一種激光成像雷達(dá)裝置及其測距的方法
【專利摘要】針對(duì)現(xiàn)有距離選通激光成像雷達(dá)的距離分辨率低的問題，本發(fā)明提供一種激光成像雷達(dá)裝置和測距的方法，其中，一種激光成像雷達(dá)裝置包括：激光器、激光調(diào)制單元、光學(xué)天線單元、探測單元、數(shù)據(jù)處理單元和圖像處理單元；其中，探測單元由計(jì)數(shù)器、選通門控制器和陣列探測器組成；數(shù)據(jù)處理單元由累加器和相關(guān)器組成；本發(fā)明的測距方法，采用了相位編碼脈沖幅度調(diào)制方式對(duì)恒定幅度的激光信號(hào)進(jìn)行了信息加載過程。有益的技術(shù)效果：本發(fā)明的設(shè)備及方法結(jié)合了距離選通激光成像雷達(dá)的探測距離遠(yuǎn)以及脈沖相位編碼方式的測距分辨率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免了距離選通激光成像雷達(dá)在遠(yuǎn)距離測量時(shí)具有的測距分辨率低以及脈沖相位編碼方式的低成像速度的缺點(diǎn)。
【專利說明】一種激光成像雷達(dá)裝置及其測距的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光雷達(dá)領(lǐng)域，特別涉及一種激光成像雷達(dá)裝置及其測距的方法。該方法能夠突破探測器采樣時(shí)間對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)距離分辨率的限制。
【背景技術(shù)】
[0002]距離選通激光成像雷達(dá)采用激光主動(dòng)照明方式，利用距離選通技術(shù)，通過探測在信號(hào)發(fā)射后特定的延遲時(shí)間段內(nèi)是否存在激光回波信號(hào)，判斷目標(biāo)在延遲時(shí)間段相對(duì)應(yīng)距離段內(nèi)是否存在目標(biāo)，并按照延遲時(shí)間的先后獲得不同距離的目標(biāo)的回波信號(hào)，從而獲取目標(biāo)的3D成像信息。距離選通激光成像雷達(dá)的距離分辨率，首先取決于距離選通間隔，其次是距離門和激光脈沖信號(hào)的波動(dòng)的影響，窄脈沖寬度和短采樣間隔可以使雷達(dá)達(dá)到更高的距離分辨率。通常提高距離選通激光成像雷達(dá)的距離分辨率，需要縮短激光脈沖寬度和采樣間隔，以及提高激光發(fā)射峰值功率，這將對(duì)激光器和接收系統(tǒng)提出苛刻要求，具體實(shí)行存在很多困難。并且在距離選通成像激光雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行成像時(shí)，由于激光器發(fā)射信號(hào)的峰值功率的限制，系統(tǒng)需要將脈沖寬度加寬以加大信號(hào)能量，這將近一步降低激光雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率。同時(shí)由于采用的是單脈沖體制，目標(biāo)距離限制了激光脈沖信號(hào)的重復(fù)頻率，從而限制了激光雷達(dá)系統(tǒng)的成像速率。
[0003]相位編碼激光雷達(dá)依據(jù)碼源對(duì)光波載頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)相，而后發(fā)射相位編碼激光脈沖信號(hào)。目標(biāo)反射激光脈沖編碼信號(hào)，經(jīng)傳輸延遲被接收機(jī)接收并由探測器轉(zhuǎn)化為回波編碼電信號(hào)，相位編碼回波信號(hào)與激光發(fā)射相位編碼信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集送入計(jì)算機(jī)完成相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)過信號(hào)處理，最終給出目標(biāo)的距離參數(shù)。但相位編碼信號(hào)的探測需要高速探測器對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速采樣，而陣列探測器對(duì)激光信號(hào)的采樣速度受到陣列探測器制作工藝的限制，不能滿足大面陣相位編碼激光雷達(dá)對(duì)信號(hào)采樣的速度要求，因此制約了相位編碼體制在激光成像雷達(dá)方面的應(yīng)用。
[0004]m序列相位編碼具有良好的偽隨機(jī)性，優(yōu)秀的自相關(guān)和互相關(guān)特性。但是，常規(guī)m序列相位編碼測距雷達(dá)需要探測序列的每一位子脈沖，
? =。然后將探測得到的子脈沖與參考信號(hào)脈沖=進(jìn)
