CN103616696B - 一种激光成像雷达装置及其测距的方法 - Google Patents

Abstract

针对现有距离选通激光成像雷达的距离分辨率低的问题，本发明提供一种激光成像雷达装置和测距的方法，其中，一种激光成像雷达装置包括：激光器、激光调制单元、光学天线单元、探测单元、数据处理单元和图像处理单元；其中，探测单元由计数器、选通门控制器和阵列探测器组成；数据处理单元由累加器和相关器组成；本发明的测距方法，采用了相位编码脉冲幅度调制方式对恒定幅度的激光信号进行了信息加载过程。有益的技术效果：本发明的设备及方法结合了距离选通激光成像雷达的探测距离远以及脉冲相位编码方式的测距分辨率高的优点，同时避免了距离选通激光成像雷达在远距离测量时具有的测距分辨率低以及脉冲相位编码方式的低成像速度的缺点。

Description

一种激光成像雷达装置及其测距的方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种激光成像雷达装置及其测距的方法。该方法能够突破探测器采样时间对雷达系统距离分辨率的限制。

背景技术

距离选通激光成像雷达采用激光主动照明方式，利用距离选通技术，通过探测在信号发射后特定的延迟时间段内是否存在激光回波信号，判断目标在延迟时间段相对应距离段内是否存在目标，并按照延迟时间的先后获得不同距离的目标的回波信号，从而获取目标的3D成像信息。距离选通激光成像雷达的距离分辨率，首先取决于距离选通间隔，其次是距离门和激光脉冲信号的波动的影响，窄脉冲宽度和短采样间隔可以使雷达达到更高的距离分辨率。通常提高距离选通激光成像雷达的距离分辨率，需要缩短激光脉冲宽度和采样间隔，以及提高激光发射峰值功率，这将对激光器和接收系统提出苛刻要求，具体实行存在很多困难。并且在距离选通成像激光雷达对远距离目标进行成像时，由于激光器发射信号的峰值功率的限制，系统需要将脉冲宽度加宽以加大信号能量，这将近一步降低激光雷达系统的距离分辨率。同时由于采用的是单脉冲体制，目标距离限制了激光脉冲信号的重复频率，从而限制了激光雷达系统的成像速率。

相位编码激光雷达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。目标反射激光脉冲编码信号，经传输延迟被接收机接收并由探测器转化为回波编码电信号，相位编码回波信号与激光发射相位编码信号经过数据采集送入计算机完成相关运算，再经过信号处理，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，而阵列探测器对激光信号的采样速度受到阵列探测器制作工艺的限制，不能满足大面阵相位编码激光雷达对信号采样的速度要求，因此制约了相位编码体制在激光成像雷达方面的应用。

m序列相位编码具有良好的伪随机性，优秀的自相关和互相关特性。但是，常规m序列相位编码测距雷达需要探测序列的每一位子脉冲，然后将探测得到的子脉冲与参考信号脉冲进行相关运算，两个序列的相关峰位置在周期的第L位，表示回波序列与参考信号之间的相位差为L，从而判断目标位置为 $R=\frac{1}{2}\mathrm{cL\τ}.$

这种方法的好处是将宽脉冲进行调制，将相位信息添加在宽脉冲内，提高了系统的测量距离和分辨率。但是其缺点是系统需要得到序列的每一位子脉冲，这对于采用阵列探测器的激光雷达系统来说是十分艰难的，因为阵列探测器的采样时间宽度非常宽，导致序列的子脉冲宽度展宽，激光雷达系统的距离分辨率极低，不能满足激光雷达系统的要求。

通常来说阵列探测器的采样频率在40kHz以下，这样阵列探测器的采样时间需大于25μs，这导致系统发射的脉冲宽度需要大于25μs，才能由阵列探测器恢复出激光器发射的脉冲序列。根据理论分析，系统的测距分辨率决定于脉冲宽度，也就是说25μs的脉冲宽度决定了系统的测距分辨率低于3750米，这对于成像激光雷达系统是不可接受的。

发明内容

针对现有距离选通激光成像雷达的距离分辨率低的问题，本发明提供一种激光成像雷达装置和一种光成像雷达装置进行测距的方法，采用反向m序列相位编码距离选通的方式，实现对目标的超分辨率成像。具体的硬件结构与测距方法分别如下：

本发明的目的是这样实现的：

一种激光成像雷达装置，包括激光器1、激光调制单元2、光学天线单元3、探测单元4、数据处理单元5和图像处理单元6；其中，激光调制单元2由调制器21、m序列脉冲信号源22和脉冲信号发生器23组成；光学天线单元3由光学发射天线31和光学接收天线32组成；探测单元4包括选通门控制器42和阵列探测器43；数据处理单元5包含一个相关器52；图像处理单元6由编码器61和计算机62组成；

