CN118337287A - 一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达通信领域，更具体地，涉及一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法。其中方法包括：通过激光发射模块发射激光信号；控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像；将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准；计算光通信发射端与光通信接收端距离；根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率；本发明通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

Description

一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法

技术领域

本发明涉及雷达通信领域，更具体地，涉及一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法。

背景技术

激光雷达通信系统通常包括激光发射系统和激光接收系统两部分。激光发射系统主要由激光驱动电路、激光器和发射光学透镜构成，激光驱动电路用于控制和驱动激光器，激光器则负责将电信号转化为光信号，再由光学透镜进行准直和扩束等。激光接收系统主要包括接收光学透镜、探测器和前端电路等。接收光学透镜用于对光学信号进行聚焦，探测器则负责将光信号转化为电流信号，再由接收前端电路转化为电压输出。发射端的作用是驱动激光器，并通过激光器将搭载数据的光信号在空间中进行传递，接收端则负责接收空间中的光信号并进行放大，再由后端信号处理电路进行数据恢复。在该系统中，发射端与接收端的对准是一个难题。此外，发射端的激光发射功率会直接影响接收端接收的信号质量，发射光功率太强会造成额外的功率消耗，且容易使得接收端信号失真，造成数据传输的误码率增加，而发射端光功率太弱则无法保证接收端信号有足够的信噪比。并且，由于自由空间中光信号的强度会随着传播距离的延长而衰减，不同距离需要适配不同的发射激光功率。传统的自适应光学技术需要通过多次检测接收端误码率来控制发射光功率，存在较大的局限性。

现有技术公开一种波分系统波长实时调整的方法，包括如下步骤：定时向光线路单元 OLT 发送下发误码请求；接收所述光线路单元OLT收到请求后下发的当前误码率值；根据所述误码率值判断当前误码率性能是否有恶化；如有性能恶化，则根据光探测器 PD测得的光功率值变化按照调控规则调整温控元件，通过调整温控元件来调整激光器工作波长，直到激光器工作波长工作在最优误码率波长，保存最优误码率值。该方法以及需要通过多次检测接收端误码率来控制发射光功率，实现起来较为复杂

发明内容

本发明的目的在于公开更简易的一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种多功能激光雷达与通信系统，包括：

激光发射模块：用于发射脉冲激光信号以及光通信信号；

光束扫描模块：用于偏转激光传播方向以及控制发射激光的线数，并对周围环境进行扫描；

激光接收模块：用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理;

控制和信号处理模块：用于产生光通信信号，并控制光通信发射功率的大小和光束扫描模块的转动，以及对激光接收模块收集到的感知信息进行数据处理，并呈现出相应的点云图像，同时用于计算和处理接收到的光通信信号。

此外本发明还提供一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，上述的一种多功能激光雷达与通信系统，包括以下步骤：

S1:通过激光发射模块发射激光信号；

S2:控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像；

S3:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准；

S4:将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离；

S5：控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率；

进一步地，在步骤S2中，控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像包括：

S2.1:光束扫描模块负责以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，获得实时的平面图信息；

S2.2:采用二维扫描仪或多线阵的阵列发射系统，获得检测目标物体的整体视图;

S2.3:按照设定好的角度发射多条激光光束，根据时间、激光的扫描角度，结合全球定位系统和惯性导航系统，确定发射端与目标物体的相对距离和三维坐标，经过控制和信号处理模块进行数据处理后，形成具有距离信息、空间位置信息和物体表面形状信息的三维立体信号。

S2.4:根据实时的平面图信息、检测目标物体的整体视图以及三维立体信号构建点云图像；

进一步地，在步骤S2.3中，确定目标物体的相对距离包括：

S2.3.1:激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上；

S2.3.2:激光光束打在目标物体上后会发生反射，反射后的激光信号返回至激光接收模块，激光接收模块用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理,得到接收信号；

S2.3.3:控制和信号处理模块根据激光脉冲和接收信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离。