行相關(guān)運(yùn)算，兩個(gè)序列的相關(guān)峰位置在周期的第i位，表示回波序列與參考信號(hào)之間
的相位差為^，從而判斷目標(biāo)位置為Λ = 。
[0005]這種方法的好處是將寬脈沖進(jìn)行調(diào)制，將相位信息添加在寬脈沖內(nèi)，提高了系統(tǒng)的測量距離和分辨率。但是其缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要得到序列的每一位子脈沖，這對(duì)于采用陣列探測器的激光雷達(dá)系統(tǒng)來說是十分艱難的，因?yàn)殛嚵刑綔y器的采樣時(shí)間寬度非常寬，導(dǎo)致序列的子脈沖寬度展寬，激光雷達(dá)系統(tǒng)的距離分辨率極低，不能滿足激光雷達(dá)系統(tǒng)的要求。
[0006]通常來說陣列探測器的采樣頻率在40kHz以下，這樣陣列探測器的采樣時(shí)間需大于25嘩,這導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)射的脈沖寬度需要大于25 ^ ,才能由陣列探測器恢復(fù)出激光器發(fā)射的脈沖序列。根據(jù)理論分析，系統(tǒng)的測距分辨率決定于脈沖寬度，也就是說25嘩的脈沖寬度決定了系統(tǒng)的測距分辨率低于3750米，這對(duì)于成像激光雷達(dá)系統(tǒng)是不可接受的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有距離選通激光成像雷達(dá)的距離分辨率低的問題，本發(fā)明提供一種激光成像雷達(dá)裝置和一種光成像雷達(dá)裝置進(jìn)行測距的方法，采用反向m序列相位編碼距離選通的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的超分辨率成像。具體的硬件結(jié)構(gòu)與測距方法分別如下:
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種激光成像雷達(dá)裝置，包括激光器1、激光調(diào)制單元2、光學(xué)天線單元3、探測單元4、數(shù)據(jù)處理單元5和圖像處理單元6 ;其中，激光調(diào)制單元2由調(diào)制器21、m序列脈沖信號(hào)源22和脈沖信號(hào)發(fā)生器23組成；光學(xué)天線單元3由光學(xué)發(fā)射天線31和光學(xué)接收天線32組成；探測單元4包括選通門控制器42和陣列探測器43 ;數(shù)據(jù)處理單元5包含一個(gè)相關(guān)器52 ;圖像處理單元6由編碼器61和計(jì)算機(jī)62組成；
脈沖信號(hào)發(fā)生器23產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并將時(shí)鐘信號(hào)分別輸出給m序列脈沖信號(hào)源22和探測單元4 ;111序列脈沖信號(hào)源22依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的脈沖序列并將脈沖序列分別輸入給調(diào)制器21和數(shù)據(jù)處理單元5 ;調(diào)制器21將m序列脈沖信號(hào)源22的脈沖序列做為調(diào)制信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元5將m序列脈沖信號(hào)源22的脈沖序列做為正向參考信號(hào)；
調(diào)制器21將由激光器I激發(fā)產(chǎn)生的激光信號(hào)調(diào)制后形成激光脈沖序列信號(hào)，并經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線31照射到目標(biāo)物體上；激光脈沖序列信號(hào)在目標(biāo)物體發(fā)生反射形成激光回波脈沖信號(hào)；光學(xué)接收天線32接收由目標(biāo)物體反射回來的激光回波脈沖信號(hào)并傳輸至陣列探測器43 ;受選通門控制器42控制的陣列探測器43累積激光回波脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為回波信號(hào)并輸出給相關(guān)器52。
