CN110233677A - 一种基于光正交码的激光通信测距装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光正交码的激光通信测距装置及方法，技术问题为使用一路信号测距的同时，可以与具有激光通信功能的终端进行通信，目前通信速率低；通过采用包括脉冲编码信号生成模块、激光生成模块、光电探测模块、信号放大模块及信号处理模块；信号处理模块包括信号预处理模块，以及与信号预处理模块连接的距离信息处理模块以及通信信号处理模块；脉冲编码信号生成模块，使用脉冲位置调制方式调制数据信息，然后添加测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位并进行光正交码编码生成测距帧T；测距帧T包括用于距离测量的测距脉冲编码序列S1和用于通信数据编码的通信脉冲序列S2的技术方案，较好的解决了该问题，可用于激光测距通信一体化。

Description

一种基于光正交码的激光通信测距装置及方法
技术领域
本发明涉及激光信息领域，具体涉及一种基于光正交码的激光通信测距装置及方法。
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。现有的激光测距通信一体化技术一般分为以下三种方式：应答体制：通信的过程中，在数据中插入特殊符号作为测距帧，然后采用应答体制实现测距过程；分时体制：在使用同一套硬件的条件下，根据需要在不同的时间分别执行单一功能；基于伪随机码调制的一体化技术：通信解码方式通过阈值检测，但数据“0”和“1”所对应的峰值相差不大，容易造成解码错误。
通过直接扩频方式在伪随机序列上调制数据符号，伪随机序列的互相关性能较差，通信、测距码不容易区分，需要增加大大增加测距码的位数来避免解码错误，测距精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的通信速率降低、数据解调不易区分的技术问题。提供一种新的基于光正交码的激光通信测距装置，该基于光正交码的激光通信测距装置具有通信速率高的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于光正交码的激光通信测距装置，所述装置包括脉冲编码信号生成模块、激光生成模块、光电探测模块、信号放大模块以及信号处理模块；
所述信号处理模块包括信号预处理模块，以及与信号预处理模块连接的距离信息处理模块以及通信信号处理模块；
所述脉冲编码信号生成模块首先使用脉冲位置调制方式调制数据信息，然后添加测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位并进行光正交码编码生成测距帧T；
测距帧T包括用于距离编码的测距编码序列S1和用于通信编码的通信脉冲序列S2；
所述信号处理模块用于进行对接收信号进行处理，采用与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法得到距离信息和原始数据信息。
本发明的工作原理：本发明根据同码长的光正交码自相关性和互相关性的特点，首先，将待传输的数据比特信息使用脉冲位置调制，提高通信过程中的误码率和功率效率。将完整的一帧原始数据进行脉冲编码，得到数据帧。对激光器进行激光强度调制，激光器发出本发明所涉及的一体化激光信号。所发射的激光信号，经过大气信道传输，分为两个过程：通信过程，若两个激光通信终端之间没有障碍物阻挡，另一通信终端接收光信号，并进行解调完成激光无线通信功能；测速测距过程，激光在传输过程中，遇到障碍物，反射回波信号，由发射端接收回波信号，并进行数字信号处理以解算目标的距离。在接收端，选择接收范围较大的光学镜头，尽可能收集信号光，随后放置窄带滤光片，以滤除背景光噪声对于有用信号的影响。将信号光汇聚于光电探测器，将光信号转化为电信号。因所探测到的信号较为微弱，并经过前置放大器、主放大器放大后进行信号解算过程。
上述方案中，为优化，进一步地，所述测距编码序列S1是在测距帧T的时间段T中的时间段T1内，通信脉冲序列S2是在测距帧T的时间段T中的时间段T2内；所述测距编码序列和通信脉冲序列之间设置有通信起始标志位，同时也可根据需要在通信脉冲序列尾部增加通信结束标志位。在数据信息前加上测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位有助于区分通信起始标志位/通信结束标志位置。
进一步地，所述通信起始标志位为4个脉冲编码序列S2，结束标志位为3个脉冲编码序列S2，标志位的长度可根据实际情况进行选择，但是必须大于2。
进一步地，所述与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法包括距离结算和通信数据解调；
距离解算包括使用测距编码序列S1对接收的测距回波信号进行相关处理，定义峰值位置对应时刻为脉冲测距过程中的延时t，解算出目标距离R＝c/2t；
其中，c为真空中的光速。
进一步地，所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
