用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法技术方案

本发明专利技术公开了用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法。激光雷达系统采用的典型相位编码方法对系统硬件提出很高的要求。本发明专利技术的步骤如下：激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，调制器根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列；解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出；探测器将累积得到的信号输出给信号处理器；探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差；根据相位差，计算得到目标距离。本发明专利技术采用非对称相位编码方法对目标距离进行测量，降低系统对探测器采样速率的要求，并降低信号处理的计算量。

【技术实现步骤摘要】
用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法
本专利技术属于激光雷达领域，具体涉及用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法。
技术介绍
激光雷达系统采用的典型相位编码方法依据码源对光波载频信号进行调相，而后发射相位编码激光脉冲信号，目标反射的激光信号经光学系统汇聚在探测器上，由探测器转化为回波编码电脉冲信号，与解调制信号一起送入信号处理器，在信号处理器内完成相关运算，最终给出目标的距离参数。但相位编码信号的探测需要高速探测器对信号进行快速采样，并由信号处理器进行快速处理，这对系统硬件提出很高的要求，尤其当系统采用阵列探测器时，探测器像素数较多，阵列探测器和信号处理器的总信号带宽很难满足系统实时探测的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出在激光雷达系统中采用非对称相位编码方法对目标距离进行测量，降低系统对探测器采样速率的要求，并降低信号处理的计算量，降低系统硬件要求。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的：本专利技术的具体步骤如下：步骤一、激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，在调制器中根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ；其中，N为正整数，取值范围为4～16，τ的取值在10纳秒到10微秒中选取；步骤二、激光雷达系统中的解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；步骤三、激光雷达系统采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出，选通时间设为(kN+1)τ，k的取值范围为1～20；探测器在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器；步骤四、探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差L；步骤五、根据相位差，激光雷达系统计算得到目标距离为其中，c为光速。所述的调制信号序列和解调制信号序列采用非对称相位编码，即采用双序列工作；所述的解调制信号序列由调制信号序列构造而成，其构造方法是在调制信号序列重复k个周期后，在其末尾添加一位，编码为-1。所述回波信号序列的解调制过程为回波信号序列和解调制信号序列的卷积过程，周期为kN+1；解调制过程中回波信号序列自动进行了移位，解调制过程的输出为典型相位编码方法移位卷积过程的输出，按照输出的最高值位置判断解调制信号与回波信号的相位差L。所述激光雷达系统的采样时间为探测器累积时间，长度为解调制信号的周期，即kN+1，设信号子码宽度为τ，则探测器采样时间为(kN+1)τ。所述的激光雷达系统将相关法分解为信号相乘与信号相加两个阶段，并分别通过分离的解调制器和累积型探测器实现信号相乘和信号相加过程。激光雷达系统对回波信号序列与解调制信号序列的相乘过程在解调制器中进行，对回波信号序列与解调制信号序列的相加过程在探测器中。所述的回波信号与发射的激光信号的相位差检测过程具体如下：S＝(m1,m2,...,mN)表示周期为N＝2n-1的m序列，其中，n为构造m序列的反馈移位寄存器的级数，且为大于2的整数。mi表示序列各位，i＝1,...,N。序列的自相关函数为：其中，p表示移位的数目，取值范围为0～N。当mi的值为1或-1时，自相关函数的值表示为在调制器中，激光信号的强度调制中仅有两种状态，通过或不通过。设通过状态时mi的值为1，否则为-1。设S1＝(m1,m2,...,mN)表示激光雷达系统的发射脉冲序列，其周期长度为N。S2＝(n1,n2,...,nN)表示回波脉冲序列，则S1和S2的互相关函数表示为：根据发射脉冲序列S1构造解调制信号序列S3＝(m1,m2,...,mN,-1)，其周期长度为N+1。定义序列S2和S3的解调函数：根据序列S2和S3的解调函数来计算序列S1和S2的互相关函数，从而确定解调制信号与回波信号的相位差L，则回波信号相对于发射信号的时间延迟为Lτ，激光雷达系统与目标的距离为本专利技术具有的有益效果：1、采样速率低本专利技术根据调制器和累积型探测器的硬件特性，使信号相关运算的相乘和信号相加过程在信号解调制和累积探测过程中通过硬件完成，系统采样的时间等于kN+1倍的子码宽度。相对于其他相位编码雷达的采样时间，本专利技术的非对称相位编码激光成像雷达的采样时间被延长了kN+1倍，避免了对回波信号的高速采集，使探测器能够满足系统的采样要求。设信号子码宽度τ，探测器采样时间为(kN+1)τ。2、实时探测常规激光雷达系统中解调制信号与回波信号的卷积运算占用了大量的计算机资源。由于本专利技术的调制器采用光学器件，解调制信号与回波信号的乘积实质上是在解调制器中完成，当累积型探测器对解调后的信号进行累积探测时，实质上是完成了解调制信号与回波信号乘积的相加。这样由解调制器和累积型探测器在硬件上共同完成了解调制信号和回波信号的卷积。计算机所起到的作用仅为时统作用，依信号输出的顺序判断解调制信号和回波信号的相位差，计算目标距离和成目标距离像。因此在计算机中的运算量明显减小，系统可以实现实时探测过程。3、系统硬件要求低非对称相位编码激光雷达采用低采样率探测器，使系统采用阵列探测器，实现高精度高分辨率三维成像。且系统采用解调制器和探测器完成光信号的卷积过程，信号间的互扰较小，可以实现信号并行处理，同时降低了电信号处理所占用的计算资源。系统结构和编码设计的独特性降低了系统硬件的要求。4、信噪比高系统发射宽脉冲激光信号(宽度为m，序列周期Nτ)，信号能量大。因为采用选通方式接收信号，系统不接收选通区间外的背景噪声和大气散射噪声，从而降低了噪声能量，充分发挥了距离选通成像激光雷达的高信噪比优势。又因为系统采用m序列相位编码方式对信号进行调制，接收时仍采用等效的相关运算的算法，可以极大地提高信号信噪比。与子脉冲信噪比相比，信噪比提高了倍。5、测距范围大(测距模糊距离大)系统发射宽脉冲激光信号(宽度为m，序列周期Nτ)，信号能量大，从而使系统的测量范围增加。由于使用相位编码方式，进行距离的大尺度测量，可以通过改变序列长度改变测距的模糊距离。6、抗干扰性能好因为采用相位编码方式，编码规律近乎于随机序列，具备优良的抗干扰性能。附图说明图1为本专利技术中非对称相位编码激光雷达系统的结构及工作流程图；图2为本专利技术的非对称相位编码方法和解调制过程示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明。如图1和2所示，用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，采用非对称相位编码激光雷达系统，包括激光器1、激光调制单元2、光学天线3、脉冲信号发生器4、激光探测单元5、信号处理器6和计算机7；激光调制单元2包括调制器21和第一信号源22，光学天线3包括光学发射天线31和光学接收天线32，激光探测单元5包括选通门控制器51、第二信号源52、探测器53和解调制器54。光学通路：激光器1用来发射恒定强度的激光信号，激光器1的激光发射端连接调制器21的光输入端，调制器21的光输出端连接光学发射天线31的光输入端。激光经光学发射天线31照射在目标上。光学接收天线32用来接收目标的激光回波脉冲信号，光学接收天线32输出的光信号输入到解调制器54的光输入端，解调制器54的光信号输出端输出的光信号照射在探测器53的像元表面上。电信号通路：脉冲信号发生器4的时钟信号输出端连接第一信号源22和第二信号源52的信号输本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一、激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，在调制器中根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ；其中，N为正整数，取值范围为4～16，τ的取值在10纳秒到10微秒中选取；步骤二、激光雷达系统中的解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；步骤三、激光雷达系统采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出，选通时间设为(kN+1)τ，k的取值范围为1～20；探测器在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器；步骤四、探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差L；步骤五、根据相位差，激光雷达系统计算得到目标距离为其中，c为光速。

