CN112953645A - 一种同时实现激光测距与通信的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同时实现激光测距与通信的系统与方法，属于测量和通信技术领域，本发明的系统在进行激光测距的同时进行激光通信，提出了基于双脉冲间隔调制(DPIM)的激光测距和通信的同时实现方法，通过向空间中连续发射两个不同时间间隔的脉冲信号，时间间隔短的双脉冲信号表示逻辑1，时间间隔长的双脉冲信号表示逻辑0，从而实现空间光通信，同时接收双脉冲激光的回波信号来实现测距。该方法可以用于多个激光雷达通信和成像的应用场合，因而该方法在多个激光雷达编码和通信等场景具有一定的应用价值。

Description

一种同时实现激光测距与通信的系统与方法

技术领域

本发明属于测量和通信技术领域，具体涉及一种同时实现激光测距与通信的系统与方法。

背景技术

随着激光技术和人工智能的飞速发展，激光雷达作为无人驾驶技术的核心部件得到了重大突破。随着无人驾驶技术的发展，激光雷达将会成为汽车的标准配件，多个激光雷达将会在同一个应用场景中存在，那么如果激光雷达仅具有单一的光束扫描和测距功能，雷达之间必然存在互相干扰的现象，这对激光雷达的实际应用是非常不利的。因此，兼具光束扫描、测距和通信功能为一体的激光雷达的是其技术发展趋势。

目前激光测距方法一般包括三角法、脉冲法、相位法和调频连续波(FMCW)法。激光空间通信技术是目前相对较先进的一种通信技术，相比于传统的无线电通信技术，它具有高带宽、远距离、高保密性等优势。目前，空间光通信的调制方式包括开关键控(OOK)调制、脉冲位置调制(PPM)、脉冲宽度调制(PWM)和脉冲间隔调制(PIM)等，在这些调制方式中PPM、PWM和DPIM的平均符号长度差别不大，约为PIM的两倍，OOK和PWM的平均发射功率最高，而PIM平均发射功率基本上是PPM的两倍，虽然OOK方式的平均符号长度最短，但是它的平均发射功率最大，传输带宽上，PPM、PWM和DPIM的传输带宽基本差不多，约为PIM方式的两倍。信道容量上，PPM、PWM和DPIM的信道容量基本差不多，约为PIM方式的一半。在硬件架构上，OOK、PPM和PIM方式均需要发射系统和接收系统严格同步才能保证数据不会出现位错，从而实现数据的有效传输。

发明内容

针对现有激光雷达和激光测距功能单一、多个系统在同一场景中应用容易产生干扰的问题，本发明提出了一种同时实现激光测距与通信的方法与系统，该方法在进行激光测距的同时进行激光通信，该方法提出了基于双脉冲间隔调制(DPIM)的激光测距和通信的同时实现方法，通过向空间中连续发射两个不同时间间隔的脉冲信号，时间间隔短的双脉冲信号表示逻辑1，时间间隔长的双脉冲信号表示逻辑0，从而实现空间光通信，同时接收双脉冲激光的回波信号来实现测距。该方法可以用于多个激光雷达通信和成像的应用场合，因而该方法在多个激光雷达编码和通信等场景具有一定的应用价值。

本发明通过如下技术方案实现：

一种同时实现激光测距与通信的系统，包括源端发射机1、宿端接收机2、激光二极管3及雪崩光电二极管；所述源端发射机1驱动激光二极管3发射双脉冲激光，连接到宿端接收机2的宿端雪崩光电二极管4接收信号，双脉冲激光在宿端接收机2产生回波信号，连接到源端发射机1的源端雪崩光电二极管5接收回波信号并得到测距距离。

