CN117590418A - 一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统，以实现低频率、低峰值功率的激光探测。本发明在接收端，设计相关序列，提高回波信号峰值辨识度，实现远距离、高精度测距。FPGA控制器生成一段伪随机码，半导体激光器发出特定波长的光源，经目标反射后被SPAD接收，SPAD输出电脉冲经信号整形电路处理得到单光子信号被FPGA控制器读取，利用伪随机码的相关特性，对接收的回波光子和基于伪随机码的相关序列进行相关性运算，得出目标距离。本发明提出的基于扩频体制的激光回波信号处理方法在单光子测距准确度方面取得了良好的性能，设计克服脉宽影响的相关序列，提高回波信号峰值辨识度，实现远距离、高精度测距。
Description
技术领域
本发明属于激光信号处理技术领域，具体涉及一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统。
背景技术
单光子激光雷达是一种基于微弱光探测的新型激光雷达技术，可实现单个光子探测与计数，进而实现远距离的测量。
由于光子探测器的灵敏度很高，需要在低背景噪声环境下才能通过光子计数法进行激光测距，然后对回波光子进行计数。因此，开展了关于时间相关的光子计数法的研究，充分利用目标光子的相关特性，有效地将混杂在噪声中的目标回波光子提取出来。测距系统采集高频脉冲的回波信号时，由于测量距离远且回波信号微弱，所以单个脉冲串可以接收到的目标回波光子大约是一个，然后将多个脉冲串的采集结果对应累加可以得到光子计数分布直方图，同时由于目标光子与噪声光子均可使探测器产生雪崩效应，而噪声光子的随机触发雪崩效应，时间相关性弱，均匀分布在探测时间区间内。而目标回波光子具有很强的时间相关性，使用合适的信号处理方法就能有效避免噪声的干扰。
随着工作距离的增加，单光子探测器需积累较多光子才能获得高信噪比。在相同信噪比的条件下，对远距离目标测距需要更多的采样时间，即更长的光子累积时间，在一定程度上限制了单光子探测器的最大工作距离。
提高发射激光的重复频率可在一定时间内积累更多的回波光子，从而提高信噪比，增强距离检测能力。一方面，高重频的激光器成本较高，发射重复频率的提高使得脉冲周期减小，对远距离目标测距时会出现距离模糊问题。另一方面，当脉冲周期小于死时间时，一旦探测器被激发陷入死时间中，就无法探测到返回光子，更高的重复频率就无法发挥作用。因此，需探究在低重频、低功率下的单光子测距问题。
由于在单一测距频率下，其最大不模糊距离是有限的，将编码解调理论应用于测距技术，能解决距离模糊的问题。使用伪随机序列作为脉冲压缩信号对发射信号进行调制，在接收端将测得信号与参考信号进行相关运算。目前应用伪随机码调制的单光子计数系统，通过分辨不同码元返回信息得到飞行时间，其测距精度高度依赖于发射脉冲重复频率，但是无论是使用的阈值法，还是峰值补偿法等，均为得到超声信号更为精确的往返时间，没有深度研究分析一个探测期间内，目标返回信息的特征，使得返回信息的特征与理论值有较大误差。
另一方面，直接探测到的回波信号处理方法有：峰值法、质心法等。它们利用了噪声光子的时间相关性弱，目标回波光子的时间相关性强的特点，得到回波信息，却忽略了脉宽是对误差的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统，以解决现有技术中对激光阵列信号处理的缺陷，从而对单光子测距的性能做出提升。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种基于扩频体制的激光回波探距方法，包括以下步骤：
S1，FPGA控制器生成一段伪随机码，伪随机码调制半导体激光器发出激光，基于激光的脉宽信息，对伪随机码进行扩充，获得扩充伪随机码；
S2，激光准直后经目标反射，被单光子探测器接收；单光子探测器基于接收到激光回波发送信号给FPGA；FPGA控制器获得激光返回时间，进而输出激光发出和返回时间的时间间隔，将重复获得的多个时间间隔构成回波序列；统计获得光子累积直方图；
S3，当光子累积直方图和扩充伪随机码同步，且时间延迟稳定时，对扩充伪随机码和回波序列进行相关性运算，获得相关值，基于相关值，获得探测距离。
本发明的进一步改进在于：
优选的，S1中，所述基于激光的脉宽信号，对伪随机码进行扩充的公式为：
