基于伪随机调制的LED光学雷达的测量方法、系统及介质

基于伪随机调制的led光学雷达的测量方法、系统及介质
技术领域
1.本发明涉及光学雷达探测技术领域，尤其涉及一种基于伪随机调制的led光学雷达的测量方法、系统及介质。


背景技术：

2.随着雷达探测技术的快速发展，越来越多的探测场景中采用雷达探测的方式，目前，现有的雷达探测系统大多采用激光器作为光源。目前，在人口分布集中的城市区域内，因存在大功率激光器尺寸大、激光器价格昂贵等原因在城市中并未实现全面应用。在此基础上为了实现光学雷达的更大化利用效益，需要开发出使用发光二极管led为新型光源的光学雷达。这种光源成本小，耗能小，更稳定，便于大规模推广使用。但led光学雷达因为其准直性差，易被其他光源影响。而对光学雷达的需求主要是在光噪声强烈的白昼，可见，现有的光学雷达难以排除光噪声影响，无法在白昼使用。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于伪随机调制的led光学雷达的测量方法、系统及介质，以解决现有的光学雷达难以排除光噪声影响，无法在白昼使用的问题。
4.为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
5.本发明提供一种基于伪随机调制的led光学雷达的测量方法，应用于led光学雷达系统，所述led光学雷达系统包括led光源和光子计数器，所述方法包括：
6.确定目标伪随机码；
7.基于所述目标伪随机码对所述led光源产生的led光束进行调制得到调制光束，并发射所述调制光束；
8.接收所述调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，并将预处理后的后向散射光转换为电信号；
9.采用所述光子计数器对所述电信号进行高速积分运算补偿处理；
10.对电信号进行解调处理，并根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数。
11.可选地，所述确定目标伪随机码包括：
12.根据所述光子计数器的时钟信号确定所述目标伪随机码的长度，并基于所述长度生成所述目标伪随机码。
13.可选地，所述基于所述目标伪随机码对所述led光源产生的led光束进行调制得到调制光束之前，所述方法还包括：
14.调整led光源产生的led光束扩散在100-200米间的距离上时与接收机的视野的重叠率高于预设重叠率阈值。
15.可选地，所述接收所述调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，包括：
16.搜集所述led光学雷达系统的后向散射光，并获取待测环境中的环境因素；
17.根据所述环境因素滤除所述后向散射光中的杂质；
18.其中，所述环境因素包括待测环境的大气湿度、大气粒子浓度。
19.可选地，所述目标伪随机码是由伪随机码生成器生成的，所述led光源产生的led光束是在驱动电路的驱动下产生的，所述伪随机码生成器的输入端和所述光子计数器的输出端连接，所述伪随机码生成器的输出端通过数模转换模块和所述驱动电路的输入端连接。
20.可选地，所述驱动电路包括：
21.电阻r1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9、三极管t1、三极管t2、三极管t3、三极管t4、三极管t5、二极管d1以及二极管d2；
22.其中，所述电阻r1的第一端、所述电阻r2的第一端、所述电阻r3的第一端、所述电阻r4的第一端、所述电阻r5的第一端、所述电阻r6的第一端、所述电阻r7的第一端、所述电阻r10的第一端、所述电阻r11的第一端均与所述电阻r12的第一端连接，所述电阻r1的第二端与所述电容c1的第一端以及所述三极管t1的集电极连接，所述三极管t1的发射极接地，所述电容c1的第二端与所述电阻r2的第二端以及所述三极管t2的基极连接，所述三极管t1的基极与所述电阻r3的第二端以及所述电容c2的第一端连接，所述电容c2的第二端与所述三极管t2的集电极连接，所述三极管t2的发射极与所述三极管t1的发射极连接，所述电阻r5的第二端与所述二极管d1的负极连接，所述二极管d1的正极与所述电阻r6的第二端、所述电容c3的第一端以及所述三极管t3的集电极连接，所述三极管t3的发射极与所述三极管t1的发射极连接，所述电容c3的第二端与所述电阻r7的第二端、所述三极管t4的基极连接，所述三极管t3的基极与所述电阻r9的第一端、所述电容c4的第一端以及所述电阻r8的第一端连接，所述电容c4的第二端与所述电阻r8的第二端、所述电阻r10的第二端以及所述二极管d2的正极连接，所述三极管t4的集电极与所述二极管d2的负极、所述电阻r11的第二端、所述电容c6的第一端、所述三极管t5的基极、所述电阻r13的第一端以及所述电阻r14的第一端连接；
