CN109696684A - 一种自相关激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自相关激光雷达装置，先通过激光脉冲信号获取一段方波信号，方波信号开始时刻为脉冲起始时时刻，方波信号结束时刻为激光脉冲截止时刻；再通过对该方波信号做自相关函数处理，得到一个左右对称的三角形，三角形的开始产生时刻为方波信号的开始时刻，三角形达到最高点的时刻为方波的结束时刻，通过获得该三角形的最高点数值和该三角形左半边的斜率值，即可获得左半边三角形的底边长度，该长度即为方波开始时刻结束时刻的差值，即为脉冲的飞行时间。

Description

一种自相关激光雷达装置
技术领域
本发明属于无线电波技术领域，更为具体地讲，涉及一种估算方波持续时间的自相关激光雷达装置。
背景技术
激光雷达的应用十分广泛,已从地面发展到空中,从空中发展到太空,从陆地发展到海面,从海面发展到水下,并涉及到多个学科领域。它有着常规雷达不可比拟的优势,无论在军事上还是在民用上都有广阔的应用前景。
随着科技的进步，人们对智能化的需求越来越高，随着而来的便是对传感器的高要求。不同于传统的摄像头视觉成像，激光雷达测量数据的精度，距离，分辨率要高出很多。未来激光雷达将广泛应用于各个场景，小到家庭的扫地机器人，车载的自动导航***，大到飞机的自动测绘，卫星的精确测距。
对于低成本的激光雷达***大部分厂商采用窄带脉冲飞行时间测距，即发射模块的脉冲激光器发出一段窄脉冲激光，并同时向处理器发送起始电信号，接收模块的光学感应器件接收到脉冲激光击中目标物体反射后的回波，并向处理器发送截止电信号，处理器通过计算起始信号，截止信号的时间差计算出激光脉冲的飞行时间，通过***测得的飞行时间和已知的光波速度相乘，计算激光雷达与目标物之间的距离。
由于光速数值较大，因此对于某些对数据有较高要求的场合(如无人驾驶)，对激光脉冲的起始时刻，截止时刻的时间分辨率要求很高(100ps的误差将会使距离误差达到3cm)。传统的阈值法，恒比法等难以达到所需要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自相关激光雷达装置，利用自相关函数对飞行时间方波信号进行自相关处理，进而获取方波持续时间。
为实现上述发明目的，本发明一种自相关激光雷达装置，其特征在于，包括：
中央处理器模块，主要负责向***中各个模块发送指令，并接受各个模块反馈数据并处理，从而控制***整体运行；
中央处理器模块先向激光脉冲发射模块发送指令，令其发射激光脉冲信号；并同时向激光脉冲接收模块发送指令，令其准备接收回波脉冲；然后等待接收飞行时间方波产生模块发送的反馈信号，当收到反馈信号后，中央处理器模块向三角波峰值计算模块发送指令，并等待三角波峰值计算模块的反馈信号；当中央处理器收到三角波峰值计算模块的反馈信号后，通过自相关函数计算方波持续时间；
激光脉冲发射模块，内置有激光器、光感应单元和电信号放大单元；激光器负责接收中央处理器模块发送的指令，然后发射激光脉冲信号；光感应单元用于产生原始的脉冲起始信号；电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大；
激光脉冲发射模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，随后激光器向空间发射激光脉冲信号，光感应单元感应到激光脉冲信号后产生出原始的脉冲起始信号，电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大，然后输入至飞行时间方波产生模块；
激光脉冲接收模块，内置有光感应单元和电信号放大单元；光感应单元用于产生原始的脉冲截止信号，电信号放大单元用于对原始的脉冲截止信号进行放大；
激光脉冲接收模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，当光感应单元感应到激光脉冲信号经过目标物体反射产生的回波信号时，产生原始的脉冲截止信号，然后通过电信号放大单元对原始的脉冲截止信号进行放大，再输入至飞行时间方波产生模块；