其中，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率，τwidth为激光脉冲波形的半高全宽，PR为随机生成1×NPR的伪随机码，NPR为伪随机码PR的长度，ExPR为扩展的1×NPRNi的伪随机码，Ni为FPGA控制器端单个脉冲周期所占的时间区间数。
优选的，S2中，FPGA控制器获得激光返回时间的具体过程为：
FPGA分时间区间记录整个伪随机码周期内光子的返回时间索引，仿真获得每个时间区间中光生电子数值，判断所述光生电子数值是否超过激发单光子探测器的探测阈值，若单光子探测器被激发，FPGA获得激光的返回时间。
优选的，每个时间区间中光生电子数值的计算公式为：
其中，j为目标时间区间所在的位置，η为探测器的量子效率，p(t)为归一化的激光脉冲。
优选的，激光脉冲的计算公式为：
其中，n为参数，将激光脉冲归一化处理的公式为：
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优选的，S2中，所述激光的返回时间包含单光子探测器被激发时的时间抖动。
优选的，S2中，所述单光子探测器接收到的激光中的光子包括反射的信号光子、背景噪声光子和暗电流噪声光子。
优选的，S3中，相关性运算的公式为：
其中，N是周期数，ExPR是扩充伪随机码，I是返光子累积直方图，τ是时间延迟。
优选的，探测距离的计算公式为：
其中，c是光速，γ为相关值。
一种基于扩频体制的激光回波探距系统，包括：
伪随机码模块，用于FPGA控制器生成一段伪随机码，伪随机码调制半导体激光器发出激光，基于激光的脉宽信息，对伪随机码进行扩充，获得扩充伪随机码；
光子累积模块，用于激光准直后经目标反射，被单光子探测器接收；单光子探测器基于接收到激光回波发送信号给FPGA；FPGA控制器获得激光返回时间，进而输出激光发出和返回时间的时间间隔，将重复获得的多个时间间隔构成回波序列；统计获得光子累积直方图；
探测距离模块，用于当光子累积直方图和扩充伪随机码同步，且时间延迟稳定时，对扩充伪随机码和回波序列进行相关性运算，获得相关值，基于相关值，获得探测距离。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种基于扩频体制的激光回波探距方法，以实现低频率、低峰值功率的激光探测。本发明在接收端，利用扩频码的正交性，考虑激光脉宽因素，设计相关序列，提高回波信号峰值辨识度，实现远距离、高精度测距。FPGA控制器生成一段n阶M序列伪随机码，半导体激光器发出特定波长的光源，经目标反射后被SPAD接收，SPAD输出电脉冲经信号整形电路处理得到单光子信号被FPGA控制器读取，利用伪随机码的相关特性，对接收的回波光子和基于伪随机码的相关序列进行相关性运算，得出目标距离。激光探测器镜头接收到的目标返回有效信号，不可避免会掺杂如空间噪声等噪声，有效信号与各种噪声一起组成总信号。采用光子计数法对总信号进行处理后，将光子信号提取出来，再利用相关检测技术进行分析，得到激光束飞行时间，即可求得所测距离。
通过实验仿真得到的数据证明，本发明提出的基于扩频体制的激光回波信号处理方法在单光子测距准确度方面取得了良好的性能，通过仿真不同重复频率和脉宽下的误差，显示了扩频体制在单光子测距领域的潜力，相较于之前在这个领域的研究，测距精度高度依赖于发射重复频率，本发明注重于低频率低峰值功率高精度探测，并且考虑脉宽对结果的影响。利用扩充伪随机码的正交性，提取光子信息，设计克服脉宽影响的相关序列，提高回波信号峰值辨识度，实现远距离、高精度测距。
附图说明
图1为伪随机码调制的激光雷达测距系统结构框图；
图2为伪随机码的时域波形；
图3为探测事件的累计直方图；
图4为扩充伪随机码的自相关性曲线图；
图5为互相关直方图；
图6为不同重复频率下的误差图；
图7为不同脉宽下的误差图；
图8为本发明方法一种基于扩频体制的激光回波探距方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
单光子测距系统中，为了提高远距离探测精度，伪随机码调制激光测距系统使用高重复频率的激光脉冲发射器，通过分辨不同码元返回信息得到飞行时间，其测距精度高度依赖于发射脉冲重复频率，高重频的激光器不仅价格昂贵，而且对接收端的单光子探测器探测频率要求更高。
参见图1，为本发明的激光回波信号处理系统，包括主控单元、发射单元和接收单元，主控单元中包括FPGA控制器，发射单元包括激光器和激光准直模块，接收单元包括单光子探测器(SPAD)接收器；FPGA控制器将信号发送给激光器，激光发出的激光经过激光准直模块后，发送到目标物体上，目标物体上将激光反射回单光子探测器(SPAD)接收器。
