CN110045384B - 一种激光通信探测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光通信探测装置及方法，射频信号生成模块对待发送的通信数据进行运算处理以得到模拟信号；激光生成模块与射频信号生成模块连接，利用模拟信号对激光生成模块进行调制以使激光生成模块发出激光信号；光电探测模块获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；信号预处理模块接收光电探测模块转化的电信号并进行预处理；目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息。发射一路信号就可以对无通信功能的目标进行测距、测速，且与有激光通信功能的终端进行通信。通信速率高，可以更好满足实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测以及激光通信技术领域，尤其涉及一种激光通信探测装置及方法。
背景技术
激光通信测距一体化技术，是激光雷达技术、激光通信技术、信号处理技术的综合应用之一。广泛应用在深空探索、智能驾驶、物联网等诸多领域，在民用和军事领域均有广阔的应用前景。
目前，激光雷达大多数满足测距或者测速的雷达相关探测需求，激光通信在整个通信过程中也不具备测距能力。而激光测距通信一体化技术一般为以下两种方式：第一种应用在深空探测活动的激光测距通信一体化技术，虽然实现了同一套设备完成测距和通信双重功能，但是其测距方式基于异步通信，依靠接收端对接收到的测距信号进行响应，并返回一个应答信号，最后通过时间差进行测距。这种方法只能对通信终端进行测距，不可对无激光通信功能的物体进行测距。第二种是基于伪随机码调制的激光测距通信一体化技术，这种方式尽管克服了上一种方式的确定，但通信速率较低，且不能测量移动物体的速度，难以满足实际需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光通信探测装置及方法，克服现有技术不能针对反射目标测距以及通信速率较低、不可同时测速的缺陷。
本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：
一种激光通信探测装置，包括：
射频信号生成模块，用于对待发送的通信数据进行相位编码映射，将映射后的通信数据调整为共轭对称的格式，然后进行IFFT转换，得到实数信号，并将所述实数信号进行并串转换，添加循环前缀；对添加了循环前缀的实数信号进行数模转换，并进行上变频处理，以得到射频信号，对所述射频信号添加直流偏置电流，得到模拟信号；
激光生成模块，与所述射频信号生成模块连接，利用所述模拟信号对所述激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号。
光电探测模块，用于获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块，接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块，用于从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块，用于从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息。
进一步，还包括信号放大模块，用于对光电探测模块转化的电信号进行放大，将放大后的电信号传输到信号预处理模块中。
本发明提供的一种激光通信探测方法，包括：
提供上述的所述的激光探测通信探测装置；
利用射频信号生成模块生成的模拟信号对激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号；
光电探测模块获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息。
进一步，信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理，具体包括：
对电信号进行下变频操作，模数转换，并去除循环前缀，得到原始数字信号；
对原始数字信号进行串并转换，并进行FFT运算，取运算后的有效载波上的数据，得到有效数字信号。
进一步，通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息，具体包括：
根据编码过程逆映射进行解调运算，推断出原始数据二进制比特，解算出通信数据，获取通信信息。
进一步，所述通信数据内携带有激光探测通信探测装置的ID，通过所述ID判定所述通信数据的来源。
进一步，目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息，具体包括：
将所述有效数字信号和自身的射频信号生成模块使用的原始通信数据均设置为一个矩阵；
取有效数字信号矩阵中的每一列有效数字信号与原始通信数据矩阵中的每一列对应相除，得到目标信息矩阵；
对目标信息矩阵的每一行做IFFT变换操作，记录所得结果最大值对应的，并将其带入公式(1)，即可求得目标距离：
对目标信息矩阵的每一行做FFT变换操作，记录所得结果最大值对应的l，并将其带入公式(2)，即可求得目标速度：
在公式(1)和公式(2)中，N为载波数，M为符号数，c为光速，f0为载波频率，Δf为子载波频率间隔，R0为目标距离，ν为目标运动速度。
本发明的有益效果：
1)发射一路信号就可以对无通信功能的目标进行测距，且与有激光通信功能的终端进行通信。
2)通信速率高，目前的激光雷达大多为扫描模式，两个终端的对准时间较短，本发明利用短脉冲可以携带更多的通信数据，可以更好满足实际需求。
3)不止可以测得目标的距离，还可以通过多普勒频移测得目标的运动速度，这是之前的激光一体化技术所不存在的。
附图说明
图1是本发明提供的一种激光通信探测装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种激光通信探测方法中获取距离信息和速度信息的参考示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明：
如图1所示，本发明的一种激光通信探测装置，包括：
射频信号生成模块，用于对待发送的通信数据进行编码映射，并可灵活选用特殊编码消除通信数据随机性对于发射激光信号测距性能的影响。将映射后的通信数据调整为共轭对称的格式，然后进行IFFT转换，得到实数信号，就满足了激光无线通信的要求，并将所述实数信号进行并串转换，添加循环前缀；对添加了循环前缀的实数信号进行数模转换，并进行上变频处理，以得到射频信号，对所述射频信号添加直流偏置电流，得到模拟信号，模拟信号的值全为正实数；
激光生成模块，与所述射频信号生成模块连接，利用所述模拟信号对所述激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号。
光电探测模块，用于获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块，接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块，用于从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块，用于从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息。
