一种脉冲编码装置、编码方法及激光雷达系统与流程
本发明实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种脉冲编码装置、编码方法及激光雷达系统。
背景技术：
激光雷达是一种通过激光来探测目标物的位置、速度等参数的系统，通常基于时间飞行法实现对目标物的测量。
在激光雷达的应用过程中，如何避免杂光对信号的干扰对测量精度和准确性至关重要。现有技术中，可以在每次测量时连续发射多个脉冲，脉冲以一定的数量和时间间隔排序，形成一个可以识别身份的编码，从而提高抗干扰性能。例如现有的多脉冲编码方案每次测量需要发射3～5个脉冲，能量利用率较低；由于硬件限制，多脉冲编码使得脉冲序列的时间拉长，同一序列的不同脉冲可能在空间上距离很大，且多脉冲编码单个脉冲的能量偏低，容易丢失脉冲。
技术实现要素：
本发明实施例提供一种脉冲编码装置、编码方法及激光雷达系统，该脉冲编码装置每次发射两个脉冲，每个脉冲可以分配到较高的能量，能量利用率较高，不容易出现丢失脉冲的现象；并且脉冲序列的持续时间不需要太长，不会导致同一序列的不同脉冲在空间上距离很大的问题发生。
第一方面，本发明实施例提供一种脉冲编码装置，包括编码单元以及至少一个发射单元；
所述编码单元用于生成多组时序编码信号；
所述发射单元用于根据多组所述时序编码信号，输出多组脉冲序列，每组所述脉冲序列包括第一脉冲和第二脉冲；
其中，不同组所述脉冲序列中，所述第一脉冲和所述第二脉冲之间的时间间隔不同。
可选的，所述发射单元包括第一蓄能电路、第二蓄能电路以及第一激光器，所述第一蓄能电路和所述第二蓄能电路的输入端均与所述编码单元连接，输出端均与所述第一激光器连接；
所述第一蓄能电路用于为所述第一激光器提供输出所述第一脉冲所需的能量；
所述第二蓄能电路用于为所述第一激光器提供输出所述第二脉冲所需的能量。
可选的，所述发射单元包括第二激光器以及第三激光器；
所述第二激光器用于输出所述第一脉冲，所述第三激光器用于输出第二脉冲。
可选的，所述第一脉冲和所述第二脉冲的波长、脉冲宽度以及脉冲幅度完全相同。
可选的，所述第一脉冲和所述第二脉冲的波长不同和/或脉冲宽度不同。
可选的，所述脉冲序列的编码数量为n，所有组所述脉冲序列中，所述第一脉冲和所述第二脉冲的最小时间间隔为t1，最大时间间隔为t2，不同组所述脉冲序列的所述第一脉冲和所述第二脉冲的时间间隔为
其中，n为大于或等于2的整数，m为1到n-1之间的整数。
可选的，按所述脉冲序列输出时间先后顺序，不同组所述脉冲序列中所述第一脉冲和所述第二脉冲的时间间隔呈等差数列增大或呈等差数列减小。
第二方面，本发明实施例还提供一种脉冲编码方法，包括：
编码单元生成多组时序编码信号；
发射单元根据多组所述时序编码信号，输出多组脉冲序列，每组所述脉冲序列包括第一脉冲和第二脉冲；
其中，不同组所述脉冲序列中，所述第一脉冲和所述第二脉冲之间的时间间隔不同。
第三方面，本发明实施例还提供一种激光雷达系统，包括上述的任意一种脉冲编码装置，还包括：
接收单元，所述接收单元用于接收从所述脉冲编码装置发射，并被目标物反射到所述接收单元的脉冲序列。
可选的，还包括处理单元；
所述处理单元用于执行以下步骤：
根据所述接收单元接收到的脉冲序列判断是否存在等于预设时间间隔的脉冲序列；
若是，则在所述脉冲序列唯一时，将所述脉冲序列作为有效脉冲序列，并根据所述有效脉冲序列的飞行时间计算目标物的距离。
本发明实施例提供的脉冲编码装置，包括编码单元以及至少一个发射单元；编码单元用于生成多组时序编码信号；发射单元用于根据多组时序编码信号，输出多组脉冲序列，每组脉冲序列包括第一脉冲和第二脉冲；其中，不同组脉冲序列中，第一脉冲和第二脉冲之间的时间间隔不同。通过编码单元产生多组不同的时序编码信号，通过发射单元根据时序编码信号输出包括第一脉冲和第二脉冲的脉冲序列，由于每个脉冲序列仅包括发射单元发射的两个脉冲，可以保证每个脉冲具有较高的能量，提高能量的利用率，不会因为脉冲传输过程中信号衰减产生丢失脉冲的现象；并且脉冲序列的持续时间不需要太长，不会导致同一序列的不同脉冲在空间上距离很大的问题发生，用于激光雷达系统时可以有效提高抗干扰能力，且具有较高的精度。
