CN110794421A - 伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列对输出光束进行相位调制发射至目标，并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，随后经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得目标的距离信息，再结合角度信息，经过坐标系变换得到三维位置信息，最终生成三维点云图。本发明可以非常准确获得目标的三维位置信息，具有高抗干扰能力整体系统小型化，运行容易的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法及装置。
背景技术
由于具有高方向性、强抗干扰能力、高测量精度、高时空分辨率等优点,激光雷达技术被广泛应用于航空航天、国民经济和国防等领域，如深空导航、星地同步观测、无人航天器自主交会对接、自主安全着陆、深空探测、车载环境感知和三维地图构建等。传统激光雷达测距方式常采用脉冲激光飞行时间法，即发射较高峰值功率的脉冲，利用激光脉冲往返的时间间隔来获取距离信息，并利用距离的微分来获取速度信息。这种方法结构简单、技术成熟，但在远距离情况下工作时，需要激光器具备极高的峰值功率。为保证激光器的安全运转，出射脉冲的重复频率较低，因而测量的空间分辨率难以提高。
啁啾调频连续波激光雷达对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制可以实现多普勒速度测量。啁啾调幅连续波激光雷达对发射激光的幅度进行线性调频，将回波强度上调制的延迟啁啾与发射时的初始啁啾混频，得出的差频频率就与回波延迟成正比，通过相干接收可以实现目标的距离和速度的同步探测。这两种技术的优势在于激光器工作在宽脉宽、低峰值功率状态下，可大大提高脉冲重复探测频率，从而提高空间分辨率；另外，采用相干探测可获得更高的灵敏度。但是受激光器硬件条件的限制，成本很高，脉冲重复频率严重受限，啁啾非线性依然是一个未解决的难题。
基于伪随机码和光子计数的测距技术采用直接测量机制，将出射激光按照伪随机码进行强度调制，回波微弱的光子信号序列经过阈值甄别后得到接收的码元序列，该码元序列与原伪随机码序列进行相关运算，相关运算的峰值所对应的距离即为目标距离（在先技术之一，参见 Yufei Zhang, Yan He, Fang Yang, Yuan Luo, and Weibiao Chen,Three-dimensional imaging lidar system based on high speed pseudorandommodulation and photon counting, Chinese Optics Letters, 2016, Vol. 14, No.11, 111101）。该技术的优势在于即使回波信号微弱到光子量级，回波码元出现大量误判，也能够利用回波码元与伪随机码之间的相关性得到正确的目标距离信息，从而大大提高了系统的灵敏度。但是盖革模式的雪崩光电二极管（APD）单光子探测器容易受外界噪声影响，成像速度慢，成本高，限制了这种激光雷达的应用。杨馥等人（在先技术之二，参见邱子胜，杨馥，叶星辰，李姝欣，基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究，激光与光电子学进展，2018，Vol. 55, No. 5, 052801）提出结合伪随机码相位调制和外差探测技术的方法，能够在宽脉宽情况下获取高的距离分辨率。但是如果激光雷达与测距目标之间存在高速相对运动，会产生较大的多普勒频移，这种多普勒频移会导致相关峰值展宽，造成相关性能的恶化，影响测距精度，所以必须通过一定的方法消除测距过程中目标运动多普勒频移才能保证接收机正常解调。此外，户外大气湍流会对伪随机码相位调制测距产生严重干扰，激光器线宽、激光放大器和位相调制器引入的系统相位噪声都将会严重影响伪随机相位测距的精度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法及装置。本发明可以非常准确获得目标的三维位置信息，具有高抗干扰能力、整体系统小型化，运行容易的特点；此外，本发明不仅可以消除测距过程中目标运动多普勒频移导致的相关峰值展宽，还可以克服大气湍流对伪随机码相位调制测距的干扰，大幅度提高测距精度，同时还降低对激光器和放大器的要求，具有良好的发展前景。