脉冲信号发生器23产生时钟信号并将时钟信号分别输出给m序列脉冲信号源22和探测单元4；m序列脉冲信号源22依据时钟信号产生脉冲序列并将脉冲序列分别输入给调制器21和数据处理单元5；调制器21将m序列脉冲信号源22的脉冲序列做为调制信号，数据处理单元5将m序列脉冲信号源22的脉冲序列做为正向参考信号；

调制器21将由激光器1激发产生的激光信号调制后形成激光脉冲序列信号，并经光学发射天线31照射到目标物体上；激光脉冲序列信号在目标物体发生反射形成激光回波脉冲信号；光学接收天线32接收由目标物体反射回来的激光回波脉冲信号并传输至阵列探测器43；受选通门控制器42控制的阵列探测器43累积激光回波脉冲信号转换为回波信号并输出给相关器52。

相关器52负责数据的运算，并将数据运算的结果输出给编码器61，由编码器61根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机62完成目标的三维距离图像的输出；此外：在探测单元4内设有一个计数器41；在数据处理单元5内设有一个累加器51；激光器1发射的激光信号为恒定幅度；脉冲信号发生器23产生的时钟信号的宽度为τ；m序列脉冲信号源22产生的脉冲序列的子码宽度为τ、周期长度为N且排列顺序为m序列的脉冲序列，即正向m序列的脉冲序列；该正向m序列的脉冲序列分别输出给调制器21和累加器51；调制器21以正向m序列的脉冲序列为调制信号对激光信号进行调制，调制后的激光信号为排列顺序为m序列、子码宽度为τ且周期长度为N的激光脉冲序列信号；

计数器41与脉冲信号发生器23相连接，依据脉冲信号发生器23所发出的时钟信号进行计数，且将计数器41的计数结果输出至选通门控制器42；当计数器41输出的计数的结果为0到N-1时，选通门控制器42驱动阵列探测器43积累回波信号，阵列探测器43积累回波信号的时间记为选通时间，长度为(N-1)τ；当计数器41输出为N-1时，选通门控制器42驱动阵列探测器43向相关器52输出积累的回波信号，随后，计数器41重置为0，选通门控制器42驱动阵列探测器43按上述步骤循环执行积累回波信号和输出积累的回波信号；

累加器51与脉冲信号发生器23相连接；累加器51以正向m序列的脉冲序列为m序列参考信号输出给累加器51，累加器51对每N-1位信号进行累加并输出给相关器52作为反向m序列参考信号；

相关器52将对阵列探测器43输出的回波信号与累加器51输出的参考信号针对阵列探测器43每个像素输出的积累信号进行相关运算，并将结果输出给编码器61；

编码器61根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机62完成目标的三维距离图像的输出。

采用本发明激光成像雷达装置进行测距的方法，按如下步骤进行：

步骤一：激光器1发射恒定幅度的激光信号，激光信号传递给激光调制单元2；

步骤二：脉冲信号发生器23产生脉冲时钟信号，该脉冲时钟信号的脉冲宽度为τ，且分别发送给m序列脉冲信号源22和计数器41；

步骤三：m序列脉冲信号源22将脉冲时钟信号转换成m序列脉冲信号并分别传输至调制器21和累加器51；其中，所述的m序列脉冲信号的序列周期长度为N；该m序列脉冲信号被作为调制信号并发送至调制器21；该m序列脉冲信号被作为脉冲宽度为τ的窄序列正向参考信号发送至累加器51；

步骤四：调制器21接收到m序列脉冲信号后，对激光器1所发射的、具有恒定幅度的激光信号进行调制，获得m序列脉冲序列串；该m序列脉冲序列串被传递给光学发射天线31；

步骤五：光学发射天线31对m序列脉冲序列串进行整形，并照射在目标物体上；

步骤六：计数器41对脉冲时钟信号进行计数，将计数结果输出给选通门控制器42；

步骤七：选通门控制器42根据计数结果，控制与选通门控制器42相连接的阵列探测器43的开启或关闭；选通门控制器42的选通时间设为(N-1)τ；

步骤八：光学接收天线32收集目标物体反射回来的m序列脉冲序列串，并将该m序列脉冲序列串聚集在阵列探测器43上；阵列探测器43将接收到的m序列脉冲序列串转换为探测信号其中，探测信号的信号宽度为(N-1)τ；

步骤九：在选通门控制器42开启时，阵列探测器43累积探测信号在选通门控制器42关闭时，阵列探测器43将累积的探测信号输出给相关器52，其中，探测信号的信号宽度为

步骤十：累加器51对m序列脉冲信号源22输出的窄序列参考信号进行累加，累加N-1位的窄脉冲正向参考信号，得到宽脉冲反向参考信号序列循环执行，并输出宽脉冲反向参考信号序列给相关器(52)；

