一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统。测距方法在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距，脉冲编码法是低阶伪码信号与脉冲法的结合。测距系统包括两台连续激光器、m序列信号调制单元、相位调制单元、一对光学天线、两台光电探测器、脉冲编码处理模块、相位法处理模块和测距结果计算单元等。测距系统实现编码脉冲法与相位法两路测距信号的独立测量且互不干扰，并将脉冲编码与相位法的测距结果复合，得到更高的测距精度。本发明专利技术将伪码测距的精度优势引入传统的脉冲法，提升了测量精度，相比于脉冲式有更强的抗干扰性，相比于伪码测距法拥有更短的伪码捕获匹配时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测距
，具体涉及一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统。
技术介绍
在诸多测距手段中，激光测距以其精度高、准直性好、抗干扰性强、操作便捷等优势受到广泛推崇。传统的激光测距方式包括脉冲法、相位法、干涉法、三角法、伪码测距法等，这些方式各有优缺，适用于不同场景。目前主流的激光测距方式包括脉冲测距法、相位测距法和伪码测距法。这三种测距方式都是基于测量发射信号与回波信号之间的时间差来计算待测距离。脉冲法对时间是直接测量，相位与伪码方式对时间是间接测量。脉冲测距是应用非常广泛的测距方式，也是诸多方式中实现较为简单的一种。测距原理是通过向待测目标发送单个激光脉冲或者脉冲串，然后在接收端接收目标反射的回光信号，据此通过时钟计数器测量往返脉冲之间的时间差t来计算待测距离D＝ct/2，c为光速。这种测距方式精度依赖于计数器时钟频率，一般为米级或分米级，其测程视发射功率与接收探测器灵敏度而定，可达到数十公里甚至更远。相位测距在短程的精度测量中应用比较广泛，因为实现原理的区别，其精度比脉冲式测距要优数个量级。相位法是根据鉴别发射与接收两路的调制激光信号之间的相位差来实现间接测量传播时间。相位法的测距可以达到所选调制信号波长的千分之一，一般为毫米级，最大测程为半波长。伪码测距在空间测控中应用广泛，其实现原理是在发端用伪随机码对连续光源进行调制，经光学天线发往目标，同时锁存发码的初始状态。经目标反射回的光信号被接收端捕获，此时收发两路信号存在一个相位差，通过比较器判断信号序列的相位差求得时延，即可得距离值。伪码测距法的测程与所选码长成正比，其精度介于脉冲法与相位法之间，一般为厘米级甚至更高。对于脉冲法来说，通过提高激光脉冲的峰值功率并配合接收端高灵敏度的信号探测，即可快捷地实现长距离测量，但是单个脉冲的长距离测距不仅需要相当高的峰值功率，并且对于大气信道的抗干扰性也较差。另外，脉冲法在精度方面极大地受到计时器时钟频率的限制，理论上要完成0.3m精度的测量，计时器时钟频率需要达到1GHz以上，不仅实现上比较困难，其稳定性也较难保证。相位法测量精度高，理论上能够达到测距半波长的千分之一，但是测程受限，最远为半波长的距离。如果通过增加测距波长从而实现长距离测量，则测距精度无法保证。同样，若需实现高精度测量，则又无法完成面向长距离应用场景的测距。伪码测距的关键在于码本身，码长与测程成正比关系，码元宽度与测距精度同样成正比关系。因此，若想扩大量程，就必须增大码长，若想提升精度，就必须减小码元宽度。面对长距离的场景，伪码的码长必须足够长，这不仅给接收端码字的相位匹配带来巨大工作量，而且在能耗方面也远大于传统脉冲测距。因此虽然伪码测距在精度上优于脉冲式，但是面向长距离应用却仍显不足。因此，虽然目前主流测距方式都具有各自独特的优势，但在面向长距离高精度的测距应用时却略显不足。干涉法、三角法相比于相位法有更高的精度，但是测程更为受限，主要应用于短距离精密测量。因此当面向长距离高精度的测距应用场景时，上述的传统方式就略显不足了。随着人们对空间的开发利用进一步深化，相应的对更为优越的长距离高精度的测距技术的需求也越发迫切。
技术实现思路
本专利技术针对传统的测距方式在面向长距离高精度应用时都有各自的短板的问题，提出一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法及系统，采用脉冲编码与相位复合的测距方案，在满足长距离的基础上实现高精度测量。本专利技术提供的面向长距离高精度的复合式激光测距方法，在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距。(一)实现脉冲编码法测距的方法是：首先，采用连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为测距信号，测距信号的总码长为2K-1，码元宽度为1/fPulse，fPulse为脉冲串的重复频率。K为正整数。其次，当接收到回波信号时，设计数器记下N个时钟周期，计数器的时钟频率f＝fPulse；将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；则最终的脉冲编码法的测量距离L1为： L 1 = c × ( N + 1 - h ) 2 × f . ]]>(二)实现相位法测距。采用连续激光器生成的光信号经过相位调制生成测距信号，测距信号的波长λ；设相位法测距结果为L2。(三)将脉冲编码法和相位法的测距结果复合，确定最终的测距结果。首先，将脉冲编码法的测距结果L1和相位法的测距结果L2复合，得到测量距离Lstart为：Lstart＝L1-mod(L1,λ/2)+L2-PK×λ/2；其中，mod表示取余数；PK的取值为1或0，当L2>λ/4时，PK取1，否则PK取0。