[发明专利]一种高精度激光雷达系统

权利要求书

1.一种高精度激光雷达系统，其特征在于，包括：

中央处理器模块，内置时序控制单元和卡尔曼滤波计算单元；主要负责向系统中各个模块发送指令，并接受各个模块的反馈数据，从而控制系统的整体运行；

时序控制单元根据预先设置的控制时序，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；并同时激活激光脉冲飞行时间测量模块、激光三角法距离测量模块和卡尔曼滤波计算单元；卡尔曼滤波计算单元根据激光脉冲飞行时间测量模块和激光三角法距离测量模块返回的计算数据进行卡尔曼滤波计算，得到激光雷达的最终测量数据；

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时序控制单元发送的指令；光感应单元用于脉冲飞行时间测量方法中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；

激光器接收到中央处理器模块时序控制单元发射的指令后，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，然后输入至激光脉冲飞行时间测量模块；

激光脉冲接收模块，内置有光感应单元和电信号放大单元；光感应单元分为两部分，第一部分用于感应回射激光脉冲产生激光的脉冲截止信号，用于完成激光脉冲的飞行时间测量，第二部分用于确定回射激光光束击中光感应单元的位置，用于完成激光三角法距离测量；电信号放大单元用于对原始微弱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，产生用于激光脉冲的飞行时间测量的原始的脉冲截止信号，用于激光三角法距离测量的刻度信息；然后通过电信号放大单元对原始脉冲截止信号进行放大，输入至激光脉冲飞行时间测量模块；此外，光感应单元确定出回射激光光束击中光感应单元的位置，读取其刻度信息，再输入至激光三角法距离测量模块；

激光脉冲飞行时间测量模块，内置有脉冲时间测量单元和计算单元；脉冲时间测量单元采用脉冲飞行时间法计算激光脉冲在空间中的飞行时间；计算单元通过测量得到的飞行时间计算激光雷达与目标物的距离；

激光脉冲飞行时间测量模块接收到中央处理器模块发射的指令后，进入待机状态，脉冲时间测量单元等待接收激光脉冲发射模块的脉冲起始信号与激光脉冲接收模块的脉冲截止信号，脉冲时间测量单元通过计算脉冲起始信号与脉冲截止信号的时间差，得到激光脉冲在空间中的飞行时间，并将该数据输入计算单元；计算单元对激光脉冲的飞行时间进行计算处理，从而得到激光雷达与目标物的距离，再将该距离传输入中央处理器模块中的卡尔曼滤波计算单元，进行后续处理；

激光三角法距离测量模块，内置有计算单元，通过三角法测量激光雷达与目标物的距离；

激光三角法距离测量模块接收到中央处理器模块发射的指令后，开始进入待机状态，等待激光脉冲接收模块中的光感应单元发送用于激光三角法测距的刻度信息，计算单元对该数据进行计算处理，利用三角法测距原理，得到激光雷达与目标物的距离，再将该数据传输入中央处理器模块中的卡尔曼滤波计算单元，进行后续处理；

电源模块，主要负责向系统中各个模块提供所需电平和接地接口，维持系统正常运转；

其中，所述激光三角法距离测量模块利用三角法测距原理，测得到激光雷达与目标物的距离的计算公式为：

其中，α为标定的激光发射器入射光角度，β为测量得到的激光接收器反射光角度，l为标定的激光发射器与激光接收器之间的距离，d为所测激光雷达与目标物的距离；

其中，所述卡尔曼滤波计算单元的计算过程为：

将激光脉冲飞行时间测量模块测得激光雷达与目标物的距离用高斯曲线的均值表示为：

其中，σ₁为方差，表示激光脉冲飞行时间测量模块测量的信任程度，μ₁为均值，表示激光脉冲飞行时间测量模块测量的结果；

将激光三角法距离测量模块测得激光雷达与目标物的距离用高斯曲线的均值表示为：

其中σ₂为方差，表示激光三角法距离测量模块测量的信任程度；μ₂为均值，表示激光三角法距离测量模块测量的结果；

卡尔曼滤波计算单元将两条高斯曲线进行融合，得到新的高斯曲线：

μ＝μ₁+k(μ₂-μ₁)

σ²＝σ₁²-kσ₁²

其中，σ为方差，表示对融合后结果的信任程度；μ为均值，表示融合后的测量结果。