本发明的技术方案：伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码，经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列经高速电光相位调制器对激光器的输出光束进行相位调制，得到伪随机码差分相移键控调制激光，将伪随机码差分相移键控调制激光发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号；将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得远距离目标的高精度距离信息，再结合二维扫描的角度信息，经过坐标系变换得到目标的三维位置信息，最终生成三维点云图。
上述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，所述激光器的输出光束经起偏器起偏，用于提高偏振度，表示为：
其中，为激光器初始相位，
为输出光束主振频率为，
为输出光束线宽引入的
主振频率偏离值，
是时间。
前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，所述差分伪随机码序列表示为：
其中
是伪随机码，
为伪随机码序列码元宽度，
为码元总数，
是时间延迟为1个比特位的原码，
是差分编码，是
异或运算符。
前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，所述伪随机码差分相移键控调制激光是通过电光位相调制器把差分编码加载在输出光束的相位上，相邻前后码元的相移为0或π对应要传递的码元0或1。
前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，所述回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号具体过程是：
所述回波信号表示为:
其中，
是振幅，是目标距离，
是激光载频，
为激光器初始相位，
为激光线
宽引入的主振频率偏离值，
是时间，
是目标速度引入的多普勒频移，
是光速，
为大气湍流引入的噪声相位，
为激光放大器引入的噪声相位，
为
位相调制器引入的噪声相位；
回波信号通过非等臂差分干涉仪，首先经过非等臂传输，两个支路的光程延迟对应1比
特位传输数据时间，对应的光程为：
其中
是调制带宽；
两个支路光表示为：
其中
和
分别是两支路的振幅；
经过非等臂传输后，两个支路光进行干涉，干涉光场表示为：
经过2×4 90º光学桥接器混频后的干涉光场四路输出分别为：
其中是回波信号混频中的噪声位相；
具有正交特性的同相信号和正交信号分别由高速光电平衡探测器进行接收，同相信号和正交信号输出分别为：
，
其中，
是同相信号的高速光电探测器响应率，
是正交信号的高速光电探测器
响应率。
前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列的具体过程是：将同相信号和正交信号进行反正切解相重建脉冲位相序列：
其中
为直流量，采用高通滤波器消除；
因此，
对重建脉冲位相序列进行二值化处理：
得到重建的目标时间延迟后的伪随机码序列
。
前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，所述三维点云图生成的
具体过程是：将原伪随机码序列
经移位延迟
后，与重建的目标时间
延迟后的伪随机码序列进行互相关处理：
当移位延迟
时，相关函数出现峰值，得到远距离目标的视向距离信息
，
距离分辨率为
；在三维空间坐标系
中，，利用二维扫
描得到目标与
轴的夹角
和目标与
轴的夹角
，由此计算出目标点的三维坐标：
，
最终利用三维坐标得到目标三维点云图。
实现如前述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法的装置，包括激光器，激光器的输出端经起偏器连接有高速电光位相调制器，高速电光位相调制器的输出端依次连接有掺饵光纤放大器、光学环形器、二维扫描器和光学望远镜；所述光学环形器的接收端经非等臂差分干涉仪连接有光学桥接器；所述光学桥接器为2×4 90º光学桥接器；所述光学桥接器经高速光电平衡探测器连接有高通滤波器，高通滤波器经高速模数转换器连接有第一高数数据采集器；所述第一高数数据采集器的输出端连接有主控计算机，主控计算机与二维扫描器连接；所述主控计算机还经外触发电路连接有伪随机编码器，伪随机编码器经差分编码器连接有任意波形发生器，任意波形发生器与高速电光位相调制器连接；所述外触发电路还与高速模数转换器连接；所述主控计算机与伪随机编码器之间设有用于采集伪随机码的第二高速数据采集器。