基于上述问题，本发明一方面公开了一种基于扩频机制的激光回波信号处理方法，参见图8，该方法包括以下步骤：
步骤1：设置系统，FPGA控制器记录光子的起始时间，首先重复生成一段n阶M序列的伪随机码，作为起始信号；基于起始信号，伪随机码调制半导体激光器发出1550nm波长光源；然后基于半导体激光器发出的激光，利用激光脉宽信息，在不改变伪随机序列相关性的基础上，扩充伪随机码作为相关序列，具体的：
激光脉冲不是稳定不变的，各种激光发射波形也不尽相同，为适应各种激光器和测距系统，本发明提出了相关法解TOF信息。相较于峰值法，相关法能够更好地利用激光发射波形特性，提高测距精度。因此，本发明利用激光脉宽信息，在不改变伪随机序列相关性的基础上，扩充伪随机码作为相关序列，过程如下：
其中，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率，τwidth为激光脉冲波形的半高全宽，随机生成1×NPR的伪随机码PR，NPR为伪随机码PR的长度，扩展为1×NPRNi的伪随机码ExPR，Ni为FPGA控制器端单个脉冲周期所占的时间区间数，扩充后的相关序列不仅能够处理多脉冲激光返回信号，也能克服脉宽影响，降低测距误差。
伪随机码序列调制激光发射器发射一个能量为ET的激光脉冲，经过距离为R，反射率为ρ的平滑的漫反射目标(Lambertian目标)的反射，返回的平均光子数SP-total，可以表示为：
其中，PT是出射激光功率，τwidth是激光脉冲宽度，h是普朗克常数，λ是激光波长，c是光速，FOV是接收系统的视场角，θT是出射激光的发散角，θtarget是激光光束与目标表面法线方向的夹角，AR是接收系统的接收孔径大小，ηT是发射系统的效率，ηR是接收系统的接收效率，ηA是大气的传输率。
步骤2，由半导体激光器发出1550nm波长的激光，激光通过准直模块后经目标反射，由单光子探测器(SPAD)接收。SPAD输出电脉冲信号，作为结束信号，FPGA控制器记录起始和结束之间的间隔，获得返回时间，多个返回时间统计后得到光子累计直方图。
具体的，SPAD探测器接收到被激发的回波光子，SPAD探测器发射信号给FPGA控制器，分时间区间bin记录光子的返回时间索引，仿真时通过R(i)计算每个区间光生电子数值，判断是否超过能够激发探测器的探测阈值，如果没有，则探测器不进入死时间，继续探测；若探测器被激发，由于探测器每次被激发时都存在时间抖动，则FPGA记录SPAD探测器脉冲数据不只包括信号光子实际返回时间，还包括同步脉冲、探测器、FPGA的时间抖动。
上述过程中，SPAD探测器在某个时间区间内被激发回波光子包括目标反射的信号光子和背景噪声光子、暗电流噪声光子等。单光子探测器不具备光子数分辨能力，在一个探测区间内，无论探测器接收到目标反射光子还是噪声光子，亦或是同时接受到多个光子，都只能输出一个计数脉冲给FPGA控制器，其分布可以近似于泊松分布。由于探测器存在时间抖动以及噪声的干扰，实际输出脉冲的时间与探测器激发存在一定误差，就需要根据系统探测特性及参数确定最终的目标时间。
在整个激光传输过程中，系统的噪声主要包括背景杂散光和系统内部暗电流，所以系统总的噪声光电子数可以表示为：
N＝Nb+Nd＝ηKb+Nd (3)
其中，η为探测器的量子效率，Kb为背景杂散光产生的光子数，Nd为探测器自身暗电流产生的暗计数。通常情况下，背景光子数以及暗计数近似服从泊松分布。
激光脉冲模型如下所示：
其中，参数n决定激光的模型，对于普通的调Q激光，取n＝1比较合适。对于n＝1，激光的半波宽与τ的关系为PFWHM＝3.5τ，将激光脉冲归一化处理：
令则/>
假设背景噪声和内部暗电流噪声是恒定值，定义N为总平均激励噪声强度，由背景噪声和暗电流噪声组成；Si为i时间区间的激光脉冲反射强度，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率。在没有回波信号的情况下，原电子的产生仅仅与背景噪声有关，j时间区间内原电子产生概率为：
pj＝exp[-N(j-1)τbin][1-exp(-Nτbin)] (5)
其中，定义N为总平均激励噪声强度，由背景噪声和暗电流噪声组成；Si为i时间区间的激光脉冲反射强度，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率。