【技术特征摘要】
1.用于激光雷达系统的非对称相位编码测距方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：步骤一、激光雷达系统中的激光器发射强度恒定的激光信号，在调制器中根据调制信号序列进行强度调制；调制信号序列采用m序列，序列长度为N，子序列脉冲宽度为τ；其中，N为正整数，取值范围为4～16，τ的取值在10纳秒到10微秒中选取；步骤二、激光雷达系统中的解调制器根据解调制信号序列对回波信号进行强度解调制；步骤三、激光雷达系统采用选通模式控制探测器的累积探测时间和输出，选通时间设为(kN+1)τ，k的取值范围为1～20；探测器在选通时间内累积信号，并将累积得到的信号输出给信号处理器；步骤四、探测器输出信号的顺序显示了相关峰位置，从而信号处理器直接判断解调制信号与回波信号的相位差L；步骤五、根据相位差，激光雷达系统计算得到目标距离为其中，c为光速；所述的回波信号与发射的激光信号的相位差检测过程具体如下：S＝(m1,m2,...,mN)表示周期为N＝2n-1的m序列，其中，n为构造m序列的反馈移位寄存器的级数，且为大于2的整数；mi表示序列各位，i＝1,...,N；序列的自相关函数为：其中，p表示移位的数目，取值范围为0～N；当mi的值为1或-1时，自相关函数的值表示为在调制器中，激光信号的强度调制中仅有两种状态，通过或不通过；设通过状态时mi的值为1，否则为-1；设S1＝(m1,m2,...,mN)表示激光雷达系统的发射脉冲序列，其周期长度为N；S2＝(n1,n2,...,nN)表示回波脉冲序列，则S1和S2的互相关函数表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴龙，杨旭，张君，张勇，张子静，鲍佳，杨晓城，杨成华，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33