本发明还提供一种基于光正交码的激光通信测距方法，所述基于光正交码的激光通信测距方法基于前述的包括：
步骤一，将待传输的数据比特信息使用脉冲位置调制；
步骤二，在数据信息前加上测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位，将完整的一帧原始数据进行脉冲编码，得到数据帧；
步骤三，激光生成模块进行激光强度调制，发出一体化激光信号；
步骤四，光电探测器接收信号传输的光信号并转换为电信号；
步骤五，信号放大模块放大所述电信号；
步骤六，信号处理模块进行信号解算，信号结算包括距离结算和通信数据解调。
进一步地，所述距离结算包括使用测距编码序列S1对接收测距回波信号进行相关处理，峰值位置对应时刻即为脉冲测距过程中的延时t，进而解算出目标距离R＝c/2t。
进一步地，所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
进一步地，所述通信起始标志位是4个脉冲编码序列S2，结束标志位为3个脉冲编码序列S2，标志位的长度可根据实际情况进行选择，但是必须大于2。脉冲编码序列S2代表数据比特“1”，与脉冲编码序列S2相同长度的0序列代表数据比特“0”。
本发明的有益效果：本发明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。不同码重的光正交码很多，可以根据应用需求，灵活选择正交码。如系统以测距为主，可以选择码重较大的序列，更容易与通信脉冲序列分开，且提高接收端信噪比。当可选择较长码长时，可选择的编码序列数量增多，可将多余序列应用于不同的雷达编码，这样可在一定程度上减弱其他雷达测距序列的干扰。在序列种类有限的情况下，可通过车间通信，对某一区域内的有限车辆进行分配来避免干扰。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中的基于光正交码的激光通信测距示意图。
图2，实施例1中的基于光正交码的激光通信测距方法示意图。
图3，测距帧T的示意图。
图4，OCC编码示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于光正交码的激光通信测距装置，如图1，所述装置包括脉冲编码信号生成模块、激光生成模块、光电探测模块、信号放大模块以及信号处理模块；
所述信号处理模块包括信号预处理模块，以及与信号预处理模块连接的距离信息处理模块以及通信信号处理模块；
所述脉冲编码信号生成模块，首先使用脉冲位置调制方式调制数据信息，然后添加测距帧头和通信起始标志位并进行光正交码编码生成测距帧T；
如图3，测距帧T包括用于测距脉冲编码的测距编码序列S1和用于通信数据编码的通信脉冲序列S2。所述信号处理模块用于进行对接收信号进行处理，采用与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法得到距离信息和原始数据信息。
如图4，OCC编码示意图，通信脉冲编码和测距脉冲编码的区分容易程度取决于码重，但过大的码重所带来的的是码长的增加，进而使通信速率降低，在实际应用中应该加以权衡。将单次测距编码脉冲以及单次测距过程中所携带的通信编码脉冲统称为一个测距帧。
具体地，所述测距编码序列S1是在测距帧T的时间段T中的时间段T1内，通信脉冲序列S2是在测距帧T的时间段T中的时间段T2内；所述测距编码序列和通信脉冲序列之间设置有通信起始标志位，同时也可根据需要在通信脉冲序列尾部增加通信结束标志位。
具体地，所述通信起始标志位为4个脉冲编码序列S2，结束标志位为3个脉冲编码序列S2，标志位的长度可根据实际情况进行选择，但是必须大于2。
具体地，所述与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法包括距离结算和通信数据解调；
距离结算包括使用测距编码序列S1对接收的测距回波信号进行相关处理，定义峰值位置对应时刻为脉冲测距过程中的延时t，解算出目标距离R＝c/2t；
其中，c为真空中的光速。
具体地，所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
本实施例还提供一种基于光正交码的激光通信测距方法，如图2，所述基于光正交码的激光通信测距方法基于前述的包括：
步骤一，将待传输的数据比特信息使用脉冲位置调制；
步骤二，在数据信息前加上测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位，将完整的一帧原始数据进行脉冲编码，得到数据帧；
步骤三，激光生成模块进行激光强度调制，发出一体化激光信号；
步骤四，光电探测器接收信号传输的光信号并转换为电信号；
步骤五，信号放大模块放大所述电信号；
步骤六，信号处理模块进行信号解算，信号结算包括距离结算和通信数据解调。
具体地，所述距离结算包括使用测距编码序列S1对接收测距回波信号进行相关处理，峰值位置对应时刻即为脉冲测距过程中的延时t，进而解算出目标距离R＝c/2t。
具体地，所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
