激光测距目标指示器及其测距方法和工作状态切换方法
【专利摘要】本发明公开了激光测距领域内的一种远程激光测距目标指示器，包括激光发射器、激光接收器、雪崩管偏压电源、半导体泵浦源电源、激光调Q电源、激光能量计、通信接口、信号处理器，利用信号与噪声的时间不相关原理，在噪声中判别微弱的目标信号，实现测量远距离的测距能力；采用半导体泵浦激光器，在不增加硬件开销的条件下，实现高频多脉冲激光发射；通过软件控制，实现激光测距与目标指示两种功能的切换；由于测距方法和控制方法的改进，直接和间接地减轻了装备重量，减小了装备体积，预计重量和体积只有传统氙灯泵浦激光测距机的四分之一，可用于远距离测距中。
【专利说明】激光测距目标指示器及其测距方法和工作状态切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光测距装置，特别涉及一种兼有目标指示功能的激光测距目标 指示器。
【背景技术】
[0002] 传统的固体脉冲激光测距机大多采用单脉冲激光测距，测距能力有限，需要提高 测距能力，只能提高输出激光能量，由此带来体积庞大，功耗增大，重量增加等一连串的问 题，给光电系统机载增大了难度。
[0003] 美国机载"门警"光电预警系统中的激光测距机，以及国内某车载对空激光测距机 都采用了三脉冲激光测距方法，虽然测程比单脉冲激光测距有较大提高，但这些激光测距 机依然存在以下不足：（1)硬件上采用氙灯泵浦固体激光器，功耗和体积比单脉冲激光测 距机还大；（2)只有单一的激光测距功能，不具备激光目标指示功能；（3)由于氙灯的放电 特性会受环境温度和长时间使用的影响，激光器输出的三个脉冲激光能量不能始终保持一 致，会影响测程和对目标信号的有效判断；（4)论文《脉冲串激光测距技术研宄》论述了上 述激光测距机三脉冲测距的原理，即通过信号叠加来提高信噪比，但没有提到信号视频累 积与二进制累积的综合运用的方法。
[0004] 新型飞机的光电吊舱需要装备热像仪、电视摄像仪、激光目标指示器、激光测距机 等多种光电仪器，由于载荷的限制，各分系统必须充分压缩体积，尽可能减轻重量。采用多 脉冲激光测距和激光目标指示两种功能合一的技术，是激光分系统减小体积和减轻重量的 有效途径之一，但是，氙灯泵浦固体激光器由于散热的原因，难于实现多脉冲激光测距和激 光目标指不两种工作状态对激光能量和激光频率的切换。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种可测量远距离、体积小、重量轻，具有激光测距与激光目 标指示功能的激光测距目标指示器及其测距方法和工作状态切换方法。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：一种激光测距目标指示器及其测距方法和工作状态 切换方法；所述指示器包括： 激光发射器，用于发射多脉冲激光光束和编码激光光束；所述的激光接收器包括雪崩 管和放大器；所述的雪崩管偏压电源包括信号处理器端口一、信号处理器端口二、可调节直 流电源、取样电阻，信号处理器端口一与可调节直流电源连接，用于调节可调节直流电源的 输出电压；信号处理器端口二同时与可调节直流电源的输出和取样电阻连接，用于读入雪 崩管的工作电流值；取样电阻与雪崩管连接； 激光接收器，用于接收目标反射的激光回波信号，并将激光回波信号转换成电信号，再 放大电信号，输出目标信号与噪声的混杂信号； 雪崩管偏压电源，用于为雪崩光电二极管提供工作偏压； 半导体泵浦源电源，用于为激光发射器的半导体激光泵浦源提供可控的工作电源； 激光调Q电源，用于为激光发射器的Q开关提供电源； 激光能量计，用于测量激光发射器输出的激光能量； 通信接口，用于与外部设备通信和操控远程激光测距目标指示器； 信号处理器，用于产生远程激光测距目标指示器的工作时序、编码设置、激光发射器温 度控制、雪崩管偏压调整、工作状态切换、能量调节、距离计算、发射次数累计、调校程序运 行； 所述的信号处理器，电气上分别与激光发射器、激光接收器、雪崩管偏压电源、半导体 泵浦源电源、激光调Q电源、激光能量计、通信接口相连接；半导体泵浦源电源、激光调Q电 源又与激光发射器相连接；激光接收器与雪崩管偏压电源相连接； 所述激光测距方法包括下列步骤： (a) 激光接收器接收从目标反射的激光回波信号，并转换成电信号，电信号放大后，得 到目标信号与噪声的混杂信号； (b) 对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号； (c) 