进一步地，在步骤S2.3.1中，激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上包括:激光发射模块周期性地驱动激光器发射激光脉冲，所发射的激光脉冲序列的信号频率在KHz到MHz之间，并利用光束扫描模块控制发射激光的方向和线数；

进一步地，在步骤S3中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准包括：

S3.1:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准；

S3.2:根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，若存在障碍物则执行步骤S3.3，若不存在障碍物则执行步骤S4；

S3.3：调整光通信发射端与光通信接收端的位置，返回执行步骤S3.1。

进一步地，在步骤S3.1中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准包括：点云图像处理探测光通信接收端的位置，并根据光通信接收端位置信息调整光通信发射端的激光信号方向，从而实现光通信发射端和接收端的对准。

进一步地，在步骤S3.2中，根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，包括：

对点云图像进行点云切片和点云分割，在整个点云空间内创建多个立方体网格堆叠填充整个空间，通过点云切割算法对不同的物体进行区域，根据点云的特点分离出路面、阻挡物信息，对于路面信息分割特征为水平面，即属于地面的点云将近似构成一个平面，而对于阻挡物信息，通过圆柱模型以及分割的多个立方体网格中点云个数，点云的最大、最小和平均高度信息加以判定，最后进行点云聚类和边框构建完成光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物的判定。

进一步地，在步骤S4中，将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离包括:激光发射模块向目标发射激光脉冲并产生开始计时的信号，激光脉冲受到目标物体的反射之后，经过激光接收模块对激光脉冲进行放大和整形，提供终止计时的触发信号，将开始计时的信号以及终止计时的触发信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离即可得到光通信发射端与光通信接收端距离。

进一步地，在步骤S5中，控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率包括：对于特定的光通信系统，为保证接收端的误码率满足应用要求，光通信接收端存储有最优接收功率值，由于自由空间中光通信发射端的激光功率与距离满足关系式；其中表示光通信发射端发射的激光功率，表示光通信接收端接收到的激光功率，R表示光通信发射端与光通信接收端的距离，当检测到通信发射端和接收端的距离发生改变时，为保证为最优接收功率值不变，根据距离信息重新调整光通信发射端的发射功率。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

附图说明

图1为实施例一所述的一种多功能激光雷达与通信系统结构框图；

图2为实施例二所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法流程图；

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例一：

本实施例提供如图1所示的一种多功能激光雷达与通信系统，包括：

激光发射模块：用于发射脉冲激光信号以及光通信信号；

光束扫描模块：用于偏转激光传播方向以及控制发射激光的线数，并对周围环境进行扫描；

激光接收模块：用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理;

控制和信号处理模块：用于产生光通信信号，并控制光通信发射功率的大小和光束扫描模块的转动，以及对激光接收模块收集到的激光信号进行数据处理，并呈现出相应的点云图像，同时用于计算和处理接收到的光通信信号。

光通信发射端：用于发射通信信号与光通信接收端建立通信链路；

光通信接收端：用于接收通信信号与光通信发射端建立通信链路；

本实施例通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

实施例二：

本实施例提供如图2所示的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，包括以下步骤：

S1:通过激光发射模块发射激光信号；

S2:控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像；

S3:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准；

S4:将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离；

S5：控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率。

本实施例通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

实施例三：

本实施例在实施例二的基础上作进一步地公开：

在步骤S2中，控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像包括：

S2.1:光束扫描模块负责以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，获得实时的平面图信息；

S2.2:采用二维扫描仪或多线阵的阵列发射系统，获得检测目标物体的整体视图;

S2.3:按照设定好的角度发射多条激光光束，根据时间、激光的扫描角度，结合全球定位系统和惯性导航系统，确定发射端与目标物体的相对距离和三维坐标，经过控制和信号处理模块进行数据处理后，形成具有距离信息、空间位置信息和物体表面形状信息的三维立体信号。

