一种激光脉冲时间间隔处理方法及激光雷达探测系统
阅读说明：本技术 一种激光脉冲时间间隔处理方法及激光雷达探测系统 (Laser pulse time interval processing method and laser radar detection system ) 是由 彭志永 高挺挺 谢光辉 穆学桢 雷卫宁 严毅 周树平 刘振力 张宁华 钟如亮 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：一种激光脉冲时间间隔处理方法及激光雷达探测系统,通过得到的准确激光器驱动信号发出时刻,能够消除由于激光器的响应时间不固定,而引起的激光脉冲测距起始信号随机跳动的问题,并且能够计算出激光脉冲从发射到被测物体之间的飞行时间,最终得到被测物体的准确距离数据。通过二维MOEMS扫描镜组件的光窗的分光功能,能够实现对激光发射脉冲与激光回波脉冲进行分时测量,从而计算出准确的激光脉冲飞行时间；另外,由于本探测系统使用的是单元APD探测器,因此本雷达探测系统具有体积小、质量轻和成本低的优点。(A laser pulse time interval processing method and a laser radar detection system can solve the problem that a laser pulse ranging initial signal is in random jumping caused by unfixed response time of a laser through the obtained accurate laser driving signal sending time, and can calculate the flight time of a laser pulse from emission to an object to be detected, and finally obtain accurate distance data of the object to be detected. Through the light splitting function of the optical window of the two-dimensional MOEMS scanning mirror assembly, the time-sharing measurement of laser emission pulses and laser echo pulses can be realized, so that the accurate laser pulse flight time is calculated; in addition, the detection system uses a unit APD detector, so the radar detection system has the advantages of small volume, light weight and low cost.)
技术领域
本发明涉及激光雷达测距技术领域，尤其是涉及一种激光脉冲时间间隔处理方法及激光雷达探测系统。
背景技术
公知的，随着智能无人技术的快速发展，作为无人设备“眼睛”的激光雷达技术同样也在飞速发展，而激光雷达的核心组成是光学探测结构，该结构的系统组成、复杂程度以及性能决定了整个激光雷达的体积、质量以及成本，目前公开的脉冲测距式激光雷达系统，多数是采用面阵探测器及线列探测器作为核心的探测结构，该探测结构的性能虽然能够满足基本的探测需要，但是由于采用了多种探测器的组合，会导致该光学探测结构的系统组成较为复杂，进而影响激光雷达的整体体积；
少数会采用单元探测器作为核心结构，采用单元探测器的激光雷达虽然在体积、质量以及成本方面具有独特优势，但是在进行激光脉冲时间间隔计算时，传统的方式是直接采用激光器的驱动信号作为激光脉冲时间间隔计算的起始参考信号，由于激光器的响应时间不固定，存在起始参考信号随机跳动现象，因此会给激光雷达的单脉冲距离测量精度带来较大影响，若要解决该问题需要重复测量单一距离来提高测量精度，但是这样一来就难以满足智能无人系统的实时性要求；因此，综上所述，目前市场上需要一种具有体积小、质量轻、成本低以及高探测性能的激光雷达光学探测系统，并且能够提高单脉冲距离测量精度的激光脉冲时间间隔处理方法。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种激光脉冲时间间隔处理方法及激光雷达探测系统。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光脉冲时间间隔处理方法为：