进一步地，所述源端发射机1由源端微控制器6、源端现场可编程逻辑门阵列7、脉冲发射电路8、时间数字转换器9及脉冲接收电路10组成，所述源端微控制器6用于对数据源进行解码，并将解码后的数据传输给源端现场可编程逻辑门阵列7，在现场可编程逻辑门阵列7中进行处理后得到信号TXD，源端现场可编程逻辑门阵列7发送信号TXD触发脉冲发射电路8驱动激光二极管3产生双脉冲激光；源端雪崩光电二极管5接收宿端接收机2产生的回波信号送入脉冲接收电路10，脉冲接收电路10产生的接收信号RXD1送入源端现场可编程逻辑门阵列7，在源端现场可编程逻辑门阵列7的内部解调RXD1信号即可得到发送的数据，源端现场可编程逻辑门阵列7产生的窗口信号Window送入时间数字转换器9的Stop1接口，源端现场可编程逻辑门阵列7获取RXD1的脉冲头信号RXD-Head送入时间数字转换器9的Stop2接口，时间数字转换器9得到飞行时间ToF数据送入源端现场可编程逻辑门阵列7中，源端现场可编程逻辑门阵列7将距离送入源端微控制器6中即可得到距离。

进一步地，所述宿端接收机2由脉冲接收电路11、第二现场可编程逻辑门阵列12及第二微控制器13组成，宿端雪崩光电二极管4采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路11用于将宿端雪崩光电二极管4中的光电流转换为电压脉冲输出RXD2信号送入到第二现场可编程逻辑门阵列12中，第二现场可编程逻辑门阵列12解调RXD2信号并将数据送入第二微控制器13中，第二微控制器13对数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据。

进一步地，所述源端现场可编程逻辑门阵列7由双脉冲调制模块、双脉冲解调模块、TDC控制模块、数据发送模块、数据接收模块和ToF数据接收模块组成；所述数据发送模块读取源端微控制器6中的数据并发送给双脉冲调制模块，双脉冲调制模块发送TXD信号驱动脉冲激光发射电路8输出脉冲激光，脉冲激光接收电路10输出的RXD信号发送到双脉冲解调模块，双脉冲解调模块将数据发送至数据接收模块，数据接收模块将数据发送到源端微控制器6中，时间数字转换器9与TDC控制模块连接实现控制和数据读取，双脉冲调制模块将窗口信号送入时间数字转换器9的Stop1接口，所述窗口信号和RXD信号通过与门来提取RXD的脉冲头信号RXD-Head，送入时间数字转换器9的Stop2接口，时间数字转换器9读取Stop1和Stop2的时间间隔即可得到飞行时间数据。

进一步地，所述双脉冲调制模块由并串转换器、两个双脉冲发生器及判别器和控制器组成，所述并串转换器将单片机传输进来的并行数据转换为串行数据逐个发送到判别器，两个双脉冲发生器分别为双脉冲发生器A及双脉冲发生器B，设双脉冲发生器A的脉冲时间间隔为T₁，代表逻辑1，设双脉冲发生器B的脉冲时间间隔为T₂，代表逻辑0，判别器读取数据，如果数据为1则双脉冲发生器A接通电路，如果数据为0则双脉冲发生器B接通电路，判别器读取一系列数据，则不同时间间隔的双脉冲在判别器中输出。

进一步地，所述双脉冲解调模块由信号转换器、位计数器、脉宽测量器、判别器及并串转换模块组成，所述信号转换器由一个D触发器构成，用于将脉冲信号转为高低电平信号，传输给脉宽测量电路进行测量，判别器用于将脉宽测量电路测量得到的信号传送给并串转换器，并结合位计数器的信息将并行数据转为串行数据从而便于单片机的接收。

进一步地，所述时间数字转换器9采用艾迈斯半导体公司(AMS)的时间数字转换器芯片TDC-GPX2来进行飞行时间(ToF)的测量，该芯片具有四个Stop通道和一个参考信号(Refclk)通道，采用低压差分接口(LVDS)或通用串行外设接口(SPI)进行数据读取和控制，该芯片的测量分辨率达20ps。

本发明的另一目的在于提供了一种同时实现激光测距与通信的方法，具体步骤如下：

首先，源端微控制器MCU将对数据源(文本、图片、音频等)进行解码，将解码后的数据送入源端现场可编程逻辑门阵列FPGA，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA的发送信号TXD触发脉冲发射电路驱动激光二极管LD产生双脉冲激光，宿端雪崩光电二极管接收回波信号送入脉冲接收电路，脉冲接收电路产生的接收信号RXD1送入宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，在宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA内部解调RXD1信号即可得到发送的数据，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA产生的窗口信号(Window)送入时间数字转换器TDC的Stop1接口，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA获取RXD1的脉冲头信号(RXD-Head)送入时间数字转换器TDC的Stop2接口，时间数字转换器TDC得到飞行时间(ToF)数据送入源端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA将数据处理后送入源端微控制器中即可得到距离；宿端APD采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路将源端雪崩光电二极管中的光电流转换为电压脉冲输出RXD2信号送入到宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA解调RXD2信号并将数据送入宿端微控制器MCU中，宿端微控制器MCU对数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据。