对数字混杂信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号； (d) 对数字滤波信号进行累积，得到"数字和"混杂信号； (e) 对"数字和"混杂信号进行数字滤波处理，得到"数字和"滤波信号； (f) 将"数字和"滤波信号中数值最大和次大的信号作为候选目标信号，得到数值目标 候选信号； (g) 同时按时段统计数字滤波信号中数值大于阈值A的脉冲数量，得到脉冲数量信号； (h) 将脉冲数量信号中数量大于阈值B的信号作为候选目标信号，得到数量目标候选 信号； (i )将出现在同一时段的最大数值目标候选信号和数量目标候选信号作为目标信号； (j )如果最大数值目标候选信号和数量目标候选信号不在同一时段，而数量目标候选 信号只有一个，且其他脉冲数量信号的数量都小于数量目标候选信号的数量，则将出现在 同一时段的次大数值目标候选信号和数量目标候选信号作为目标信号； (k) 按目标信号的时段计算目标距离； (l) 将目标距离值送通信接口输出； (m) 如果不存在符合步骤（i)和（j)要求的目标信号，则输出无目标信号； 所述工作状态切换方法为：通过调节激光工作频率与工作时序，同时调节激光能量实 现切换；调节激光工作频率与工作时序的方法为，信号处理器（8)分别按照多脉冲激光测 距和目标指示要求的激光工作频率与工作时序，输出对应的恒流控制信号与调Q触发信 号；调节激光能量的方法为，信号处理器（8)按照预先设定的激光测距与目标指示要求的 不同激光能量，输出对应的恒流控制信号宽度和半导体泵浦源电源（4)中直流稳压电源 (16)的控制电压值，从而改变半导体泵浦源的注入能量，达到激光输出能量的调节。
[0007] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明依据目标信号与噪声的时间不 相关性，综合利用它们在数量和数值上的统计特点，最大限度地在噪声中判别出微弱的目 标激光回波信号，实现了测量百公里目标距离的能力；采用半导体泵浦激光器，只用一组泵 浦电源，通过软件实现了多脉冲激光发射，弥补了三脉冲氙灯泵浦激光测距机需要三组泵 浦电源的缺陷；通过软件在激光测距的基础上，增加了激光目标指示功能，在不增加重量的 条件下，拓展了装备的功能；这些措施直接和间接地减轻了装备重量，减小了装备体积；预 计本发明的远程激光测距目标指示器重量和体积只有传统氙灯泵浦激光测距机的四分之 O
[0008] 作为本发明的进一步限定，所述的半导体泵浦源电源包括：信号处理器端口三、信 号处理器端口四、信号处理器端口五、直流稳压电源、电流基准电路、恒流控制器、电流调节 开关、电流取样电阻、储能电容；信号处理器端口三与直流稳压电源连接；信号处理器端口 四与电流基准电路连接；电流基准电路与恒流控制器连接；信号处理器端口五与恒流控制 器连接；直流稳压电源与储能电容、激光发射器相连接；恒流控制器分别与电流调节开关 和电流取样电阻连接，电流调节开关分别与电抗器和电流取样电阻连接；激光发射器与电 抗器连接；储能电容与电流取样电阻相连接。本发明的半导体泵浦源电源的有益效果在于， 通过电抗器进行电流控制，电源效率高，电流调节范围大，因而电源体积小。
[0009] 作为本发明的进一步限定，步骤（a)之前还包括以下步骤： (al)设定雪崩管最佳工作电流标准、发射脉冲激光数量n(n多3)、激光能量范围、激光 能量一致性范围； (a2)将雪崩管工作电流调节到设定的雪崩管最佳工作电流值； (a3)启动自检程序，检测激光能量； (a4)判断激光能量值和激光能量一致性是否超出设定的范围； (a5)如果激光能量超出设定的激光能量范围，则调节激光能量，使之满足设定要求； (a6)判断η个脉冲激光能量是否超出设定的能量一致性范围； (a7)如果η个脉冲的激光能量值超出设定的能量一致性范围，则以最高脉冲的能量为 标准，将其余脉冲激光能量调到与最高脉冲能量一致； (a8)按设定的发射脉冲激光数量η发射脉冲激光。本发明的激光测距方法的有益效果 在于，通过雪崩管最佳工作电流的调节和激光能量及能量一致性的调节，一是实现了最佳 信噪比，二是最大程度上实现了对多脉冲目标信号的有效识别，两者的综合效果是实现了 测量距离的最大化，也即在相同的体积重量条件下，测距能力比传统测距机大得多。
[0010] 作为本发明的进一步限定，步骤（a7)调节激光能量一致性的方法为： (1) 按公式（IV)计算将要调节的第i个激光脉冲的泵浦电流时间宽度 T-.