步骤1：通过发射光学装置将激光雷达激光光源发出的激光进行脉冲整形，并准直行成准平行激光脉冲；
步骤2：准平行激光脉冲经第一反射镜反射到二维MOEMS扫描镜组件的光窗上，光窗具有分光功能，从而少部分准平行激光脉冲被光窗反射到第二反射镜的镜面，大部分准平行激光脉冲透过二维MOEMS扫描镜组件的光窗后射到扫描微镜的镜面；
步骤3：第二反射镜将相应的准平行激光脉冲直接反射到单元APD探测器的光接收端，单元APD探测器将其转换为相应的电信号，再将电信号经跨阻放大电路放大处理后得到激光脉冲发射信号，将得到激光脉冲发射信号输出到处理器，处理器将此信号与激光器驱动信号进行与运算处理，将运算后的信号作为脉冲测距的起始参考信号；
步骤4：扫描微镜将相应的准平行激光脉冲反射到被测物体上，准平行激光脉冲在被测物体表面发生漫反射，反射后的部分激光束被接收光学装置接收，之后这部分激光束被聚焦成像在APD探测器上，单元APD探测器将其转换为相应的电信号，电信号再经跨阻放大电路放大处理后得到激光脉冲回波信号，作为脉冲测距的停止参考信号输出到处理器；
步骤5：处理器根据脉冲测距的起始参考信号、停止参考信号和光速，即可准确计算出被测物体的距离；且将脉冲测距的停止参考信号作为激光雷达下一次激光脉冲发射的准备信号。
上述方法所用到的激光雷达探测系统，包含发射光学装置、第一反射镜、二维MOEMS扫描镜组件、第二反射镜、接收光学装置、单元APD探测器、跨阻放大电路和处理器；所述发射光学装置的入光端与激光雷达的激光器对应连接，发射光学装置的出光端与第一反射镜的镜面相对应；
所述二维MOEMS扫描镜组件位于发射光学装置的右侧，二维MOEMS扫描镜组件的上方设有第二反射镜，二维MOEMS扫描镜组件用于接收第一反射镜的反射光，二维MOEMS扫描镜组件的光窗能够将接收的小部分激光反射到第二反射镜的镜面，二维MOEMS扫描镜组件内的扫描微镜能够将接收的激光反射向被测物体；
所述接收光学装置位于二维MOEMS扫描镜组件的右侧，接收光学装置上方为被测物体，接收光学装置的下方设有单元APD探测器，且单元APD探测器能够接收第二反射镜的反射光，单元APD探测器的信号输出端通过跨阻放大电路与处理器对应电连接；
优选的，所述二维MOEMS扫描镜组件设为直角梯形结构，其中斜边设为光窗，组件的内部设有扫描微镜，该扫描微镜安装在与光窗相对应的内底面；
优选的，所述光窗镀制有与激光光源波长相应的增透膜；
优选的，所述第一反射镜的中心与二维MOEMS扫描镜组件的光窗中心之间的纵向距离设为H1，二者的横向距离设为L1，第一反射镜相对于参考轴x的倾斜角度θ1则为：
优选的，所述光窗与二维MOEMS扫描镜组件的内底面之间的对应夹角设为φ1，扫描微镜的工作角度范围设为φ2，则φ1、φ2和θ1，三者之间需满足：
且θ1<φ1；
优选的，所述第二反射镜相对于参考轴x的倾斜角度θ2需满足：
优选的，所述第二反射镜的中心与光窗的中心之间的纵向距离设为H2、横向距离设为L2，H2和L2需满足：
优选的，所述APD探测器与接收光学装置之间的纵向距离设为H3，H3需满足：
优选的，所述光窗中心与接收光学装置中心之间的相对横向距离L3，L3需满足：
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种激光脉冲时间间隔处理方法，通过得到的准确激光器驱动信号发出时刻，能够消除由于激光器的响应时间不固定，而引起的激光脉冲飞行时刻鉴别起始信号随机跳动的问题，并且能够计算出激光脉冲从发射到被测物体之间的飞行时间，最终得到被测物体的准确距离数据。
另外，激光雷达探测系统，通过二维MOEMS扫描镜组件的光窗的分光功能，让激光发射脉冲与激光回波脉冲达到APD探测器的时间不同，从而让单元APD探测器能够对激光发射脉冲与激光回波脉冲进行分时测量，进而处理器根据激光器反馈的驱动信号和单元APD探测器测得的激光脉冲发射信号，得到准确的脉冲测距起始参考信号，最终达到消除由于激光器的响应时间不固定，而引起的起始参考信号随机跳动的目的；另外，由于本探测系统使用的是单元APD探测器，因此本雷达探测系统具有体积小、质量轻和成本低的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的结构参数示意图。
图中：1、发射光学装置；2、第一反射镜；3、二维MOEMS扫描镜组件；3.1、光窗；3.2、扫描微镜；4、第二反射镜；5、接收光学装置；6、单元APD探测器；7、跨阻放大电路；8、处理器；9、被测物体。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
结合附图1-2所述的一种激光脉冲时间间隔处理方法为：