进一步地，所述距离通过如下公式获得：

其中，t_TOF为测量窗口信号上升沿与回波信号脉冲头的上升沿的时间间隔，t_REF为时间数字转换器的参考时钟输入信号Refclk的周期，c为大气中光的传播速度，t_REF为参考时钟输入信号的周期，N₁、N₂分别为stop1和stop2通道的第N个脉冲，t_stop1和t_stop2为参考时钟输入信号Refclk的第N.x(x＝1,2)个信号上升沿与Stop.x(x＝1,2)的上升沿的时间间隔。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1、本发明的系统通过将脉冲激光测距和脉冲信号调制相结合，同时实现激光测距和通信，系统集成容易；

2、FPGA实现双脉冲间隔调制(DPIM)来行激光通信，采用TDC来同时实现激光测距，器件价格便宜，成本较低；

3、采用非门传输延迟将脉冲信号变窄，将脉冲激光的脉宽控制在5ns以内，降低激光平均功率的同时实现提高峰值功率，从而提高测量和通信距离；

4、采用时间窗信号对回波脉冲头进行提取，测距电路不响应时间窗以外的信号，从而防止测距的过程中受外界信号的干扰；

5、在进行激光测距的同时读取回波信号的编码，如果发射信号的编码数据与回波信号的编码数据不同则信号受到了外部干扰，丢弃测距数据重新进行测量，进一步防止外界信号的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1本发明的一种同时实现激光测距与通信的系统框图；

其中：源端发射机1、宿端接收机2、激光二极管3、宿端雪崩光电二极管4、源端雪崩光电二极管5、源端微控制器6、源端现场可编程逻辑门阵列7、脉冲发射电路8、时间数字转换器9、脉冲接收电路10、脉冲接收电路11、第二现场可编程逻辑门阵列12、第二微控制器13、Data1.源端数据；Distance.距离数据；TXD.发射调制信号；RXD1.回波待解调信号；Window.时间窗信号；RXD-Head.回波脉冲头信号；Stop1.TDC的停止通道1；Stop2.TDC的停止通道2；RXD2.接收到的待解调信号；Data2.宿端数据；

图2本发明的源端现场可编程逻辑门阵列的工作原理示意图；

图3双脉冲调制原理图；

图4双脉冲解调原理图；

其中：RXD.回波待解调信号或接收到的待解调信号；Convert.转换信号；T₁.双脉冲A的时间间隔(代表逻辑1)；T₂.双脉冲B的时间间隔(代表逻辑0)；

图5双脉冲调制模块的调制电路图；

其中：DATA[7..0].待写入的并行数据(8位)；CLK.时钟信号；WRITE.数据写入信号；TXD.发射调制信号；NOT1、NOT2、NOT3.非门；AND.与门；GaN MOS.氮化镓场效应管(N-MOSFET)；V_LD.激光二极管偏置电压；

图6双脉冲解调模块的解调电路图；

其中：TIA.跨阻放大器；AMP.二级放大器；COMP.比较器；R₁、R₂、R₃.电阻；V_REF.比较器比较电压；RXD.回波待解调信号或接收到的待解调信号；CLK.时钟信号；Convert.转换信号；DATA[7..0].待输出的并行数据(8位)；WAIT.数据等待信号；READ.读取数据信号；

图7TDC-GPX2测量原理图；

其中：Refclk.TDC-GPX2的参考信号；Stop1、Stop2、Stop3、Stop4.TDC-GPX2的4个停止通道；LVDS.TDC-GPX2的低压差分接口；SPI.TDC-GPX2的串行外设接口；t.待测量的时间；t_REF.Refclk信号的周期；#N.Refclk的第N个脉冲；t_STOP.Refclk的第N个脉冲和Stop.x(x＝1,2,3,4)脉冲的时间间隔。

