CN202305800U - 激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光雷达系统，涉及雷达测距领域，能够提高检出目标回波的灵敏度和目标距离的测量精度。本实用新型包括：互补序列发生器、信号发射机、数据采集器、信号接收机、数字信号处理器；互补序列发生器产生发射互补序列，并将发射互补序列分别发送给信号发射机和数据采集器，由信号发射机将发射互补序列以激光形式发射出去；信号接收机将接收的经目标反射后返回的接收互补序列发送给数据采集器；数据采集器将接收到的发射互补序列和接收互补序列以数字信号的形式发送给数字信号处理器，由数字信号处理器计算目标距离。本实用新型主要用于雷达测距的过程中。

Description

激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及雷达测距领域，尤其涉及一种激光雷达系统。

背景技术

随着雷达测距技术的发展，在军事和民用领域，均对雷达测距的灵敏度、精确度以及有效测量距离提出了严格的要求。

传统的雷达测距方法为：发射一个方波脉冲，并接收经目标反射后传输回来的回波信号，从接收到的回波信号中检测出与发射的方波脉冲对应的脉冲信号，记录脉冲信号传输的时间，并计算目标的距离。

在实现上述雷达测距的过程中，至少存在如下问题：由于脉冲信号经反射和传输后被削弱，容易被噪声湮没而导致返回的脉冲信号不容易被检测到；并且难以分辨脉冲信号的前端和旁瓣，导致将旁瓣作为返回的脉冲信号的前端，造成时延偏移，导致测量不准确。

实用新型内容

本实用新型提供一种激光雷达系统，能够提高检出目标回波的灵敏度和目标距离的测量精度。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种激光雷达系统，包括：互补序列发生器、信号发射机、数据采集器、信号接收机、数字信号处理器；所述互补序列发生器分别与所述信号发射机和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述信号接收机相连，所述数据采集器与所述数字信号处理器相连；

所述互补序列发生器产生发射互补序列，并将所述发射互补序列分别发送给所述信号发射机和所述数据采集器，由所述信号发射机将发射互补序列以激光的形式发射出去；

所述信号接收机将接收的经目标反射后返回的接收互补序列发送给所述数据采集器；所述数据采集器将接收到的发射互补序列和接收互补序列以数字信号的形式发送给所述数字信号处理器，由所述数字信号处理器根据发射互补序列和接收互补序列计算目标距离。

进一步的，所述互补序列发生器为产生至少两个串行的子互补序列的发生器，所述至少两个串行的子互补序列为所述发射互补序列。

进一步的，所述的激光雷达系统还包括：串并转换器，所述信号发射机为M个，所述信号接收机为M个，M大于或等于2；所述串并转换器连接在所述互补序列发生器与M个信号发射机之间，且所述串并转换器连接在所述互补序列发生器与所述数据采集器之间，所述数据采集器分别与M个信号接收机相连；所述串并转换器接收所述互补序列发生器发送的发射互补序列，并将M个串行的子互补序列转换为M个并行的子互补序列后分别发送给所述数据采集器和M个信号发射机，所述发射互补序列为M个串行的子互补序列；M个信号接收机将接收的接收互补序列并行发送给所述数据采集器。

进一步的，所述的激光雷达系统还包括：滤波器，连接在所述数据采集器与每个信号接收机之间；所述滤波器将信号接收机发送的接收互补序列进行放大滤波后，发送给所述数据采集器。进一步的，每个信号接收机连接一个滤波器。

进一步的，所述的激光雷达系统还包括：距离显示装置，所述距离显示装置与所述数字信号处理器相连，用于接收并显示所述数字信号处理器计算得到的目标距离。进一步的，所述距离显示装置为：数字显示装置和/或图形显示装置。

本实用新型实施例提供的激光雷达系统，由互补序列发生器产生发射互补序列，从接收到的接收互补序列中解调出标准冲激函数，并监测该冲激函数记录信号的传播时延，计算目标距离，与现有技术中通过检测未编码的脉冲信号计算目标距离的方案相比，解调得到的冲激函数没有噪声，冲激信号的峰值较大旁瓣很小，因此很容易识别，对信号传播时延的记录准确，从而提高了检出目标回波的灵敏度和目标距离的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中的一种激光雷达系统组成示意图；

图2为本实用新型实施例1中的另一种激光雷达系统组成示意图；

图3为本实用新型实施例2中的一种激光雷达系统组成示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

本实用新型实施例提供一种激光雷达系统，如图1所示，该激光雷达系统包括：互补序列发生器11、信号发射机12、数据采集器13、信号接收机14、数字信号处理器15。

所述互补序列发生器11分别与所述信号发射机12和所述数据采集器13相连，所述数据采集器13和所述信号接收机14相连，所述数据采集器13与所述数字信号处理器15相连。

