加次数以实现光子计数值的幅值差异，无法针对少量累加次数后光子计数值为1情况下的测距。同时，该方法对激光器的性能要求较高，脉冲序列的间隔较长且不可调节，激光器无法以较短的脉冲间隔连续发射激光脉冲。其次，在近距离测距时，后续发射脉冲的电磁干扰及后向散射会造成很高的虚警率，不能实现强背景噪声条件下虚警率控制。因此实时性不足，难以在较强背景噪声条件下实现运动目标的精准动态测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达及其测距方法，提高了激光雷达光子检测的测距效率和精度。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。

一种可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，包括如下步骤：

步骤1、工作前噪声的采集与评估：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度进行评估；

步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间；

步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻，通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门持续时间”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数，计时和计数数据同步发送到测距管理终端等待处理；

步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据周期内采集到的光子信号序列，用组合三脉冲测量后的结果作为一个数据包，统计所有探测周期的光子事件的分布A，提取回波目标的相应位置，即得测距数据；

步骤5、测距过程中的噪声评估和虚警率控制：当完成若干个大探测周期后，统计组合三脉冲测量后的结果得出当前的虚警率，根据恒虚警率控制要求，调节脉冲探测累计次数和判别宽度，若当前虚警率高于要求值，则增加脉冲探测累计次数并且缩短判别宽度，以实现测距过程中的虚警率控制。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用发射间隔大于盖革模式APD死区时间，激光脉宽小于盖革模式APD死区时间的组合脉冲发射方案，间隔时间可以根据不同的噪声强度灵活调节，克服了常规激光器无法在极短时间内连续发射的缺点，提高测距的作用距离和测距精度；2)本发明提出了用宽度等于两倍发射脉宽的矩形窗函数对信号进行局域算数平均以实现低通滤波，抑制变化迅速又无序的噪声信号克服了少量光子计数信号无法和发射脉冲相关的重大难题；3)本发明利用互相关算法测距，在相同的测距精度下可大幅减少测距所需的计数周期数，提高了距离鉴别算法的计算效率，降低了测距控制终端的响应时间，满足激光雷达对测距系统的实时性要求；4)本发明针对不同噪声强度，设置相应的系统工作参数及判别参数从而抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现组合激光脉冲测距工作，具有测距响应速度快、实时性好、作用距离远等特点，特别适用于高速动态目标的实时测距与成像。

附图说明

图1为本发明可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。

如图1所示，可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连。作为一种具体实施方式，本发明采用三个激光器驱动电路驱动三个脉冲半导体激光器组成组合光源作为探测光源进行测距探测。

本发明的光子计数激光雷达通过恒虚警控制的系统工作参数及判别参数设置方案抑制背景光子产生的虚警，可在不同背景光条件下实现组合激光脉冲测距工作并满足虚警率要求，具体包括如下步骤：

步骤1、工作前噪声的采集与评估：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度(即噪声速率)进行评估。

步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间。

步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻分别为t_s，t_s+Δt₁和t_s+Δt₁+Δt₂其中Δt₁和Δt₂为大于死区时间且不相等的两个延时，通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门持续时间”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数，计时和计数数据同步发送到测距管理终端等待处理。

步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据周期内采集到的光子信号序列，用组合三脉冲测量后的结果作为一个数据包，统计所有探测周期的光子事件的分布A提取回波信号。为了将少次累计之后的稀疏的光子事件分布A中的回波信号提取出来，需要根据回波信号和噪声的特点加以处理。由于回波信号出现时刻较稳定、变化较缓慢，因此可以通过窗函数移动平滑滤波的思路将信号突显出来，即以脉冲宽度为平滑宽度，对分布A做移动算术平滑滤波并得到结果B，之后调整测距管理终端存储的原始组合脉冲发射波形的每个子脉冲宽度，使其等于组合脉冲的判别宽度，得到新的组合脉冲判别模板C，然后用互相关算法求解结果B上各点和判别模板C的相关系数，找到相关系数最大值的位置即为回波目标的相应位置从而得到高精确度的测距数据。