在有回波信号的情况下，SPAD探测器中原电子产生概率与待测目标反射光子和背景噪声都有关，j时间区间内原电子其产生概率为：
pj＝exp[-N(j-1)τbin][1-exp(-(Si+N)τbin)] (6)
定义N为总平均激励噪声强度，由背景噪声和暗电流噪声组成；Si为i时间区间的激光脉冲反射强度，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率。
根据原电子产生概率pj，以及原电子激发概率pm，构造了原电子产生与原电子激发两个随机过程的随机数发生器，从而决定j时间区间探测器激发与否。
激光脉冲中，第i个时间区间内的激光光子数为：
其中，NL为激光脉冲回波信号中激光的总光子数。
假设背景噪声和内部暗电流噪声是恒定值，定义N为总的平均激励噪声频率，由背景噪声和暗电流噪声组成。则在整个探测过程中，第i个时间区间的回波光子数为：
其中j为目标时间区间所在的位置，η为探测器的量子效率。计算每一个时间区间生成的电子数。
按照时间轴顺序依次对每个时间区间进行原电子产生判断：利用该时间区间内的回波光电子数R(i)为参量的泊松分布发生器，产生随机数，若产生的随机数大于0，认为在该时间区间内产生原电子。然后根据探测器的时间抖动特性，利用泊松分布随机产生探测器输出信号的时间偏移值，由原电子产生的时间区间索引和时间偏移值，得到光子飞行时间，从而确定目标位置。
步骤3，在FPGA的接收端，利用产生的扩充伪随机码的正交性，考虑测距产生误差的最大因素：激光脉宽，提高回波信号峰值辨识度，实现远距离、高精度测距。利用伪随机码脉冲与该独特激光源发射的返回光子之间的强相关性，互相关如下：
其中N是周期数，ExPR是扩充伪随机码，I是检测到的返回光子信号累计直方图数据，τ是时间延迟。
当FPGA探测到的返回光子直方图与扩充伪随机码同步变化，并且同步脉冲、探测器、FPGA之间由时间抖动造成的延迟时间一定的情况下，对扩充后的伪随机码序列和接收的回波光子数序列进行相关性运算，才能在测量中观察到强相关峰值max(γ)，探测距离为：
实施例1
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
如图5所示，应用扩频体制的激光回波信号处理方法，需要五步，参数设置、原电子数生成、时间轴分bin计算回波信号光子数、SPAD探测器激发、数据处理。图2展示了伪随机码的时域波形，表2为系统仿真参数设置，经过仿真激光脉冲生成、原电子数生成、时间轴分bin计算回波信号光子数等过程，SPAD探测器被激发，记录SPAD探测器被激发时间与脉冲发射起始时间的间隔，得到光子飞行时间，统计出探测事件的累计直方图，如图3所示。根据设计的伪随机码，得到扩充后的相关序列，其良好的自相关性如图4所示，经过相关法处理后的时间偏移直方图如图5所示，取峰值作为探测出的飞行时间，图6展示了20次实验后不同重复频率下的误差图；图7展示了不同脉宽下的20次实验误差图。
表1系统仿真参数设置
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，FPGA控制器生成一段伪随机码，伪随机码调制半导体激光器发出激光，基于激光的脉宽信息，对伪随机码进行扩充，获得扩充伪随机码；
S2，激光准直后经目标反射，被单光子探测器接收；单光子探测器基于接收到激光回波发送信号给FPGA；FPGA控制器获得激光返回时间，进而输出激光发出和返回时间的时间间隔，将重复获得的多个时间间隔构成回波序列；统计获得光子累积直方图；
S3，当光子累积直方图和扩充伪随机码同步，且时间延迟稳定时，对扩充伪随机码和回波序列进行相关性运算，获得相关值，基于相关值，获得探测距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，S1中，所述基于激光的脉宽信号，对伪随机码进行扩充的公式为：
其中，tbin为FPGA控制器的最小时间分辨率，τwidth为激光脉冲波形的半高全宽，PR为随机生成1×NPR的伪随机码，NPR为伪随机码PR的长度，ExPR为扩展的1×NPRNi的伪随机码，Ni为FPGA控制器端单个脉冲周期所占的时间区间数。
3.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，S2中，FPGA控制器获得激光返回时间的具体过程为：