所述互补序列发生器11产生发射互补序列，并将所述发射互补序列分别发送给所述信号发射机12和所述数据采集器13，由所述信号发射机12将发射互补序列以激光的形式发射出去。进一步的，所述互补序列发生器11可以为产生至少两个串行的子互补序列的发生器，所述至少两个串行的子互补序列为所述发射互补序列。

其中，互补序列发生器11产生两路相同的发射互补序列，一路发射互补序列发送给信号发射机12，以便信号发射机12将发射互补序列以激光的形式发送出去；另一路发射互补序列发送给数据采集器13，以便数据采集器13将接收到的发射互补序列转换成数字信号。

具体的，互补序列具有自相关函数为标准冲激函数的特性，所述发射互补序列可以由一个子互补序列或多个串行的子互补序列组成。例如，如公式1所示，发射互补序列可以由M个子互补序列组成，每个字互补序列的码长为N，则各个子互补序列的自相关函数满足如下关系：

$R_h\left(k\right)=R_{11}\left(k\right)+R_{22}\left(k\right)+...+R_{\mathrm{MM}}\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{MN}& k=0\\ 0& k\≠0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中R_mm表示第m个子互补序列的自相关函数值，k表示对子互补序列进行自相关函数计算时的偏移量，且k∈(-N，N)，R_h表示各个自相关函数值之和。其中，只有当自相关函数计算时没有相位偏移，即k＝0时，各个子互补序列的自相关函数之和才会产生一个较大幅值的冲激信号；而当自相关函数计算时有相位偏移，即k≠0时，各个子互补序列的自相关函数之和的计算结果为0，没有信号输出。在本实施例中，在激光雷达测距的过程中，由于激光雷达的可测量距离与发射的序列码长成正比，即发射的序列码长越长，可测量的距离就越远。因此，M个子互补序列构成的发射互补序列可测量的目标距离，是一个子互补序列构成的发射互补序列可测量的目标距离的M倍，大幅提高了激光雷达的测量距离。

其中，在信号发射机12将发射互补序列以激光的形式发射出去之后，激光在介质中传播，并在激光抵达目标物体后被目标物体反射回来。反射并经过介质传播后返回到激光雷达系统处，由信号接收机14接收，接收到的激光信号即为接收互补序列。信号接收机14接收到接收互补序列后，将接收到的接收互补序列发送给所述数据采集器13。

所述数据采集器13将接收到的发射互补序列和接收互补序列以数字信号的形式发送给数字信号处理器15，由所述数字信号处理器15根据发射互补序列和接收互补序列计算目标距离。

其中，数据采集器13的主要功能是将接收到的发射互补序列和接收互补序列进行模/数变换，以便数字信号处理器15对数字形式的发射互补序列和接收互补序列进行处理和计算。

具体的，由于互补序列具有自相关函数为标准冲激函数的特性，数字信号处理器15根据发射互补序列对接收互补序列进行自相关处理，当发射互补序列与接收互补序列有相位偏移时，自相关处理结果无信号输出；当发射互补序列与接收互补序列没有相位偏移时，自相关处理结果会产生一个幅值较大，旁瓣很小的冲激信号。标准冲激函数的冲激信号很容易检测，因此通过记录该冲激信号产生的时刻，即可得到信号发射机12发出的激光信号的传播时延，从而计算目标距离。例如，如公式2所示，若发射互补序列由2个由余弦调制得到的子互补序列S1和S2组成：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1^p\left(t\right)=\sqrt{W}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_p)\\ S_2^q\left(t\right)=\sqrt{W}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t+{\mathrm{\φ}}_q)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，两个子互补序列S1和S2的互补信息体现在相位φ_p与φ_q中。如公式3所示，为目标反射后返回的接收互补序列，由目标反射的回波信号是发射信号的衰减、延迟，并掺杂有部分噪声，则接收机接收信号为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_1^p\left(t\right)=\mathrm{\α}\sqrt{W}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}+{\mathrm{\φ}}_p)+w_1\left(t\right)\\ U_2^q\left(t\right)=\mathrm{\α}\sqrt{W}\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}+{\mathrm{\φ}}_q)+w_2\left(t\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，α为反射系数，W表示信号功率，τ为信号的传播时延，w(t)表示高斯白噪声信号，在数字信号处理器15中对上述接收互补序列中的两个子互补序列分别进行解调，即自相关处理，可得各子互补序列解调后的信号，即各个子互补序列的自相关函数：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_{11}^p\left(t\right)=\mathrm{\α}W\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}+{\mathrm{\φ}}_p)\⊗\cos ({\mathrm{\ω}}_0{t}^{\′}+{\mathrm{\φ}}_p)+w_1\left(t\right)\⊗\cos ({\mathrm{\ω}}_0{t}^{\′}+{\mathrm{\φ}}_p)\\ R_{22}^q\left(t\right)=\mathrm{\α}W\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-{\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\τ}+{\mathrm{\φ}}_q)\⊗\cos ({\mathrm{\ω}}_0{t}^{\′}+{\mathrm{\φ}}_p)+w_2\left(t\right)\⊗\cos ({\mathrm{\ω}}_0{t}^{\′}+{\mathrm{\φ}}_p)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

