[发明专利]伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法及装置

说明书

本发明公开了一种伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法，雷达平台中伪随机编码器产生伪随机码经过差分编码器后产生差分伪随机码序列，差分伪随机码序列对输出光束进行相位调制发射至目标，并接收目标的回波信号，回波信号经过非等臂差分干涉仪后进行正交接收，随后经过反正切解相和高通滤波获得位相信息，再进行归一化和二值化处理重建目标时间延迟后的伪随机脉冲序列；将伪随机码与重建得到的目标时间延迟后的伪随机脉冲序列进行互相关处理，获得目标的距离信息，再结合角度信息，经过坐标系变换得到三维位置信息，最终生成三维点云图。本发明可以非常准确获得目标的三维位置信息，具有高抗干扰能力整体系统小型化，运行容易的特点。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种伪随机码时延自差分干涉三维成像激光雷达方法及装置。

背景技术

由于具有高方向性、强抗干扰能力、高测量精度、高时空分辨率等优点,激光雷达技术被广泛应用于航空航天、国民经济和国防等领域，如深空导航、星地同步观测、无人航天器自主交会对接、自主安全着陆、深空探测、车载环境感知和三维地图构建等。传统激光雷达测距方式常采用脉冲激光飞行时间法，即发射较高峰值功率的脉冲，利用激光脉冲往返的时间间隔来获取距离信息，并利用距离的微分来获取速度信息。这种方法结构简单、技术成熟，但在远距离情况下工作时，需要激光器具备极高的峰值功率。为保证激光器的安全运转，出射脉冲的重复频率较低，因而测量的空间分辨率难以提高。

啁啾调频连续波激光雷达对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制可以实现多普勒速度测量。啁啾调幅连续波激光雷达对发射激光的幅度进行线性调频，将回波强度上调制的延迟啁啾与发射时的初始啁啾混频，得出的差频频率就与回波延迟成正比，通过相干接收可以实现目标的距离和速度的同步探测。这两种技术的优势在于激光器工作在宽脉宽、低峰值功率状态下，可大大提高脉冲重复探测频率，从而提高空间分辨率；另外，采用相干探测可获得更高的灵敏度。但是受激光器硬件条件的限制，成本很高，脉冲重复频率严重受限，啁啾非线性依然是一个未解决的难题。

基于伪随机码和光子计数的测距技术采用直接测量机制，将出射激光按照伪随机码进行强度调制，回波微弱的光子信号序列经过阈值甄别后得到接收的码元序列，该码元序列与原伪随机码序列进行相关运算，相关运算的峰值所对应的距离即为目标距离（在先技术之一，参见 Yufei Zhang, Yan He, Fang Yang, Yuan Luo, and Weibiao Chen,Three-dimensional imaging lidar system based on high speed pseudorandommodulation and photon counting, Chinese Optics Letters, 2016, Vol. 14, No.11, 111101）。该技术的优势在于即使回波信号微弱到光子量级，回波码元出现大量误判，也能够利用回波码元与伪随机码之间的相关性得到正确的目标距离信息，从而大大提高了系统的灵敏度。但是盖革模式的雪崩光电二极管（APD）单光子探测器容易受外界噪声影响，成像速度慢，成本高，限制了这种激光雷达的应用。杨馥等人（在先技术之二，参见邱子胜，杨馥，叶星辰，李姝欣，基于伪随机码相位调制和相干探测的激光测距技术研究，激光与光电子学进展，2018，Vol. 55, No. 5, 052801）提出结合伪随机码相位调制和外差探测技术的方法，能够在宽脉宽情况下获取高的距离分辨率。但是如果激光雷达与测距目标之间存在高速相对运动，会产生较大的多普勒频移，这种多普勒频移会导致相关峰值展宽，造成相关性能的恶化，影响测距精度，所以必须通过一定的方法消除测距过程中目标运动多普勒频移才能保证接收机正常解调。此外，户外大气湍流会对伪随机码相位调制测距产生严重干扰，激光器线宽、激光放大器和位相调制器引入的系统相位噪声都将会严重影响伪随机相位测距的精度。

发明内容