步骤十一：相关器52计算由阵列探测器43输出的信号宽度为(N-1)τ的累积探测信号和宽序列参考信号之间的相关值，得到的相关峰位置为N-L，即相位差Δt_M＝(N-1)(N-L)τ，并将相位差Δt_M输出给编码器61；

步骤十二：编码器61根据公式计算激光回波信号与参考信号之间的相位差为Δt_m＝Lτ，探测目标的距离并将阵列探测器各像素对应的距离值发送给计算机，由于雷达系统的采样时间为(N-1)τ，其采样时间的宽度，即阵列探测器的累积探测时间，为宽脉冲宽度(N-1)τ，进而解算得到窄脉冲宽度的距离分辨率为；

步骤十三：计算机62根据编码器61发送的距离值，呈目标物体的三维立体像。

本发明的优势在于：

1.设备简单：本系统是在典型的相位编码激光雷达的基础上进行革新，采用的硬件设备与典型的相位编码激光雷达近似，增加的硬件设备可采用市面上的货架产品。系统的革新是基于器件特性的算法改革。因此设备简单；

2.测距速度快：因为采用相位编码方法，系统的探测周期不再受限于激光的飞行时间，缩短了系统的探测周期；

3.信噪比高：系统发射宽脉冲激光信号(宽度为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。又因为系统采用m序列相位编码方式对信号进行调制，接收时采用相关运算，可以极大地提高信号信噪比；

4.测距范围大(测距非模糊距离大)：系统发射宽脉冲激光信号(宽度为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；

5.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，且m序列具有优良的自相关和互相关特性，具备优良的抗干扰性能；

6.测距分辨率高：因为采用相位编码方法调制激光信号，使系统的测距分辨率达到信号子码宽度τ，远低于传统的距离选通激光成像雷达系统的选通区间的宽度。由于采用反向m序列探测技术，系统的测距分辨率等于序列子脉冲宽度，远高于系统的采样时间宽度。

传统方法的分辨率是系统脉冲宽度。在没有采用本发明的方式时，设探测器的反应速度为40kHz，系统采样时间宽度为25微秒，序列子码宽度不能小于25微秒，则系统时间分辨率就是25微秒，换算成距离，则系统的测距分辨率低于3750米。但采用本发明的方法，探测器的反应速度仍然是40kHz，采样时间宽度为25微秒，但子码长度为1023位时，子码宽度达到24.5ns，且解算后得到的子码宽度的分辨率为24.5ns，系统的测距分辨率为3.675米，测距分辨率得到显著提高。

附图说明

图1为本发明设备的电学结构示意图。

图2为反向m序列获取法示意图。

图3为验证实验中的真实回波信号。

图4为验证实验中探测器积累输出的信号波形。

图5为探测器积累输出的信号波形与积累得到的参考信号的相关运算值。

具体实施方式

现结合附图详细说明本发明的结构原理。

参见图1，一种激光成像雷达装置，包括激光器1、激光调制单元2、光学天线单元3、探测单元4、数据处理单元5和图像处理单元6；其中，激光调制单元2由调制器21、m序列脉冲信号源22和脉冲信号发生器23组成；光学天线单元3由光学发射天线31和光学接收天线32组成；探测单元4包括选通门控制器42和阵列探测器43；数据处理单元5包含一个相关器52；图像处理单元6由编码器61和计算机62组成；

脉冲信号发生器23产生时钟信号并将时钟信号分别输出给m序列脉冲信号源22和探测单元4；m序列脉冲信号源22依据时钟信号产生脉冲序列并将脉冲序列分别输入给调制器21和数据处理单元5；调制器21将m序列脉冲信号源22的脉冲序列做为调制信号，数据处理单元5将m序列脉冲信号源22的脉冲序列做为正向参考信号；调制器21将由激光器1激发产生的激光信号调制后形成激光脉冲序列信号，并经光学发射天线31照射到目标物体上；激光脉冲序列信号在目标物体发生反射形成激光回波脉冲信号；

光学接收天线32接收由目标物体反射回来的激光回波脉冲信号并传输至阵列探测器43；受选通门控制器42控制的阵列探测器43累积激光回波脉冲信号转换为回波信号并输出给相关器52；

相关器52负责数据的运算，并将数据运算的结果输出给编码器61，由编码器61根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机62完成目标的三维距离图像的输出；此外：在探测单元4内设有一个计数器41；在数据处理单元5内设有一个累加器51；激光器1发射的激光信号为恒定幅度；脉冲信号发生器23产生的时钟信号的宽度为τ；m序列脉冲信号源22产生的脉冲序列的子码宽度为τ、周期长度为N且排列顺序为m序列的脉冲序列，即正向m序列的脉冲序列；该正向m序列的脉冲序列分别输出给调制器21和累加器51；