S2.4:根据实时的平面图信息、检测目标物体的整体视图以及三维立体信号构建点云图像；

在步骤S2.3中，确定目标物体的相对距离包括：

S2.3.1:激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上；

S2.3.2:激光光束打在目标物体上后会发生反射，反射后的激光信号返回至激光接收模块，激光接收模块用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理,得到接收信号；

S2.3.3:控制和信号处理模块根据激光脉冲和接收信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离。

在步骤S2.3.1中，激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上包括:激光发射模块周期性地驱动激光器发射激光脉冲，所发射的激光脉冲序列的信号频率在KHz到MHz之间，并利用光束扫描模块控制发射激光的方向和线数；

在步骤S3中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准包括：

S3.1:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准；

S3.2:根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，若存在障碍物则执行步骤S3.3，若不存在障碍物则执行步骤S4；

S3.3：调整光通信发射端与光通信接收端的位置，返回执行步骤S3.1。

在步骤S3.1中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准包括：点云图像处理探测光通信接收端的位置，并根据光通信接收端位置信息调整光通信发射端的激光信号方向，从而实现光通信发射端和接收端的对准。

步骤S3.2中，根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，包括：

对点云图像进行点云切片和点云分割，在整个点云空间内创建多个立方体网格堆叠填充整个空间，通过点云切割算法对不同的物体进行区域，根据点云的特点分离出路面、阻挡物信息，对于路面信息分割特征为水平面，即属于地面的点云将近似构成一个平面，而对于阻挡物信息，通过圆柱模型以及分割的多个立方体网格中点云个数，点云的最大、最小和平均高度信息加以判定，最后进行点云聚类和边框构建完成光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物的判定。

在步骤S4中，将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离包括:激光发射模块向目标发射激光脉冲并产生开始计时的信号，激光脉冲受到目标物体的反射之后，经过激光接收模块对激光脉冲进行放大和整形，提供终止计时的触发信号，将开始计时的信号以及终止计时的触发信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离即可得到光通信发射端与光通信接收端距离。

在步骤S5中，控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率包括：对于特定的光通信系统，为保证接收端的误码率满足应用要求，光通信接收端存储有最优接收功率值，由于自由空间中光通信发射端的激光功率与距离满足关系式；其中表示光通信发射端发射的激光功率，表示光通信接收端接收到的激光功率，R表示光通信发射端与光通信接收端的距离，当检测到通信发射端和接收端的距离发生改变时，为保证为最优接收功率值不变，根据距离信息重新调整光通信发射端的发射功率。

本实施例通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

综上所述，本发明实施例提供一种多功能激光雷达与通信系统及其应用方法。其中方法包括：通过激光发射模块发射激光信号；控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像；将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准；计算光通信发射端与光通信接收端距离；根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率；本发明通过成像将光通信发射端和光通信接收端进行无障碍对准，接着计算光通信发射端与光通信接收端距离，并根据该距离信息调整通信所需的最佳发射激光功率。在距离不发生变化的情况下，只需调整一次激光发射功率即可实现较好的通信效果，有效解决了通信中的对准、激光发射功率控制问题。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能激光雷达与通信系统，其特征在于，包括：

激光发射模块：用于发射脉冲激光信号以及光通信信号；

光束扫描模块：用于偏转激光传播方向以及控制发射激光的线数，并对周围环境进行扫描；

激光接收模块：用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理;

控制和信号处理模块：用于产生光通信信号，并控制光通信发射功率的大小和光束扫描模块的转动，以及对激光接收模块收集到的激光信号进行数据处理，并呈现出相应的点云图像，同时用于计算和处理接收到的光通信信号；

光通信发射端：用于发射通信信号与光通信接收端建立通信链路；

光通信接收端：用于接收通信信号与光通信发射端建立通信链路。

2.一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，应用于权利要求1所述的一种多功能激光雷达与通信系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1:通过激光发射模块发射激光信号；