进一步，还包括信号放大模块，用于对光电探测模块转化的电信号进行放大，将放大后的电信号传输到信号预处理模块中，信号放大模块包括前置放大器和主放大器。
本发明提供的一种激光通信探测方法，包括：
提供上述的所述的激光探测通信探测装置；
利用射频信号生成模块生成的模拟信号对激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号；
光电探测模块获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息。
具体的，信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理，具体包括：
对电信号进行下变频操作，模数转换，并去除循环前缀，得到原始数字信号；
对原始数字信号进行串并转换，并进行FFT运算，取运算后的有效载波上的数据，得到有效数字信号。
具体的，通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息，具体包括：
根据编码过程逆映射进行解调运算，推断出原始数据二进制比特，解算出通信数据，获取通信信息。
进一步，所述通信数据内携带有激光探测通信探测装置的ID，通过所述ID判定所述通信数据的来源。
进一步，激光传输信号遇到目标返回，回波信号中携带着目标的距离和速度信息。目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息，如图2所示，具体包括：
将所述有效数字信号和自身的射频信号生成模块使用的原始通信数据均设置为一个矩阵；
取有效数字信号矩阵中的每一列有效数字信号与原始通信数据矩阵中的每一列对应相除，得到目标信息矩阵；
对目标信息矩阵的每一行做IFFT变换操作，记录所得结果最大值对应的k，并将其带入公式(1)，即可求得目标距离：
对目标信息矩阵的每一行做FFT变换操作，记录所得结果最大值对应的l，并将其带入公式(2)，即可求得目标速度：
在公式(1)和公式(2)中，N为载波数，M为符号数，c为光速，f0为载波频率，Δf为子载波频率间隔，R0为目标距离，ν为目标运动速度。
本发明发公式(1)和公式(2)的推导过程如下：
对于具有Hermition对称性的复数信号可表示为：
射频调制信号表示：
式中，N为子载频个数，M为符号个数，Xk,l为第k个子载频上的第l个符号，Tc为单符号周期，Δf为子载频间隔，f0为射频载波频率。
光强度发射信号为：
s(t)＝sRF(t)+b
其中，b为直流偏置。
假设目标相对OFDM激光雷达探测系统的接收器在很短的时间内做匀速运动，则目标与接收器之间的距离随时间变化的表达式为
R(t)＝R0+vt，
式中，R0为初始距离；v为目标相对于探测系统的速度，设二者接近时，v为负值，反之为正值。
由于目标与探测器之间的相对速度v比光速c至少要小5个数量级，可将激光往返于目标与探测器之间的时间近似为：
则信号传输至目标物体反射后，通过交流耦合滤除直流偏置，回波信号可以表示为：
r(t)＝s(t-τ)
经化简后可得
对其进行FFT变换后可得，带有目标距离速度信息的接收符号可以表示为：
因为相对于光速，目标移动速度v相对较小，因此此处的距离R0即为实测距离。令
则最终的接受符号矩阵可以表示为
其中，
为矩阵乘法，
为列向量，
为行向量
对
做IFFT变换可得：
当
r(n)取最大值，故可由最大值得到距离为
同理，对
做FFT变换，取合适的lmax可得
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (3)
1.一种激光通信探测装置，其特征在于，包括：
射频信号生成模块，用于对待发送的通信数据进行编码映射，将映射后的通信数据调整为共轭对称的格式，然后进行IFFT转换，得到实数信号，并将所述实数信号进行并串转换，添加循环前缀；对添加了循环前缀的实数信号进行数模转换，并进行上变频处理，以得到射频信号，对所述射频信号添加直流偏置电流，得到模拟信号；
激光生成模块，与所述射频信号生成模块连接，利用所述模拟信号对所述激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号；
光电探测模块，用于获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块，接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块，用于从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块，用于从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息；还包括信号放大模块，用于对光电探测模块转化的电信号进行放大，将放大后的电信号传输到信号预处理模块中；一种激光通信探测方法，包括：
利用射频信号生成模块生成的模拟信号对激光生成模块进行调制以使所述激光生成模块发出激光信号；
光电探测模块获取大气信道中的激光信号并转化为电信号；
信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理；
目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息；
通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息；信号预处理模块接收所述光电探测模块转化的电信号并进行预处理，具体包括：
对电信号进行下变频操作，模数转换，并去除循环前缀，得到原始数字信号；
对原始数字信号进行串并转换，并进行FFT运算，取运算后的有效载波上的数据，得到有效数字信号；目标信息处理模块从预处理后的电信号中提取距离信号和速度信号，以获取距离信息和速度信息，具体包括：
将所述有效数字信号和自身的射频信号生成模块使用的原始通信数据均设置为一个矩阵；
取有效数字信号矩阵中的每一列有效数字信号与原始通信数据矩阵中的每一列对应相除，得到目标信息矩阵；
对目标信息矩阵的每一行做IFFT变换操作，记录所得结果最大值对应的n,并将其带入公式(1)，即可求得目标距离：
对目标信息矩阵的每一行做FFT变换操作，记录所得结果最大值对应的l，并将其带入公式(2)，即可求得目标速度：
在公式(1)和公式(2)中，N为载波数，M为符号数，c为光速，f0为载波频率，Δf为子载波频率间隔，R0为目标距离，ν为目标运动速度。
2.根据权利要求1所述的一种激光通信探测装置，其特征在于，通信信号处理模块从预处理后的电信号中提取通信信号以获取通信信息，具体包括：
根据编码过程逆映射进行解调运算，推断出原始数据二进制比特，解算出通信数据，获取通信信息。
3.根据权利要求2所述的一种激光通信探测装置，其特征在于，所述通信数据内携带有激光探测通信探测装置的ID，通过所述ID判定所述通信数据的来源。
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