本發(fā)明涉及一種快速無(wú)掃描激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

從上世紀(jì)90年代，無(wú)掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)逐步成為了人們研究的熱點(diǎn)，它根據(jù)激光相位測(cè)距原理，使用一定發(fā)散角、強(qiáng)度調(diào)制的激光束照射待測(cè)區(qū)域，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行相位提取獲得距離值重建目標(biāo)圖像，具有價(jià)格低、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、成像 速度快、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因此成為三維信息獲取技術(shù)的重要發(fā)展方向。

對(duì)于單相位疊加信號(hào)，回波信號(hào)的相位值可以通過(guò)計(jì)算得到，但是在目標(biāo)距離未知的情況下，如何判斷相位的真實(shí)位置存在困難。例如，假設(shè)余弦值為1/2，那么根據(jù)反余弦取值范圍可知對(duì)應(yīng)相位為π/3，但是在這里相位取值范圍在0—2π之間，這將還出現(xiàn)一個(gè)相位值為5π/3，因此距離r與相位差φ的關(guān)系（c為光速，w為調(diào)制頻率）中，將產(chǎn)生鑒相誤差，從而無(wú)法獲得準(zhǔn)確的被測(cè)目標(biāo)距離。

為了獲得準(zhǔn)確的相位信息，在這種成像方式中，通過(guò)使用多次回波與不同相位的調(diào)制信號(hào)的疊加實(shí)現(xiàn)鑒相。目前廣泛應(yīng)用的單個(gè)光電傳感器對(duì)回波疊加信號(hào)進(jìn)行三個(gè)間隔正交相位的曝光。

上述方法盡管可以解決這種距離的不確定性，但卻存在以下問(wèn)題：

1、曝光時(shí)間增加了至少三倍，如果假設(shè)一次曝光時(shí)間為一個(gè)nT，那么總的曝光時(shí)間顯而易見(jiàn)為T(mén)sum=3nT,這將不能滿足快速獲取目標(biāo)的要求。

2、如果成像裝置安裝在移動(dòng)平臺(tái)上將引起像移誤差。圖1為產(chǎn)生像移偏差的示意圖，在三次曝光時(shí)間點(diǎn)載有探測(cè)裝置的移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)了圖中三個(gè)位置，由于無(wú)掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)的特性，視場(chǎng)范圍也勢(shì)必相應(yīng)進(jìn)行移動(dòng)，這就改變了探測(cè)對(duì)象造成了像移偏差。

因此，如何解決上述問(wèn)題，是本領(lǐng)域技術(shù)人員要研究的內(nèi)容。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明目的在于提供一種可以縮短信號(hào)采樣時(shí)間，并避免像移偏差的快速無(wú)掃描激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種快速無(wú)掃描激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)；包括激光雷達(dá)系統(tǒng)和激光探測(cè)系統(tǒng)；所述激光探測(cè)系統(tǒng)包括向觸發(fā)激光以及探測(cè)單元，并負(fù)責(zé)將打包好的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，以及與上位機(jī)進(jìn)行通訊的總控單元、負(fù)責(zé)激光準(zhǔn)直與發(fā)射到目標(biāo)的激光發(fā)射單元、目標(biāo)反射的激光回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波與相位延遲處理獲得純凈的光學(xué)信號(hào)的探測(cè)與延遲單元、受總控單元控制，對(duì)前端輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，獲得電信號(hào)的傳感單元以及用于對(duì)所述傳感單元曝光后得到的電信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算與打包，發(fā)送到總控單元上的信號(hào)處理單元；所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括：觸發(fā)激光并通過(guò)發(fā)射單元向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)；將激光探測(cè)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分光與固定延遲處理獲得多個(gè)相同特性與固定相位差的子信號(hào)；總控單元對(duì)這些子信號(hào)在相應(yīng)的多個(gè)傳感器上進(jìn)行同步曝光，得到相應(yīng)的多個(gè)電信號(hào)；對(duì)所有電信號(hào)進(jìn)行解算，得到目標(biāo)的距離值，并存儲(chǔ)于上位機(jī)。

上述技術(shù)方案中，相關(guān)內(nèi)容解釋如下：

1、上述方案中，所述探測(cè)與相位延遲單元包括至少兩個(gè)分光器件和至少兩個(gè)相位延遲器件。

2、上述方案中，所述傳感器單元包括至少三個(gè)傳感器。

3、上述方案中，所述總控單元觸發(fā)所述傳感單元對(duì)每個(gè)子信號(hào)進(jìn)行固定觸發(fā)時(shí)間間隔小于回波信號(hào)調(diào)制周期T的曝光。

4、上述方案中，每個(gè)所述子信號(hào)在相應(yīng)的傳感器上進(jìn)行固定觸發(fā)時(shí)間間隔分別小于回波信號(hào)調(diào)制周期T的同步曝光。