飞行时间方波产生模块，内置有阈值产生器单元、两个比较器单元和与门单元；阈值产生器单元为两个比较器单元提供阈值，两个比较器单元用于截取脉冲起始信号和脉冲截止信号，与门单元用来产生飞行时间方波信号；
飞行时间方波产生模块接收到中央处理器模块发射的指令后，通过阈值产生器单元产生合适的电平作为两个比较器单元的阈值；两个比较器单元根据提供的阈值，对信号激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块发送来的信号进行截取，其中，一个比较器单元用于截取放大后的脉冲起始信号，产生出一个开始时刻为脉冲起始信号的起始时刻的方波信号，另一个比较器单元用于截取脉冲截止信号，产生出一个结束时刻为脉冲截止信号的截止时刻的方波信号；接着，与门单元对这两个方波信号进行与运算，产生出飞行时间方波信号，再将飞行时间方波信号输入至三角波峰值计算模块，同时向中央处理器模块发送反馈信号；
三角波峰值计算模块，内置有积分电路单元、峰值保持电路单元和模拟-数字采样电路单元；
三角波峰值计算模块接收到中央处理器模块发射的指令后，积分电路单元对飞行时间方波信号进行积分运算，产生出一个三角波信号；峰值保持电路单元对三角波信号的峰值进行电平保持，得到三角波信号的峰值电平；然后模拟-数字采样单元对峰值电平进行采样，得到电平数值，将该电平数值以反馈信号的形式发送给中央处理器模块；
电源模块，主要负责向***中各个模块提供所需电平和接地接口，维持***正常运转。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种自相关激光雷达装置，先通过激光脉冲信号获取一段方波信号，方波信号开始时刻为脉冲起始时时刻，方波信号结束时刻为激光脉冲截止时刻；再通过对该方波信号做自相关函数处理，得到一个左右对称的三角形，三角形的开始产生时刻为方波信号的开始时刻，三角形达到最高点的时刻为方波的结束时刻，通过获得该三角形的最高点数值和该三角形左半边的斜率值，即可获得左半边三角形的底边长度，该长度即为方波开始时刻结束时刻的差值，即为脉冲的飞行时间。
同时，本发明一种自相关激光雷达装置还具有以下有益效果：
(1)、相比于传统的阈值法计算方波持续时间，该方法可以获得更好的精度，阈值法的起始结束时刻的确定非常依赖于比较器产生的触发信号，但即使是性能极优的比较器，触发信号的产生也会产生25ns的延时，因为光速数值过大，这在激光雷达***中是无法容忍的(25ns意味着7.5米)。而该方案可以非常有效的消除这类误差，该***的两段信号都会经过同种比较器，这种手段可以有效的去除比较器本身所带来的延时性，最后截取产生的飞行时间方波则由与门电路产生，相比于比较器的25ns延时，与门100ps级别的延时完全可以忽略(100ps意味着3cm)，同阈值法相比该方法可以获得更好的测量精度。
(2)、阈值法的测量非常依赖于阈值，当电路中的电平高于阈值时即产生触发信号，由于电路中的噪声影响，尤其在激光雷达***这种高电流高功率***，噪声对电平的影响非常大。一些尖峰噪声很有可能直接突破阈值，从而导致比较器误以为信号到来，产生触发信号，产生错误的结果。相比之下，该方法可以很有效的消除这种尖峰噪声的影响，该方案采用积分的方式计算方波持续时间。由于尖峰噪声的峰值较大，但持续时间很短，因此采用积分的方法可以非常有效的抑制这种噪声对测量产生的影响。不只是这种噪声，对于多种噪声都可以有积分的平滑作用加以抑制，因此该***具有更好的鲁棒性。
(3)、对于阈值法来说，测量飞行时间需要一套复杂的计时电路，尤其对于激光雷达***而言，该电路的精确性要极高，尤其在户外运动状态很容易受到感扰，高频晶振的微小抖动对测量产生的误差都是巨大的。而该方法的时间测量则通过积分电路完成，相比于高精度的计时电路而言，积分电路更简单，稳健，没有高频晶振等一系列敏感器件。
附图说明
图1是本发明一种自相关激光雷达装置一种具体实施方式架构图；
图2是三角波峰值计算模块的原理图；
图3是飞行时间方波产生模块原理图；
