CN112731429A - 一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置，包括：控制模块用于产生正弦连续信号作为调制信号，根据调制信号生成由连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列，激光器用于根据调制脉冲序列产生激光脉冲光信号；耦合器用于将激光脉冲光信号分为探测光信号和参考光信号；发射光学系统用于发射探测光信号；接收光学系统用于接收回波光信号；第一光电探测器用于探测参考光信号；第二光电探测器用于探测回波光信号；第一脉冲记录模块用于记录参考光信号的各个脉冲时刻；第二脉冲记录模块用于记录回波光信号的各个脉冲时刻；信号处理模块用于计算得到被测目标的距离值。本发明能够获得较高测量精度和较大测程，并缩短测量时间，降低复杂度。

Description

一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置
技术领域
本发明涉及雷达测距技术领域，特别是涉及一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置。
背景技术
激光测距作为激光雷达中应用最早、研究最成熟的一门技术，随着激光技术和电子技术的发展，目前朝着高精度、大量程的方向发展，未来势必在多个领域得到更为广泛的应用。激光测距技术依据发射光的状态不同，通常分为脉冲激光测距和连续波激光测距。脉冲激光测距是通过直接测量激光脉冲往返的飞行时间来实现距离测量的，而连续波激光测距是发射连续波信号，通过检测回波信号与发射信号之间的相位延迟来确定距离。对比两种测距方法，连续波相位测距的测量精度高，但往往受峰值功率限制，其作用距离较短，测量时间较长，不利于进行高频测量，而脉冲激光测距以更高的峰值功率、更大的探测范围、更快的测量速度、重复频率高、结构简单的优点而广受青睐，但是测量精度不高。
为了解决测距中测程与测量精度之间的矛盾，目前存在以下改进：在脉冲激光测距中，通过对目标进行多次探测求取平均的方法来一定程度上消除随机误差，提高测量精度，或者通过提高时间鉴别精度和时间间隔测量精度来提高测量精度；在相位式激光测距中，采用等周期脉冲调制激光信号来代替连续光强调制激光信号，即脉冲出现的位置代表了初始连续调制信号的过零点位置，而激光脉冲信号的幅度和宽度不变，利用等周期激光脉冲信号往返于被测距离的相位差，求得被测距离，该方法既实现了脉冲测距的测程远，功耗小的优点，也获得了较高的测量精度。
然而，上述的脉冲激光测距改进方法，增加了探测时间，且适合近距离静态目标的测量，而时间鉴别技术和时间间隔测量技术有待进一步研究和发展；相位式激光测距的改进，除了需要对脉冲时刻进行鉴别，信号处理部分还需要额外的混频电路和数字鉴相电路，实现方式相对复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置，能够获得较高测量精度和较大测程，并缩短测量时间，降低复杂度。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置，包括控制模块、激光器、耦合器、发射光学系统、接收光学系统、第一光电探测器、第二光电探测器、第一脉冲记录模块、第二脉冲记录模块以及信号处理模块；
所述控制模块用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号，根据调制信号生成由连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列并发送至激光器，所述正弦连续信号的幅度值均大于0；
所述激光器用于根据所述脉冲位置调制序列产生激光脉冲光信号；
所述耦合器用于将所述激光脉冲光信号分为两部分，将一部分作为探测光信号传输至发射光学系统，另一部分作为参考光信号传输至第一光电探测器，所述探测光信号的功率大于参考光信号的功率；
所述发射光学系统用于将探测光信号发射到被测目标上；
所述接收光学系统用于接收被测目标反射或散射的回波光信号；
所述第一光电探测器用于探测参考光信号，并输入第一脉冲记录模块；
所述第二光电探测器用于探测回波光信号，并输入第二脉冲记录模块；
所述第一脉冲记录模块用于记录参考光信号的各个脉冲时刻；
所述第二脉冲记录模块用于记录回波光信号的各个脉冲时刻；
所述信号处理模块用于根据所述参考光信号和回波光信号的各个脉冲时刻拟合出调制信号的拟合信号，比较调制信号和拟合信号得到相位差，根据相位差计算得到被测目标的距离值。
优选的，所述控制模块包括调制信号产生电路、采样保持电路、斜坡信号产生电路、比较器和脉冲发生器；
所述调制信号产生电路用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号；
所述采样保持电路用于对调制信号进行连续采样并保持，将电压采样值输出比较器的正向输入端；
所述斜坡信号产生电路用于产生固定斜率的斜坡信号输出到比较器的反向输入端，并判断是否收到控制信号，在没有收到控制信号时，保持当前的斜坡信号持续输出，在收到控制信号时，终止输出当前的斜坡信号并重新产生新的斜坡信号输出到比较器的反向输入端；
所述比较器用于比较电压采样值和斜坡信号，在电压采样值和斜坡信号相等时，向斜坡信号产生电路和脉冲发生器输出控制信号；
所述脉冲发生器用于在接收到控制信号时触发生成调制脉冲，并将多个连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列发送至激光器。
