[发明专利]基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统

说明书

一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统。该激光测距系统由主控电路、激光光源组件、发射接收光学组件、激光探测电路和高速信号采集电路组成。该激光测距系统将光子数分辨探测与高速数据采集相结合，实现了高灵敏度、高精度度、大动态范围的激光测距，本发明在实现远距离目标探测的同时，兼顾近距离目标的高精度测距，具有体积小、成本低、探测动态范围大、测距精度高、可实现多回波探测等优点。

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统。

背景技术

激光测距是最常用的激光传感技术之一，应用领域广泛，如军事、航天领域的远距离目标探测、工业领域的近距离高可靠性目标探测、民用领域的高速高精度目标探测等，尤其是在民用领域，随着自动驾驶、无人机、智能移动机器人、智能仓储、安防预警等行业的发展，对激光测距提出了更高的要求，如自动驾驶对激光测距的作用距离和测距精度要求较高、无人机避障或者观测对系统的体积和重量要求较高、智能机器人对系统的探测动态范围和成本要求较高等等，总而言之，是对激光测距机的成本、体积、重量和测距性能都提出了更高的要求。

目前，常用的激光测距主要是基于飞行时间测量原理实现，根据实现方式不同，又分为直接飞行时间测量原理和间接飞行时间测量原理。其中直接飞行时间测量法主要是脉冲式激光测距，通过测量激光脉冲往返目标的飞行时间获取目标的距离信息；间接飞行时间测量法根据实现方法不同又包括：线性调频式激光测距、相位式激光测距、光源调幅式激光测距。通常基于直接飞行时间测量法的激光测距技术通常采用时间差测量芯片实现，测距精度通常为几毫米；基于间接飞行时间测量法的激光测距技术通常可以实现更高的测距精度，但测距精度与测距范围成反比，为了实现高精度测距，测距范围一般也较小，不能满足实际应用需求。但无论采用何种测距方法，在进行大范围激光测距时，都离不开探测动态范围的问题，为了实现大动态范围的探测，通常需要采用多通道探测的方式，造成系统结构复杂、体积大、成本高，不利于激光测距技术的应用推广。还有其他的激光测距技术，如飞秒激光测距技术、干涉式激光测距技术等，由于受成本限制，并不适合民用领域的应用。

发明内容

为克服现有激光测距技术在实现大动态范围探测和新型应用中所面临的高成本、大体积、低精度等问题，提出一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统，该激光测距系统单通道探测的动态范围大于80dB，该激光测距系统具有成本低、体积小、重量轻、探测动态范围大、测距精度高、可实现多回波探测等优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于回波波形累加和波形采样的激光测距系统，其特点是：该激光测距系统由主控电路、激光光源组件、发射接收光学组件、激光探测电路和高速信号采集电路组成，所述的主控电路包括FPGA主控芯片及外围电路组成，所述的激光光源组件包括半导体激光器驱动电路和低成本的半导体激光器两部分，所述的半导体激光器的峰值功率范围通常在几百mW至几百W之间，脉冲宽度在1ns～20ns之间，所述的发射接收光学组件由发射光学镜组和接收光学镜组构成，所述的激光探测电路由光子数分辨探测器、放大电路和整形电路组成，所述的光子数分辨探测器的探测动态范围达到80dB以上，所述的高速信号采集电路由高速信号采集电路或专用高速AD芯片组成，激光回波电信号的采集速率不小于1Gbps；

所述的主控电路产生的光触发信号被所述的半导体激光器驱动电路接收后产生脉冲驱动电流，驱动所述的半导体激光器产生脉冲激光，该脉冲激光经所述的发射光学镜组准直后发射，发射的脉冲激光经目标反射后被所述的接收光学镜组接收，会聚至所述的光子数分辨探测器完成光电信号转换，输出的电信号经所述的放大电路和整形电路后，被所述的高速信号采集电路采集，所述的高速信号采集电路将采集的电信号输入所述的主控电路，所述的主控电路完成激光回波信号的时间位置的解析，结合出光触发信号的时间位置，得到激光脉冲的飞行时间，实现激光测距，测距精度可达0.3mm。