图8回波脉冲头信号提取图；

其中：TXD.发射调制信号；Window.时间窗信号；RXD.回波待解调信号或接收到的待解调信号；RXD-Head.回波脉冲头信号；t_TOF.飞行时间。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例1

如图1所示，一种同时实现激光测距与通信的系统，包括源端发射机1、宿端接收机2、激光二极管(LD)3及雪崩光电二极管；所述源端发射机1驱动激光二极管3发射双脉冲激光，连接到宿端接收机2的宿端雪崩光电二极管4接收信号，双脉冲激光在宿端接收机2产生回波信号，连接到源端发射机1的源端雪崩光电二极管5接收回波信号并得到测距距离。

所述源端发射机1由源端微控制器(MCU)6、源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7、脉冲发射电路8、时间数字转换器(TDC)9及脉冲接收电路10组成，所述源端微控制器(MCU)6用于对数据源(文本、图片、音频等)进行解码，并将解码后的数据传输给源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7，在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7中进行处理后得到信号TXD，源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7发送信号TXD触发脉冲发射电路8驱动激光二极管(LD)3产生双脉冲激光；源端雪崩光电二极管5接收宿端接收机2产生的回波信号送入脉冲接收电路10，脉冲接收电路10产生的接收信号RXD1送入源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7，在源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7的内部解调RXD1信号即可得到发送的数据，源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7产生的窗口信号Window送入时间数字转换器(TDC)9的Stop1接口，源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7获取RXD1的脉冲头信号RXD-Head送入时间数字转换器(TDC)9的Stop2接口，时间数字转换器(TDC)9得到飞行时间ToF数据送入源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7中，源端现场可编程逻辑门阵列(FPGA)7将距离送入源端微控制器(FPGA)6中即可得到距离。

所述宿端接收机2由脉冲接收电路11、第二现场可编程逻辑门阵列12及第二微控制器13组成，宿端雪崩光电二极管4采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路11用于将宿端雪崩光电二极管4中的光电流转换为电压脉冲输出RXD2信号送入到第二现场可编程逻辑门阵列12中，第二现场可编程逻辑门阵列12解调RXD2信号并将数据送入第二微控制器13中，第二微控制器13对数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据。

如图2所示，本发明所述的源端现场可编程逻辑门阵列7由双脉冲调制模块、双脉冲解调模块、TDC控制模块、数据发送模块、数据接收模块和ToF数据接收模块组成；所述数据发送模块读取源端微控制器6中的数据并发送给双脉冲调制模块，双脉冲调制模块发送TXD信号驱动脉冲激光发射电路8输出脉冲激光，脉冲激光接收电路10输出的RXD信号发送到双脉冲解调模块，双脉冲解调模块将数据发送至数据接收模块，数据接收模块将数据发送到源端微控制器6中，时间数字转换器9与TDC控制模块连接实现控制和数据读取，双脉冲调制模块将窗口信号送入时间数字转换器9的Stop1接口，所述窗口信号和RXD信号通过与门来提取RXD的脉冲头信号RXD-Head，送入时间数字转换器9的Stop2接口，时间数字转换器9读取Stop1和Stop2的时间间隔即可得到飞行时间数据。

如图5所示，本发明所述的双脉冲调制模块由并串转换器、两个双脉冲发生器及判别器和控制器组成，所述并串转换器将单片机传输进来的并行数据转换为串行数据逐个发送到判别器，两个双脉冲发生器分别为双脉冲发生器A及双脉冲发生器B，设双脉冲发生器A的脉冲时间间隔为T₁，代表逻辑1，设双脉冲发生器B的脉冲时间间隔为T₂，代表逻辑0，判别器读取数据，如果数据为1则双脉冲发生器A接通电路，如果数据为0则双脉冲发生器B接通电路，判别器读取一系列数据，则不同时间间隔的双脉冲在判别器中输出。