优选的，所述信号处理模块采用非线性最小二乘拟合法进行拟合，所述拟合信号的拟合函数为：
x(t)＝a0cos(2πft)+b0sin(2πft)+c0
其中，t为脉冲时刻，x(t)为调制信号在脉冲时刻t对应的幅度值，f为预定频率，a0、b0和c0为待求解的拟合参数。
优选的，所述探测光信号和参考光信号的功率比为99:1。
优选的，所述探测光信号在发射之前，所述发射光学系统还用于对探测光信号进行准直、扩束。
优选的，所述第一脉冲记录模块和第二脉冲记录模块为事件计时器。
优选的，所述第一脉冲记录模块和第二脉冲记录模块为数据采集器。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1、通过采用事件计时器记录参考光信号和回波光信号的各个脉冲时刻，既能实现皮秒量级的时间分辨率，又能实现大量程的测距范围；
2、该调制方式对激光器的要求较低，实现方式灵活多样，来源于脉冲之间的最小时间间隔值由调制信号的最小幅度值决定的，而调制信号可以根据具体情况去设定；
3、通过拟合出调制信号的拟合信号，参考光信号和回波光信号的各个脉冲时刻参与拟合过程，相较于单脉冲测距而言，使得本发明获得较高测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例的基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置的原理结构图。
图2是控制模块的原理结构图。
图3是调制脉冲的生成示意图。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
参阅图1，本发明实施例的基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置包括控制模块1、激光器2、耦合器3、发射光学系统4、接收光学系统5、第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一脉冲记录模块8、第二脉冲记录模块9以及信号处理模块10；
控制模块1用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号，根据调制信号生成由连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列并发送至激光器2，正弦连续信号的幅度值均大于0。其中，正弦连续信号的任一处的幅度值均大于0。
激光器2用于根据调制脉冲序列产生激光脉冲光信号。其中，调制脉冲序列可以控制激光脉冲光信号的发射时刻。
耦合器3用于将激光脉冲光信号分为两部分，将一部分作为探测光信号传输至发射光学系统4，另一部分作为参考光信号传输至第一光电探测器6，探测光信号的功率大于参考光信号的功率，例如探测光信号和参考光信号的功率比为99:1。
发射光学系统4用于将探测光信号发射到被测目标上。在本实施例中，探测光信号在发射之前，发射光学系统4还用于对探测光信号进行准直、扩束。
接收光学系统5用于接收被测目标反射或散射的回波光信号。
第一光电探测器6用于探测参考光信号，并输入第一脉冲记录模块8。
第二光电探测器7用于探测回波光信号，并输入第二脉冲记录模块9。
第一脉冲记录模块8用于记录参考光信号的各个脉冲时刻。
第二脉冲记录模块9用于记录回波光信号的各个脉冲时刻。在本实施例中，第一脉冲记录模块8和第二脉冲记录模块9可以为事件计时器或者数据采集器，事件计时器可以精确记录脉冲时刻，数据采集器可以对参考光信号和回波光信号进行采样，结合滤波处理和脉冲时刻鉴别技术同样可以精确记录脉冲时刻。
信号处理模块10用于根据参考光信号和回波光信号的各个脉冲时刻拟合出调制信号的拟合信号，比较调制信号和拟合信号得到相位差，根据相位差计算得到被测目标的距离值。
如图2所示，在本实施例中，控制模块1包括调制信号产生电路11、采样保持电路12、斜坡信号产生电路13、比较器14和脉冲发生器15。
调制信号产生电路11用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号。正弦连续信号的幅度值均大于0，可添加直流分量来确保正弦连续信号为正。
采样保持电路12用于对调制信号进行连续采样并保持，将电压采样值输出比较器15的正向输入端。
斜坡信号产生电路13用于产生固定斜率的斜坡信号输出到比较器的反向输入端，并判断是否收到控制信号，在没有收到控制信号时，保持当前的斜坡信号持续输出，在收到控制信号时，终止输出当前的斜坡信号并重新产生新的斜坡信号输出到比较器的反向输入端。
比较器14用于比较电压采样值和斜坡信号，在电压采样值和斜坡信号相等时，向斜坡信号产生电路13和脉冲发生器15输出控制信号；
脉冲发生器15用于在接收到控制信号时触发生成调制脉冲，并将多个连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列发送至激光器。
控制模块1目的是生成调制脉冲序列，以此作为激光器2的触发信号，控制激光器2发射激光脉冲光信号。控制模块1可以采用模拟电路实现，也可以采用数字电路实现，例如通过FPGA编程实现。
脉冲序列的生成过程如图3所示，图中最上方为调制信号，调制信号为正弦信号且是连续的，调制信号下方为斜坡信号，斜坡信号的信号幅值随着时间增加从0开始不断增大，图中最下方为脉冲序列，当调制信号的电压采样值与斜坡信号相等时，比较器14输出一个控制信号，脉冲发生器15触发生成一个调制脉冲，而此时斜坡信号产生电路13又重新生成一个斜坡信号，该斜坡信号的信号幅值又从0开始随着时间不断增大，这个过程不断重复，从而得到多个连续的调制脉冲，最终形成调制脉冲序列。其中，多个连续的调制脉冲是指多个调制脉冲的生成顺序是连续的。
