CN113376646A - 一种激光测距与通信一体化激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光测距与通信一体化激光雷达，包括：测量主机和合作目标；所述合作目标固定在被测物体上且与被测物体通信连接；所述测量主机采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式对距离信息和角度信息进行调制并发送至所述合作目标，所述合作目标将接收到的距离信息和角度信息发送至所述被测物体，其中，所述距离信息包括所述测量主机与所述被测物体之间的距离，所述角度信息包括所述被测物体的俯仰角信息和方位角信息。本发明通过改变相邻脉冲时间间隔对通信信息进行调制，能够实现较远距离的激光通信。

Description

一种激光测距与通信一体化激光雷达

技术领域

本发明涉及通信与测量领域，特别是涉及一种激光测距与通信一体化激光雷达。

背景技术

激光由于单色性优、方向性好以及抗干扰能力强的特点，被广泛应用于通信与测量领域，尤其在空间交会对接、星地激光通信以及车载激光雷达等方面均采用激光光源来完成测量与通信任务。在星地激光通信中，采用激光测量与激光通信相结合的方式进行星地信息互传，但在通信过程中，若要实现远距离通信，激光发射单元与接收单元体积都较大，应用范围受到限制，通常仅应用于深空探测环境。

在现有技术中，能同时满足空间应用环境与大气层内应用环境，并且能够进行高精度测量与实时通信的功能的小型化激光雷达的通信距离十分有限，因此，亟需一种激光测距与通信功能一体化的小型化激光雷达，以实现被测端与测量端的远距离激光测距与通信。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光测距与通信功能一体化激光雷达，能够实现较远距离的激光通信。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述激光测距与通信一体化激光雷达包括：测量主机和合作目标；所述合作目标固定在被测物体上且与被测物体通信连接；所述测量主机采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式对测量得到的距离信息和角度信息进行调制并发送至所述合作目标，所述合作目标将接收到的距离信息和角度信息发送至所述被测物体，其中，所述距离信息包括所述测量主机与所述合作目标之间的距离，所述角度信息包括所述合作目标的俯仰角信息和方位角信息。

可选地，在所述调制方式中，所述脉冲时间间隔范围设为192us-207us，当量为1us，所述距离信息和角度信息采用0至F的16进制码值进行编码，编码信息中各编码值通过对应的脉冲时间间隔发送，其中，所述16进制码值与192us-207us范围中的16个脉冲时间间隔一一对应。

可选地，所述测量主机包括：带有快反镜的激光发射模块、四象限探测器、主控电路模块和角度测量模块；所述合作目标包括：角锥镜；

所述激光发射模块，与所述主控电路模块连接，用于发射激光主波信号；

所述角锥镜，用于对所述激光主波信号进行反射，形成激光回波信号；

所述四象限探测器，用于对所述激光回波信号进行探测，并确定所述激光回波信号的脱靶量；

所述角度测量模块，包括角度编码器和伺服跟踪架，所述伺服跟踪架上安装所述快反镜，所述伺服跟踪架用于根据姿态信息对所述快反镜的姿态进行调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在四象限探测器中心，所述角度编码器用于根据所述激光回波信号获得所述角度信息；

所述主控电路模块，用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息。

可选地，所述姿态信息包括快反镜的俯仰角信息和方位角信息，所述伺服跟踪架包括俯仰调整机构和方位调整机构，所述俯仰调整机构根据所述快反镜的俯仰角信息对所述快反镜的俯仰角进行调整，所述方位调整机构根据所述快反镜的方位角信息对所述快反镜的方位角进行调整。

可选地，所述主控电路模块根据激光回波信号到达所述四象限探测器的时间和激光主波信号发出的时间计算所述距离信息。

可选地，所述主控电路模块包括：测距数字板和主控板；所述测距数字板与所述主控板连接；

所述主控板用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息，根据所述姿态信息控制所述伺服跟踪架对所述快反镜进行姿态调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在四象限探测器中心；

所述测距数字板用于所述激光主波信号发射的控制、距离信息的计算、以及所述距离信息和角度信息的调制。

可选地，所述激光发射模块包括：激光器、衰减器、准直器和快反镜；

所述衰减器位于所述激光器和所述准直器之间的光路上，所述快反镜位于所述准直器的出射光路上。

可选地，所述合作目标还包括：

光线收集器，位于所述角锥镜的出射光路上；

光电探测器，与所述光线收集器连接，用于将所述激光信号转化为电信号；

放大器，与所述光电探测器连接，用于对所述电信号进行放大并转换为数字信号；

数字解调板，与所述放大器连接，用于对所述数字信号进行解调。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种激光测距与通信一体化激光雷达，通过改变相邻脉冲的时间间隔对通信信息进行调制，相较于连续激光信号，本发明的激光雷达在激光信号能量一定时传输距离较远，在保持激光雷达体积不变的同时能够实现较远距离的通信，实现小型化激光雷达与被测物体间较远距离的通信。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光测距与通信一体化激光雷达的模块结构示意图；