具体地，并串转换器将并行数据转换为串行数据逐个发送到判别器，判别器根据数据0或1选择两个双脉冲发生器中的一路输出到脉冲激光发射电路。脉冲激光发射电路中的脉冲缩短电路将双脉冲调制器的输出信号(TXD)的脉冲宽度进行缩短来驱动栅极驱动器，栅极驱动器驱动N-MOSFET来控制LD的导通来实现脉冲激光输出。升压电压为LD提供一个较高的电压，由于LD导通瞬间电流极大(峰值脉冲电流达10A以上)，采用一个储能电容为LD提供大电流输出。采用门电路延迟来获得窄脉冲，具体采用的是德州仪器公司(TI)生产的非门芯片SN74LVC1G04来实现延迟，单个SN74LVC1G04的传输延迟为2.5ns，这里采用3个SN74LVC1G04实现延迟，传输延迟为7.5n，取脉冲的半高宽为脉冲宽度，测量值为3.57ns，采用不同个数的非门可以得到不同的脉冲宽度。

如图6所示，本发明所述的双脉冲解调模块由信号转换器、位计数器、脉宽测量器、判别器及并串转换模块组成，所述信号转换器由一个D触发器构成，用于将脉冲信号转为高低电平信号，传输给脉宽测量电路进行测量，判别器用于将脉宽测量电路测量得到的信号传送给并串转换器，并结合位计数器的信息将并行数据转为串行数据从而便于单片机的接收。

如果接收端(RXD)接收到的二进制数据为1001，设1对应的双脉冲时间间隔较窄，为，设0对应的双脉冲时间间隔较宽，为。通过转换器得到转换信号(Convert)，通过测量Convert信号的脉冲宽度T，判别脉宽大小即可分辨出数据Data是1或0。即：

脉冲激光接收电路中的跨阻放大器(TIA)将APD光电流I转换为电压V₁，二级放大器对电压V₁进一步放大得到电压V₂，即：

设跨阻R₁＝200KΩ，电阻R₂＝100Ω，R₃＝510Ω，二级放大倍数为5.1倍。比较器(COMP)对电压信号V₂进行整形，当V₂>V_REF时输出高电平，当V₂<V_REF时输出低电平。这里取V_REF＝0.8V。RXD信号在双脉冲解调器内部使用一个D触发器转换为图4中的转换信号，脉宽测量电路测量图4中转换信号的脉冲宽度，测量到T₁即为逻辑1，测量到T₂即为数据0，位计数器通过计数来获取所接收8比特数据所在的位，串并转换器将串行数据转换为并行数据输出。

所述时间数字转换器9采用艾迈斯半导体公司(AMS)的时间数字转换器芯片TDC-GPX2来进行飞行时间(ToF)的测量，该芯片具有四个Stop通道和一个参考信号(Refclk)通道，采用低压差分接口(LVDS)或通用串行外设接口(SPI)进行数据读取和控制，该芯片的测量分辨率达20ps。

实施例2

本实施例提供了一种同时实现激光测距与通信的方法，具体步骤如下：

首先源端MCU将对数据源(文本、图片、音频等)进行解码，将解码后的数据送入源端FPGA，源端FPGA的发送信号TXD触发脉冲发射电路驱动LD产生双脉冲激光。APD接收回波信号送入脉冲接收电路，脉冲接收电路产生的接收信号RXD1送入宿端FPGA中，在宿端FPGA内部解调RXD1信号即可得到发送的数据，源端FPGA产生的窗口信号(Window)送入时间数字转换器(TDC)的Stop1接口，源端FPGA获取RXD1的脉冲头信号(RXD-Head)送入TDC的Stop2接口，TDC得到飞行时间(ToF)数据送入源端FPGA中，源端FPGA将距离送入MCU中即可得到距离。宿端APD采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路(11)将APD(4)中的光电流转换为电压脉冲输出RXD2信号送入到宿端FPGA中，宿端FPGA解调RXD2信号并将数据送入宿端MCU中，宿端MCU对数据进行编码，得到文本、图片、音频等数据。

图7的时序图显示了TDC-GPX2的测量原理，Refclk为参考时钟输入信号，设其周期为t_REF，Refclk的第N#个信号上升沿与Stop.x(x＝1,2,3,4)的上升沿的时间间隔为t_STOP.x。则4个通道的测量结果为：