23.所述电容c6的第二端与所述电阻r18的第一端、所述电阻r19的第一端以及所述三极管t6的基极连接，所述电阻r18的第二端与所述电阻r12的第一端、所述三极管t6的集电极以及所述电容c9的第一端连接，所述电容c9的第二端接地，所述三极管t6的发射极与所述电阻r20的第一端以及所述电容c7的第一端连接，所述电阻r19的第二端接地，且所述电阻r20的第二端与所述电阻r19的第二端连接，所述电容c7的第二端和所述电阻r20的第二端形成第一输出端；
24.所述电阻r13的第二端与所述电阻r12的第二端连接，所述三极管t5的发射极和所述电容c5的第一端、所述电阻r15的第一端、所述电阻r16的第一端以及所述电阻r17的第一端连接，所述电阻r14的第二端与所述电容c5的第二端、所述电阻r16的第二端以及所述电阻r17的第二端连接后接地，所述电容c8的第一端与所述电阻r12的第一端连接，所述电容c8的第二端接地，所述电容c8的第一端和所述三极管t5的集电极形成第二输出端；
25.其中，所述伪随机码生成器的输出端通过数模转换模块与所述驱动电路中的所述三极管t5的基极连接。
26.可选地，所述led光学雷达系统还包括扫描台，所述led光源设置于所述扫描台上，
所述方法还包括：
27.控制所述扫描台依据预设轨迹移动以调整所述led光源在预设轨迹的不同位置发射调制光束；
28.其中，所述预设轨迹包括移动时间、移动角度以及移动方向，所述移动时间、移动角度以及移动方向是基于所述led光源的分辨率以及所述光子计数器的调价积分的时间确定的。
29.第二方面，本技术还提供一种led光学雷达系统，包括：镜筒、透镜、led光源、伪随机码生成器、数模转换电路、驱动电路、接收机构、光子计数器、以及解调机构，所述镜筒包括第一侧和第二侧，所述第一侧设有第一开口，所述第二侧设有第二开口，所述第一开口的尺寸小于所述第二开口，所述led光源设于所述第一开口处，所述透镜设置于所述led光源朝向所述第二开口的一侧，所述驱动电路和所述伪随机码生成器均与所述led光源连接，所述接收机构的输出端与所述光子计数器的输出端与所述显示器连接；
30.所述伪随机码生成器用于生成电信号的目标伪随机码，并将所述电信号的目标伪随机码发送至数模转换电路；
31.所述数模转换电路用于将所述电信号的目标伪随机码转换为模拟信号的目标伪随机码后发送至所述驱动电路；
32.所述驱动电路用于基于所述目标伪随机码对所述led光源产生的led光束进行调制与驱动得到调制光束；
33.所述透镜用于对所述led光束进行束光处理；
34.所述接收机用于接收所述调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，并将预处理后的后向散射光转换为电信号；
35.所述光子计数器用于采用所述光子计数器对所述电信号进行高速积分运算补偿处理；
36.所述解调机构用于对电信号进行解调处理，所述光子计数器还用于根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数。
37.第三方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。
38.有益效果：
39.本发明提供的基于伪随机调制的光学雷达的测量方法，基于目标伪随机码对led光源产生的led光束进行调制得到调制光束，并发射调制光束；接收调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，并将预处理后的后向散射光转换为电信号；采用光子计数器对电信号进行高速积分运算补偿处理；对电信号进行解调处理，并根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数。这样，可以准确的测量环境中的气溶胶消光系数以确定待测环境的光学特性，其中，通过采用目标伪随机码对led光束进行调整，可以减少光噪声的影响，使led光学雷达系统适应于白昼使用；在此基础上，采用高速积分运算补偿目标伪随机码的编码长度产生的空间分辨率影响，可以提升led光学雷达系统的检测精度。