设f(t_k)为N个小周期之后的累计光子数在时间轴上的分布的离散序列，设g(t_k)为宽度等于激光发射脉冲底宽的矩形窗函数，表示为：

其中，P_w是激光发射脉冲宽度，t表示时间轴上的时隙变量，t_k表示时间轴上的第k个时隙。因此，f(t_k)经过窗函数移动平滑滤波后的结果h(t_k)满足：

其中，length[g(t_k)]表示离散序列在窗函数采样范围中的元素个数。

由于窗函数g(t_k)的傅里叶变换F[g(t_k)]有：

而窗函数的频谱

函数在低频段内(t＜2P_w)幅值较大，具有低通特性，因此卷积后的结果h(t_k)可以将光子事件分布A中分布宽度为2P_w的缓变有序的回波信号提取出来，将变化迅速又无序的噪声信号抑制下去。

设三组合发射脉冲的函数为s(t_k)，s(t_k)的开始时刻等于组合脉冲中第一个脉冲的开始时间，结束时刻等于组合脉冲中第三个脉冲的结束时间。以s(t_k)为模板对h(t_k)做互相关运算，求得不同平移位置τ对应的互相关系数，互相关系数的表达式为：

则此时相关系数R_hs(τ)取最大值的位置就认为是回波信号的到达位置。

步骤5、测距过程中的噪声评估和虚警率控制：当完成若干个大探测周期后，统计组合三脉冲测量后的结果得出当前的虚警率，根据恒虚警率控制要求，调节脉冲探测累计次数和判别宽度，若当前虚警率高于要求值，则增加脉冲探测累计次数并且缩短判别宽度，以实现测距过程中的虚警率控制。

实施例

为了验证本发明效果，本实施例采用如下组件搭建光子计数激光雷达。测距管理终端采用的ARM处理器型号为TMS320DSC21，其作为高性能微处理器芯片,使得处理平台的系统具有安装方便、配置灵活的突出优点。时序控制电路采用Spartan-6LXT型号的FPGA实现，是一类低成本高容量的FPGA，采用45nm低功耗敷铜技术，能在功耗、性能、成本之间很好地平衡。激光器驱动电路采用BFS-VRM03LP型号，模拟调制DC-25MHz，脉冲宽度20ns-CW。脉冲半导体激光器采用SPL LL90-3型半导体脉冲激光器，它可产生905nm的脉冲激光，峰值功率可达70W，在电路驱动的作用下可产生脉宽20ns的脉冲激光。发射光学系统的口径为30mm，探测视场角2α＝1mrad。接收光学系统的口径为30mm，探测视场角2α＝3mrad。盖革模式APD组件为SPCM50A型GmAPD，它具有单光子灵敏度。它的工作波段300nm-1000nm，光敏面直径50μm，暗计数率150Hz，最大计数率22MHz，死区时间45ns。距离门电路采用Spartan-6LXT型号FPAG产生门控信号。控制传递器采用型号74LS139二四译码器和辅助电路控制盖革模式APD组件的信号传输路径。计时电路采用高精度计时芯片TDC-GPX，它具最高10ps的计时精度，包含8个计时通道，单个计时周期最多可产生32次计时触发。计数电路采用S7-200PLC高速计数器，S7-200PLC高速计数器可达200K的计数速度，工作不受扫描周期限制。

本实施例光子计数雷达的工作过程包括下列步骤：

步骤1、工作前噪声的采集与评估：在激光雷达工作前的0-T时刻之前1s的时间内，时序控制电路通过控制传递器触发盖革模式APD组件，探测背景光噪声。直接由计数电路记录噪声光子数并将存储数据发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度进行评估，求出当前噪声水平NR。根据噪声强度自动调节累次次数和判别宽度，达到降低虚警率的目的。

步骤2、控制虚警率的初始参数设置：根据评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度。将脉冲探测累计次数初始值设为10次，令初始组合脉冲判别宽度等于激光脉冲宽度。

步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始工作。时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻分别为t_s，t_s+Δt₁和t_s+Δt₁+Δt₂其中Δt₁和Δt₂为大于死区时间且不相等的两个延时，通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门持续时间”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数。测距数据同步发送到测距管理终端等待处理。

