CN109799512A

CN109799512A - 脉冲激光测距仪

Info

Publication number: CN109799512A
Application number: CN201910011640.5A
Authority: CN
Inventors: 王智勇; 邹吉跃; 刘学胜; 赵明; 黄瑞; 向美华; 刘友强
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2019-05-24

Abstract

本发明实施例提供一种脉冲激光测距仪，包括：数字信号处理器；数字信号处理器包括相关算法单元和逻辑处理单元；相关算法单元用于对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，以提高回波脉冲串信号的信噪比，获得回波脉冲串信号与发射脉冲串信号之间的第一延时时长；其中，发射脉冲串信号与向被测目标发射的激光相对应，回波脉冲串信号与被测目标反射回的激光相对应；逻辑处理单元用于根据第一延时时长计算获得被测目标的第一距离。本发明提供采用两套测距的计算方法，使得远距离的测距在保证精准的的情况下成为可能，另外，首次在便携式远距离测距系统中采用VCSEL，发射激光的发散角被压缩到毫弧度量级，减轻发射系统结构的复杂性。

Description

脉冲激光测距仪

技术领域

本发明实施例涉及激光测距领域，更具体地，涉及一种脉冲激光测距仪。

背景技术

由于激光具有单色性好、方向性好以及能量高等优点逐渐被应用于医疗保健、军事对抗、应用加工和测量测距等研究领域。其中，激光测距更是取代之前的微波测距成为测距领域的新宠。传统测距方式中，相位法激光测距仅仅局限于短距离(几百米)，且设计电路复杂；干涉法激光测距受环境的干扰比较大，难以实现野外恶劣环境下的远距离测距。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的脉冲激光测距仪。

本发明实施例提供一种脉冲激光测距仪，包括：数字信号处理器；数字信号处理器包括相关算法单元和逻辑处理单元；相关算法单元用于对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，以提高回波脉冲串信号的信噪比，获得回波脉冲串信号与发射脉冲串信号之间的第一延时时长；其中，发射脉冲串信号与向被测目标发射的激光相对应，回波脉冲串信号与被测目标反射回的激光相对应；逻辑处理单元用于根据第一延时时长计算获得被测目标的第一距离。

本发明实施例提供的脉冲激光测距仪，通过利用相关算法单元对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，提高回波脉冲串信号的信噪比，基于信噪比计算获得的被测目标的距离较为准确，能够实现远距离测距，并保证测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的脉冲激光测距仪的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的调制发射脉冲信号的示意图；

图3为本发明实施例提供的含有噪声的发射信号的示意图；

图4为本发明实施例提供的含有噪声的回波信号的示意图；

图5为本发明实施例提供的相关处理之后的信号的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中设计的脉冲激光测距仪通常利用单一的阈值鉴别法，即将脉冲回波信号转化为电信号之后与设定阈值作比较，然后作为STOP信号。此种方法适用于回波信号的信噪比较好的情况。当测距的距离不断加长，回波的能量就会十分微弱，加之环境光的干扰，信噪比就会变得比较低，在此种情况下，信号就会被噪声淹没，所以单一的阈值鉴别法将失去作用，测距将无法精确完成。

基于此，本发明实施例提供一种脉冲激光测距仪，利用该脉冲激光测距仪相比于现有技术具有更远的测程。参见图1，该脉冲激光测距仪包括：数字信号处理器；数字信号处理器包括相关算法单元和逻辑处理单元；相关算法单元用于对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，以提高回波脉冲串信号的信噪比，获得回波脉冲串信号与发射脉冲串信号之间的第一延时时长；其中，发射脉冲串信号与向被测目标发射的激光相对应，回波脉冲串信号与被测目标反射回的激光相对应；逻辑处理单元用于根据第一延时时长计算获得被测目标的第一距离。