附图说明
图1是现有技术中的一种多脉冲编码方案生成的脉冲示意图；
图2是本发明实施例提供的一种脉冲编码装置的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种脉冲编码装置生成的脉冲示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种脉冲编码装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的又一种脉冲编码装置的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的另一种脉冲编码装置生成的脉冲示意图；
图7是本发明实施例提供的又一种脉冲编码装置生成的脉冲示意图；
图8是本发明实施例提供的一种脉冲编码方法的流程示意图；
图9是本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；
图10是图7中第三组脉冲序列的回波测量结果示意图；
图11是本发明实施例提供的一种激光雷达系统用于测距时的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
由于激光雷达的应用越来越广泛，激光雷达的干扰问题越来越突出。现有技术中，一种方式是采用多脉冲编码的方式发射和接收激光光束，即每次发射的信号中包括多个激光脉冲。图1所示为现有技术中的一种多脉冲编码方案生成的脉冲示意图。参考图1，每组脉冲序列包括四个脉冲，一组脉冲序列中的相邻两个脉冲之间的时间间隔为t0，检测时通过检测脉冲序列的回波，提高激光雷达的抗干扰能力。但多脉冲编码方式存在脉冲序列持续时间长、单个脉冲的能量偏低、容易丢失脉冲等问题。
为了解决上述问题，本发明实施例提供一种双脉冲编码方式。图2所示为本发明实施例提供的一种脉冲编码装置的结构示意图，图3所示为本发明实施例提供的一种脉冲编码装置生成的脉冲示意图。参考图2和图3，本实施例提供的脉冲编码装置包括编码单元10以及至少一个发射单元20；编码单元10用于生成多组时序编码信号；发射单元20用于根据多组时序编码信号，输出多组脉冲序列，每组脉冲序列包括第一脉冲21和第二脉冲31；其中，不同组脉冲序列中，第一脉冲21和第二脉冲31之间的时间间隔不同。
其中，编码单元10用于生成多组时序编码信号，每组时序编码信号包括要输出的两个脉冲信号的发射时刻、脉冲持续时间、脉冲强度、脉冲间隔时间等信息，控制发射单元20输出第一脉冲21和第二脉冲31。在具体实施时，编码单元10可以选用现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)，通过fpga给发射单元20提供时序编码信号，控制脉冲发射。发射单元20可以为脉冲激光器，例如可以是半导体激光器、光纤激光器等，用于在编码单元10的控制下输出第一脉冲21和第二脉冲31。
需要说明的是，图2中仅是示例性的示出一个发射单元20，在其他实施例中，发射单元20可以为多个，以应用于多线激光雷达系统中。图3中仅示例性的示出三组脉冲序列，每组脉冲序列都包括两个脉冲，且不同组脉冲序列中两个脉冲之间的时间间隔不同，每一种时间间隔相当于一种编码识别号，当用于激光雷达，例如测距时，通过测量两个脉冲的时间间隔即可确定脉冲序列。
本实施例的技术方案，通过编码单元产生多组不同的时序编码信号，通过发射单元根据时序编码信号输出包括第一脉冲和第二脉冲的脉冲序列，由于每个脉冲序列仅包括发射单元发射的两个脉冲，可以保证每个脉冲具有较高的能量，提高能量的利用率，不会因为脉冲传输过程中信号衰减产生丢失脉冲的现象；并且脉冲序列的持续时间不需要太长，不会导致同一序列的不同脉冲在空间上距离很大的问题发生，用于激光雷达系统时可以有效提高抗干扰能力，且具有较高的精度。