当来自目标的反射光被接受光学系统接收、聚焦，入射到盖革模式APD探测器光敏面，一旦入射光子使盖革模式APD产生雪崩电流，“停止计时”信号就会输出给计时电路，记录并保存下此次入射光子探测事件的时间戳。盖革模式APD在光子探测雪崩后，进入死区时间，经历淬灭—重置过程后，盖革模式APD重新恢复工作状态，在距离门使能信号的作用下持续工作，直到距离门延时时间结束。

步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据周期内采集到的光子信号序列，用组合三脉冲测量后的结果作为一个数据包，统计所有探测周期的光子事件的分布A，以脉冲宽度为平滑宽度，对分布A做移动算术平滑滤波并得到结果B，之后调整运算单元中存储的原始组合脉冲发射波形的每个子脉冲宽度，使其等于组合脉冲的判别宽度，得到新的组合脉冲判别模板C，然后用互相关算法求解结果B上各点和判别模板C的相关系数，找到相关系数最大值的位置即为回波目标的相应位置从而得到高精确度的测距数据。

步骤5、测距过程中的虚警率评估和控制：当完成100大探测周期后，将每个探测周期的目标信号到达时刻Ts前的噪声光子信号进行统计，统计测距结果并得出当前的虚警率，根据虚警率控制要求，调节脉冲探测累计次数和判别宽度。若当前虚警率高于要求值，则增加脉冲探测累计次数并且缩短判别宽度，以实现测距过程中的虚警率控制。

本实施例根据如下算法，求得当前的预虚警率P_f-n：

(1)根据盖革模式APD在入射噪声光子速率下的理论响应概率，求出任意T时刻光子事件的概率P₁；

(2)在P₁的基础上，求出从T+Δt₁-δ至T+Δt₁+δ时间间隔内产生第二个光子事件的概率P₂；

(3)在P2的基础上，求出从T+Δt₁+Δt₂-δ至T+Δt₁+Δt₂+δ时间间隔内产生第三个光子事件的概率P₃。

其中，Δt₁和Δt₂分别是是组合脉冲的前两个脉冲和后两个脉冲之间的时间间隔，其长度必须大于盖革模式APD的死区时间T_d；δ是组合脉冲回波信号的判别宽度，落在±δ区间内的后续光子事件认为是组合脉冲的后续有效事件。则上述概率中，P₃即为任意T时刻的由噪声产生的伪三组合脉冲序列的虚警率P_f-T。求出距离门内所有时隙的P_f-T之和，即可得到当前全距离门范围的预虚警率P_f-n。将当前的预虚警率P_f-n与预期预虚警率P_F作比较并调节累计次数和判别宽度，得到预期的预虚警率。

在此之后，系统将按照虚警控制后新的系统参数完成后续探测，当每完成后续100个探测周期时，重复上述二次虚警控制过程，实现测量过程中控制噪声探测的目的。在此实施例中，探测系统通过二次虚警控制过程，将虚警率稳定在极低的程度上，通过组合脉冲测距工作，快速实时地得到了质量更优的测距数据。

Claims (5)

1.可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，

可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达，包括测距管理终端、时序控制电路、激光器驱动电路、脉冲半导体激光器、发射光学系统、接收光学系统、盖革模式APD组件、距离门电路、控制传递器、计时电路和计数电路，所述激光器驱动电路和脉冲半导体激光器个数相等，均不少于一个；所述测距管理终端与时序控制电路相连；所述时序控制电路与激光器驱动电路、控制传递器、计数电路和计时电路相连，其中激光器驱动电路与脉冲半导体激光器一一对应相连，驱动的半导体激光器间断发射，组成组合脉冲，照射向发射光学系统；所述控制传递器一方面通过距离门电路与盖革模式APD组件相连，另一方面直接与盖革模式APD组件相连；所述盖革模式APD组件设置在接收光学系统的焦点处，一方面通过计时电路和测距管理终端相连，另一方面通过计数电路与测距管理终端相连；