附图说明
40.图1为本发明优选实施例的一种基于伪随机调制的光学雷达的测量方法的流程
图；
41.图2为本发明优选实施例的驱动电路的电路图；
42.图3为本发明优选实施例的一种led光学雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
43.下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.请参见图1，本技术实施例提供一种基于伪随机调制的光学雷达的测量方法，应用于led光学雷达系统，led光学雷达系统包括led光源和光子计数器，所述方法包括：
45.确定目标伪随机码；
46.基于目标伪随机码对led光源产生的led光束进行调制得到调制光束，并发射调制光束；
47.接收调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，并将预处理后的后向散射光转换为电信号；
48.采用光子计数器对电信号进行高速积分运算补偿处理；
49.对电信号进行解调处理，并根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数。
50.本实施例中，气溶胶消光系数可以体现待测环境中的光学特性。
51.上述的基于伪随机调制的光学雷达的测量方法，通过采用目标伪随机码对led光束进行调整，可以减少光噪声的影响，使led光学雷达系统适应于白昼使用；在此基础上，采用高速积分运算补偿目标伪随机码的编码长度产生的空间分辨率影响，可以提升led光学雷达系统的检测精度。
52.可选地，确定目标伪随机码包括：
53.根据光子计数器的时钟信号确定目标伪随机码的长度，并基于长度生成目标伪随机码。
54.本可选的实施方式中，根据光子计数器的时钟信号确定目标伪随机码的长度时以使得目标伪随机码与光子计数器的时钟信号同步为目的。这样，可以确定适合长度的目标伪随机码，避免目标伪随机码过长或过短而影响检测精度。
55.可选地，基于目标伪随机码对led光源产生的led光束进行调制得到目标光束之前，方法还包括：
56.调整led光源产生的led光束扩散在100-200米间的距离上时与接收机的视野的重叠率高于预设重叠率阈值。
57.需要说明的是，由于led准直差，本实施例中，通过调整led光源产生的led光束扩散在100-200米间的距离上时与接收机的视野的重叠率高于预设重叠率阈值，可以校准led光源尽量减少由光束扩散引起的led光源的功率损失问题，避免出现led的指向性差的问题影响检测精度。
58.可选地，所述根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数，包括：
59.获取待测环境中的环境因素；
60.根据所述环境因素和所述解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数；
61.其中，所述环境因素包括待测环境的大气湿度、大气粒子浓度。
62.需要说明的是，环境中的大气湿度、大气粒子浓度都属于大气气溶胶光学特性产生的因素，因此，环境中的大气湿度、大气粒子浓度的浓度可能会影响消光系数，本实施例中，充分考虑了待测环境的大气湿度、大气粒子浓度的影响，根据待测环境的大气湿度、大气粒子浓度滤除后向散射光中的杂质，可以便于更加准确的测量环境的消光系数。
63.具体而言，在一示例中，根据所述环境因素和所述解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数时可以满足如下计算关系：
[0064][0065]
式中，σ(r)为气溶胶消光系数，r为距离，p(r)为光学雷达信号，r0为反演计算的临界点，p(r0)为临界点的光学雷达信号，σ(r0)为临界点的消光系数，dr
′
表示距离的微分，p(r
′
)和r
′
为积分项中的标识符，π为常数，n0为环境因素拟合分布值。
[0066]
可选地，本事实例中，所述目标伪随机码是由伪随机码生成器生成的，所述led光源产生的led光束是在驱动电路的驱动下产生的，所述伪随机码生成器的输入端和所述光子计数器的输出端连接，所述伪随机码生成器的输出端通过数模转换模块和所述驱动电路的输入端连接。
