CN109814091A - 一种激光雷达回波信号重构方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达回波信号重构方法与装置，属于激光雷达技术领域，包括调制生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；利用光电探测器将激光回波信号转换为模拟电信号；利用低频模数转换器按照采样周期t对模拟电信号进行采样存储，将模拟电信号转换为数字电信号；将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到回波信号的重构波形。本发明既无需使用昂贵的高速ADC，节省成本，也可保证回波信号的重构精度。

Description

一种激光雷达回波信号重构方法与装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种激光雷达回波信号重构方法与装置。

背景技术

半导体激光器的发展推动激光器在各个领域的迅猛发展，激光雷达因其质量轻、测距精度高、性价比高、低功耗等优点，在工业、航天航空、建筑测量和辅助驾驶等领域得到了广泛的应用。对于全数字化激光雷达测距系统，器测量精度主要取决于驱动脉冲的上升沿、信噪比、回波信号重构精度、回波时刻鉴别和飞行时间间隔测量精度，其中回波信号的重构精度决定了回波时刻鉴别和飞行时间的测量精度。

雷达系统是在多脉冲观测的基础上进行检测的，多脉冲观测的结果就是一个累积过程，积累可以简单的理解为多个脉冲叠加起来的作用，对多个重构信号累积后可有效提高信噪比，从而改善雷达的检测能力。模数转换器(ADC)的采样频率决定了回波信号重构精度，但高频ADC不仅价格昂贵，且存在技术封锁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光雷达回波信号重构方法与装置，以利用低频ADC实现高精度回波信号重构。

为实现以上目的，本发明采用一种激光雷达回波信号重构方法，包括如下步骤：

调制生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

利用低频模数转换器按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样，将模拟电信号转换为数字电信号；

将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

本发明进一步改进点在于：在所述利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号之后，还包括：

利用前置放大器对所述模拟电信号进行放大，得到放大后的模拟电信号。

本发明进一步改进点在于：所述发射周期T与所述采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt的大小决定了回波信号的重构精度。

本发明进一步改进点在于：所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号为在所述发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻。

本发明进一步改进点在于：所述将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形，包括：

将在所述N个发射周期内，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号按照采样时刻与驱动脉冲产生时刻之间的时间间隔进行有序排列。

另一方面，提供一种激光雷达回波信号重构装置，包括激光发射器、光电探测器、低频模数转换器以及主控器；主控器与激光发射器连接，激光发射器发出的激光传输路径上布置有待测目标物体，激光打到待测目标物体所产生的激光回波信号的传输路径上布置有所述光电探测器，光电探测器的输出端连接低频模数转换器，低频模数转换器与所述主控器相连接。

本发明进一步改进点在于：所述光电探测器的输出端连接一前置放大器，前置放大器的输出端连接所述低频模数转换器。

本发明进一步改进点在于：所述主控器包括驱动模块和回波重构模块；

驱动模块调制生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

所述光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

所述低频模数转换器按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样，并将采样得到的模拟电信号转换为数字电信号；

回波重构模块与所述低频模数转换器输出端连接，回波重构模块用于将低频模数转换器在N个发射周期T内所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

本发明进一步改进点在于：所述发射周期T与所述采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt的大小决定了回波信号的重构精度。

本发明进一步改进点在于：所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号为在所述发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明的激光雷达回波信号重构过程中避开使用昂贵的高速模数转换器ADC，利用低频ADC在多个周期内对回波信号转换成的模拟电信号进行采样存储，并将多个周期内的数字电信号进行有序排列，得到新的采样序列，实现激光回波信号的重构。本发明利用低频ADC，通过多周期采样实现高精度回波信号重构，与现有技术相比，既无需使用昂贵的高速ADC，节省成本，也可保证回波信号的重构精度。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种激光雷达回波信号重构方法的流程示意图；

图2是一种激光雷达回波信号重构装置的结构示意图；

图3是激光回波重构示意图；

图4是激光回波信号采样存储及波形重构详解示意图。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1所示，本发明提供一种激光雷达回波信号重构方法，包括如下步骤S1至S4：

S1、调制生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

S2、利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

S3、利用低频模数转换器按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样，将模拟电信号转换为数字电信号；