在上述技术方案的基础上，图4所示为本发明实施例提供的另一种脉冲编码装置的结构示意图。参考图4，可选的，发射单元20包括第一蓄能电路211、第二蓄能电路212以及第一激光器213，第一蓄能电路211和第二蓄能电路212的输入端均与编码单元10连接，输出端均与第一激光器213连接；第一蓄能电路211用于为第一激光器213提供输出第一脉冲所需的能量；第二蓄能电路212用于为第一激光器213提供输出第二脉冲所需的能量。
可以理解的是，第一蓄能电路211和第二蓄能电路212在脉冲发射之前储蓄发射脉冲所需的能量，然后根据时序编码信号释放，使第一激光器213输出脉冲。通过设置独立的第一蓄能电路211和第二蓄能电路212，可以保证每个脉冲具有足够的峰值能量，有效防止脉冲丢失。在具体实施时，第一蓄能电路211和第二蓄能电路212可以为相同的结构，具体电路结构本发明实施例不作限定。
图5所示为本发明实施例提供的又一种脉冲编码装置的结构示意图。参考图5，可选的，发射单元20包括第二激光器216以及第三激光器217；第二激光器216用于输出第一脉冲，第三激光器217用于输出第二脉冲；可选的，发射单元还包括第三蓄能电路214以及第四蓄能电路215，第三蓄能电路214的输入端与编码单元10连接，输出端与第二激光器216连接，第三蓄能电路214用于为第二激光器216提供输出第一脉冲所需的能量；第四蓄能电路215的输入端与编码单元10连接，输出端与第三激光器217连接，第四蓄能电路215用于为第三激光器217提供输出第二脉冲所需的能量。
可以理解的是，发射单元20还可以包括两个激光器，分别用独立的蓄能电路驱动，使两个脉冲相互独立，还可以设置两个激光器的波长不同，实现波长调制，增加脉冲编码装置的灵活性和稳定性。
需要说明的是，图5所示的发射单元20包括两个蓄能电路仅是示意性的，在其他实施例中，第二激光器216和第三激光器217可以共用同一个蓄能电路，具体实施时可以根据实际需求灵活选择，本发明实施例对此不做限定。
可选的，第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度以及脉冲幅度完全相同。
可以理解的是，发射单元包括第一激光器时，第一蓄能电路和第二蓄能电路的参数相同且脉冲编码中两个脉冲的驱动信号相同时，第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度脉冲幅度完全相同。当发射单元包括第二激光器和第三激光器，而第二激光器和第三激光器参数完全相同时，编码单元可以给发射单元施加条件完全相同，仅在时间上不同的信号，以使第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度以及脉冲幅度完全相同，从而简化编码方式。
可选的，第一脉冲和第二脉冲的波长不同和/或脉冲宽度不同。
可以理解的是，当一个脉冲序列中两个脉冲完全相同时，可能会存在两个噪声信号的时间间隔恰好等于一组脉冲序列中两个脉冲的时间间隔导致串扰，为了进一步提高抗干扰性能，可以对脉冲序列进行波长和/或脉冲宽度调制，例如第一脉冲和第二脉冲的波长不同，在接收装置中加入波分复用装置，也可以设置第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度不同，还可以设置第一脉冲和第二脉冲的波长和脉冲宽度都不同，信号调制的维度越多，抗干扰性能就越好，在具体实施时可以根据实际测量精度与成本灵活选择。
可选的，脉冲序列的编码数量为n，所有组脉冲序列中，第一脉冲和第二脉冲的最小时间间隔为t1，最大时间间隔为t2，不同组脉冲序列的第一脉冲和第二脉冲的时间间隔为
可以理解的是，两个脉冲之间的时间间隔一般会受到硬件电路反应时间的限制，比如采用某一种电路方案时，两个脉冲间隔时间必须大于10ns，否则硬件无法保证输出的两个脉冲幅度一致。在本实施例中，是通过使每组脉冲序中的两个脉冲的时间间隔不同来附加编码信息的，理论上只要接收方测量精度能够保证，调整任意一个时间差都可以产生一个新编码。而实际上，例如选用fpga作为编码单元时，fpga的工作时钟周期会限制每次时间间隔变化的最小值。如果fpga时钟周期是4ns，那么每一次时间间隔调整都必须是4ns的整数倍。如果fpga时钟周期是1ns，那么每次调整都是1ns的整数倍。又由于实际应用时，脉冲的总长度受限制(间隔时间过长可能在远距离上使两个脉冲打到不同的目标上)，所以允许的步进值越小，可以使用的编码数量越多，每次发射脉冲的时间间隔的最小步进时间等于fpga最小时钟周期，方便测量计算。