[0008]相關(guān)器52負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)果輸出給編碼器61，由編碼器61根據(jù)回波信號(hào)與參考信號(hào)的相位差判斷目標(biāo)的距離，并由計(jì)算機(jī)62完成目標(biāo)的三維距離圖像的輸出；此外:在探測單元4內(nèi)設(shè)有一個(gè)計(jì)數(shù)器41 ;在數(shù)據(jù)處理單元5內(nèi)設(shè)有一個(gè)累加器51 ;激光器I發(fā)射的激光信號(hào)為恒定幅度；脈沖信號(hào)發(fā)生器23產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的寬度為r ;信號(hào)源22產(chǎn)生的脈沖序列的子碼寬度為τ、周期長度為N且排列順序?yàn)閙序列的脈沖序列，即正向m序列的脈沖序列；該正向m序列的脈沖序列分別輸出給調(diào)制器21和累加器51 ;調(diào)制器21以正向m序列的脈沖序列為調(diào)制信號(hào)對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的激光信號(hào)為排列順序?yàn)閙序列、子碼寬度為τ且周期長度為F的激光脈沖序列信號(hào)；
計(jì)數(shù)器41與脈沖信號(hào)發(fā)生器23相連接，依據(jù)脈沖信號(hào)發(fā)生器23所發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且將計(jì)數(shù)器41的計(jì)數(shù)結(jié)果輸出至選通門控制器42 ；當(dāng)計(jì)數(shù)器41輸出的計(jì)數(shù)的結(jié)果為O到F-1時(shí)，選通門控制器42驅(qū)動(dòng)陣列探測器43積累回波信號(hào)，探測器43積累回波
信號(hào)的時(shí)間記為選通時(shí)間，長度為(況-l)r ;當(dāng)計(jì)數(shù)器41輸出為況—丨時(shí)，選通門控制器42
驅(qū)動(dòng)陣列探測器43向相關(guān)器52輸出積累的回波信號(hào)，隨后，計(jì)數(shù)器41重置為0，選通門控制器42驅(qū)動(dòng)陣列探測器43按上述步驟循環(huán)執(zhí)行積累回波信號(hào)和輸出積累的回波信號(hào)；累加器51與脈沖信號(hào)發(fā)生器23相連接；累加器51以正向m序列的脈沖序列為m序列參考信號(hào)輸出給累加器51，累加器51對(duì)每F-1位信號(hào)進(jìn)行累加并輸出給相關(guān)器52作為反向m序列參考信號(hào)；
相關(guān)器52將對(duì)探測器43輸出的回波信號(hào)與累加器51輸出的參考信號(hào)針對(duì)探測 器43每個(gè)像素輸出的積累信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將結(jié)果輸出給編碼器61 ；
編碼器61根據(jù)回波信號(hào)與參考信號(hào)的相位差判斷目標(biāo)的距離，并由計(jì)算機(jī)62完成目標(biāo)的三維距離圖像的輸出。
[0009]采用本發(fā)明激光成像雷達(dá)裝置進(jìn)行測距的方法，按如下步驟進(jìn)行:
步驟一:激光器I發(fā)射恒定幅度的激光信號(hào)，激光信號(hào)傳遞給激光調(diào)制單元2 ；
步驟二:脈沖信號(hào)發(fā)生器23產(chǎn)生脈沖時(shí)鐘信號(hào)，該脈沖時(shí)鐘信號(hào)的脈沖寬度為τ，且分別發(fā)送給m序列脈沖信號(hào)源22和計(jì)數(shù)器41 ；
步驟三:m序列脈沖信號(hào)源22將脈沖時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成m序列脈沖信號(hào)A并分別傳輸至調(diào)制器21和累加器51 ;其中，所述的m序列脈沖信號(hào)的序列周期長度力該m序列脈沖信號(hào)被作為調(diào)制信號(hào)并發(fā)送至調(diào)制器21 ;該m序列脈沖信號(hào)被作為脈沖寬度力”的窄序列正向參考信號(hào)發(fā)送至累加器51 ；
步驟四:調(diào)制器21接收到m序列脈沖信號(hào)后，對(duì)激光器I所發(fā)射的、具有恒定幅度的激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，獲得m序列脈沖序列串；該111序列脈沖序列串被傳遞給光學(xué)發(fā)射天線31 ；步驟五:光學(xué)發(fā)射天線31對(duì)m序列脈沖序列串進(jìn)行整形，并照射在目標(biāo)物體上；步驟六:計(jì)數(shù)器41對(duì)脈沖時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出給選通門控制器42 ；步驟七:選通門控制器42根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果，控制與選通門控制器42相連接的陣列探測器
43的開啟或關(guān)閉；選通門控制器42的選通時(shí)間設(shè)為(iV-l)r ；