与现有技术相比，本发明通过雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码，经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列经高速电光相位调制器对激光器的输出光束进行相位调制，得到伪随机码差分相移键控调制激光，将伪随机码差分相移键控调制激光发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号；将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得远距离目标的高精度距离信息，再结合二维扫描的角度信息，经过坐标系变换得到目标的三维位置信息，最终生成三维点云图；本发明可以非常准确获得目标的三维位置信息，具有高抗干扰能力、整体系统小型化，运行容易的特点；此外，由于输出光束主振频率偏离值和目标速度多普勒频率在1比特位传输数据时间内可以认为是很小的，因此在高速调制的情况下可以消除目标速度多普勒频率和激光器线宽的影响，而且大气湍流引入的噪声相位、激光放大器引入的噪声相位和位相调制器引入的噪声相位都能够完全消除，大幅度提高测距精度，具有非常优秀的测距准确性。经检测本发明调制速率可达到GHz量级，距离分辨率可达到厘米量级，测距精度达到1毫米，系统的重复频率可以达到MHz量级；本发明还降低了对激光器和放大器的要求，有利于减低成本，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图；
图2是原伪随机码序列、差分伪随机码序列、差分伪随机位相序列、延迟差分伪随机位相序列、自差分干涉位相序列和重建伪随机码序列示意图；
图3是非等臂差分干涉仪示意图；
图4是光学桥接器结构示意图；
图5是空间坐标系中目标二维扫描的角度示意图。
附图中的标记为：1、激光器；2、起偏器；3、高速电光位相调制器；4、掺饵光纤放大器；5、光学环形器；6、二维扫描器；7、光学望远镜；8、非等臂差分干涉仪；9、光学桥接器；10、高速光电平衡探测器；11、高通滤波器；12、高速模数转换器；13、第一高数数据采集器；14、主控计算机；15、外触发电路；16、伪随机编码器；17、差分编码器；18、任意波形发生器；19、第二高速数据采集器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码，经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列经高速电光相位调制器对激光器的输出光束进行相位调制，得到伪随机码差分相移键控调制激光，将伪随机码差分相移键控调制激光发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号；将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得远距离目标的高精度距离信息，再结合二维扫描的角度信息，经过坐标系变换得到目标的三维位置信息，最终生成三维点云图。
实施例2：实现伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法的装置，如图1所述，包括激光器1，采用人眼安全的1550nm单频单模连续光纤激光器，激光器线宽200kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，激光器1的输出端经起偏器2连接有高速电光位相调制器3，高速电光位相调制器3的输出端依次连接有掺饵光纤放大器4、光学环形器5、二维扫描器6和光学望远镜7；所述光学环形器5的接收端经非等臂差分干涉仪8连接有光学桥接器9；所述光学桥接器9为2×4 90º光学桥接器；所述光学桥接器9经高速光电平衡探测器10连接有高通滤波器11，高通滤波器11经高速模数转换器12连接有第一高数数据采集器13；所述第一高数数据采集器13的输出端连接有主控计算机14，主控计算机14与二维扫描器6连接；所述主控计算机14还经外触发电路15连接有伪随机编码器16，伪随机编码器16经差分编码器17连接有任意波形发生器18，任意波形发生器18与高速电光位相调制器3连接；所述外触发电路15还与高速模数转换器12连接；所述主控计算机14与伪随机编码器16之间设有用于采集伪随机码的第二高速数据采集器19。
所述激光器的输出光束经起偏器起偏，用于提高偏振度，确保偏振消光比大于25dB，表示为：
其中，
为激光器初始相位，
为输出光束主振频率为，
为输出光束线宽引入的
主振频率偏离值，
是时间。
伪随机序列既具有确定性的本质，又具有随机信号的某些特征。伪随机相位编码具有调制重频高、保密性强、测距精度与距离无关、峰值旁瓣比高等优点，现在使用最广泛的一种伪随机码序列是最长线性反馈移位寄存器序列，简称m序列。
伪随机码可以记作为
其中，为伪随机码序列码元宽度，
为码元序号，
为码元总数，为伪随机
数，取值为0或1。
伪随机码的主要特性为其自相关函数为
伪随机码的自相关函数是一个尖锐的峰，脉冲宽度越小，波形越尖锐。当
趋近于0
时，上式接近
函数。
伪随机码的互相关特性为
其中，P1和P2为两个独立的伪随机码序列。