调制器21以正向m序列的脉冲序列为调制信号对激光信号进行调制，调制后的激光信号为排列顺序为m序列、子码宽度为τ且周期长度为N的激光脉冲序列信号；

计数器41与脉冲信号发生器23相连接，依据脉冲信号发生器23所发出的时钟信号进行计数，且将计数器41的计数结果输出至选通门控制器42；当计数器41输出的计数的结果为0到N-1时，选通门控制器42驱动阵列探测器43积累回波信号，阵列探测器43积累回波信号的时间记为选通时间，长度为(N-1)τ；当计数器41输出为N-1时，选通门控制器42驱动阵列探测器43向相关器52输出积累的回波信号，随后，计数器41重置为0，选通门控制器42驱动阵列探测器43按上述步骤循环执行积累回波信号和输出积累的回波信号；

累加器51与脉冲信号发生器23相连接；累加器51以正向m序列的脉冲序列为m序列参考信号输出给累加器51，累加器51对每N-1位信号进行累加并输出给相关器52作为反向m序列参考信号；

相关器52将对阵列探测器43输出的回波信号与累加器51输出的参考信号针对阵列探测器43每个像素输出的积累信号进行相关运算，并将结果输出给编码器61。

编码器61根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机62完成目标的三维距离图像的输出。一种激光成像雷达装置进行测距的方法，按如下步骤进行：

步骤一：激光器1发射恒定幅度的激光信号，激光信号传递给激光调制单元2。

步骤二：脉冲信号发生器23产生脉冲时钟信号，该脉冲时钟信号的脉冲宽度为τ，且分别发送给m序列脉冲信号源22和计数器41。

步骤三：m序列脉冲信号源22根据m序列的产生机理和编码的产生顺序将脉冲时钟信号转换成生m序列脉冲信号并分别传输至调制器21和累加器51；其中，所述的m序列脉冲信号的序列周期长度为N；该m序列脉冲信号被作为调制信号并发送至调制器21；该m序列脉冲信号被作为脉冲宽度为τ的窄序列正向参考信号发送至累加器51；

如图2所示，所述的m序列是由带线性反馈的级联移位寄存器产生的周期最长的一种伪随机序列。设n为构造m序列的反馈移位寄存器的级数，则m序列的一个周期码长位数用式N＝2ⁿ-1来表达。表示移位寄存器输出的第1到第N个脉冲信号序列，其中m_i表示序列中的子脉冲信号,i＝1，...，N。表示移位寄存器输出的第1+L^th到第N+L^th个脉冲信号序列。为序列经过L次延迟后发射的信号，和的关系为：

${\hat{m}}_L=\hat{m}{A}^L---\left(I\right)$

其中A表示反馈系数矩阵，A^L表示寄存器的L次移位；

在相位编码激光雷达中，将采集到的回波信号记为其参考信号记为这里L表示激光信号在大气中传播造成的延迟。通常情况下，为计算L的值，采用互相关算法计算和两个序列的相位差。

步骤四：调制器21接收到m序列脉冲信号后，对激光器1所发射的、具有恒定幅度的激光信号进行调制，获得m序列脉冲序列串；该m序列脉冲序列串被传递给光学发射天线31。

步骤五：光学发射天线31对m序列脉冲序列串进行整形，并照射在目标物体上。

步骤六：计数器41对脉冲时钟信号进行计数，将计数结果输出给选通门控制器42。

步骤七：选通门控制器42根据计数结果，控制与选通门控制器42相连接的阵列探测器43的开启或关闭；选通门控制器42的选通时间设为(N-1)τ。

步骤八：光学接收天线32收集目标物体反射回来的m序列脉冲序列串，并将该m序列脉冲序列串聚集在阵列探测器43上，阵列探测器43将接收到的m序列脉冲序列串转换并输出为探测信号其中，探测信号的信号宽度为；

设雷达探测距离小于激光在脉冲序列半个周期内所能飞行的距离，且激光器1发射的m序列包含了N-1个周期，则接收到的信号序列的子脉冲可写为m_i，i＝1，...，N(N-1)。

步骤九：在选通门控制器42开启时，阵列探测器43累积探测信号在选通门控制器42关闭时，阵列探测器43将累积的探测信号输出给相关器52，其中，探测信号的信号宽度为

如图2所示，在反向m序列相位编码距离选通激光成像雷达系统中，累加器51将m序列参考信号的每N-1位进行累加，得到反向m序列参考序列，记为同时阵列探测器43在选通区间(N-1)τ内累积探测回波信号，记为其中M_i和M_i+L，i＝1，2，...，N分别表示累积回波采样信号序列与反向m序列参考信号序列的子码；因此有

${\tilde{M}}_j=\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{(N-1)(j-1)+i},j=\mathrm{1,2},...,N---\left(\mathrm{II}\right)$

m序列存在一个特性，即1的数目比0的数目多1，所以同时由于m序列是周期性序列，有其中α为整数。公式(II)可以变换为

${\tilde{M}}_j=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{m}_{(N-1)(j-1)+i}-m_{(N-1)(j-1)+N}=\frac{N+1}{2}-m_{N+1-j}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中j＝1，2，...，N.