其中，数字信号处理器可采用DSP。发射脉冲串信号与向被测目标发射的激光相对应是指，脉冲激光测距仪是基于发射脉冲串信号的驱动，向被测目标发射的激光。相应地，回波脉冲串信号与被测目标反射回的激光相对应是指，脉冲激光测距仪接收到被测目标反射回的激光后，将激光转换为该回波脉冲串信号。通过利用相关算法单元进行互相关处理，能够降低回波脉冲串信号中的噪声，从而能够提高回波脉冲串信号的信噪比。在进行互相关处理后，处理的结果可计算出二者的第一延时时长τ。基于第一延时时长τ，可进一步基于逻辑处理单元计算获得被测目标与激光测距仪之间的第一距离，即L＝1/2*c*τ。

提高回波脉冲信号的信噪比后获得的被测目标的第一距离较为准确。具体地，测距领域，测距方程一般可表示如下：

式中，L为探测距离，P_S(λ)为发射功率，K为利用效率，D₀为接收系统口径，D^*为探测器的比探测率，Ω₁为激光发散角，V_s/V_n为信噪比，A_d为探测器面积，Δf为系统带宽，k(λ)为大气衰减系数。

以仿真结果为例，原始回波信号的信噪比SNR0可探测的距离为L₀，互相关后的信噪比SNR1可探测的距离为L₁，在其他条件相同的条件下，能见度良好的情况下，推算距离与信噪比的关系有如下表示：

基于上式可知，随着信噪比的增加，测量距离必然增加。

另外，应当说明的是，本发明实施例提供的脉冲激光测距仪在适用于远距离测距的同时，在近距离测距同样可以适用。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，相关算法单元对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，具体通过如下方式：

式中，x₁(t)为发射脉冲串信号，S(t-at₀)为发射脉冲信号，N₁(t)为发射噪声信号，b(t)为回波信号的幅值衰减因子，它跟时间以及噪声强度相关；τ为回波脉冲和发射脉冲之间的时间延迟，t₀为脉冲串相邻脉冲的间隔；x₂(t)为回波脉冲串信号，S(t-at₀-τ)为回波信号，N₂(t)回波噪声信号；M为脉冲串中脉冲的个数，a为脉冲在脉冲串中的计数位置，将脉冲串的回波信号进行互相关处理：

R_ss＝(t-τ)≤R_ss(0)

τ＝arg[maxR(τ)]

其中，R(τ)为相关函数，T为周期，R_ss表示相关函数的取值，因此，当t＝τ时，互相关函数得到最大值。

基于上述相关处理算法进行模拟计算，相关算法之后的计算结果可参见图2至图5。并且，仿真结果显示信噪比由1.03dB提高到21.46dB，理论测量距离达到原来的2.136倍。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，脉冲激光测距仪还包括：驱动电路和激光二极管；数字信号处理还包括脉冲序列单元；脉冲序列单元的输出端与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与激光二极管的输入端连接；脉冲序列单元用于生成发射脉冲串信号，并将发射脉冲串信号发送至驱动电路；驱动电路用于接收发射脉冲串信号，并根据发射脉冲串信号驱动激光二极管向被测目标发射激光。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，激光二极管为垂直腔面发射激光器。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，脉冲激光测距仪还包括：高压电路和发射光学透镜；高压电路的输出端与驱动电路的输入端连接，发射光学透镜设置于激光二极管与被测目标之间。

具体地，DSP中脉冲序列单元产生调制多脉冲信号(多脉冲信号为发射脉冲串信号中的一种)，并存储有原始脉冲串信号(即发射脉冲串信号)。驱动电路接收到信号之后驱动VCSEL(即垂直腔面发射激光器)发光。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，脉冲激光测距仪还包括：APD探测器、前置放大电路、主放大电路和A/D转换电路；APD探测器的输出端与前置放大电路的输入端连接，前置放大电路的输出端与主放大电路的输入端连接，主放大电路的输出端与A/D转换电路的输入端连接，A/D转换电路的输出端与相关算法单元的输入端连接；APD探测器用于将被测目标反射回的激光转化为相应的电信号，并将电信号发送至前置放大电路；前置放大电路用于对电信号进行第一次放大，并将第一次放大后的电信号发送至主放大电路；主放大电路用于对电信号进行第二次放大，并将第二次放大后的电信号发送至A/D转换电路；A/D转换电路用于将电信号转换为回波脉冲串信号，并将回波脉冲串信号发送至相关算法单元。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，脉冲激光测距仪还包括：偏压电路和接收光学透镜；偏压电路的输出端与APD探测器的输入端连接，接收光学透镜设置于APD探测器与被测目标之间。