从图3中可以看出，调制信号的幅度值均大于0，且调制信号的幅度值xi与相邻调制脉冲的时间间隔值ti-ti-1呈比例关系，比值为斜坡信号的固定斜率K，其表达式为：
xi＝K·(ti-ti-1)
其中，i大于等于1。
在本实施例中，信号处理模块10优选采用非线性最小二乘拟合法进行拟合。拟合信号的拟合函数为：
x(t)＝a0cos(2πft)+b0sin(2πft)+c0
其中，t为脉冲时刻，x(t)为调制信号在脉冲时刻t对应的幅度值，f为预定频率，a0、b0和c0为待求解的拟合参数。
记录的脉冲时刻t1,t2,...,tn对应的调制信号的幅度值为x1,x2,...,xn，预定频率为已知，那么拟合函数可表示为离散形式：
x(ti)＝a0cos(2πfti)+b0sin(2πfti)+c0
为了确定a0、b0和c0的取值，结合最小二乘原理可知，需使下式残差平方和最小：
Figure BDA0002827786220000061
其中，a、b和c即为a0、b0和c0的最小二乘拟合值。建立方程组，由于方程个数大于方程未知参数个数，因此为超定方程组，为非线性回归问题，整个拟合过程绝对收敛。当a、b和c确定后，即可以得到拟合信号，且其相位值为：
Figure BDA0002827786220000062
比较调制信号和拟合信号得到相位差ΔΦ，根据相位差计算得到被测目标的距离值：
Figure BDA0002827786220000063
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (7)

1.一种基于脉冲位置调制的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，包括控制模块、激光器、耦合器、发射光学系统、接收光学系统、第一光电探测器、第二光电探测器、第一脉冲记录模块、第二脉冲记录模块以及信号处理模块；
所述控制模块用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号，根据调制信号生成由连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列并发送至激光器，所述正弦连续信号的幅度值均大于0；
所述激光器用于根据所述调制脉冲序列产生激光脉冲光信号；
所述耦合器用于将所述激光脉冲光信号分为两部分，将一部分作为探测光信号传输至发射光学系统，另一部分作为参考光信号传输至第一光电探测器，所述探测光信号的功率大于参考光信号的功率；
所述发射光学系统用于将探测光信号发射到被测目标上；
所述接收光学系统用于接收被测目标反射或散射的回波光信号；
所述第一光电探测器用于探测参考光信号，并输入第一脉冲记录模块；
所述第二光电探测器用于探测回波光信号，并输入第二脉冲记录模块；
所述第一脉冲记录模块用于记录参考光信号的各个脉冲时刻；
所述第二脉冲记录模块用于记录回波光信号的各个脉冲时刻；
所述信号处理模块用于根据所述参考光信号和回波光信号的各个脉冲时刻拟合出调制信号的拟合信号，比较调制信号和拟合信号得到相位差，根据相位差计算得到被测目标的距离值。
2.根据权利要求1所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述控制模块包括调制信号产生电路、采样保持电路、斜坡信号产生电路、比较器和脉冲发生器；
所述调制信号产生电路用于产生预定频率的正弦连续信号作为调制信号；
所述采样保持电路用于对调制信号进行连续采样并保持，将电压采样值输出比较器的正向输入端；
所述斜坡信号产生电路用于产生固定斜率的斜坡信号输出到比较器的反向输入端，并判断是否收到控制信号，在没有收到控制信号时，保持当前的斜坡信号持续输出，在收到控制信号时，终止输出当前的斜坡信号并重新产生新的斜坡信号输出到比较器的反向输入端；
所述比较器用于比较电压采样值和斜坡信号，在电压采样值和斜坡信号相等时，向斜坡信号产生电路和脉冲发生器输出控制信号；
所述脉冲发生器用于在接收到控制信号时触发生成调制脉冲，并将多个连续的调制脉冲组成的调制脉冲序列发送至激光器。
3.根据权利要求2所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述信号处理模块采用非线性最小二乘拟合法进行拟合，所述拟合信号的拟合函数为：
x(t)＝a0cos(2πft)+b0sin(2πft)+c0
其中，t为脉冲时刻，x(t)为调制信号在脉冲时刻t对应的幅度值，f为预定频率，a0、b0和c0为待求解的拟合参数。
4.根据权利要求3所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述探测光信号和参考光信号的功率比为99:1。
5.根据权利要求1所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述探测光信号在发射之前，所述发射光学系统还用于对探测光信号进行准直、扩束。
6.根据权利要求1所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述第一脉冲记录模块和第二脉冲记录模块为事件计时器。
7.根据权利要求1所述的相位式激光雷达测距装置，其特征在于，所述第一脉冲记录模块和第二脉冲记录模块为数据采集器。
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