公式(III)给出了采集到的累积回波信号序列为

$\begin{array}{c}\hat{M}=(M_1,M_2,...,M_N)\\ =(\frac{N+1}{2}-m_N,\frac{N+1}{2}-m_{N-1},...,\frac{N+1}{2}-m_1)\\ =\frac{N+1}{2}l-(m_N,m_{N-1},...,m_1)\end{array}---\left(\mathrm{IV}\right)$

式中l＝(1，1，...，1)。

步骤十：累加器51对m序列脉冲信号源22输出的窄序列参考信号进行累加，累加N-1位的窄脉冲正向参考信号，得到宽脉冲反向参考信号序列循环执行，并输出宽脉冲反向参考信号序列给相关器(52)，该累加的结果的宽度为(N-1)τ；

并根据公式(IV)，可以得到反向m序列参考信号序列为：

${\hat{M}}_L=\frac{N+1}{2}l-(m_{N+L},m_{N-1+L},...,m_{1+L})---\left(V\right)$

步骤十一：相关器52计算由阵列探测器43输出的信号宽度为(N-1)τ的累积探测信号和宽序列参考信号之间的相关值，得到的相关峰位置为N-L，即相位差Δt_M＝(N-1)(N-L)τ，并将相位差Δt_M输出给编码器61；

其运算过程可以根据公式(I)可以得到

(m_N+L，m_N-1+L，...，m_1+L)＝(m_N，m_N-1，...，m₁)A^N-L         (VI)

因此

$\begin{array}{c}{\hat{M}}_L=\frac{N+1}{2}l-(m_{N+L},m_{N-1+L},...,m_{1+L})\\ =\frac{N+1}{2}l-(m_N,m_{N-1},...,m_1)A^{N-L}\\ =[\frac{N+1}{2}l-(m_N,m_{N-1},...,m_1)]A^{N-L}\\ =\hat{M}{A}^{N-L}\end{array}---\left(\mathrm{VII}\right)$

公式(VII)表示累积采样得到的激光回波序列与反向m序列参考信号序列之间的相位差为N-L,既积累得到的回波信号与反向m序列参考信号序列之间的相位差为Δt_M＝(N-1)(N-L)τ；

相关值是指积累得到的回波信号与反向m序列参考信号序列的互相关运算得到的值，其过程是将累得到的回波信号的序列与反向m序列参考信号序列的序列内各个元素依次相乘后进行加和，所得到一个值；具体是将累得到的回波信号的序列移动一位，再进行相乘和加和，得到第2个值，依次做做下去，得到N个值，这N个值就是相关值，相关值最大的就是相关峰。

步骤十二：编码器61根据公式计算激光回波信号与参考信号之间的相位差为Δt_m＝Lτ，探测目标的距离并将阵列探测器各像素对应的距离值发送给计算机，由于雷达系统的采样时间为(N-1)τ，其采样时间的宽度，即阵列探测器的累积探测时间，为宽脉冲宽度(N-1)τ，经过解算即得到窄脉冲宽度的距离分辨率为τ；具体计算步骤如下：

计算激光回波信号与参考信号之间的相位差可以由积累得到的回波信号与反向m序列参考信号序列之间的相位差得到，其推导过程如下：

由于N是序列的长度，是已知的，因此L可以由激光回波序列与反向m序列参考信号序列之间的相位差计算得到。对于真实信号，已知子脉冲宽度为τ，探测器积累的时间为(N-1)τ。假设激光回波信号与参考信号之间的相位差为Δt_m＝Lτ，则积累得到的回波信号与反向m序列参考信号序列之间的相位差为Δt_M＝(N-1)(N-L)τ。因此有

${\mathrm{\Δt}}_m=\mathrm{N\τ}-\frac{{\mathrm{\Δt}}_M}{N-1}---\left(\mathrm{VIII}\right)$