图4是方波信号通过自相关函数求持续时间原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种自相关激光雷达装置一种具体实施方式架构图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种自相关激光雷达装置，包括：中央处理器模块，激光脉冲发射模块，激光脉冲接收模块，飞行时间方波产生模块，三角波峰值计算模块，电源模块。
中央处理器模块，主要负责向***中各个模块发送指令，并接受各个模块反馈数据并处理，从而控制***整体运行。
中央处理器模块先向激光脉冲发射模块发送指令，令其发射激光脉冲信号；并同时向激光脉冲接收模块发送指令，令其准备接收回波脉冲；然后等待接收飞行时间方波产生模块发送的反馈信号，当收到反馈信号后，中央处理器模块向三角波峰值计算模块发送指令，并等待三角波峰值计算模块的反馈信号；当中央处理器收到三角波峰值计算模块的反馈信号后，得到三角波峰值计算模块采样得到的峰值电平值，中央处理器会将该电平值与通过查阅电子器件手册得到的方波振幅值相除，从而完成方波持续时间的计算。
在本实施例中，中央处理器模块可以选用51单片机，MP430单片机，对于更高要求还可为树莓派等。
激光脉冲发射模块，内置有激光器、光感应单元和电信号放大单元；激光器负责接收中央处理器模块发送的指令，然后发射激光脉冲信号；光感应单元用于产生原始的脉冲起始信号；电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大。
激光脉冲发射模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，随后激光器向空间发射激光脉冲信号，光感应单元感应到激光脉冲信号后产生出原始的脉冲起始信号，电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大，然后输入至飞行时间方波产生模块。
激光脉冲接收模块，内置有光感应单元和电信号放大单元；光感应单元用于产生原始的脉冲截止信号，电信号放大单元用于对原始的脉冲截止信号进行放大。
激光脉冲接收模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，当光感应单元感应到激光脉冲信号经过目标物体反射产生的回波信号时，产生原始的脉冲截止信号，然后通过电信号放大单元对原始的脉冲截止信号进行放大，再输入至飞行时间方波产生模块。
在本实施例中，初次使用之前要对激光脉冲发射模块、激光脉冲接收模块的位置进行调整，对于预计测量范围的目标，要调整两模块的位置，使激光脉冲发射模块发射的激光击中目标后的反射光可以击中激光脉冲接收模块的光感应单元。这一调整过程除了需要对激光脉冲发射模块的激光器的透镜和激光脉冲接收模块的光感应单元的透镜设计分析外，还需要使用可见的连续光激光源对光路进行模拟，然后进行手动或机械微调，令其达到最佳工作状态；其次，激光脉冲发射模块的光感应单元和激光脉冲接收模块的光感应单元需选用不同的设计。对于激光脉冲发射模块的光感应模块，由于距离激光器光源较近，能感受到较大的激光脉冲能量，所以需要较小的放大倍数，以防止被过大的能量击穿，同理其后续的放大单元也要考虑这一点，放大到合适大小即可。另外该模块的光感应单元只需用分光器分来少量激光能量触发即可，不宜在这一部分浪费过多的脉冲激光能量，更不要直接阻挡激光器的发射脉冲激光。激光器产生激光的大部分能量要发射到空间中，用于基于反射光的飞行时间测距。而对于激光脉冲接收模块来说，激光在空间中的传播衰减受距离的平方影响，因此对于较远距离有极大的能量衰减，这对于光感应单元有较高的要求，除了要有较高的放大倍数，可以感应到放射回来的微弱光信号，还需要有滤波功能，可以滤除其他波段的噪声光。通样，对于该模块后续的放大单元也有较高的要求，需要能把微弱电信号放大到足够的大小。因此，激光脉冲发射模块中的电信号放大单元的放大倍数远小于激光脉冲接收模块中的电信号放大单元的放大倍数。