这4个通道的测量结果为相对值，要得到绝对的时间间隔只需要将两个Stop通道的值相减即可，例如Stop1和Stop2的时间间隔T21为：

T₂₁＝(N₂-N₁)t_REF+t_STOP2-t_STOP1 (4)

本系统只使用两个Stop通道，这里使用Stop1和Stop2，由于光通信中我们是连续发送1个字节的数据，1个字节包含了16个脉冲，同时也将产生16个回波脉冲。为了方便测量只检测1个字节的脉冲头和其回波的时间间隔来进行飞行时间测量。如图8所示，利用状态机在发射调制信号(TXD)上同步一个窗口信号(Window)，将窗口信号与回波脉冲(RXD)相与就可以提取回波信号的脉冲头(RXD-Head)，窗口信号的上升沿与发射信号的脉冲头的上升同步，测量窗口信号上升沿与回波信号脉冲头的上升沿的时间间隔tTOF即可得到飞行时间。只有发射TXD信号才产生窗口信号，如果没有TXD信号，外来信号无法产生回波，这样其它激光雷达发射过来的脉冲会被滤除掉。另一方面，对RXD信号就行检测，如果TXD和RXD相同才证明回波与发射信号相同，这样的双重保险可以保证系统不会受到外来脉冲信号的干扰。采用时间窗不断可以快速提取测距信息还可以保证不受外来信号干扰，非常适合多个激光雷达的应用场合。

即测量距离为：

其中c为大气中光的传播速度，窗口信号(Window)连接到TDC-GPX2的Stop1，回波信号脉冲头(RXD-Head)连接到TDC-GPX2的Stop2，tTOF即为Stop2和Stop1脉冲上升沿的时间间隔。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，包括源端发射机(1)、宿端接收机(2)、激光二极管(3)及雪崩光电二极管；所述源端发射机(1)驱动激光二极管(3)发射双脉冲激光，连接到宿端接收机(2)的宿端雪崩光电二极管(4)接收信号，双脉冲激光在宿端接收机(2)产生回波信号，连接到源端发射机(1)的源端雪崩光电二极管(5)接收回波信号并得到测距距离。

2.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述源端发射机(1)由源端微控制器(6)、源端现场可编程逻辑门阵列(7)、脉冲发射电路(8)、时间数字转换器(9)及脉冲接收电路(10)组成，所述源端微控制器(6)用于对数据源进行解码，并将解码后的数据传输给源端现场可编程逻辑门阵列(7)，在现场可编程逻辑门阵列(7)中进行处理后得到信号TXD，源端现场可编程逻辑门阵列(7)发送信号TXD触发脉冲发射电路(8)驱动激光二极管(3)产生双脉冲激光；源端雪崩光电二极管(5)接收宿端接收机(2)产生的回波信号送入脉冲接收电路(10)，脉冲接收电路(10)产生的接收信号RXD(1)送入源端现场可编程逻辑门阵列(7)，在源端现场可编程逻辑门阵列(7)的内部解调RXD(1)信号即可得到发送的数据，源端现场可编程逻辑门阵列(7)产生的窗口信号Window送入时间数字转换器(9)的Stop(1)接口，源端现场可编程逻辑门阵列(7)获取RXD(1)的脉冲头信号RXD-Head送入时间数字转换器(9)的Stop(2)接口，时间数字转换器(9)得到飞行时间ToF数据送入源端现场可编程逻辑门阵列(7)中，源端现场可编程逻辑门阵列(7)将距离送入源端微控制器(6)中即可得到距离。

3.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述宿端接收机(2)由脉冲接收电路(11)、第二现场可编程逻辑门阵列(12)及第二微控制器(13)组成，宿端雪崩光电二极管(4)采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路(11)用于将宿端雪崩光电二极管(4)中的光电流转换为电压脉冲输出RXD(2)信号送入到第二现场可编程逻辑门阵列(12)中，第二现场可编程逻辑门阵列(12)解调RXD(2)信号并将数据送入第二微控制器(13)中，第二微控制器(13)对数据进行编码，得到文本、图片、音频数据。