测距方法，包括如下步骤：

步骤1、工作前噪声的采集与评估：在激光雷达工作前，时序控制电路控制传递器触发盖革模式APD组件检测噪声光子，计数电路记录噪声光子数并将结果发送给测距管理终端，测距管理终端对噪声强度进行评估；

步骤2、控制虚警率的初始参数设置：测距管理终端根据噪声强度评估结果进行初始参数设置，包括决策脉冲探测累计次数、组合脉冲判别宽度、测探周期、组合脉冲发射延时、距离门等待时间和距离门持续时间，初始组合脉冲判别宽度等于激光脉冲宽度；

步骤3、组合脉冲发射：实现虚警率调控后，光子计数激光雷达开始测距工作，时序控制电路采纳由测距管理终端发送的组合脉冲发射延时，设置三个子脉冲的产生时刻，通过激光器驱动电路驱动半导体脉冲激光器产生激光脉冲，激光脉冲经过发射光学系统扩束、准直后照射向待测目标；与此同时，时序控制电路根据设定的“距离门等待时间”和“距离门持续时间”控制距离门电路产生光电探测器使能信号，驱动盖革模式APD组件检测光子，计时电路同步计时，光子计数电路同步计数，计时和计数数据同步发送到测距管理终端等待处理；

步骤4、光子计数激光雷达相关测距数据处理：当完成设定的探测周期后，测距管理终端根据周期内采集到的光子信号序列，用组合三脉冲测量后的结果作为一个数据包，统计所有探测周期的光子事件的分布A，提取回波目标的相应位置，即可得到测距数据；

步骤5、测距过程中的噪声评估和虚警率控制：当完成若干个大探测周期后，统计组合三脉冲测量后的结果得出当前的虚警率，根据恒虚警率控制要求，调节脉冲探测累计次数和判别宽度，若当前虚警率高于要求值，则增加脉冲探测累计次数并且缩短判别宽度，以实现测距过程中的虚警率控制。

2.根据权利要求1所述的可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，采用三个激光器驱动电路驱动三个脉冲半导体激光器组成组合光源作为探测光源进行测距探测。

3.根据权利要求1所述的可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，步骤2设置三个子脉冲的产生时刻分别为t_s，t_s+Δt₁和t_s+Δt₁+Δt₂，其中Δt₁和Δt₂为大于死区时间且不相等的两个延时。

4.根据权利要求1所述的可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，步骤4提取回波目标的相应位置的具体方法为：首先统计所有探测周期的光子事件的分布A，并以脉冲宽度为平滑宽度，对分布A做移动算术平滑滤波并得到结果B，之后调整测距管理终端存储的原始组合脉冲发射波形的每个子脉冲宽度，使其等于组合脉冲的判别宽度，得到新的组合脉冲判别模板C，然后用互相关算法求解结果B上各点和判别模板C的相关系数，找到相关系数最大值的位置即为回波目标的相应位置，从而得到高精确度的测距数据。

5.根据权利要求1所述的可实现组合脉冲测距的光子计数激光雷达的测距方法，其特征在于，步骤5求取当前的预虚警率P_f-n的具体方法为：

根据盖革模式APD在入射噪声光子速率下的理论响应概率，求出任意T时刻光子事件的概率P₁；

在P₁的基础上，求出从T+Δt₁-δ至T+Δt₁+δ时间间隔内产生第二个光子事件的概率P₂；

在P2的基础上，求出从T+Δt₁+Δt₂-δ至T+Δt₁+Δt₂+δ时间间隔内产生第三个光子事件的概率P₃，其中，Δt₁和Δt₂分别是组合脉冲的前两个脉冲和后两个脉冲之间的时间间隔，其长度必须大于盖革模式APD的死区时间T_d；δ是组合脉冲回波信号的判别宽度，落在±δ区间内的后续光子事件认为是组合脉冲的后续有效事件；

上述概率中，P₃即为任意T时刻的由噪声产生的伪三组合脉冲序列的虚警率P_f-T，求出距离门内所有时隙的P_f-T之和，即得当前全距离门范围的预虚警率P_f-n。

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