则目标距离R为

步骤十三：计算机62根据编码器61发送的距离值，按照探测器各像素排列位置呈目标物体的三维立体像。

由上述步骤可知：本发明采用了相位编码脉冲幅度调制方式对恒定幅度的激光信号进行了信息加载过程。阵列探测器43将接收到的信号进行累积探测后，与累加器51累加得到的反向m序列参考信号进行相位编码互相关运算，对目标分别进行相位差计算，得到宽脉冲序列相位差，再转换为窄脉冲序列相位差，并转换为目标距离。本方法结合了距离选通激光成像雷达的探测距离远以及脉冲相位编码方式的测距分辨率高的优点，同时避免了距离选通激光成像雷达在远距离测量时具有的测距分辨率低以及脉冲相位编码方式的低成像速度的缺点。具体的分析如下：

本发明的激光成像雷达装置仍然发射宽度较窄的子脉冲信号序列，将参考信号记为 ${\hat{m}}_L=(m_{1+L},m_{2+L},...,m_{N+L}),$ 回波信号记为 $\hat{m}=(m_1,m_2,...,m_N),$ 这里L表示激光信号在大气中传播造成的延迟。

其中，累加器51将m序列参考信号的每N-1位进行累加，得到反向m序列参考序列，记为同时阵列探测器43在选通区间(N-1)τ内累积探测回波信号，记为其中M_i和M_i+L，i＝1，2，...，N分别表示累积回波采样信号序列与反向m序列参考信号序列的子码。由于阵列探测器43的采样时间为选通时间(N-1)τ，当N比较大时，阵列探测器43的采样时间宽度也非常宽，阵列探测器43的反应速度可以满足系统的要求。根据推导，可以得到

$\begin{array}{c}{\hat{M}}_L=\frac{N+1}{2}l-(m_{N+L},m_{N-1+L},...,m_{1+L})\\ =\frac{N+1}{2}l-(m_N,m_{N-1},...,m_1)A^{N-L}\\ =[\frac{N+1}{2}l-(m_N,m_{N-1},...,m_1)]A^{N-L}\\ =\hat{M}{A}^{N-L}\end{array}$

公式表示累积采样得到的激光回波序列与新的参考信号序列之间的相位差为N-L。

由于N是序列的长度，是已知的，因此L可以由激光回波序列与反向m序列参考信号序列之间的相位差计算得到。对于真实信号，已知子脉冲宽度为τ，探测器积累的时间为(N-1)τ。假设激光回波信号与参考信号之间的相位差为Δt_m＝Lτ，则积累得到的回波信号与反向m序列参考信号序列之间的相位差为Δt_M＝(N-1)(N-L)τ。因此有

${\mathrm{\Δt}}_m=\mathrm{N\τ}-\frac{{\mathrm{\Δt}}_M}{N-1}$

则目标距离R为

$R=\frac{1}{2}c{\mathrm{\Δt}}_m$

由此可见本发明的时间分辨率为τ，远小于阵列探测器的采样时间(N-1)τ，实现了反向m序列相位编码距离选通成像激光雷达系统的超分辨功能。

做为优选方案，本发明所用的激光器1可以采用中心波长λ＝561nm、功率为75mW的半导体激光器；调制器21采用声光调制器，电光调制器或MZM调制器，探测器43采用ICCD探测器，探测器的上升时间1ns，下降时间1ns，灵敏度0.45A/W；m序列相位编码调制信号的周期为10ns。数字调制信号采用的12级4096位的m序列，序列周期为40.96μs，子码宽度为10ns。

本发明的设备及方法由哈尔滨工业大学物理系在实验模拟环境下进行验证：

1、模拟实验简介

采用如下的设备并按本发明中提供的方案进行组装：激光器1采用一个由Gooch & Housego公司生产的、型号为的Cobolt Jive 75的连续波激光器；激光器1发射一个幅度稳定的激光信号，激光波长为561nm，激光器输出功率为75mW。激光信号有一个调制频率为150kHz的声光型调制器21调制成脉冲序列信号。m序列脉冲信号源22和脉冲信号发生器23采用一个带宽为240MHz，型号为Tektronix公司的AFG3252的信号发生器模拟，产生码长为15位的m序列作为调制信号序列和模拟回波信号序列两个信号序列的子脉冲宽度τ为2μs，周期为30μs。AFG3252信号发生器产生两个信号，分别记为参考信号和回波信号回波信号输出给调制器21，型号是Gooch & Housego公司的R23080-3-LTD，其最大调幅频率为5MHz，调制信号电压幅度为0-1V。在信号发生器内，回波信号相对于参考信号被延迟了10μs，用来模拟激光回波信号。