[0067]
请参见图2，可选地，驱动电路包括：
[0068]
电阻r1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r9、电阻r10、电阻r11、电阻r12、电阻r13、电阻r14、电阻r15、电阻r16、电阻r17、电阻r18、电阻r19、电阻r20、电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、电容c5、电容c6、电容c7、电容c8、电容c9、三极管t1、三极管t2、三极管t3、三极管t4、三极管t5、二极管d1以及二极管d2；
[0069]
其中，电阻r1的第一端、电阻r2的第一端、电阻r3的第一端、电阻r4的第一端、电阻r5的第一端、电阻r6的第一端、电阻r7的第一端、电阻r10的第一端、电阻r11的第一端均与电阻r12的第一端连接，电阻r1的第二端与电容c1的第一端以及三极管t1的集电极连接，三极管t1的发射极接地，电容c1的第二端与电阻r2的第二端以及三极管t2的基极连接，三极管t1的基极与电阻r3的第二端以及电容c2的第一端连接，电容c2的第二端与三极管t2的集电极连接，三极管t2的发射极与三极管t1的发射极连接，电阻r5的第二端与二极管d1的负极连接，二极管d1的正极与电阻r6的第二端、电容c3的第一端以及三极管t3的集电极连接，三极管t3的发射极与三极管t1的发射极连接，电容c3的第二端与电阻r7的第二端、三极管t4的基极连接，三极管t3的基极与电阻r9的第一端、电容c4的第一端以及电阻r8的第一端连接，电容c4的第二端与电阻r8的第二端、电阻r10的第二端以及二极管d2的正极连接，三极管t4的集电极与二极管d2的负极、电阻r11的第二端、电容c6的第一端、三极管t5的基极、电阻r13的第一端以及电阻r14的第一端连接；
[0070]
电容c6的第二端与电阻r18的第一端、电阻r19的第一端以及三极管t6的基极连接，电阻r18的第二端与电阻r12的第一端、三极管t6的集电极以及电容c9的第一端连接，电容c9的第二端接地，三极管t6的发射极与电阻r20的第一端以及电容c7的第一端连接，电阻r19的第二端接地，且电阻r20的第二端与电阻r19的第二端连接，电容c7的第二端和电阻
r20的第二端形成第一输出端；
[0071]
电阻r13的第二端与电阻r12的第二端连接，三极管t5的发射极和电容c5的第一端、电阻r15的第一端、电阻r16的第一端以及电阻r17的第一端连接，电阻r14的第二端与电容c5的第二端、电阻r16的第二端以及电阻r17的第二端连接后接地，电容c8的第一端与电阻r12的第一端连接，电容c8的第二端接地，电容c8的第一端和三极管t5的集电极形成第二输出端；
[0072]
其中，所述伪随机码生成器的输出端通过数模转换模块与所述驱动电路中的所述三极管t5的基极连接。
[0073]
在本实施例中，电阻r1的第一端还连接+10v电源，电阻r9的第二端还连接-6v电源。
[0074]
应理解，上述的驱动电路包括脉冲产生、参考信号分离、以及电流驱动三个部分功能，通过电阻r1至电阻r11、电容c1至电容c4、三极管t1至三极管t4组成的电路产生高频振荡信号，并采用电容c6至第一输出端组成的电路进行信号分流，采用电阻r12至第二输出端组成的电路作为驱动输出以驱动led光源，其中，伪随机码生成器的输出端通过数模转换模块与所述驱动电路中的所述三极管t5的基极连接，可以实现根据伪随机码进行调制的目的，结构简单，便于实施。
[0075]
值得强调的是，现有技术中，驱动电路的周期较长，会影响测量结果的准确性，本实施例中，通过设计的上述驱动电路，尽可能提高led光源的频率，可以补偿led的噪声，可以在短时间内实现多次测量，实施成本低。
[0076]
需要说明的是，所述光子计数器包括高速积分运算单元，所述高速积分运算单元用于对所述电信号进行高速积分运算补偿处理。
[0077]
值得指出的是，在目标伪随机码长度过长导致滞后的情况时，通过高速积分运算补偿处理，可以使滞后的情况有较显著的改善，进一步消除目标伪随机码长度过长带来的不良影响。
[0078]
可选地，所述led光学雷达系统还包括扫描台，所述led光源设置于所述扫描台上，所述方法还包括：
[0079]