【权利要求】
1. 一种激光测距目标指示器，其特征在于，包括： 激光发射器（1 )，用于发射多脉冲激光光束和编码激光光束；所述的激光接收器（2)包 括雪崩管（13)和放大器（14);所述的雪崩管偏压电源（3)包括信号处理器端口一、信号处 理器端口二、可调节直流电源（11 )、取样电阻（12 )，信号处理器端口 一与可调节直流电源 (11) 连接，用于调节可调节直流电源（11)的输出电压；信号处理器端口二同时与可调节直 流电源（11)的输出和取样电阻（12)连接，用于读入雪崩管（13)的工作电流值；取样电阻 (12) 与雪崩管（13)连接； 激光接收器（2)，用于接收目标反射的激光回波信号，并将激光回波信号转换成电信 号，再放大电信号，输出目标信号与噪声的混杂信号； 雪崩管偏压电源（3 )，用于为雪崩光电二极管提供工作偏压； 半导体泵浦源电源（4)，用于为激光发射器（1)的半导体激光泵浦源提供可控的工作 电源； 激光调Q电源（5)，用于为激光发射器（1)的Q开关提供电源； 激光能量计（6)，用于测量激光发射器（1)输出的激光能量； 通信接口（7)，用于与外部设备通信和操控远程激光测距目标指示器； 信号处理器（8)，用于产生远程激光测距目标指示器的工作时序、编码设置、激光发射 器温度控制、雪崩管偏压调整、工作状态切换、能量调节、距离计算、发射次数累计、调校程 序运行； 所述的信号处理器（8)，电气上分别与激光发射器（1)、激光接收器（2)、雪崩管偏压电 源（3)、半导体泵浦源电源（4)、激光调Q电源（5)、激光能量计（6)、通信接口（7)相连接；半 导体泵浦源电源（4)、激光调Q电源（5)又与激光发射器（1)相连接；激光接收器（2)与雪 崩管偏压电源（3)相连接。
2. 根据权利要求1所述的激光测距目标指示器，其特征在于，所述的半导体泵浦源 电源（4)包括：信号处理器端口三、信号处理器端口四、信号处理器端口五、直流稳压电源 (16)、电流基准电路（17)、恒流控制器（18)、电流调节开关（19)、电流取样电阻（20)、储能 电容（21);信号处理器端口三与直流稳压电源（16)连接；信号处理器端口四与电流基准 电路（17)连接；电流基准电路（17)与恒流控制器（18)连接；信号处理器端口五与恒流控 制器（18)连接；直流稳压电源（16)与储能电容（21)、激光发射器（1)相连接；恒流控制器 (18)分别与电流调节开关（19)和电流取样电阻（20)连接，电流调节开关（19)分别与电抗 器（15)和电流取样电阻（20)连接；激光发射器（1)与电抗器（15)连接；储能电容（21)与 电流取样电阻（20)相连接。
3. -种激光测距方法，其特征在于，包括下列步骤： (a) 激光接收器接收从目标反射的激光回波信号，并转换成电信号，电信号放大后，得 到目标信号与噪声的混杂信号； (b) 对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号； (c) 对数字混杂信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号； (d) 对数字滤波信号进行累积，得到"数字和"混杂信号； (e) 对"数字和"混杂信号进行数字滤波处理，得到"数字和"滤波信号； (f) 将"数字和"滤波信号中数值最大和次大的信号作为候选目标信号，得到数值目标 候选信号； (g) 同时按时段统计数字滤波信号中数值大于阈值A的脉冲数量，得到脉冲数量信号； (h) 将脉冲数量信号中数量大于阈值B的信号作为候选目标信号，得到数量目标候选 信号； (i)将出现在同一时段的最大数值目标候选信号和数量目标候选信号作为目标信号； (j)如果最大数值目标候选信号和数量目标候选信号不在同一时段，而数量目标候选 信号只有一个，且其他脉冲数量信号的数量都小于数量目标候选信号的数量，则将出现在 同一时段的次大数值目标候选信号和数量目标候选信号作为目标信号； (k) 按目标信号的时段计算目标距离； (l) 将目标距离值送通信接口输出； (m) 如果不存在符合步骤（i)和（j)要求的目标信号，则输出无目标信号。