因此，利用这个特性则可以提取回波序列位置：用原始伪随机序列与探测器接收到的回波序列进行相关运算，从激光发射到相关峰值对应的时间间隔代表了激光脉冲序列从发出到由目标反射并返回探测器的时间间隔，由此则可给出目标的距离。本实施例中，伪随机码序列由伪随机编码器产生，再经过差分编码器后，产生差分伪随机码序列，通过任意波形发生器驱动电光相位调制器产生伪随机码差分相移键控（DPSK）调制激光。
差分相移键控（Differential Phase Shift Keying, DPSK）调制是一种相干调制方式，通过调制载波的相对相位来加载信息，即把要传递的数字信息加载在载波上相邻码元的相对相位变化的调制，称为相对调相。因此差分编码可以把绝对码转换为相对码（或差分码），编码规则遵循异或原理如图2所示，所述差分伪随机码序列可以表示为：
其中
是伪随机码，
为伪随机码序列码元宽度，
为码元总数，
是时间延迟为1个比特位的原码，
是差分编码，
是
异或运算符。
通过电光位相调制器把差分编码加载在输出光束的相位上，相邻前后码元的相移（即相位改变量）为0或π对应要传递的码元0或1。
所述回波信号表示为:
其中，
是振幅，
是目标距离，
是激光载频，为激光器初始相位，
为激光线
宽引入的主振频率偏离值，
是时间，
是目标速度引入的多普勒频移，
是光速，为大气湍流引入的噪声相位，
为激光放大器引入的噪声相位，
为
位相调制器引入的噪声相位；
如图3所示，所述的非等臂差分干涉仪两臂间的光程差为0.3米，对应1个比特位的时间
延迟，回波信号通过非等臂差分干涉仪，首先经过非等臂传输，两个支路的光程延迟对应1
比特位传输数据时间
，对应的光程为：
其中
是调制带宽；
两个支路光表示为：
，
其中
和
分别是两支路的振幅；
经过非等臂传输后，两个支路光进行干涉，干涉光场表示为：
再输入至光学桥接器，如图3-4所示，采用自由空间结构2×4 90º光学桥接器，由半波片#1、偏振分束棱镜#1、半波片#2、偏振分束棱镜#2、半波片#5、偏振分束组合棱镜#2、全反射棱镜#1、全反射棱镜#2、半波片#3、四分之一波片、半波片#4和偏振分束组合棱镜#1组成；经过2×4 90º光学桥接器混频后的干涉光场四路输出分别为：
，
其中
是回波信号混频中的噪声位相；
具有正交特性的同相信号和正交信号分别由高速光电平衡探测器进行接收，高速光电平衡探测器的带宽为1GHz，同相信号和正交信号输出分别为：
其中，
是同相信号的高速光电探测器响应率，
是正交信号的高速光电探测器
响应率。
由高速光电探测器采集同相信号和正交信号，高速光电探测器每个通道采样率5GHz，采集后的同相信号和正交信号经过高通滤波器后由高速模数转换器转换成数字信号，并由第一高速数据采集器采集，与此同时伪随机编码器产生的原伪随机码也有第二高速数据采集器采集，三通道数据输入主控计算机。为保证同步性,采用主控计算机控制的外触发电路同时给高速模数转换器和伪随机编码器提供触发信号，实现伪随机码的同步接收。
在主控计算机中，如果同相信号和正交信号的高速光电探测器响应率保持一致，通过反正切解相重建脉冲位相序列：
其中
为直流量，采用高通滤波器消除；
因此
，
对重建脉冲位相序列进行二值化处理：
得到重建的目标时间延迟后的伪随机码序列
；
将伪随机码序列经移位延迟
后，与重建的目标时间延迟后的伪
随机码序列进行互相关处理：
当移位延迟
时，相关函数出现峰值，得到远距离目标的视向距离信息，
距离分辨率为
；在三维空间坐标系
中，
，利用二维
扫描得到目标与
轴的夹角和目标与
轴的夹角
，由此计算出目标点的三维坐标：
最终利用三维坐标得到目标三维点云图。
经测试，本发明的测距分辨率为15cm，测距精度1mm，伪随机码序列的长度1024比特，重复频率为977kHz。
综上所述，本发明可以非常准确获得目标的三维位置信息，具有高抗干扰能力、整体系统小型化，运行容易的特点；此外，本发明不仅可以消除测距过程中目标运动多普勒频移导致的相关峰值展宽，还可以克服大气湍流对伪随机码相位调制测距的干扰，大幅度提高测距精度，同时还降低对激光器和放大器的要求，具有良好的发展前景。
Claims (8)
1.伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码，经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列经高速电光相位调制器对激光器的输出光束进行相位调制，得到伪随机码差分相移键控调制激光，将伪随机码差分相移键控调制激光发射至目标并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号；将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将原伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得远距离目标的高精度距离信息，再结合二维扫描的角度信息，经过坐标系变换得到目标的三维位置信息，最终生成三维点云图。