控制所述扫描台依据预设轨迹移动以调整所述led光源在预设轨迹的不同位置发射调制光束；
[0080]
其中，所述预设轨迹包括移动时间、移动角度以及移动方向，所述移动时间、移动角度以及移动方向是基于所述led光源的分辨率以及所述光子计数器的积分的时间确定的。
[0081]
需要说明的是，在某一次的测量中，led光源的发射方向是固定的，在本可选的实施方式中，为了实现对多个方向连续的测量，通过控制所述扫描台依据预设轨迹移动以调整所述led光源在预设轨迹的不同位置发射调制光束，这样，可以实现对多个方向的连续的测量。
[0082]
具体而言，基于所述led光源的分辨率以及所述光子计数器的积分的时间确定角速度，包括但不限于移动时间、移动角度以及移动方向，可以保证对多个方向连续的测量中的准确性，避免改变角度或者改变方向导致的信号接收不及时，不同步的情况。
[0083]
可选地，需要说明的是，led光学雷达的探测受到脉宽、频率、光子计数器分辨率、
伪随机码调制编码长度、接收机积分回数等的影响。在一个优选的实施方式中，还可以利用数值分析的方法优化系统的参数配置以提高测量精度，例如优化伪随机码的长度或者编码位移。
[0084]
在一示例中，测量过程中信号的流向包括伪随机码生成器、驱动电路、led光源、发射机构(望远镜)、接收机构(望远镜和光电倍增管)光子计数器(包括积分电路，同时光子计数器应该与伪随机码生成器保持同步联系)，最后是解调机构。
[0085]
上述的基于伪随机调制的光学雷达的测量方法，通过使用led光源产生光束，且对应涉及了能实现伪随机调制的驱动电路，通过这种整体设计，相比于现有的光学雷达的系统，降低了实施成本，且使用便捷，便于推广。
[0086]
请参见图3，本技术实施例还提供一种led光学雷达系统，其特征在于，包括：镜筒、透镜、led光源、伪随机码生成器、数模转换电路、驱动电路、接收机构、光子计数器、以及解调机构，所述镜筒包括第一侧和第二侧，所述第一侧设有第一开口，所述第二侧设有第二开口，所述第一开口的尺寸小于所述第二开口，所述led光源设于所述第一开口处，所述透镜设置于所述led光源朝向所述第二开口的一侧，所述驱动电路和所述伪随机码生成器均与所述led光源连接，所述接收机构的输出端与所述光子计数器的输出端与所述显示器连接；
[0087]
所述伪随机码生成器用于生成电信号的目标伪随机码，并将所述电信号的目标伪随机码发送至数模转换电路；
[0088]
所述数模转换电路用于将所述电信号的目标伪随机码转换为模拟信号的目标伪随机码后发送至所述驱动电路；
[0089]
所述驱动电路用于基于所述目标伪随机码对所述led光源产生的led光束进行调制与驱动得到调制光束；
[0090]
所述透镜用于对所述led光束进行束光处理；
[0091]
所述接收机用于接收所述调制光束的后向散射光，对后向散射光进行预处理，并将预处理后的后向散射光转换为电信号；
[0092]
所述光子计数器用于采用所述光子计数器对所述电信号进行高速积分运算补偿处理；
[0093]
所述解调机构用于对电信号进行解调处理，所述光子计数器还用于根据解调结果计算待测环境中的气溶胶消光系数。
[0094]
本实施例中，镜筒可以直接嵌套于led光源上，透镜可以是硅胶透镜，在一示例中，可以将硅胶透镜覆盖于led光源的表面。其中，将接收机接收到的反射光转换为脉冲信号进行显示，可以直观地对检测到的信号进行展示。便于用户执行后续步骤的处理。
[0095]
在一示例中，上述的led光学雷达系统还可以包括显示机构，通过显示机构显示测量结果，直观方便。
[0096]
上述的led光学雷达系统，采用驱动电路驱动led光源产生led光束，该驱动电路结构简单，且采用led光源产生led光束作为光学雷达系统的光源，可以降低光学雷达系统的成本。同时，采用透镜对led光束进行束光处理，重量较轻，焦距短，可以提升led光学雷达系统的便捷性。
[0097]
上述的led光学雷达系统可以实现上述的基于伪随机调制的光学雷达控制方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
[0098]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。
[0099]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。