5、上述方案中，將所述回波信號(hào)進(jìn)行分光處理分為三個(gè)子信號(hào)。

6、上述方案中，所述三個(gè)子信號(hào)的相位間隔為π/2。

由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明將目標(biāo)回波信號(hào)分為多個(gè)固定相位延遲的子信號(hào)，然后通過(guò)同步觸發(fā)曝光獲得多個(gè)回波信號(hào)，根據(jù)多個(gè)曝光后的回波信號(hào)計(jì)算目標(biāo)的距離。本發(fā)明縮減了信號(hào)采樣時(shí)間，并且避免像移偏差。本發(fā)明適用于在靜態(tài)平臺(tái)進(jìn)行快速曝光測(cè)量的情況，也適用于在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量的情況。

附圖說(shuō)明

圖1為背景技術(shù)中產(chǎn)生像移偏差的示意圖；

圖2為本發(fā)明激光探測(cè)系統(tǒng)接收方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明激光雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下由特定的具體實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說(shuō)明書(shū)所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖2至圖3所示，一種快速無(wú)掃描激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)；包括激光雷達(dá)系統(tǒng)和激光探測(cè)系統(tǒng)；所述激光探測(cè)系統(tǒng)包括向觸發(fā)激光以及探測(cè)單元，并負(fù)責(zé)將打包好的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)6，以及與上位機(jī)6進(jìn)行通訊的總控單元1、負(fù)責(zé)激光準(zhǔn)直與發(fā)射到目標(biāo)的激光發(fā)射單元2、目標(biāo)反射的激光回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波與相位延遲處理獲得純凈的光學(xué)信號(hào)的探測(cè)與延遲單元3、受總控單元控制，對(duì)前端輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，獲得電信號(hào)的傳感單元4以及用于對(duì)所述傳感單元曝光后得到的電信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算與打包，發(fā)送到總控單元上的信號(hào)處理單元5；所述激光雷達(dá)系統(tǒng)包括：觸發(fā)激光并通過(guò)發(fā)射單元向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)；將激光探測(cè)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分光與固定延遲處理獲得多個(gè)相同特性與固定相位差的子信號(hào)；總控單元對(duì)這些子信號(hào)在相應(yīng)的多個(gè)傳感器上進(jìn)行同步曝光，得到相應(yīng)的多個(gè)電信號(hào)；對(duì)所有電信號(hào)進(jìn)行解算，得到目標(biāo)的距離值，并存儲(chǔ)于上位機(jī)6。

所述探測(cè)與相位延遲單元3包括至少兩個(gè)分光器件31和至少兩個(gè)相位延遲器件32。

所述傳感器單元4包括至少三個(gè)傳感器，所述傳感器為光電探測(cè)陣列。

所述總控單元1觸發(fā)所述傳感單元4對(duì)每個(gè)子信號(hào)進(jìn)行固定觸發(fā)時(shí)間間隔小于回波信號(hào)調(diào)制周期T的曝光。

每個(gè)所述子信號(hào)在相應(yīng)的傳感器上進(jìn)行固定觸發(fā)時(shí)間間隔分別小于回波信號(hào)調(diào)制周期T的同步曝光。

將所述回波信號(hào)進(jìn)行分光處理分為三個(gè)子信號(hào)。所述三個(gè)子信號(hào)的相位間隔為π/2。

無(wú)掃描激光探測(cè)的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)入本發(fā)明接收裝置前先進(jìn)行準(zhǔn)直處理，本發(fā)明使用了多個(gè)分光鏡將同一視場(chǎng)的目標(biāo)回波信號(hào)分成多個(gè)子信號(hào)，每個(gè)子信號(hào)除強(qiáng)度上的差異外含有固定的相位延遲信息。通過(guò)回波探測(cè)模塊探測(cè)目標(biāo)回波信號(hào)，并根據(jù)探測(cè)到的回波信號(hào)控制曝光觸發(fā)單元，曝光觸發(fā)單元觸發(fā)所述傳感器單元對(duì)多個(gè)子信號(hào)進(jìn)行同步曝光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)處理單元曝光后的電信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得出目標(biāo)的距離值。

如圖2所示，相應(yīng)的目標(biāo)回波信號(hào)的接收過(guò)程可以包括：

步驟1，向目標(biāo)發(fā)射激光探測(cè)信號(hào)，探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制。

步驟2，將探測(cè)獲得的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分光處理分為多個(gè)子信號(hào)，每個(gè)子信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)除了強(qiáng)度上有差異外，相位差是π/2；具體地，可以將目標(biāo)回波信號(hào)分為三個(gè)子信號(hào)。

步驟3，對(duì)分光處理后的多個(gè)子信號(hào)在相應(yīng)的多個(gè)傳感器上進(jìn)行同步曝光，曝光后得到相應(yīng)的多個(gè)電信號(hào)；具體地，對(duì)每個(gè)子信號(hào)在相應(yīng)的多個(gè)傳感器上進(jìn)行固定觸發(fā)時(shí)間間隔小于回波信號(hào)調(diào)制周期T的曝光。