然后，判断下式是否成立：|L1-Lstart|＞λ/4；若成立，则最终测距结果L＝Lstart+λ/2；若不成立，则最终测距结果L＝Lstart。相应地，本专利技术提供的一种面向长距离高精度的复合式激光测距系统，包括第一连续激光器、第二连续激光器、m序列信号调制单元、相位调制单元、发射光学系统、接收光学系统、第一光电探测器、第二光电探测器、脉冲编码处理模块、相位法处理模块以及测距结果计算单元。所述的第一连续激光器发射的光信号经过m序列信号调制单元，按K阶m序列伪随机码调制生成第一测距信号，第一测距信号发送给发射光学系统；K为正整数。所述的第二连续激光器发射的光信号经过相位调制单元调制后生成第二测距信号，第二测距信号发送给发射光学系统；设第二测距信号的波长为λ。所述的发射光学系统将第一测距信号和第二测距信号汇聚后准直发射给被测目标；所述的接收光学系统收集被测目标反射的回波信号并进行分束；第一测距信号对应的回波信号经第一光电探测器转为电信号，输入脉冲编码处理模块进行处理；第二测距信号对应的回波信号经第二光电探测器转为电信号，输入相位法处理模块处理。所述的脉冲编码处理模块将第一光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，利用计数器完成时钟信号的脉冲计数，设记下N个时钟周期；然后将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h。所述的相位法处理模块将第二光电探测器输入的电信号通过放大整形处理后，鉴相获得相位差。所述的测距结果计算单元，首先根据脉冲编码处理模块输出的数据N和h获取第一测量距离L1，其次根据相位法处理模块输出的相位差获取第二测距结果L2，最后将两个测距结果复合，获得复合测量距离Lstart，判断|L1-Lstart|＞λ/4是否成立，若成立，则最终测距结果L＝Lstart+λ/2，若不成立，则最终测距结果L＝Lstart。所述的第一测量距离其中，c为光速，f为计数器的时钟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距；(一)实现脉冲编码法测距的方法是：首先，采用连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为测距信号，测距信号的总码长为2K‑1，码元宽度为1/fPulse，fPulse为脉冲串的重复频率；K为正整数；其次，当接收到回波信号时，设计数器记下N个时钟周期，计数器的时钟频率f＝fPulse；将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；则脉冲编码法的测距结果L1为：L1=c×(N+1-h)2×f;]]>其中，c为光速；(二)实现相位法测距，具体是：采用连续激光器生成的光信号经过相位调制生成测距信号，测距信号的波长为λ；设相位法的测距结果为L2；(三)将脉冲编码法和相位法的测距结果复合，确定最终的测距结果；首先，将脉冲编码法的测距结果L1和相位法的测距结果L2复合，得到测量距离Lstart为：Lstart＝L1‑mod(L1,λ/2)+L2‑PK×λ/2；其中，mod表示取余数；PK的取值为1或0，当L2>λ/4时，PK取1，否则PK取0；然后，判断下式是否成立：|L1‑Lstart|＞λ/4；若成立，则最终测距结果L＝Lstart+λ/2；若不成立，则最终测距结果L＝Lstart。...

【技术特征摘要】
1.一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，在发射端采用两个独立的不同波长的光源生成两路测距信号，分别实现脉冲编码法测距与相位法测距；(一)实现脉冲编码法测距的方法是：首先，采用连续激光器按K阶m序列伪随机码调制脉冲串作为测距信号，测距信号的总码长为2K-1，码元宽度为1/fPulse，fPulse为脉冲串的重复频率；K为正整数；其次，当接收到回波信号时，设计数器记下N个时钟周期，计数器的时钟频率f＝fPulse；将回波信号左移N+1个码元宽度后，在右侧的两个码元宽度区间内做自相关运算，找到自相关函数的最大值处，设该最大值处向右的位移量为h；则脉冲编码法的测距结果L1为： L 1 = c × ( N + 1 - h ) 2 × f ; ]]>其中，c为光速；(二)实现相位法测距，具体是：采用连续激光器生成的光信号经过相位调制生成测距信号，测距信号的波长为λ；设相位法的测距结果为L2；(三)将脉冲编码法和相位法的测距结果复合，确定最终的测距结果；首先，将脉冲编码法的测距结果L1和相位法的测距结果L2复合，得到测量距离Lstart为：Lstart＝L1-mod(L1,λ/2)+L2-PK×λ/2；其中，mod表示取余数；PK的取值为1或0，当L2>λ/4时，PK取1，否则PK取0；然后，判断下式是否成立：|L1-Lstart|＞λ/4；若成立，则最终测距结果L＝Lstart+λ/2；若不成立，则最终测距结果L＝Lstart。2.根据权利要求1所述的一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，所述的相位法测距中，测距信号的波长λ满足条件：λ＞2×(2σ1+2σ2)；其中，σ1为脉冲编码法的误差，σ2为相位法的最大测量误差。3.根据权利要求1所述的一种面向长距离高精度的复合式激光测距方法，其特征在于，所述的K取值范围为[3,5]。4.一种面向长距离高精度的复合式激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：纪越峰，张佳玮，肖玉明，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11