具体地，激光经过被测目标反射回来的信号，在APD的转化下，变成电信号。之后进入放大电路，再进入A/D转换电路，回波的脉冲串与初始的脉冲串信号做互相关处理，处理的结果可计算出两者的延时时间，即：时间差τ，DSP逻辑处理单元求算出L＝1/2*c*τ。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，脉冲激光测距仪还包括：时刻鉴别电路和计时芯片；主放大电路的输出端与时刻鉴别电路的输入端连接，时刻鉴别电路的输出端与计时芯片的输入端连接，计时芯片与相关算法单元连接；相关算法单元用于在数字信号处理器发送发射脉冲串信号时，向计时芯片发送初始信号，以使计时芯片记录发送时刻；时刻鉴别电路用于接收主放大电路发送的第二次放大后的电信号，根据预先设定的电压阈值判断获得回波信号，并将回波信号发送至计时芯片；计时芯片用于将接收到回波信号的接收时刻与发送时刻作差，获得第二延时时长；逻辑处理单元用于根据第二延时时长计算获得被测目标的第二距离。

具体地，基于上述利用互相关算法进行互相关处理的计算第一距离的第一方案，本发明实施例还提供另一种基于计时芯片和时刻鉴别电路的第二方案。该第二方案与第一方案的不同体现在数字信号的处理方法上，第二方案的具体流程如下：由TDC-GP22(即计时芯片)完成时刻的鉴别，在DSP给TDC-GP22初始信号Start的时刻(即发送时刻)，激光驱动电路驱动VCSEL发光。光经过被测目标反射回来的信号，在APD的转化下，变成电信号，紧接着进入放大电路，由于在是时刻鉴别电路中设有阈值，则回波信号Stop(回波信号对应的时刻为接收时刻)被传到TDC-GP22。两个时刻(发送时刻与回波时刻)的时间差为：ΔT＝Stop-Start，将ΔT记录的数据传给DSP之后，则第二距离值为L＝1/2*c*ΔT。

基于上述第一方案及第二方案可知，本发明实施例提供的脉冲激光测距仪可分为两套独立的回波处理部分，且两套方案可配合使用。例如，在距离较近时(距离小于阈值，例如＜4km)，使用第二方案，距离较远时(≥4km)，使用第一方案；这样的使用方式使得测距仪的在测量距离较远目标时的性能指标得到最大化，提高测量量程。因此，两套方案相辅相成，既解决了远距离时回波信号较弱无法探测的问题，又解决了时间差ΔT因为元件而产生的时间漂移，为远距离测量提供了最优的解决方案。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，逻辑处理单元还用于将第一距离和/或第二距离发送至上位机。通过逻辑处理单元将距离数据发送到上位机，从而完成测距。逻辑处理单元具体可通过串口与上位机连接。

另外，脉冲激光测距仪中还可包括主放大电路，前置放大电路的输出端分别与主放大电路的输入端和A/D转换电路输入端相连接，主放大电路输出端与时刻鉴别电路输入端相连接。

本发明实施例的优越性是采用两套测距的计算方法，使得远距离的测距在保证精准的情况下成为可能，另外，首次在便携式远距离测距系统中采用VCSEL，发射激光的发散角被压缩到毫弧度量级，减轻了发射系统结构的复杂性，使得发射单元趋于完美。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种脉冲激光测距仪，其特征在于，包括：数字信号处理器；所述数字信号处理器包括相关算法单元和逻辑处理单元；