具体地，所述通信起始标志位是4个脉冲编码序列S2，结束标志位为3个脉冲编码序列S2，标志位的长度可根据实际情况进行选择，但是必须大于2。脉冲编码序列S2代表数据比特“1”，与脉冲编码序列S2相同长度的0序列代表数据比特“0”。
本实施例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。本实施例可以根据应用需求，灵活选择正交码。如系统以测距为主，可以选择码重较大的序列，更容易与通信脉冲序列分开，且提高接收端信噪比。可选择较长码长时，可选择的编码序列数量增多，可将多余序列应用于不同的雷达编码，这样可在一定程度上减弱其他雷达测距序列的干扰。在序列种类有限的情况下，可通过车间通信，对某一区域内的有限车辆进行分配来避免干扰。
在雷达测距过程中，从发射测距脉冲到接收回波信号具有很长一段空闲时间，因此可以考虑怎样合理利用测距空闲时间进行激光通信。但是，常用的光通信调制方式同为脉冲调制，波形与测距脉冲波形一致，故应对通信脉冲和测距脉冲进行区分。
为解决这一问题，本实施例使用相关性良好的光扩频序列来分别表示不同用途的脉冲，这样就可以利用序列间互相关性对测距脉冲和通信脉冲进行区分。这一方法不但可以充分利用测距过程中的时间间隔，还可以在通信时段继续保持测距功能的使用。以光正交码(OOC)为例，为了增加通信吞吐量，以OOC(13,3,1)为例，它有两种码索引{1,2,5}、{1,3,8}，相应的编码序列分别为S1：{1100100000000}和S2：{1010000100000}，其自相关性和互相关性如图4所示：令S1表示测距脉冲编码，S2表示通信脉冲编码，由图4可以看出，通过设置不同的阈值，即可进行区分。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种基于光正交码的激光通信测距装置，其特征在于：所述装置包括脉冲编码信号生成模块、激光生成模块、光电探测模块、信号放大模块以及信号处理模块；
所述信号处理模块包括信号预处理模块，以及与信号预处理模块连接的距离信息处理模块以及通信信号处理模块；
所述脉冲编码信号生成模块，使用脉冲位置调制方式调制数据信息，然后添加测距帧头和通信起始标志位、通信结束标志位并进行光正交码编码生成测距帧T；
测距帧T包括用于测距脉冲编码的测距编码序列S1和用于通信数据编码的通信脉冲序列S2；
所述信号处理模块用于进行对接收信号进行处理，采用与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法得到距离信息和原始数据信息。
2.根据权利要求1所述的基于光正交码的激光通信测距装置，其特征在于：所述测距编码序列S1是在测距帧T的时间段T中的时间段T1，通信脉冲序列S2是在测距帧T的时间段T中的时间段T2内；
所述测距编码序列S1和通信脉冲序列S2之间设置有通信起始标志位；通信脉冲序列S2的末尾设置有通信结束标志位。
3.根据权利要求2所述的基于光正交码的激光通信测距装置，其特征在于：所述通信起始标志位为4个脉冲编码序列S2。
4.根据权利要求2所述的基于光正交码的激光通信测距装置，其特征在于：所述与脉冲编码信号生成模块对应的信号解算方法包括距离结算和通信数据解调；
距离结算包括使用测距编码序列S1对接收的测距回波信号进行相关处理，定义峰值位置对应时刻为脉冲测距过程中的延时t，解算出目标距离R＝c/2t；
其中，c为真空中的光速。
5.根据权利要求4所述的基于光正交码的激光通信测距装置，其特征在于：所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
6.一种基于光正交码的激光通信测距方法，其特征在于：所述基于光正交码的激光通信测距方法基于权利要求1-5任一所述的包括：
步骤一，将待传输的数据比特信息使用脉冲位置调制；
步骤二，在数据信息前加上测距帧头和通信起始标志位和通信结束标志位，将完整的一帧原始数据进行脉冲编码，得到数据帧；
步骤三，激光生成模块进行激光强度调制，发出一体化激光信号；
步骤四，光电探测器接收信号传输的光信号并转换为电信号；
步骤五，信号放大模块放大所述电信号；
步骤六，信号处理模块进行信号解算，信号结算包括距离结算和通信数据解调。
7.根据权利要求6所述的基于光正交码的激光通信测距方法，其特征在于：所述距离结算包括使用测距编码序列S1对接收测距回波信号进行相关处理，峰值位置对应时刻即为脉冲测距过程中的延时t，进而解算出目标距离R＝c/2t。
8.根据权利要求6所述的基于光正交码的激光通信测距方法，其特征在于：所述通信数据解调包括使用编码序列S2进行相关处理，预先设置阈值，超过阈值判定则为“1”，小于阈值判定为“0”；
匹配判定出通信起始标志位和通信结束标志位，对两段标志位中间的数据进行PPM解调，得到原始数据信息。
9.根据权利要求8所述的基于光正交码的激光通信测距方法，其特征在于：所述通信起始标志位长度与通信结束标志位的长度均大于2；脉冲编码序列S2代表数据比特“1”，与脉冲编码序列S2相同长度的0序列代表数据比特“0”。
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