步驟4，對(duì)上述多個(gè)電信號(hào)進(jìn)行分析計(jì)算，得到目標(biāo)的距離值。

相應(yīng)的計(jì)算方法可以為：

探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的功率可表示為：

其中，代表信號(hào)平均功率，m0為調(diào)制系數(shù)，w是調(diào)頻率。

每一個(gè)像素點(diǎn)的回波信號(hào)功率表示為：

其中，φ代表回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)之間的相位差，與目標(biāo)距離r成正比，，c為大氣中的光速。是回波信號(hào)的平均功率。

三個(gè)子信號(hào)相位上間隔為π/2。方波信號(hào)按照傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)表示如下：

(2a)

(2b)

(2c)

其中，G0為常數(shù)，m2n+1為方波的傅立葉展開(kāi)系數(shù)。

耦合后，在方波與正弦調(diào)制的回波信號(hào)同相時(shí)，光場(chǎng)表示為：

(3a)

(3b)

(3c)

傳感器曝光時(shí)間控制為回波信號(hào)調(diào)制周期T的整數(shù)倍n，以平滑所有諧波分量。其輸出為：

(4a)

(4b)

(4c)

根據(jù)上述三個(gè)公式推導(dǎo)出下面的公式：

(5)

根據(jù)此公式可以得到目標(biāo)各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位差值φ。再根據(jù)距離與相位差的關(guān)系，即可得到目標(biāo)上各點(diǎn)的距離值。

本發(fā)明實(shí)施例將目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行分光處理分為三個(gè)子信號(hào)，分光后的三個(gè)子信號(hào)具有π/2的相位間隔，然后通過(guò)同步曝光獲得三個(gè)回波信號(hào)，根據(jù)三個(gè)曝光后的回波信號(hào)計(jì)算目標(biāo)的距離。本發(fā)明縮減了信號(hào)采樣時(shí)間，并且避免像移偏差。

本發(fā)明還提供一種快速無(wú)掃描激光雷達(dá)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)參照?qǐng)D3，可以包括：

總控單元1，用于激光器與光電探測(cè)單元的觸發(fā)，以及處理好的信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)6，與上位機(jī)6進(jìn)行通訊；

激光發(fā)射單元2，根據(jù)需求發(fā)射激光，并經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后發(fā)射到目標(biāo)物體上；

探測(cè)與延遲單元3，目標(biāo)反射的激光回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波與相位延遲處理獲得純凈的光學(xué)信號(hào)，包括兩個(gè)分光器件31和一個(gè)平面鏡33，目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過(guò)分光器件31分成兩個(gè)子信號(hào)，其中一個(gè)子信號(hào)進(jìn)入傳感單元4中的第一個(gè)傳感器，另一個(gè)子信號(hào)再經(jīng)過(guò)分光器件31分為兩個(gè)子信號(hào)，其中一路信號(hào)進(jìn)入傳感單元4中的第二個(gè)傳感器，另一個(gè)子信號(hào)經(jīng)過(guò)平面鏡33反射進(jìn)入傳感單元4 中的第三個(gè)傳感器，每個(gè)子信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)除了強(qiáng)度相位上的差異外，其它信號(hào)特征都是相同的；

傳感單元4：受總控單元1控制，對(duì)前端輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，獲得電信號(hào)，這三個(gè)電信號(hào)除了幅值上的不同以及相差π/2的相位查之外，其他特性完全相同；

信號(hào)處理單元5，用于對(duì)所述傳感器單元4曝光后得到的電信號(hào)，進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算與打包，發(fā)送到主控單元1上。

本發(fā)明實(shí)施例通過(guò)分光與延遲裝置將目標(biāo)回波信號(hào)分為三個(gè)子信號(hào)，三個(gè)子信號(hào)出幅值和固定的相位差外具有相同特性，然后通過(guò)三個(gè)傳感器同步曝光獲得三個(gè)具有固定相位延遲的電信號(hào)，根據(jù)三個(gè)曝光后的電信號(hào)計(jì)算目標(biāo)的距離。本發(fā)明縮減了信號(hào)采樣時(shí)間，并且避免像移偏差。

本發(fā)明將目標(biāo)回波信號(hào)分為多個(gè)固定相位延遲的子信號(hào)，然后通過(guò)同步觸發(fā)曝光獲得多個(gè)回波信號(hào)，根據(jù)多個(gè)曝光后的回波信號(hào)計(jì)算目標(biāo)的距離。本發(fā)明縮減了信號(hào)采樣時(shí)間，并且避免像移偏差。本發(fā)明適用于在靜態(tài)平臺(tái)進(jìn)行快速曝光測(cè)量的情況，也適用于在移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量的情況。

上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。