所述相关算法单元用于对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，以提高所述回波脉冲串信号的信噪比，获得所述回波脉冲串信号与所述发射脉冲串信号之间的第一延时时长；其中，所述发射脉冲串信号与向被测目标发射的激光相对应，所述回波脉冲串信号与所述被测目标反射回的激光相对应；

所述逻辑处理单元用于根据所述第一延时时长计算获得所述被测目标的第一距离。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，所述相关算法单元对回波脉冲串信号与发射脉冲串信号进行互相关处理，具体通过如下方式：

R_ss＝(t-τ)≤R_ss(0)

τ＝arg[maxR(τ)]

式中，τ为第一延时时长，S(t-at₀)为发射脉冲信号，b(t)为回波信号的幅值衰减因子，t₀为脉冲串相邻脉冲的时间间隔，S(t-at₀-τ)为回波信号，M为脉冲串中脉冲的个数，a为脉冲在脉冲串中的计数位置，R_ss为相关函数的取值，R(τ)为相关函数，T为周期。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：驱动电路和激光二极管；所述数字信号处理还包括脉冲序列单元；所述脉冲序列单元的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述驱动电路的输出端与所述激光二极管的输入端连接；

所述脉冲序列单元用于生成所述发射脉冲串信号，并将所述发射脉冲串信号发送至所述驱动电路；

所述驱动电路用于接收所述发射脉冲串信号，并根据所述发射脉冲串信号驱动所述激光二极管向所述被测目标发射激光。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，所述激光二极管为垂直腔面发射激光器。

5.根据权利要求3所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：高压电路和发射光学透镜；所述高压电路的输出端与所述驱动电路的输入端连接，所述发射光学透镜设置于所述激光二极管与所述被测目标之间。

6.根据权利要求1所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：APD探测器、前置放大电路、主放大电路和A/D转换电路；所述APD探测器的输出端与所述前置放大电路的输入端连接，所述前置放大电路的输出端与所述主放大电路的输入端连接，所述主放大电路的输出端与所述A/D转换电路的输入端连接，所述A/D转换电路的输出端与所述相关算法单元的输入端连接；

所述APD探测器用于将所述被测目标反射回的激光转化为相应的电信号，并将所述电信号发送至所述前置放大电路；

所述前置放大电路用于对所述电信号进行第一次放大，并将第一次放大后的所述电信号发送至所述主放大电路；

所述主放大电路用于对所述电信号进行第二次放大，并将第二次放大后的所述电信号发送至所述A/D转换电路；

所述A/D转换电路用于将所述电信号转换为所述回波脉冲串信号，并将所述回波脉冲串信号发送至所述相关算法单元。

7.根据权利要求6所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：偏压电路和接收光学透镜；所述偏压电路的输出端与所述APD探测器的输入端连接，所述接收光学透镜设置于所述APD探测器与所述被测目标之间。

8.根据权利要求6所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，还包括：时刻鉴别电路和计时芯片；所述主放大电路的输出端与所述时刻鉴别电路的输入端连接，所述时刻鉴别电路的输出端与所述计时芯片的输入端连接，所述计时芯片与所述相关算法单元连接；

所述相关算法单元用于在所述数字信号处理器发送所述发射脉冲串信号时，向所述计时芯片发送初始信号，以使所述计时芯片记录发送时刻；

所述时刻鉴别电路用于接收所述主放大电路发送的第二次放大后的所述电信号，根据预先设定的电压阈值判断获得回波信号，并将所述回波信号发送至所述计时芯片；

所述计时芯片用于将接收到所述回波信号的接收时刻与所述发送时刻作差，获得第二延时时长；

所述逻辑处理单元用于根据所述第二延时时长计算获得所述被测目标的第二距离。

9.根据权利要求8所述的脉冲激光测距仪，其特征在于，所述逻辑处理单元还用于将所述第一距离和/或所述第二距离发送至上位机。