S4、将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

需要说明的是，本实施例中采用低频模数转换器，在N个发射周期内对激光回波信号所转换成的模拟电信号进行采样存储，将模拟电信号转换成数字电信号，将N个发射周期内存储的数字电信号进行有序排列，得到新的采样序列，实现回波信号的重构。通过利用低频模数转换器，与采用高速模数转换器相比，大大降低了成本；同时，如图3所示，利用等效采样的思想，通过将多个周期内低频模数转换器采集到的信号进行有序排列，可实现高精度回波信号的重构。

进一步地，在上述步骤S2：利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号之后，还包括步骤S2`：

S2`、利用前置放大器对所述模拟电信号进行放大，得到放大后的模拟电信号。

本实施例中通过利用高增益线性前置放大器对模拟电信号进行放大，以保证探测信号不失真且噪声小。

进一步地，发射周期T与采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt的大小决定了回波信号的重构精度。其中：相邻采样点之间的时间间隔Δt的取值可影响回波信号重构的精度，通过对发射周期T的调制，可以将重构精度成倍的提高，以适用不同的应用场合。

进一步地，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号为在所述发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻。其中，特定时间范围还可为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻，并加上一时间裕量，在保证回波信号被采样存储的同时，少的采样存储点也可以减少后期回波信号重构阶段的运算量，以通过尽可能少的运算量进行回波重构，同时确保回波信号被准确接收。

应当理解的是，本实施例中的时间裕量可由实际情况而定，其目的是为了确保能接收到回波信号。

进一步地，上述步骤S4：将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形，包括如下细分步骤：

将在所述N个发射周期内，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号按照采样时刻与驱动脉冲产生时刻之间的时间间隔进行有序排列；

具体地，在本实施例中调制驱动脉冲信号其发射周期T为20us-2.5ns，采样周期t＝20ns，存在Δt＝2.5ns，使得Nt＝T+Δt，其中N＝t/Δt＝8。存储驱动脉冲产生之后1us内的采样数据，即一个发射周期内存储1us/20ns＝50个采样点。对每个发射周期的特定时间范围内的采样点分别进行存储。为方便描述，将第i个发射周期的50个采样点记为

由图3可知，第二个发射周期的采样点与第一个发射周期的采样点之间有Δt的时间间隔；第三个发射周期的采样点与第一个发射周期的采样点之间有2Δt的时间间隔；以此类推，直到第N+1个发射周期的采样点与第一个发射周期的采样点之间有(N+1)·Δt＝t的时间间隔，即与第一个发射周期的采样点重合。将N个发射周期内的采样点映射到一个发射周期，则相邻采样点之间的时间间隔为期Δt。

为便于理解，本实施例中回波信号重构的原理如图3：将每个发射周期的采样点映射到一个周期，可以直观的看出重构后较单个发射周期的采样点，信号恢复精度提高了。也就是说只有映射到一个周期，此处的Δt才表示相邻采样点之间的距离，即Δt为相邻周期临近位置采样点之间的距离，与之间间隔便为Δt，j表示采样点，本实施例中1≤j≤50。否则在每个发射周期内，相邻采样点之间的距离为采样周期t，即与之间的间隔为采样周期t。

由8(N＝t/Δt＝20ns/2.5＝8)个连续发射周期T内的采样数据有序排列可以得到一个重构波形。如图4所示，对8个发射周期的回波信号采样数据有序处理，得到一组新的采样序列即这便是重构后的采样序列。

如图2所示，本实施例公开了一种激光雷达回波信号重构装置，包括：激光发射器20、光电探测器30、低频模数转换器40以及主控器10；主控制器10与激光发射器20相连接，激光发射器20发出的激光传输路径上布置有待测目标物体，激光打到待测目标物体所产生的激光回波信号的传输路径上布置有光电探测器30，光电探测器30的输出端连接低频模数转换器40，低频模数转换器40与主控器10相连接。

其中，主控器10采用FPGA芯片，为Altera公司的CycloneIV系列FPGA芯片。选用50MHz的ADC，选用的激光发射器20型号为SPLL90，发射激光波长为905ns，不会对人体产生伤害。选用响应度高、噪声掺杂度低的光电探测器30BPW34BS将回波信号转化为电信号。