FPGA分时间区间记录整个伪随机码周期内光子的返回时间索引，仿真获得每个时间区间中光生电子数值，判断所述光生电子数值是否超过激发单光子探测器的探测阈值，若单光子探测器被激发，FPGA获得激光的返回时间。
4.根据权利要求3所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，每个时间区间中光生电子数值的计算公式为：
其中，j为目标时间区间所在的位置，η为探测器的量子效率，p(t)为归一化的激光脉冲。
5.根据权利要求3所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，激光脉冲的计算公式为：
其中，n为参数，将激光脉冲归一化处理的公式为：
令则/>
6.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，S2中，所述激光的返回时间包含单光子探测器被激发时的时间抖动。
7.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，S2中，所述单光子探测器接收到的激光中的光子包括反射的信号光子、背景噪声光子和暗电流噪声光子。
8.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，S3中，相关性运算的公式为：
其中，N是周期数，ExPR是扩充伪随机码，I是返光子累积直方图，τ是时间延迟。
9.根据权利要求1所述的一种基于扩频体制的激光回波探距方法，其特征在于，探测距离的计算公式为：
其中，c是光速，γ为相关值。
10.一种基于扩频体制的激光回波探距系统，其特征在于，包括：
伪随机码模块，用于FPGA控制器生成一段伪随机码，伪随机码调制半导体激光器发出激光，基于激光的脉宽信息，对伪随机码进行扩充，获得扩充伪随机码；
光子累积模块，用于激光准直后经目标反射，被单光子探测器接收；单光子探测器基于接收到激光回波发送信号给FPGA；FPGA控制器获得激光返回时间，进而输出激光发出和返回时间的时间间隔，将重复获得的多个时间间隔构成回波序列；统计获得光子累积直方图；
探测距离模块，用于当光子累积直方图和扩充伪随机码同步，且时间延迟稳定时，对扩充伪随机码和回波序列进行相关性运算，获得相关值，基于相关值，获得探测距离。
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| CN202311603899.1A CN117590418A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311603899.1A CN117590418A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117590418A true CN117590418A (zh) | 2024-02-23 |
Family
ID=89911241
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311603899.1A Pending CN117590418A (zh) | 2023-11-28 | 2023-11-28 | 一种基于扩频体制的激光回波探距方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117590418A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117949927A (zh) * | 2024-03-27 | 2024-04-30 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于单光子的天基空间碎片定位方法、系统、介质及设备 |
-
2023
- 2023-11-28 CN CN202311603899.1A patent/CN117590418A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117949927A (zh) * | 2024-03-27 | 2024-04-30 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于单光子的天基空间碎片定位方法、系统、介质及设备 |
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