图2为本发明改变脉冲时间间隔的调制方式示意图。

符号说明：

1-测量主机，11-激光发射模块，111-激光器，112-衰减器，113-准直器，114-快反镜；12-四象限探测器；13-主控电路模块，131-测距数字板，132-主控板；14-角度测量模块，141-角度编码器，142-伺服跟踪架；2-合作目标，21-角锥镜，22-光线收集器，23-光电探测器，24-放大器，25-数字解调板；3-被测物体。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明提供一种激光测距与通信一体化激光雷达及其通信方法，能够实现较远距离的激光测距与通信，并且该激光雷达还具有小型化、轻量化的特点，能同时满足空间应用环境与大气层内应用环境。

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明激光测距与通信一体化激光雷达包括：测量主机1和合作目标2；所述合作目标2固定在被测物体3上且与被测物体3通信连接；所述测量主机1采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式对距离信息和角度信息进行调制并发送至所述合作目标2，所述合作目标2将接收到的距离信息和角度信息发送至所述被测物体3，其中，所述距离信息包括所述测量主机与所述合作目标2之间的距离，所述角度信息包括所述合作目标2的俯仰角信息和方位角信息；所述合作目标2安装在被测物体3待测点处，所述测量主机1通过测量所述合作目标2获得的测量数据，等效替代为所述被测物体3的测量数据。

发射连续脉冲的激光器，通常重频频率为固定频率，脉冲间时间间隔为固定时间，而脉冲时间间隔调制法，则通过改变相邻脉冲间时间间隔，依据脉冲间不同的时间间隔完成编码调制。

具体地，所述采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式对距离信息和角度信息进行调制，具体包括：采用重频频率为5kHz的激光器作为光源，相邻脉冲时间间隔为200us。在激光器重频频率容许范围内，改变重频频率，脉冲时间间隔范围可从192us-207us，当量为1us，如图2所示。将所述距离信息和角度信息采用0至F的16进制码值进行编码，得到编码信息，并将所述编码信息中各编码值采用对应的脉冲时间间隔发送，其中，16进制码值与192us-207us的16个脉冲时间间隔一一对应，192us对应码值1，193us对应码值2，......，207us对应码值F。当测量距离为500m时，对应的16进制编码信息为1F4，码值4对应的时间间隔为195us，则将码值4对应的相邻脉冲时间间隔设为195us，在合作目标端，通过对接收的相邻脉冲信号进行时间间隔测量，即可完成对编码信息的解调，字符F和1也是相同的原理，在此不再一一赘述。采用改变相邻脉冲时间间隔的通信调制方式，误码率较低，且与远距离脉冲测距方法契合。

另外，采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式进行调制的信息不局限于距离信息与角度信息，还可以包括主机的状态信息、测量有效性信息等，均可通过该方式调制以实现测量主机与被测物体的通信。

进一步地，所述测量主机1包括：带有快反镜的激光发射模块11、四象限探测器12、主控电路模块13和角度测量模块14；所述合作目标2包括：角锥镜21。

所述激光发射模块11，与所述主控电路模块13连接，用于发射激光主波信号。

所述角锥镜21，用于对所述激光主波信号进行反射，形成激光回波信号。所述角锥镜21能够保证所述激光回波信号与所述激光主波信号以相对平行的方向反射到所述测量主机1上。

所述四象限探测器12，用于对所述激光回波信号进行探测，并确定所述激光回波信号的脱靶量。具体地，所述四象限探测器12接收所述激光回波信号并将所述激光回波信号映射在各象限内，所述脱靶量表示激光回波信号相对于所述四象限探测器12视场内四象限中心的偏移量。

所述角度测量模块14，包括角度编码器141和伺服跟踪架142，所述伺服跟踪架142上安装所述快反镜，所述伺服跟踪架142用于根据姿态信息对所述快反镜的姿态进行调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在探测器中心，所述角度编码器141用于根据所述激光回波信号获得角度信息，所述角度信息包括合作目标2的俯仰角信息和方位角信息。具体地，所述激光回波信号反射回到测量主机1时会经过快反镜进行聚焦再传输至所述四象限探测器12，以使所述激光回波信号与所述激光主波信号保持相对平行。所述角度编码器141上设有带刻度值的码盘，根据所述激光回波信号的照射到码盘上的角度得到角度值，并将所述角度值进行编码发送至上位机。