示例性的，以n＝14，t1＝8ns，t2＝60ns为例，此时
可选的，按脉冲序列输出时间先后顺序，不同组脉冲序列中第一脉冲和第二脉冲的时间间隔呈等差数列增大或呈等差数列减小。
示例性的，继续以上述实施例的举例为例，图7所示为本发明实施例提供的又一种脉冲编码装置生成的脉冲示意图。参考图7，后一组脉冲序列中第一脉冲21和第二脉冲31之间的时间间隔比前一组脉冲序列的时间间隔多4ns，在其他实施例中，也可以设置后一组脉冲序列中第一脉冲和第二脉冲之间的时间间隔比前一组脉冲序列的时间间隔少4ns，具体实施时可以根据需求灵活选择。
需要说明的是，图6和图7中示出的第一脉冲21和第二脉冲31的脉冲宽度相同仅是示意性的，并不是对本发明的限定，在其他实施例中可以设置不同的脉冲宽度。
图8所示为本发明实施例提供的一种脉冲编码方法的流程示意图，该方法可以由上述实施例提供的脉冲编码装置来执行，具体包括如下步骤：
步骤s110、编码单元生成多组时序编码信号。
步骤s120、发射单元根据多组时序编码信号，输出多组脉冲序列，每组脉冲序列包括第一脉冲和第二脉冲。
其中，不同组脉冲序列中，第一脉冲和第二脉冲之间的时间间隔不同。
可以理解的是，编码单元用于生成多组时序编码信号，每组时序编码信号包括要输出的两个脉冲信号的发射时刻、脉冲持续时间、脉冲强度、脉冲间隔时间等信息，控制发射单元输出第一脉冲和第二脉冲。在具体实施时，编码单元可以选用fpga，通过fpga给发射单元提供时序编码信号，控制脉冲发射。发射单元可以为脉冲激光器，例如可以是半导体激光器、光纤激光器等，用于在编码单元的控制下输出第一脉冲和第二脉冲。
本实施例的技术方案，通过编码单元产生多组不同的时序编码信号，通过发射单元根据时序编码信号输出包括第一脉冲和第二脉冲的脉冲序列，由于每个脉冲序列仅包括发射单元发射的两个脉冲，可以保证每个脉冲具有较高的能量，提高能量的利用率，不会因为脉冲传输过程中信号衰减产生丢失脉冲的现象；并且脉冲序列的持续时间不需要太长，不会导致同一序列的不同脉冲在空间上距离很大的问题发生，用于激光雷达系统时可以有效提高抗干扰能力，且具有较高的精度。
在上述技术方案的基础上，可选的，第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度以及脉冲幅度完全相同。
可以理解的是，发射单元包括第一激光器时，第一蓄能电路和第二蓄能电路的参数相同且脉冲编码中两个脉冲的驱动信号相同时，第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度脉冲幅度完全相同。当发射单元包括第二激光器和第三激光器，而第二激光器和第三激光器参数完全相同时，编码单元可以给发射单元施加条件完全相同，仅在时间上不同的信号，以使第一脉冲和第二脉冲的波长、脉冲宽度以及脉冲幅度完全相同，从而简化编码方式。
可选的，第一脉冲和第二脉冲的波长不同和/或脉冲宽度不同。
可以理解的是，当一个脉冲序列中两个脉冲完全相同时，可能会存在两个噪声信号的时间间隔恰好等于一组脉冲序列中两个脉冲的时间间隔导致串扰，为了进一步提高抗干扰性能，可以对脉冲序列进行波长和/或脉冲宽度调制，例如第一脉冲和第二脉冲的波长不同，在接收装置中加入波分复用装置，也可以设置第一脉冲和第二脉冲的脉冲宽度不同，还可以设置第一脉冲和第二脉冲的波长和脉冲宽度都不同，信号调制的维度越多，抗干扰性能就越好，在具体实施时可以根据实际测量精度与成本灵活选择。
可选的，脉冲序列的编码数量为n，所有组脉冲序列中，第一脉冲和第二脉冲的最小时间间隔为t1，最大时间间隔为t2，不同组脉冲序列的第一脉冲和第二脉冲的时间间隔为