经过调制器21调制后的回波信号经光学发射天线31和光学接收天线32被聚焦在一个PIN探测器，即阵列探测器43上，型号为Thorlabs公司的DET 10A/M，其灵敏度为0.45A/W，上升沿和下降沿限制在1ns。PIN探测器的输出传给一个集成放大器，型号为Analog Devices公司的AD8488。系统控制集成放大器，实现对激光回波信号的积累，积累时间设为28μs，它的输出传给计算机作为探测器积累得到的激光回波信号PIN探测器与放大器的组合是为了模拟探测单元4，包括计数器41、选通门控制器42和积累型阵列探测器43(如CCD相机，这类探测器的采样频率非常低)的功能。

信号发生器产生的参考信号也传给计算机，在计算机中实现累加功能，作为积累得到的参考信号这里用计算机模拟累加器51。

计算机也用来模拟相关器52，当计算机采集了15位积累的参考序列信号和回波序列信号后计算机实现参考序列信号与回波序列信号的相关运算，并计算它们的相位差。然后计算机根据计算得到的相位差，模拟编码器61计算激光回波信号与参考信号之间的相位差和目标距离。由于在模拟试验中，采用的PIN探测器模拟阵列探测器，故在计算机62呈目标三维立体像步骤可以省略。

2、实验结果分析

图3显示了激光回波信号的真实波形。系统探测周期为420μs，即15位子脉冲宽度为28μs的积累后的回波序列的周期。图4中靠上的图形显示了子脉冲2μs，序列周期为30μs的一个周期的回波信号波形。

尽管发射的激光脉冲信号是由2进制m序列调制的，但由于PIN探测器和集成放大器输出的信号是模拟信号，且实验中不可避免的会有噪声的干扰，如背景噪声，暗电流噪声和其他噪声，探测器输出的信号不能保持稳定幅度。

图4显示积累到的一个周期的激光回波信号信号的子脉冲宽度为28μs(每个子脉冲宽度为14位未积累的回波信号的宽度)。每一位子脉冲信号表示探测器在28μs内积累得到的回波信号能量。比较图4和5，可以看出探测器采样频率为35.7kHz，远低于光电调制器的调制频率500kHz。

图5显示了积累得到的参考信号与积累得到的回波信号的相关运算。在相关运算中，系统采用的是探测器输出的模拟回波信号与数字参考信号因为m序列的互相关运算能够降低噪声的影响，相关运算得到的相关峰给出了参考序列与回波信号序列的相位差。图5中显示了两个序列的相位差为280μs。根据公式(8)，可以得到激光回波信号与参考信号的相位差为10μs，这与实验系统的初始设置吻合。这充分验证了本发明的可行性和合理性，这也显示了本激光雷达系统在28μs的采样时间限制下，成功的实现了2μs的时间分辨率，即系统时间分辨率性能提高了14倍。

上述实验验证了本发明的设备及方法能够实现了低采样率的限制下，获取高距离分辨率的能力，即实现了超分辨功能。

Claims (2)

1.一种激光成像雷达装置，包括激光器(1)、激光调制单元(2)、光学天线单元(3)、探测单元(4)、数据处理单元(5)和图像处理单元(6)；其中，激光调制单元(2)由调制器(21)、m序列脉冲信号源(22)和脉冲信号发生器(23)组成；光学天线单元(3)由光学发射天线(31)和光学接收天线(32)组成；探测单元(4)包括选通门控制器(42)和阵列探测器(43)；数据处理单元(5)包含一个相关器(52)；图像处理单元(6)由编码器(61)和计算机(62)组成；脉冲信号发生器(23)产生时钟信号并将时钟信号分别输出给m序列脉冲信号源(22)和探测单元(4)；m序列脉冲信号源(22)依据时钟信号产生脉冲序列并将脉冲序列分别输入给调制器(21)和数据处理单元(5)；调制器(21)将m序列脉冲信号源(22)的脉冲序列做为调制信号，数据处理单元(5)将m序列脉冲信号源(22)的脉冲序列做为正向参考信号；调制器(21)将由激光器(1)激发产生的激光信号调制后形成激光脉冲序列信号，并经光学发射天线(31)照射到目标物体上；激光脉冲序列信号在目标物体发生反射形成激光回波脉冲信号；光学接收天线(32)接收由目标物体反射回来的激光回波脉冲信号并传输至阵列探测器(43)；受选通门控制器(42)控制的阵列探测器(43)累积激光回波脉冲信号转换为回波信号并输出给相关器(52)；相关器(52)负责数据的运算，并将数据运算的结果输出给编码器(61)，由编码器(61)根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机(62)完成目标的三维距离图像的输出；