所述主控电路模块13，用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息。

进一步地，所述姿态信息包括快反镜的俯仰角信息和方位角信息，所述伺服跟踪架142包括俯仰调整机构和方位调整机构，所述俯仰调整机构根据该俯仰角信息对所述快反镜的俯仰角进行调整，所述方位调整机构根据该方位角信息对所述快反镜的方位角进行调整。具体地，所述俯仰调整机构包括俯仰电机和俯仰轴，所述方位调整机构包括方位电机和方位轴。

具体地，所述主控电路模块13根据激光回波信号到达所述四象限探测器12的时间和激光主波信号发出的时间计算所述距离信息。

优选地，如图1所示，在本发明的具体实施例中，所述主控电路模块13包括：测距数字板131和主控板132；所述测距数字板131与所述主控板132连接。

所述主控板132用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息，根据所述姿态信息控制所述伺服跟踪架142对所述快反镜进行姿态调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在探测器中心。此外，主控板132还用于发送引导距离至测距数字板131，测距数字板131与激光器电连接，依据引导距离发射激光。其中，该引导距离为上位机估计相对距离的粗值，由上位机发送至主控板；无引导距离时，激光器可进行盲捕，盲捕时，激光器功率依次递增，即采用第一档能量进行捕获时，未捕获到目标，再采用第二挡能量，该盲捕法能够尽量避免由于回波较强而导致的探测器损坏。

所述测距数字板131用于所述激光主波信号发射的控制、距离信息的计算、以及所述距离信息和角度信息的调制。其中，所述测距数字板131通过向所述激光发射模块11发送脉冲信号以控制激光的发射。

如图1所示，在本发明的具体实施例中，所述激光发射模块11包括：激光器111、衰减器112、准直器113和快反镜114。

所述衰减器112位于所述激光器111和所述准直器113之间的光路上，所述快反镜114位于所述准直器113的出射光路上。其中，当主控电路模块13发送的脉冲信号输出高电平时，激光器111开启，脉冲信号输出低电平时，激光器111关闭。脉冲测距法采用的激光器由于开启时间短，激光器的瞬时功率可增大至KW级别，每次激光器开启时都能保持较大的输出功率和较远的传输距离；而连续波测距法采用的激光器在工作时会持续开启，由于功率损耗，当前激光器无法满足持续工作的情况下激光器功率仍旧达到KW级别，进而导致传输距离有限。此外，所述衰减器对激光主波信号的功率进行调整，避免因激光功率过大，在激光回波反射到测量主机1后烧毁四象限探测器12。所述准直器113主要用于对光束发散角进行调整，使得主波以相对平行的姿态发射。

进一步地，为了实现对所述激光信号的解调，所述合作目标2还包括：光线收集器22、光电探测器23、放大器24和数字解调板25。

光线收集器22，位于所述角锥镜21的出射光路上。

光电探测器23，与所述光线收集器22连接，用于将所述激光信号转化为电信号。

放大器24，与所述光电探测器23连接，用于对所述电信号进行放大并转换为数字信号。

数字解调板25，与所述放大器24连接，用于对所述数字信号进行解调。

本发明所述的激光测距与通信一体化激光雷达可用于引导飞机着陆、舰载机着舰等领域，通过相对位置测量与通信，完成引导任务。该雷达具备自主扫描、捕获与跟踪的功能，从而搭建激光链路，完成测量与通信功能，激光通信传输协议可根据引导所需数据进行自由定制，具有高度灵活性。该一体化激光雷达能够适应于大动态范围的测量与通信，响应速度较快，可完成飞机飞行过程中的位置相对引导。该激光测距与通信一体化激光雷达具备两种功能，即相对位置测量与激光通信引导。一体化激光雷达通过激光建立测量主机端与合作目标端的链路，完成测量与引导。测量主机通过发射激光进行扫描，在捕获合作目标时进行跟踪，建立测量与通信链路，测量主机与合作目标的连接方式为光路信号传递。

本发明所述的激光测距与通信一体化激光雷达工作流程为：首先建立测量主机与合作目标的链路，然后进行测量主机端与合作目标端相对位置测量，最后发送测量信息至合作目标端完成引导，具体工作原理如下：

主控板接收上位机的引导指令后，进入自动引导或半自动引导模式，测量主机在主控板统一控制下，发送引导距离至测距数字板，测距数字板控制激光器发射激光脉冲，激光脉冲通过衰减器进行功率调整，准直器与快反镜进行出射方向控制。角度调整模块依据主控板的角度引导信息，在伺服跟踪架控制下做水平慢速扫描，快反镜做高速摆动式扫描，在既定空域范围内进行二维扫描。待激光主波扫描至合作目标时，由角锥镜反射形成激光回波，四象限探测器的接收单元接收激光回波后经过放大器及测距数字板传输至主控板，在主控板综合控制下完成对合作目标的捕获与跟踪，建立稳定的激光链路。捕获跟踪过程中采用四象限探测方法，通过对四象限探测器的接收单元视场内象限划分，主控板依据不同象限内脱靶量的不同，控制伺服跟踪架实时地修正光斑中心相对于合作目标的位置，从而完成稳定跟踪。