S2:控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像；

S3:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准；

S4:将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离；

S5：控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率。

3.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S2中，控制和信号处理模块根据激光接收模块接收的激光信号进行成像，得到点云图像包括：

S2.1:光束扫描模块负责以稳定的转速旋转起来，实现对所在平面的扫描，获得实时的平面图信息；

S2.2:采用二维扫描仪或多线阵的阵列发射系统，获得检测目标物体的整体视图;

S2.3:按照设定好的角度发射多条激光光束，根据时间、激光的扫描角度，结合全球定位系统和惯性导航系统，确定发射端与目标物体的相对距离和三维坐标，经过控制和信号处理模块进行数据处理后，形成具有距离信息、空间位置信息和物体表面形状信息的三维立体信号；

S2.4:根据实时的平面图信息、检测目标物体的整体视图以及三维立体信号构建点云图像。

4.根据权利要求3所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S2.3中，确定目标物体的相对距离包括：

S2.3.1:激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上；

S2.3.2:激光光束打在目标物体上后会发生反射，反射后的激光信号返回至激光接收模块，激光接收模块用于将接收到的激光信号转化为电信号并进行放大和预处理,得到接收信号；

S2.3.3:控制和信号处理模块根据激光脉冲和接收信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离。

5.根据权利要求4所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S2.3.1中，激光发射模块发射激光脉冲，将激光发射到目标物体上包括:激光发射模块周期性地驱动激光器发射激光脉冲，所发射的激光脉冲序列的信号频率在KHz到MHz之间，并利用光束扫描模块控制发射激光的方向和线数。

6.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S3中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准包括：

S3.1:根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准；

S3.2:根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，若存在障碍物则执行步骤S3.3，若不存在障碍物则执行步骤S4；

S3.3：调整光通信发射端与光通信接收端的位置，返回执行步骤S3.1。

7.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S3.1中，根据点云图像将光通信发射端与光通信接收端进行对准包括：点云图像处理探测光通信接收端的位置，并根据光通信接收端位置信息调整光通信发射端的激光信号方向，从而实现光通信发射端和接收端的对准。

8.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S3.2中，根据点云图像判定光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物，包括：

对点云图像进行点云切片和点云分割，在整个点云空间内创建多个立方体网格堆叠填充整个空间，通过点云切割算法对不同的物体进行区域，根据点云的特点分离出路面、阻挡物信息，对于路面信息分割特征为水平面，即属于地面的点云将近似构成一个平面，而对于阻挡物信息，通过圆柱模型以及分割的多个立方体网格中点云个数，点云的最大、最小和平均高度信息加以判定，最后进行点云聚类和边框构建完成光通信发射端与光通信接收端之间是否存在障碍物的判定。

9.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S4中，将光通信发射端与光通信接收端进行无障碍对准后，计算光通信发射端与光通信接收端距离包括:激光发射模块向目标发射激光脉冲并产生开始计时的信号，激光脉冲受到目标物体的反射之后，经过激光接收模块对激光脉冲进行放大和整形，提供终止计时的触发信号，将开始计时的信号以及终止计时的触发信号的时间间隔乘以光速除以二，即可计算出发射端与目标物体之间的距离即可得到光通信发射端与光通信接收端距离。

10.根据权利要求2所述的一种多功能激光雷达与通信系统应用方法，其特征在于，在步骤S5中，控制和信号处理模块根据光通信发射端与光通信接收端距离调整光通信发射端的发射功率包括：对于特定的光通信系统，为保证接收端的误码率满足应用要求，光通信接收端存储有最优接收功率值，由于自由空间中光通信发射端的激光功率与距离满足关系式；其中表示光通信发射端发射的激光功率，表示光通信接收端接收到的激光功率，R表示光通信发射端与光通信接收端的距离，当检测到通信发射端和接收端的距离发生改变时，为保证为最优接收功率值不变，根据距离信息重新调整光通信发射端的发射功率。