步驟八:光學(xué)接收天線32收集目標(biāo)物體反射回來的m序列脈沖序列串，并將該m序列脈沖序列串聚集在陣列探測器43上；陣列探測器43將接收到的m序列脈沖序列串轉(zhuǎn)換為
探測信號(hào)M ,其中，探測信號(hào)M的信號(hào)寬度為(M-l)r ；
步驟九:在選通門控制器42開啟時(shí)，陣列探測器43累積探測信號(hào)俞；在選通門控制器42關(guān)閉時(shí)，陣列探測器43將累積的探測信號(hào)M輸出給相關(guān)器52，其中，探測信號(hào)M的信號(hào)寬度為⑷；
步驟十:累加器51對(duì)m序列脈沖信號(hào)源22輸出的窄序列參考信號(hào)?^進(jìn)行累加，累加位的窄脈沖正向參考信號(hào)，得到寬脈沖反向參考信號(hào)序列先，循環(huán)執(zhí)行，并輸出寬脈沖反向參考信號(hào)序列&給相關(guān)器(52)；
步驟十一:相關(guān)器52計(jì)算由陣列探測器43輸出的信號(hào)寬度為(F-l)r的累積探測信號(hào)I和寬序列參考信號(hào)&之間的相關(guān)值，得到的相關(guān)峰位置為,即相位差
【權(quán)利要求】
1.一種激光成像雷達(dá)裝置，包括激光器(1)、激光調(diào)制單元(2)、光學(xué)天線單元(3)、探測單元(4)、數(shù)據(jù)處理單元(5)和圖像處理單元(6);其中，激光調(diào)制單元(2)由調(diào)制器(21)、m序列脈沖信號(hào)源(22)和脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)組成；光學(xué)天線單元(3)由光學(xué)發(fā)射天線(31)和光學(xué)接收天線(32)組成；探測單元(4)包括選通門控制器(42)和陣列探測器(43);數(shù)據(jù)處理單元(5)包含一個(gè)相關(guān)器(52);圖像處理單元(6)由編碼器(61)和計(jì)算機(jī)(62)組成；脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)并將時(shí)鐘信號(hào)分別輸出給m序列脈沖信號(hào)源(22)和探測單元(4)仰序列脈沖信號(hào)源(22)依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生的脈沖序列并將脈沖序列分別輸入給調(diào)制器(21)和數(shù)據(jù)處理單元(5);調(diào)制器(21)將m序列脈沖信號(hào)源(22)的脈沖序列做為調(diào)制信號(hào)，數(shù)據(jù)處理單元(5)將m序列脈沖信號(hào)源(22)的脈沖序列做為正向參考信號(hào)；調(diào)制器(21)將由激光器(I)激發(fā)產(chǎn)生的激光信號(hào)調(diào)制后形成激光脈沖序列信號(hào)，并經(jīng)光學(xué)發(fā)射天線(31)照射到目標(biāo)物體上；激光脈沖序列信號(hào)在目標(biāo)物體發(fā)生反射形成激光回波脈沖信號(hào)；光學(xué)接收天線(32)接收由目標(biāo)物體反射回來的激光回波脈沖信號(hào)并傳輸至陣列探測器(43);受選通門控制器(42)控制的陣列探測器(43)累積激光回波脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為回波信號(hào)并輸出給相關(guān)器(52);相關(guān)器(52)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)果輸出給編碼器(61)，由編碼器(61)根據(jù)回波信號(hào)與參考信號(hào)的相位差判斷目標(biāo)的距離，并由計(jì)算機(jī)(62)完成目標(biāo)的三維距離圖像的輸出； 其特征在于:在探測單元(4)內(nèi)設(shè)有一個(gè)計(jì)數(shù)器(41);在數(shù)據(jù)處理單元(5)內(nèi)設(shè)有一個(gè)累加器(51);激光器(I)發(fā)射的激光信號(hào)為恒定幅度；脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的寬度為T ;信號(hào)源(22)產(chǎn)生的脈沖序列的子碼寬度為τ、周期長度為N且排列順序?yàn)閙序列的脈沖序列，即正向m序列的脈沖序列；該正向m序列的脈沖序列分別輸出給調(diào)制器(21)和累加器(51);調(diào)制器(21)以正向m序列的脈沖 