待测量主机稳定跟踪合作目标时，测距数字板依据发射的激光主波与接收的激光回波时间间隔，完成测量主机端与合作目标端的相对距离测量，设置在方位、俯仰轴上的角度编码器记录了当前时刻的俯仰角及方位角信息，测距数字板与角度编码器将测量信息传输至主控板，测量主机可通过主控板上传至上位机显示实时测量结果与雷达状态。

测量主机在获取测量信息后，由测距数字板锁存当前测量信息，并完成引导信息的编码，通过改变激光器的脉冲时间间隔，从而调制引导信息进行输出。在合作目标端，由角锥镜与光线收集器接收激光脉冲，并通过光电探测器探测与放大器放大，传递至数字解调板进行解调，解调相邻脉冲时间间隔，完成引导信息接收，合作目标可通过串口上传引导信息至被测端，完成相对位置引导。

在激光通信中，通常分为相干调制/外差干涉检测系统和强度调制/直接检测系统，一体化雷达测量体制为脉冲式激光测距，因此采用强度调制/直接检测系统，在该调制解调系统下，脉冲间隔调制法具有抗干扰能力强，频带利用率高等特点，因此在本发明激光测距与通信一体化激光雷达中采用该方式进行调制。在测量与通信时，采用同一光源设计，在激光测量的同时，完成激光通信数据传输。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述激光测距与通信一体化激光雷达包括：测量主机和合作目标；所述合作目标固定在被测物体上且与被测物体通信连接；所述测量主机采用改变相邻脉冲时间间隔的调制方式对测量得到的距离信息和角度信息进行调制并发送至所述合作目标，所述合作目标将接收到的距离信息和角度信息发送至所述被测物体，其中，所述距离信息包括所述测量主机与所述合作目标之间的距离，所述角度信息包括所述合作目标的俯仰角信息和方位角信息。

2.根据权利要求1所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，在所述调制方式中，所述脉冲时间间隔范围设为192us-207us，当量为1us，所述距离信息和角度信息采用0至F的16进制码值进行编码，编码信息中各编码值通过对应的脉冲时间间隔发送，其中，所述16进制码值与192us-207us范围中的16个脉冲时间间隔一一对应。

3.根据权利要求1所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述测量主机包括：带有快反镜的激光发射模块、四象限探测器、主控电路模块和角度测量模块；所述合作目标包括：角锥镜；

所述激光发射模块，与所述主控电路模块连接，用于发射激光主波信号；

所述角锥镜，用于对所述激光主波信号进行反射，形成激光回波信号；

所述四象限探测器，用于对所述激光回波信号进行探测，并确定所述激光回波信号的脱靶量；

所述角度测量模块，包括角度编码器和伺服跟踪架，所述伺服跟踪架上安装所述快反镜，所述伺服跟踪架用于根据姿态信息对所述快反镜的姿态进行调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在四象限探测器中心，所述角度编码器用于根据所述激光回波信号获得所述角度信息；

所述主控电路模块，用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息。

4.根据权利要求3所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述姿态信息包括快反镜的俯仰角信息和方位角信息，所述伺服跟踪架包括俯仰调整机构和方位调整机构，所述俯仰调整机构根据所述快反镜的俯仰角信息对所述快反镜的俯仰角进行调整，所述方位调整机构根据所述快反镜的方位角信息对所述快反镜的方位角进行调整。

5.根据权利要求3所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述主控电路模块根据激光回波信号到达所述四象限探测器的时间和激光主波信号发出的时间计算所述距离信息。

6.根据权利要求3所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述主控电路模块包括：测距数字板和主控板；所述测距数字板与所述主控板连接；

所述主控板用于根据所述脱靶量计算所述姿态信息，根据所述姿态信息控制所述伺服跟踪架对所述快反镜进行姿态调整，以使所述激光回波信号光斑稳定在四象限探测器中心；

所述测距数字板用于所述激光主波信号发射的控制、距离信息的计算、以及所述距离信息和角度信息的调制。

7.根据权利要求3所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块包括：激光器、衰减器、准直器和快反镜；

所述衰减器位于所述激光器和所述准直器之间的光路上，所述快反镜位于所述准直器的出射光路上。

8.根据权利要求3所述的一种激光测距与通信一体化激光雷达，其特征在于，所述合作目标还包括：

光线收集器，位于所述角锥镜的出射光路上；

光电探测器，与所述光线收集器连接，用于将所述激光信号转化为电信号；

放大器，与所述光电探测器连接，用于对所述电信号进行放大并转换为数字信号；

数字解调板，与所述放大器连接，用于对所述数字信号进行解调。

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