如图3所示，飞行时间方波产生模块，内置有阈值产生器单元、两个比较器单元和与门单元；阈值产生器单元为两个比较器单元提供阈值，两个比较器单元用于截取脉冲起始信号和脉冲截止信号，与门单元用来产生飞行时间方波信号。
飞行时间方波产生模块接收到中央处理器模块发射的指令后，通过阈值产生器单元产生合适的电平作为两个比较器单元的阈值；两个比较器单元根据提供的阈值，对信号激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块发送来的信号进行截取，获取到一段飞行时间方波信号。
如图2(a)所示，其中，一个比较器单元用于截取放大后的脉冲起始信号，产生出一个开始时刻为脉冲起始信号的起始时刻的方波信号，另一个比较器单元用于截取脉冲截止信号，产生出一个结束时刻为脉冲截止信号的截止时刻的方波信号；在本实施例中，由于比较器单元的延时性(高性能大约5ns左右)，该方波信号并不是一个平滑的方波，这一点也是传统脉冲测量法误差产生的原因之一，并且由于脉冲在阈值附近的波动会造成比较器提前产生触发信号，使得测得的脉冲起始时刻比真实时刻提前。ns级的时刻误差将会造成分米级的距离误差，这对于如无人驾驶等对精度有较高要求的应用场景是无法忍受的，本发明将会消除这一误差。
接着，与门单元对这两个方波信号进行与运算，产生出飞行时间方波信号，再将飞行时间方波信号输入至三角波峰值计算模块，同时向中央处理器模块发送反馈信号；在本实施例中，不同于之前的比较器，与门电路的延时极低，可达10ps级，对于该时间误差，大多数应用场景完全可以忍受。
三角波峰值计算模块，内置有积分电路单元、峰值保持电路单元和模拟-数字采样电路单元；
三角波峰值计算模块接收到中央处理器模块发射的指令后，飞行时间方波信号进行自相关函数处理，具体过程为：
首先，如图2(b)所示，积分电路单元对飞行时间方波信号进行积分运算，假设飞行时间方波产生模块产生的方波信号为：
其中，A为飞行时间方波的振幅，由于该方波信号是由与门电路直接产生的，所以其振幅为一固定数值，该数值可以通过查阅相关电子器件手册得到，即A为已知量，t0，t1为方波信号的起始时间和截止时间，为未知量，t1-t0即为所要求的时间差。对该方波信号进行积分运算后会产生出一个三角波信号：
其中，f2(t)为对方波f1(t)进行积分的信号，f1(t)为上文所述方波信号，S为信号f1(t)的面积。尽管由于前面的飞行时间方波信号f1(t)上有较多的毛刺，但经过积分电路的处理会平滑之前方波信号的毛刺得到一个比较平滑的伪直角三角形，由于毛刺的持续时间较短，积分过程会对其做很好的平滑，所以得到的伪直角三角形毛刺会很少，边也较为平滑，可以近似为直角三角形。
接着，如图2(c)所示，峰值保持电路单元对三角波信号的峰值进行电平保持，得到三角波信号的峰值电平，即：
f3＝max(f2)＝S；
然后，如图2(d)所示，然后模拟-数字采样单元对峰值电平进行采样，得到电平数值，即S，将该电平数值以反馈信号的形式发送给中央处理器模块；
如图4所示，该过程采用时间域上自相干函数的原理进行计算，为方便叙述，首先对方波振幅做归一化，即下面所述的方波信号振幅都为1。原理如下：
如图4(a)所示，对于一段含有毛刺方波信号，对其进行自相关函数运算，即可得到一个左右对称的图形，如图4(b)所示；由于自相关函数有很好的平滑作用，故将该图形看作一个左右对称的三角形是一个很好的近似。下面只考虑左半边三角形的情况，由于方波的振幅为1，所以该三角形斜边的斜率为1；
对于该方波做积分运算，同样由于积分对毛刺的抑制作用会得到一个近似的三角形。由于积分运算，所以该三角形峰值大小(即高度)为原始方波的整体面积大小；此处，方波的振幅为1，所以重叠面积的最大值即为原始方波的面积，所以自相关函数的峰值大小正好对于积分函数的峰值大小，又由于自相关函数三角形的斜率为1，所以积分函数的峰值大小等于自相关函数的底边长度的一半，即方波的持续时间。所以可以通过积分函数的峰值得到飞行脉冲方波的持续时间，即脉冲飞行时间。
电源模块，主要负责向***中各个模块提供所需电平和接地接口，维持***正常运转。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种自相关激光雷达装置，其特征在于，包括：