序列為調(diào)制信號(hào)對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的激光信號(hào)為排列順序?yàn)閙序列、子碼寬度為T且周期長度力飛的激光脈沖序列信號(hào)；計(jì)數(shù)器(41)與脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)相連接，依據(jù)脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)所發(fā)出的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，且將計(jì)數(shù)器(41)的計(jì)數(shù)結(jié)果輸出至選通門控制器(42);當(dāng)計(jì)數(shù)器(41)輸出的計(jì)數(shù)的結(jié)果為O到?jīng)r-1時(shí)，選通門控制器(42)驅(qū)動(dòng)陣列探測器(43)積累回波信號(hào)，探測器(43)積累回波信號(hào)的時(shí)間記為選通時(shí)間，長度為(F-l)r ;當(dāng)計(jì)數(shù)器(41)輸出為時(shí)，選通門控制器(42)驅(qū)動(dòng)陣列探測器(43)向相關(guān)器(52)輸出積累的回波信號(hào)，隨后，計(jì)數(shù)器(41)重置為O，選通門控制器(42)驅(qū)動(dòng)陣列探測器(43)按上述步驟循環(huán)執(zhí)行積累回波信號(hào)和輸出積累的回波信號(hào)； 累加器(51)與脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)相連接；累加器(51)以正向m序列的脈沖序列為m序列參考信號(hào)輸出給累加器(51)，累加器(51)對(duì)每F-1位信號(hào)進(jìn)行累加并輸出給相關(guān)器(52)作為反向m序列參考信號(hào)；相關(guān)器(52)將對(duì)探測器(43)輸出的回波信號(hào)與累加器(51)輸出的參考信號(hào)針對(duì)探測器(43)每個(gè)像素輸出的積累信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將結(jié)果輸出給編碼器(61);編碼器(61)根據(jù)回波信號(hào)與參考信號(hào)的相位差判斷目標(biāo)的距離，并由計(jì)算機(jī)(62)完成目標(biāo)的三維距離圖像的輸出。
2.采用如權(quán)利要求1所述一種激光成像雷達(dá)裝置進(jìn)行測距的方法，其特征在于，按如下步驟進(jìn)行: 步驟一:激光器(1)發(fā)射恒定幅度的激光信號(hào)，激光信號(hào)傳遞給激光調(diào)制單元(2)；步驟二:脈沖信號(hào)發(fā)生器(23)產(chǎn)生脈沖時(shí)鐘信號(hào)，該脈沖時(shí)鐘信號(hào)的脈沖寬度為”且分別發(fā)送給m序列脈沖信號(hào)源(22 )和計(jì)數(shù)器(41); 步驟三:m序列脈沖信號(hào)源(22)將脈沖時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換成m序列脈沖信號(hào)?并分別傳輸至調(diào)制器(21)和累加器(51);其中，所述的m序列脈沖信號(hào)?的序列周期長度為F ;該!11序列脈沖信號(hào)《被作為調(diào)制信號(hào)并發(fā)送至調(diào)制器(21);該m序列脈沖信號(hào)成被作為脈沖寬度為T的窄序列正向參考信號(hào).發(fā)送至累加器(51)； 步驟四:調(diào)制器(21)接收到m序列脈沖信號(hào)A后，對(duì)激光器(I)所發(fā)射的、具有恒定幅度的激光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，獲得m序列脈沖序列串；該m序列脈沖序列串被傳遞給光學(xué)發(fā)射天線(31)； 步驟五:光學(xué)發(fā)射天線(31)對(duì)m序列脈沖序列串進(jìn)行整形，并照射在目標(biāo)物體上； 步驟六:計(jì)數(shù)器(41)對(duì)脈沖時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出給選通門控制器(42)； 步驟七:選通門控制器(42)根據(jù)計(jì)數(shù)結(jié)果，控制與選通門控制器(42)相連接的陣列探測器(43)的開啟或關(guān)閉；其中，選通門控制器(42)的選通時(shí)間設(shè)為
【文檔編號(hào)】G01S17/10GK103616696SQ201310609371
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】吳龍, 張勇, 趙寧, 趙遠(yuǎn), 吳杰 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所