2.根据权利要求1所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：所述激光器的输出光束经起偏器起偏，用于提高偏振度，表示为：
其中，为激光器初始相位，
为输出光束主振频率为，为输出光束线宽引入的
主振频率偏离值，
是时间。
3.根据权利要求1所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：所述差分伪随机码序列表示为：
，
其中
是伪随机码，
为伪随机码序列码元宽度，为码元总数，
是时间延迟为1个比特位的原码，是差分编码，是
异或运算符。
4.根据权利要求3所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：所述伪随机码差分相移键控调制激光是通过电光位相调制器把差分编码加载在输出光束的相位上，相邻前后码元的相移为0或π对应要传递的码元0或1。
5.根据权利要求1所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：所述回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，得到相干接收信号具体过程是：
所述回波信号表示为:
其中，
是振幅，
是目标距离，是激光载频，
为激光器初始相位， 
为激光
线宽引入的主振频率偏离值，
是时间，是目标速度引入的多普勒频移，
是光速，
为大气湍流引入的噪声相位，
为激光放大器引入的噪声相位，为
位相调制器引入的噪声相位；
回波信号通过非等臂差分干涉仪，首先经过非等臂传输，两个支路的光程延迟对应1比
特位传输数据时间
，对应的光程为：
，
其中
是调制带宽；
两个支路光表示为：
，
其中
和
分别是两支路的振幅；
经过非等臂传输后，两个支路光进行干涉，干涉光场表示为：
经过2×4 90º光学桥接器混频后的干涉光场四路输出分别为：
其中
是回波信号混频中的噪声位相；
具有正交特性的同相信号和正交信号分别由高速光电平衡探测器进行接收，同相信号和正交信号输出分别为：
其中，
是同相信号的高速光电探测器响应率，
是正交信号的高速光电探测器
响应率。
6.根据权利要求5所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在于：将相干接收信号经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列的具体过程是：将同相信号和正交信号进行反正切解相重建脉冲位相序列：
其中为直流量，采用高通滤波器消除；
因此
，
对重建脉冲位相序列进行二值化处理：
得到重建的目标时间延迟后的伪随机码序列。
7.根据权利要求6所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，其特征在
于：所述三维点云图生成的具体过程是：将原伪随机码序列
经移位延迟
后，与重建的目标时间延迟后的伪随机码序列进行互相关处理：
当移位延迟时，相关函数出现峰值，得到远距离目标的视向距离信息
，
距离分辨率为
；在三维空间坐标系
中，
，利用二维
扫描得到目标与
轴的夹角
和目标与轴的夹角，由此计算出目标点的三维坐标：
最终利用三维坐标得到目标三维点云图。
8.实现如权利要求1-7任一项所述的伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法的装置，其特征在于：包括激光器（1），激光器（1）的输出端经起偏器（2）连接有高速电光位相调制器（3），高速电光位相调制器（3）的输出端依次连接有掺饵光纤放大器（4）、光学环形器（5）、二维扫描器（6）和光学望远镜（7）；所述光学环形器（5）的接收端经非等臂差分干涉仪（8）连接有光学桥接器（9）；所述光学桥接器（9）为2×4 90º光学桥接器；所述光学桥接器（9）经高速光电平衡探测器（10）连接有高通滤波器（11），高通滤波器（11）经高速模数转换器（12）连接有第一高数数据采集器（13）；所述第一高数数据采集器（13）的输出端连接有主控计算机（14），主控计算机（14）与二维扫描器（6）连接；所述主控计算机（14）还经外触发电路（15）连接有伪随机编码器（16），伪随机编码器（16）经差分编码器（17）连接有任意波形发生器（18），任意波形发生器（18）与高速电光位相调制器（3）连接；所述外触发电路（15）还与高速模数转换器（12）连接；所述主控计算机（14）与伪随机编码器（16）之间设有用于采集伪随机码的第二高速数据采集器（19）。
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