中央处理器模块，主要负责向***中各个模块发送指令，并接受各个模块反馈数据并处理，从而控制***整体运行；
中央处理器模块先向激光脉冲发射模块发送指令，令其发射激光脉冲信号；并同时向激光脉冲接收模块发送指令，令其准备接收回波脉冲；然后等待接收飞行时间方波产生模块发送的反馈信号，当收到反馈信号后，中央处理器模块向三角波峰值计算模块发送指令，并等待三角波峰值计算模块的反馈信号；当中央处理器收到三角波峰值计算模块的反馈信号后，通过自相关函数计算方波持续时间；
激光脉冲发射模块，内置有激光器、光感应单元和电信号放大单元；激光器负责接收中央处理器模块发送的指令，然后发射激光脉冲信号；光感应单元用于产生原始的脉冲起始信号；电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大；
激光脉冲发射模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，随后激光器向空间发射激光脉冲信号，光感应单元感应到激光脉冲信号后产生出原始的脉冲起始信号，电信号放大单元对原始的脉冲起始信号进行放大，然后输入至飞行时间方波产生模块；
激光脉冲接收模块，内置有光感应单元和电信号放大单元单元；光感应单元用于产生原始的脉冲截止信号，电信号放大单元用于对原始的脉冲截止信号进行放大；
激光脉冲接收模块接收到中央处理器模块发射的指令后，激活光感应单元，当光感应单元感应到激光脉冲信号经过目标物体反射产生的回波信号时，产生原始的脉冲截止信号，然后通过电信号放大单元对原始的脉冲截止信号进行放大，再输入至飞行时间方波产生模块；
飞行时间方波产生模块，内置有阈值产生器单元、两个比较器单元和与门单元；阈值产生器单元为两个比较器单元提供阈值，两个比较器单元用于截取脉冲起始信号和脉冲截止信号，与门单元用来产生飞行时间方波信号；
飞行时间方波产生模块接收到中央处理器模块发射的指令后，通过阈值产生器单元产生合适的电平作为两个比较器单元的阈值；两个比较器单元根据提供的阈值，对信号激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块发送来的信号进行截取，其中，一个比较器单元用于截取放大后的脉冲起始信号，产生出一个开始时刻为脉冲起始信号的起始时刻的方波信号，另一个比较器单元用于截取脉冲截止信号，产生出一个结束时刻为脉冲截止信号的截止时刻的方波信号；接着，与门单元对这两个方波信号进行与运算，产生出飞行时间方波信号，再将飞行时间方波信号输入至三角波峰值计算模块，同时向中央处理器模块发送反馈信号；
三角波峰值计算模块，内置有积分电路单元、峰值保持电路单元和模拟-数字采样电路单元；
三角波峰值计算模块接收到中央处理器模块发射的指令后，积分电路单元对飞行时间方波信号进行积分运算，产生出一个三角波信号；峰值保持电路单元对三角波信号的峰值进行电平保持，得到三角波信号的峰值电平；然后模拟-数字采样单元对峰值电平进行采样，得到电平数值，将该电平数值以反馈信号的形式发送给中央处理器模块；
电源模块，主要负责向***中各个模块提供所需电平和接地接口，维持***正常运转。
2.根据权利要求1所述的一种自相关激光雷达***，其特征在于，所述的激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块满足：自相关激光雷达***初次使用时，调节激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块的位置，使激光脉冲发射模块发射的激光脉冲信号击中目标后的反射光能够击中激光脉冲接收模块中的光感应单元。
3.根据权利要求1所述的一种自相关激光雷达装置，其特征在于，所述的激光脉冲发射模块和激光脉冲接收模块中的电信号放大单元满足：激光脉冲发射模块中的电信号放大单元的放大倍数远小于激光脉冲接收模块中的电信号放大单元的放大倍数。
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