可以理解的是，两个脉冲之间的时间间隔一般会受到硬件电路反应时间的限制，比如采用某一种电路方案时，两个脉冲间隔时间必须大于10ns，否则硬件无法保证输出的两个脉冲幅度一致。在本实施例中，是通过使每组脉冲序中的两个脉冲的时间间隔不同来附加编码信息的，理论上只要接收方测量精度能够保证，调整任意一个时间差都可以产生一个新编码。而实际上，例如选用fpga作为编码单元时，fpga的工作时钟周期会限制每次时间间隔变化的最小值。如果fpga时钟周期是4ns，那么每一次时间间隔调整都必须是4ns的整数倍。如果fpga时钟周期是1ns，那么每次调整都是1ns的整数倍。又由于实际应用时，脉冲的总长度受限制(间隔时间过长可能在远距离上使两个脉冲打到不同的目标上)，所以允许的步进值越小，可以使用的编码数量越多。
可选的，按脉冲序列输出时间先后顺序，不同组脉冲序列中第一脉冲和第二脉冲的时间间隔呈等差数列增大或呈等差数列减小。
可以理解的是，不同组脉冲序列中第一脉冲和第二脉冲的时间间隔可以在预设的编码方式中随机排列，也可以按时间顺序等差排列，具体实施时可以根据实际情况灵活选择。
图9所示为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图。参考图9，本实施例提供的激光雷达系统包括上述实施例提供的任意一种脉冲编码装置1，还包括：接收单元2，接收单元2用于接收从脉冲编码装置1发射，并被目标物3反射到接收单元2的脉冲序列。
示例性的，继续参考图9，编码单元10和回波信号的计算处理用同一个fpga实现，本实施例中以发射单元20包括第二激光器216以及第三激光器217为例。脉冲编码装置1中的第二激光器216和第三激光器217可以通过光纤101输出，然后经过合束器102合束后通过光发射通道103(例如可以包括准直透镜)将脉冲序列向目标物3发射；接收单元2包括接收通道201(例如可以包括汇聚透镜)、光电传感器202、放大器203以及模数转换器204，经目标反射的回波信号经光接收通道201汇聚到光电传感器202上，光信号转换成电信号经放大器203输入模数转换器204，模数转换器204将信号转换为数字信号提供给fpga处理，模数转换器204采样以及算法可以把每个脉冲的时间测量精度控制在1ns以内，所以很容易区分不同时间间隔的脉冲；图10所示为图7中第三组脉冲序列的回波测量结果示意图，fpga通过测量回波脉冲之间的时间间隔是否等于发射脉冲时间间隔(16ns)来区分真实回波和干扰信号。
在一实施例中，激光雷达系统可以为多线激光雷达系统，此时其可以包括多组如图9所示的收发单元，各组收发单元中的光发射通道对不同的水平面进行扫描。不同组的收发单元中可以分别设置其编码单元，也可以多个收发单元共用一个编码单元。
在一实施例中，可选的，上述激光雷达系统还包括处理单元。处理单元用于根据接收单元采集到的脉冲序列进行处理。具体地，处理单元根据接收单元接收到的脉冲序列是否存在等于预设时间间隔的脉冲序列；若是，则在脉冲序列唯一时，将脉冲序列作为有效脉冲序列，并根据有效脉冲序列的飞行时间计算目标物的距离。如果否，则丢弃当前的这组脉冲序列，并对接收单元采集的下一组脉冲序列进行判断。其中，脉冲序列唯一是指接收到的脉冲序列中，相邻两个脉冲的时间间隔等于发射脉冲序列中第一脉冲和第二脉冲的时间间隔的情形仅出现一次。
示例性的，图11所示为本发明实施例提供的一种激光雷达系统用于测距时的工作流程示意图，本实施例中通过fpga进行脉冲序列编码和回波信号处理，首先通过fpga确定脉冲序列的时间间隔，然后按照时序发射第一脉冲和第二脉冲，当脉冲序列被目标物反射被接收单元接收时，接收单元进行信号采样，并传输给fpga计算接收的信号中是否有时间间隔和发射的脉冲序列的时间间隔相同的有效脉冲序列，若是，判断有效脉冲序列是否唯一，若是，则计算目标物距离并输出结果，若没有检测到有效脉冲序列或有效脉冲序列不唯一，则重复前述fpga确定脉冲序列的时间间隔、照时序发射第一脉冲和第二脉冲等工作流程。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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