步骤1：通过发射光学装置1将激光雷达激光光源发出的激光进行脉冲整形，并准直行成准平行激光脉冲，通过准平行激光脉冲能够保证激光束在经过镜面反射后不出现发散的情况，保证激光雷达的测量距离；
步骤2：准平行激光脉冲经第一反射镜2反射到二维MOEMS扫描镜组件3的光窗3.1上，光窗3.1具有分光功能，从而少部分准平行激光脉冲被光窗3.1反射到第二反射镜4的镜面，大部分准平行激光脉冲透过二维MOEMS扫描镜组件3的光窗3.1后射到扫描微镜3.2的镜面；
步骤3：第二反射镜4将相应的准平行激光脉冲直接反射到单元APD探测器6的光接收端，单元APD探测器6将其转换为相应的电信号，再将电信号经跨阻放大电路7放大处理后得到激光脉冲发射信号输出到处理器8，处理器将得到激光脉冲发射信号与激光器驱动信号进行与运算处理，将运算后的信号作为脉冲测距的起始参考信号；
步骤4：扫描微镜3.2将相应的准平行激光脉冲反射到被测物体9上，准平行激光脉冲在被测物体9表面发生漫反射，反射后的部分激光束被接收光学装置5接收，之后这部分激光束被聚焦成像在APD探测器上，单元APD探测器6将其转换为相应的电信号，电信号再经跨阻放大电路7放大处理后得到激光脉冲回波信号，作为脉冲测距的停止参考信号输出到处理器8；
步骤5：处理器8根据脉冲测距的起始参考信号、停止参考信号和光速，即即可准确计算出被测物体9的距离；且将脉冲测距的停止参考信号作为激光雷达下一次激光脉冲发射的准备信号，
上述方法所用到的激光雷达探测系统，包含发射光学装置1、第一反射镜2、二维MOEMS扫描镜组件3、第二反射镜4、接收光学装置5、单元APD探测器6、跨阻放大电路7和处理器8；所述发射光学装置1的入光端与激光雷达的激光器对应连接，发射光学装置1的出光端与第一反射镜2的镜面相对应；
所述二维MOEMS扫描镜组件3位于发射光学装置1的右侧，二维MOEMS扫描镜组件3的上方设有第二反射镜4，二维MOEMS扫描镜组件3用于接收第一反射镜2的反射光，二维MOEMS扫描镜组件3的光窗3.1能够将接收的小部分激光反射到第二反射镜4的镜面，特别的，所述光窗3.1镀制有与激光光源波长相应的增透膜，二维MOEMS扫描镜组件3内的扫描微镜3.2能够将接收的激光反射向被测物体9，此外，所述二维MOEMS扫描镜组件3设为直角梯形结构，其中斜边设为光窗3.1，组件的内部设有扫描微镜3.2，该扫描微镜3.2安装在与光窗3.1相对应的内底面，使光窗3.1相对于扫描微镜3.2具有一定的倾斜角度，从而保证光窗3.1反射的激光束和扫描微镜3.2反射的激光束分别向第二反射镜4和被测物体9反射；
所述接收光学装置5位于二维MOEMS扫描镜组件3的右侧，接收光学装置5上方为被测物体9，接收光学装置5的下方设有单元APD探测器6，且单元APD探测器6能够接收第二反射镜4的反射光，单元APD探测器6的信号输出端通过跨阻放大电路7与处理器8对应电连接；
此外，本激光雷达探测系统中各部件的间距、角度等数值需要合理设计，各参数的具体设计为：
所述第一反射镜2的中心与二维MOEMS扫描镜组件3的光窗3.1中心之间的纵向距离设为H1，二者的横向距离设为L1，第一反射镜2相对于参考轴x的倾斜角度θ1则为：
通过H1和L1约束θ1的角度范围，从而保证第一反射镜2反射出的激光束能够落在二维MOEMS扫描镜组件3的光窗中部；
所述光窗3.1与二维MOEMS扫描镜组件3的内底面之间的对应夹角设为φ1，扫描微镜3.2的工作角度范围设为φ2，则φ1、φ2和θ1，三者之间需满足：
且θ1<φ1；
通过规定三个角度之间的关系，从而保证光窗3.1和扫描微镜3.2均能够接收第一反射镜2输出的反射光，且光窗3.1和扫描微镜3.2将反射光反射到不同的地方；
所述第二反射镜4相对于参考轴x的倾斜角度θ2需满足：
通过限定θ2的角度范围，能够保证第二反射镜4接收到光窗3.1输出的反射光，然后再将该激光束直接反射到APD探测器6；
所述第二反射镜4的中心与光窗3.1的中心之间的纵向距离设为H2、横向距离设为L2，H2和L2需满足：
通过H2、θ2之间的关系来限定L2的长度，以保证二维MOEMS扫描镜组件3与反射镜4之间的位置关系满足激光束设定的传输路径要求；
所述APD探测器6前表面与接收光学装置5后端之间的纵向距离设为H3，H3需满足：
且式中D为接收光学装置5的接收口径，通过限定H3，使接收光学装置5对反射镜4反射来的激光束不造成遮挡。；
所述光窗3.1中心与接收光学装置5中心之间的相对横向距离L3，L3需满足：
综合上述计算步骤，能够得到本探测系统各部件的位置和角度关系，从而使APD探测器6能够对激光发射脉冲与激光回波脉冲进行分时测量，让处理器能够准确计算出激光的飞行时间，最终求得被测物体的准确距离数据。本发明未详述部分为现有技术。
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