4. 根据权利要求3所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（a)之前还包括以下步骤： (al)设定雪崩管最佳工作电流标准、发射脉冲激光数量n(n多3)、激光能量范围、激光 能量一致性范围； (a2)将雪崩管工作电流调节到设定的雪崩管最佳工作电流值； (a3)启动自检程序，检测激光能量； (a4)判断激光能量值和激光能量一致性是否超出设定的范围； (a5)如果激光能量超出设定的激光能量范围，则调节激光能量，使之满足设定要求； (a6)判断η个脉冲激光能量是否超出设定的能量一致性范围； (a7)如果η个脉冲的激光能量值超出设定的能量一致性范围，则以最高脉冲的能量为 标准，将其余脉冲激光能量调到与最高脉冲能量一致； (a8)按设定的发射脉冲激光数量η发射脉冲激光。
5. 根据权利要求4所述的激光测距方法，其特征在于， 步骤（a7)调节激光能量一致性的方法为： (1) 按公式（IV)计算将要调节的第i个激光脉冲的泵浦电流时间宽度 Tj;
式中：为调节前第i个激光脉冲的泵浦时间宽度；Gw为调节前第i个激光脉冲的 能量；1Emax为η个脉冲中最大激光能量值； (2) 信号处理器端口五输出时间宽度Ti的信号，控制恒流控制器（18)调节激光脉冲能 量的一致性； 步骤（a8)激光发射的方法为：每次测距时，半导体泵浦源电源（4)为激光发射器（1)提 供规定时间宽度的泵浦电流，激光调Q电源（5)按规定的时间间隔，与泵浦电流同步，对激 光调Q开关进行η次开合操作，η为大于1的自然整数。
6. 根据权利要求3所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（g)确定阈值A的方法为： 采用公式（I)或（II)计算阈值A，
式中：k为系数；σ为噪声标准差；I为噪声平均值；
式中：_为设定虚警率；τ为目标激光回波脉宽；I为噪声均方值； 步骤（h)确定阈倌B的方法为：桉公式
（III)计筧阈倌B: 式中：P(X多B)为探测概率；Pd为单脉冲探测概率；B为阈值；η为一次测距发射激光 脉冲数。
7. 根据权利要求3所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（k)之前包括：（kl)对目标 信号进行时间或距离的内插计算，得到内插目标信号； 步骤（m)之前包括：（ml)连续三次测到目标距离后，以距离值为中心设置对称的距 离波门，或往距离值递减或递增的方向偏离一点设置非对称的距离波门；（m2)重复步骤 (a)?（1)的操作。
8. 根据权利要求7所述的激光测距方法，其特征在于，步骤（kl)内插计算的方法为： 利用公式（V)计算目标信号相对激光发射时刻的时间h，
式中：Yi、yi+1分别为％Uh、ti+1时段的目标信号和目标信号左右两个采样点的 采样值；&、、ti+1分别为目标信号和目标信号左右两个采样点所处的时段值；τ为采 样时间间隔。
9. 一种激光测距和激光目标指示工作状态切换方法，其特征在于，通过调节激光工作 频率与工作时序，同时调节激光能量实现切换；调节激光工作频率与工作时序的方法为，信 号处理器（8)分别按照多脉冲激光测距和目标指示要求的激光工作频率与工作时序，输出 对应的恒流控制信号与调Q触发信号；调节激光能量的方法为，信号处理器（8)按照预先设 定的激光测距与目标指示要求的不同激光能量，输出对应的恒流控制信号宽度和半导体泵 浦源电源（4)中直流稳压电源（16)的控制电压值，从而改变半导体泵浦源的注入能量，达 到激光输出能量的调节。
【文档编号】G01S17/08GK104459673SQ201410786264
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】郁麒麟, 孙同春, 范华, 夏星, 姚亚斌, 隋庆峰 申请人:扬州天目光电科技有限公司, 郁麒麟