4.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述源端现场可编程逻辑门阵列(7)由双脉冲调制模块、双脉冲解调模块、TDC控制模块、数据发送模块、数据接收模块和ToF数据接收模块组成；所述数据发送模块读取源端微控制器(6)中的数据并发送给双脉冲调制模块，双脉冲调制模块发送TXD信号驱动脉冲激光发射电路(8)输出脉冲激光，脉冲激光接收电路(10)输出的RXD信号发送到双脉冲解调模块，双脉冲解调模块将数据发送至数据接收模块，数据接收模块将数据发送到源端微控制器(6)中，时间数字转换器(9)与TDC控制模块连接实现控制和数据读取，双脉冲调制模块将窗口信号送入时间数字转换器(9)的Stop1接口，所述窗口信号和RXD信号通过与门来提取RXD的脉冲头信号RXD-Head，送入时间数字转换器(9)的Stop2接口，时间数字转换器(9)读取Stop1和Stop2的时间间隔即可得到飞行时间数据。

5.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述双脉冲调制模块由并串转换器、两个双脉冲发生器及判别器和控制器组成，所述并串转换器将单片机传输进来的并行数据转换为串行数据逐个发送到判别器，两个双脉冲发生器分别为双脉冲发生器A及双脉冲发生器B，设双脉冲发生器A的脉冲时间间隔为T₁，代表逻辑1，设双脉冲发生器B的脉冲时间间隔为T₂，代表逻辑0，判别器读取数据，如果数据为1则双脉冲发生器A接通电路，如果数据为0则双脉冲发生器B接通电路，判别器读取一系列数据，则不同时间间隔的双脉冲在判别器中输出。

6.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述双脉冲解调模块由信号转换器、位计数器、脉宽测量器、判别器及并串转换模块组成，所述信号转换器由一个D触发器构成，用于将脉冲信号转为高低电平信号，传输给脉宽测量电路进行测量，判别器用于将脉宽测量电路测量得到的信号传送给并串转换器，并结合位计数器的信息将并行数据转为串行数据从而便于单片机的接收。

7.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统，其特征在于，所述时间数字转换器(9)采用艾迈斯半导体公司(AMS)的时间数字转换器芯片TDC-GPX2来进行飞行时间(ToF)的测量，该芯片具有四个Stop通道和一个参考信号(Refclk)通道，采用低压差分接口(LVDS)或通用串行外设接口(SPI)进行数据读取和控制，该芯片的测量分辨率达20ps。

8.一种同时实现激光测距与通信的方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的系统实现，具体步骤如下：

首先，源端微控制器MCU将对数据源进行解码，将解码后的数据送入源端现场可编程逻辑门阵列FPGA，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA的发送信号TXD触发脉冲发射电路驱动激光二极管LD产生双脉冲激光，宿端雪崩光电二极管接收回波信号送入脉冲接收电路，脉冲接收电路产生的接收信号RXD1送入宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，在宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA内部解调RXD1信号即可得到发送的数据，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA产生的窗口信号(Window)送入时间数字转换器TDC的Stop1接口，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA获取RXD1的脉冲头信号(RXD-Head)送入时间数字转换器TDC的Stop2接口，时间数字转换器TDC得到飞行时间(ToF)数据送入源端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，源端现场可编程逻辑门阵列FPGA将数据处理后送入源端微控制器中即可得到距离；宿端APD采集信道中的双脉冲光信号，脉冲接收电路将源端雪崩光电二极管中的光电流转换为电压脉冲输出RXD2信号送入到宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA中，宿端现场可编程逻辑门阵列FPGA解调RXD2信号并将数据送入宿端微控制器MCU中，宿端微控制器MCU对数据进行编码，得到文本、图片、音频数据。

9.如权利要求1所述的一种同时实现激光测距与通信的方法，其特征在于，

所述距离通过如下公式获得：

其中，t_TOF为测量窗口信号上升沿与回波信号脉冲头的上升沿的时间间隔，t_REF为时间数字转换器的参考时钟输入信号Refclk的周期，c为大气中光的传播速度，t_REF为参考时钟输入信号的周期，N₁、N₂分别为stop1和stop2通道的第N个脉冲，t_stop1和t_stop2为参考时钟输入信号Refclk的第N.x(x＝1,2)个信号上升沿与Stop.x(x＝1,2)的上升沿的时间间隔。

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