表示自相关操作。接下来，将各个子互补序列的自相关函数相加，得到每个子互补序列的自相关函数之和，即最后的输出信号：

$R\left(t\right)=R_{11}^p\left(t\right)+R_{22}^q\left(t\right)=\mathrm{\α}{\mathrm{WR}}_h(t-\mathrm{\τ}-t^{\′})+{\mathrm{\ω}}^{\′}\left(t\right)---\left(5\right)$

由于互补序列具有自相关函数之和为标准冲激函数的特性，当接收互补序列与发射互补序列没有相位偏移时，即t′＝t-τ时，冲激函数输出幅值很大的一个峰值信号，通过检测该冲激函数，可以记录信号的传播时延τ。当接收互补序列与发射互补序列有相位偏移时，自相关函数之和的信号输出为0。或者，进一步调整发射互补序列的速率，将接收互补序列与发射互补序列进行比较，其相位差即为传播时延τ。最后，目标距离为

其中c为光速。

进一步的，如图2所示，该激光雷达系统，还可以包括：滤波器16，连接在所述数据采集器13与每个信号接收机14之间。

所述滤波器16将信号接收机14发送的接收互补序列进行放大滤波后，发送给所述数据采集器13。滤波器16对接收互补序列进行放大及滤波处理，其中滤波处理主要滤除信号频带内的高斯白噪声，可以采用64阶以信号带宽为中心频点的有限带通滤波器进行滤波。

进一步的，为了将检测和计算得到目标距离直观的显示，该激光雷达系统还包括：距离显示装置17，所述距离显示装置17与所述数字信号处理器15相连，用于接收并显示所述数字信号处理器15计算得到目标距离。

所述距离显示装置17可以为：数字显示装置和/或图形显示装置。数字显示装置可以将测量得到的目标距离以数值的方式显示，图形显示装置可以将测量得到的目标距离以波形、坐标或地图的形式显示。具体的显示方式可以根据实际情况而定，在本实用新型实施例中不做限定。

本实用新型实施例提供的激光雷达系统，由互补序列发生器产生发射互补序列，从接收到的接收互补序列中解调出标准冲激函数，并监测该冲激函数记录信号的传播时延，计算目标距离，与现有技术中通过检测未编码的脉冲信号计算目标距离的方案相比，解调得到的冲激函数没有噪声，冲激信号的峰值较大旁瓣很小，因此很容易识别，对信号传播时延的记录准确，从而提高了检出目标回波的灵敏度和目标距离的测量精度。

并且，由于激光雷达的可测量距离与发射信号的码长成正比，本实用新型通过发射串行的多个子互补序列组成的发射互补序列，增大发射互补序列的码长，可以成倍提高测量距离，与现有技术中通过提高发射脉冲的峰值功率测量远距离目标的距离的方案相比，对信号发射机的发射功率要求很低。

实施例2

本实用新型实施例提供一种激光雷达系统，该激光雷达系统包括：互补序列发生器21、信号发射机22、数据采集器23、信号接收机24、数字信号处理器25。

所述互补序列发生器21分别与所述信号发射机22和所述数据采集器23相连，所述数据采集器23和所述信号接收机24相连，所述数据采集器23与所述数字信号处理器25相连。

所述互补序列发生器21产生发射互补序列，并将所述发射互补序列分别发送给所述信号发射机22和所述数据采集器23，由所述信号发射机22将发射互补序列以激光的形式发射出去。进一步的，所述互补序列发生器21可以为产生至少两个串行的子互补序列的发生器，所述至少两个串行的子互补序列为所述发射互补序列。

所述信号接收机24将接收的经目标反射后返回的接收互补序列发送给所述数据采集器23；所述数据采集器23将接收到的发射互补序列和接收互补序列以数字信号的形式发送给数字信号处理器25，由所述数字信号处理器25根据发射互补序列和接收互补序列计算目标距离。

进一步的，如图3所示，为了提高激光发射以及信号接收处理的速度，可以将发射互补序列拆分成若干个并行的子互补序列。该激光雷达系统还可以包括：串并转换器26，所述信号发射机22为M个，所述信号接收机24为M个，M大于或等于2。

所述串并转换器26连接在所述互补序列发生器21与M个信号发射机22之间，且所述串并转换器26连接在所述互补序列发生器21与所述数据采集器23之间，所述数据采集器23分别与M个信号接收机24相连。