其特征在于：在探测单元(4)内设有一个计数器(41)；在数据处理单元(5)内设有一个累加器(51)；激光器(1)发射的激光信号为恒定幅度；脉冲信号发生器(23)产生的时钟信号的宽度为τ；m序列脉冲信号源(22)产生的脉冲序列的子码宽度为τ、周期长度为N且排列顺序为m序列的脉冲序列，即正向m序列的脉冲序列；该正向m序列的脉冲序列分别输出给调制器(21)和累加器(51)；调制器(21)以正向m序列的脉冲序列为调制信号对激光信号进行调制，调制后的激光信号为排列顺序为m序列、子码宽度为τ且周期长度为N的激光脉冲序列信号；计数器(41)与脉冲信号发生器(23)相连接，依据脉冲信号发生器(23)所发出的时钟信号进行计数，且将计数器(41)的计数结果输出至选通门控制器(42)；当计数器(41)输出的计数的结果为0到N-1时，选通门控制器(42)驱动阵列探测器(43)积累回波信号，阵列探测器(43)积累回波信号的时间记为选通时间，长度为(N-1)τ；当计数器(41)输出为N-1时，选通门控制器(42)驱动阵列探测器(43)向相关器(52)输出积累的回波信号，随后，计数器(41)重置为0，选通门控制器(42)驱动阵列探测器(43)按上述步骤循环执行积累回波信号和输出积累的回波信号；

累加器(51)与脉冲信号发生器(23)相连接；累加器(51)以正向m序列的脉冲序列为m序列参考信号输出给累加器(51)，累加器(51)对每N-1位信号进行累加并输出给相关器(52)作为反向m序列参考信号；相关器(52)将对阵列探测器(43)输出的回波信号与累加器(51)输出的参考信号针对阵列探测器(43)每个像素输出的积累信号进行相关运算，并将结果输出给编码器(61)；编码器(61)根据回波信号与参考信号的相位差判断目标的距离，并由计算机(62)完成目标的三维距离图像的输出。

2.采用如权利要求1所述一种激光成像雷达装置进行测距的方法，其特征在于，按如下步骤进行：

步骤一：激光器(1)发射恒定幅度的激光信号，激光信号传递给激光调制单元(2)；

步骤二：脉冲信号发生器(23)产生脉冲时钟信号，该脉冲时钟信号的脉冲宽度为τ，且分别发送给m序列脉冲信号源(22)和计数器(41)；

步骤三：m序列脉冲信号源(22)将脉冲时钟信号转换成m序列脉冲信号并分别传输至调制器(21)和累加器(51)；其中，所述的m序列脉冲信号的序列周期长度为N；该m序列脉冲信号被作为调制信号并发送至调制器(21)；该m序列脉冲信号被作为脉冲宽度为τ的窄序列正向参考信号发送至累加器(51)；

步骤四：调制器(21)接收到m序列脉冲信号后，对激光器(1)所发射的、具有恒定幅度的激光信号进行调制，获得m序列脉冲序列串；该m序列脉冲序列串被传递给光学发射天线(31)；

步骤五：光学发射天线(31)对m序列脉冲序列串进行整形，并照射在目标物体上；

步骤六：计数器(41)对脉冲时钟信号进行计数，并将计数结果输出给选通门控制器(42)；

步骤七：选通门控制器(42)根据计数结果，控制与选通门控制器(42)相连接的阵列探测器(43)的开启或关闭；其中，选通门控制器(42)的选通时间设为(N-1)τ；

步骤八：光学接收天线(32)收集目标物体反射回来的m序列脉冲序列串，并将该m序列脉冲序列串聚集在阵列探测器(43)上；阵列探测器(43)将接受到的m序列脉冲序列串转换为探测信号其中，探测信号的信号宽度为(N-1)τ；

步骤九：在选通门控制器(42)开启时，阵列探测器(43)累积探测信号在选通门控制器(42)关闭时，阵列探测器(43)将累积的探测信号输出给相关器(52)，其中，探测信号的信号宽度为(N-1)τ；

步骤十：累加器(51)对m序列脉冲信号源(22)输出的窄序列参考信号进行累加，累加N-1位的窄脉冲正向参考信号，得到宽脉冲反向参考信号序列循环执行，并输出宽脉冲反向参考信号序列给相关器(52)；

步骤十一：相关器(52)计算由阵列探测器(43)输出的信号宽度为(N-1)τ的累积探测信号和宽序列参考信号之间的相关值，得到的相关峰位置为N-L，即相位差Δt_M＝(N-1)(N-L)τ，并将相位差Δt_M输出给编码器(61)；

步骤十二：编码器(61)根据公式计算激光回波信号与参考信号之间的相位差为Δt_m＝Lτ，探测目标的距离并将阵列探测器各像素对应的距离值发送给计算机，由于雷达系统的采样时间为(N-1)τ，其采样时间的宽度，即阵列探测器的累积探测时间，为宽脉冲宽度(N-1)τ，进而解算得到窄脉冲宽度的距离分辨率为τ；

步骤十三：计算机(62)根据编码器(61)发送的距离值，呈目标物体的三维立体像。