进一步地，光电探测器30的输出端连接一前置放大器，前置放大器的输出端连接所述低频模数转换器40。其中：选用高增益线性前置放大器MAX3806以保证探测信号不失真且噪声小。

进一步地，主控器10包括驱动模块和回波重构模块；

驱动模块生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器20发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

所述光电探测器30将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

所述低频模数转换器40按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样，并将采样得到的模拟电信号转换为数字电信号；

回波重构模块与所述低频模数转换器40输出端连接，回波重构模块用于将低频模数转换器40在N个发射周期T内所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

具体地，主控器10还包括采样存储模块，用于在特定周期内的特定时间范围内进行采样点的获取与存储。

回波重构模块与采样存储模块的输出端连接，回波重构模块用于在特定周期后对特定周期内所存储的采样点进行有序排列，以得到新的采样序列，即回波信号重构序列。

进一步地，发射周期T与采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt的大小决定了回波信号的重构精度。

进一步地，低频模数转换器40所采样得到的数字电信号为在发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻，并加上一定的时间裕量。

需要说明的是，本发明通过利用低频模数转换器，进行多周期采样，并将多周期采样结果进行排序，得到新的采样序列，实现回波信号的重构。即保证了回波信号重构精度，又降低了装置成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达回波信号重构方法，其特征在于，包括：

调制生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

利用低频模数转换器按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样，并将采样得到的模拟电信号转换为数字电信号；

将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

2.如权利要求1所述的激光雷达回波信号重构方法，其特征在于，在所述利用光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号之后，还包括：

利用前置放大器对所述模拟电信号进行放大，得到放大后的模拟电信号。

3.如权利要求1或2所述的激光雷达回波信号重构方法，其特征在于，所述发射周期T与所述采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt为相邻发射周期T临近位置采样点之间的距离，t为模拟数字转换器的采样周期。

4.如权利要求1或2所述的激光雷达回波信号重构方法，其特征在于，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号为在所述发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻，且加上一时间裕量。

5.如权利要求1所述的激光雷达回波信号重构方法，其特征在于，所述将在N个发射周期T内，低频模数转换器所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形，包括：

将在所述N个发射周期内，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号按照采样时刻与驱动脉冲产生时刻之间的时间间隔进行有序排列。

6.一种激光雷达回波信号重构装置，其特征在于，包括激光发射器、光电探测器、低频模数转换器以及主控器；主控器与激光发射器连接，激光发射器发出的激光传输路径上布置有待测目标物体，激光打到待测目标物体所产生的激光回波信号的传输路径上布置有所述光电探测器，光电探测器的输出端连接低频模数转换器，低频模数转换器与所述主控器相连接。

7.如权利要求6所述的激光雷达回波信号重构装置，其特征在于，所述光电探测器的输出端连接一前置放大器，前置放大器的输出端连接所述低频模数转换器。

8.如权利要求6所述激光雷达回波信号重构装置，其特征在于，所述主控器包括驱动模块和回波重构模块；

驱动模块生成发射周期为T的脉冲驱动信号来驱动激光发射器发射激光到待测目标物体，产生激光回波信号；

所述光电探测器将所述激光回波信号转换为模拟电信号；

所述低频模数转换器按照采样周期t对所述模拟电信号进行采样存储，将模拟电信号转换为数字电信号；

回波重构模块与所述低频模数转换器输出端连接，回波重构模块用于将低频模数转换器在N个发射周期T内所采样得到的数字电信号进行有序排列，得到所述回波信号的重构波形。

9.如权利要求8所述的激光雷达回波信号重构装置，其特征在于，所述发射周期T与所述采样周期t之间满足Nt＝T+Δt，其中：N＝t/Δt，Δt为相邻发射周期T临近位置采样点之间的距离，t为模拟数字转换器的采样周期。

10.如权利要求8所述的激光雷达回波信号重构装置，其特征在于，所述低频模数转换器所采样得到的数字电信号为在所述发射周期T内特定时间范围内的采样点，该特定时间范围为从脉冲驱动信号产生到确保能接收到回波信号的时刻。