所述串并转换器26接收所述互补序列发生器21发送的发射互补序列，并将M个串行的子互补序列转换为M个并行的子互补序列后分别发送给所述数据采集器23和M个信号发射机22，所述发射互补序列为M个串行的子互补序列。M个信号接收机24将接收的接收互补序列并行发送给所述数据采集器23。

具体的，互补序列发生器21产生的发射互补序列由M个串行的子互补序列组成。串并转换器26接收互补序列发生器21发送的发射互补序列后，将发射互补序列转换为M个并行的子互补序列，生成两路相同的并行子互补序列，一路子互补序列并行发送给对应的信号发射机22，另一路子互补序列发送给数据采集器23。M个信号发射机22将M个子互补序列以M个激光信号发送出去。

相应的，M个信号接收机24接收所有信号发射机22的信号回波，每个信号接收机24接收到的接收互补序列均发送至数据采集器23。数字信号处理器25根据M个发射子互补序列对M个接收子互补序列进行解调和自相关处理，并对处理得到的M个自相关函数求和，得到标准冲激函数，从而计算目标距离。

进一步的，该激光雷达系统还包括：滤波器27。滤波器27连接在数据采集器23与每个信号接收机24之间；具体可以为：每个信号接收机24连接一个滤波器27。

其中，M个信号接收机24接收所有信号发射机22的信号回波，每个信号接收机24接收到的接收互补序列均发送至对应的滤波器27中，由滤波器27进行放大滤波处理。M个滤波器27分别将处理后的接收互补序列通过对应的线路发送给数据采集器23。

进一步的，该激光雷达系统还包括：距离显示装置28，所述距离显示装置28与所述数字信号处理器25相连，用于接收并显示所述数字信号处理器25计算得到的目标距离。

所述距离显示装置28为：数字显示装置和/或图形显示装置。

需要说明的是，本实用新型实施例中各个组成部分的具体描述可以参考实施例1中的对应内容，本实用新型实施例这里将不再一一赘述。

本实用新型实施例提供的激光雷达系统，由互补序列发生器产生发射互补序列，从接收到的接收互补序列中解调出标准冲激函数，并监测该冲激函数记录信号的传播时延，计算目标距离，与现有技术中通过检测未编码的脉冲信号计算目标距离的方案相比，解调得到的冲激函数没有噪声，冲激信号的峰值较大旁瓣很小，因此很容易识别，对信号传播时延的记录准确，从而提高了检出目标回波的灵敏度和目标距离的测量精度。

并且，通过将发射互补序列拆分为多个并行的子互补序列，使激光雷达系统中各个装置处理码长较短的信号，缩短了信号发射机发射激光信号的时间，提高了放大滤波器和数据采集器的处理速度，从而大幅提高了激光雷达的测距效率。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：互补序列发生器、信号发射机、数据采集器、信号接收机、数字信号处理器；所述互补序列发生器分别与所述信号发射机和所述数据采集器相连，所述数据采集器与所述信号接收机相连，所述数据采集器与所述数字信号处理器相连；

所述互补序列发生器产生发射互补序列，并将所述发射互补序列分别发送给所述信号发射机和所述数据采集器，由所述信号发射机将发射互补序列以激光的形式发射出去；

所述信号接收机将接收的经目标反射后返回的接收互补序列发送给所述数据采集器；所述数据采集器将接收到的发射互补序列和接收互补序列以数字信号的形式发送给所述数字信号处理器，由所述数字信号处理器根据发射互补序列和接收互补序列计算目标距离。

2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述互补序列发生器为产生至少两个串行的子互补序列的发生器，所述至少两个串行的子互补序列为所述发射互补序列。

3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：串并转换器，所述信号发射机为M个，所述信号接收机为M个，M大于或等于2；

所述串并转换器连接在所述互补序列发生器与M个信号发射机之间，且所述串并转换器连接在所述互补序列发生器与所述数据采集器之间，所述数据采集器分别与M个信号接收机相连；

所述串并转换器接收所述互补序列发生器发送的发射互补序列，并将M个串行的子互补序列转换为M个并行的子互补序列后分别发送给所述数据采集器和M个信号发射机，所述发射互补序列为M个串行的子互补序列；M个信号接收机将接收的接收互补序列并行发送给所述数据采集器。

4.根据权利要求1-3任一所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：滤波器，连接在所述数据采集器与每个信号接收机之间；

所述滤波器将信号接收机发送的接收互补序列进行放大滤波后，发送给所述数据采集器。

5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于：每个信号接收机连接一个滤波器。

6.根据权利要求1-3任一所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：距离显示装置，所述距离显示装置与所述数字信号处理器相连，用于接收并显示所述数字信号处理器计算得到的目标距离。

7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述距离显示装置为：数字显示装置和/或图形显示装置。

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