一种基于双脉冲间隔的激光雷达测距及通信的方法与系统

本发明属于仪器仪表，具体涉及一种基于双脉冲间隔的激光雷达测距及通信的方法与系统。

背景技术：

1、因具有稳定性好、亮度高等优点，激光被广泛应用于测距系统中。同时随着无人驾驶技术的飞速发展，扫描性能强、成像速度快的激光雷达作为关键部件得到了重大突破，将会成为汽车的标准配件，多个激光雷达将会在同一个应用场景中存在，如何实现多雷达通信和测距成为一个迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的功能实现单一、抗干扰能力弱等问题，本发明提出了一种基于双脉冲间隔的激光雷达测距及通信的方法与系统，采用不同脉冲间隔对应不同发信雷达或发信信号，在收信端使用时间窗屏蔽无关信号，该方法和电路在实现通信的同时，对发信对象进行识别和距离测量，在多种雷达间通讯场合具备一定的实用价值。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种基于双脉冲间隔的激光雷达测距及通信的系统，包括信号处理模块、信号发射模块、信号接收模块及信号测量模块；所述信号处理模块用于将二进制数据转换为特定长度的双脉冲间隔，并发送给信号发射模块转换为对应的双脉冲激光信号，部分激光信号在通信目标处形成反射，被发射雷达所接收，以实现测距目的，另一部分直接被收信雷达接收，以实现通信目的；所述信号测量模块用于测量信号接收模块传来的双脉冲信号，计算得到双脉冲信号的飞行时间，然后回传给信号处理模块。

4、进一步地，所述信号处理模块包括微控制器1及现场可编程门阵列fpga2，所述微控制器1用于将通信内容和本机ip信息传输至fpga2，fpga2用于将信号转换为指定范围内的间隔长度，将脉冲间隔控制信号发送到信号发射模块的双脉冲产生电路。

5、进一步地，所述fpga2包括间隔编码模块10、脉冲控制模块14、距离计算模块11、tdc控制模块15、间隔解码模块12及延时模块13；所述间隔编码模块12用于根据通信内容和自身雷达ip信息输出对应间隔，传送至脉冲控制模块14，转换为控制信号发射模块的双脉冲产生电路3所需的脉冲间隔控制信号；tdc控制模块15用于控制信号测量模块，向信号测量模块发射控制信号，同时接收信号测量模块传来的测量信号，所述测量信号根据信号测量模块通道不同可分为双脉冲间隔测量信号和距离信号，其中，距离信号发送给距离计算模块11，双脉冲间隔测量信号发送给间隔解码模块10；距离计算模块11在接收距离信号后计算得到通信距离，然后发送给微控制器1；间隔解码模块10用于将双脉冲间隔测量信号中包含的雷达ip信号与通信信号解读出来，并将其发送给微控制器1；所述延时模块13用于根据微控制器1的指令对双脉冲间隔测量模块5发来的时间窗信号进行相应的延长操作，以起到调整时间窗宽度的作用。

6、进一步地，所述信号发射模块包括双脉冲产生电路3、ld驱动电路6及ld8，所述双脉冲产生电路3用于接收来自fpga2中脉冲控制模块16的脉冲间隔控制信号，将脉冲间隔控制信号从数字转换为对应的电流信号，同时将一路信号发送到tdc4,另一路信号传至ld驱动电路6，形成ld8所需的驱动电流，最后ld8在驱动电流的驱使下发射激光信号。

7、进一步地，所述信号接收模块包括雪崩光电二极管apd9、跨阻放大电路7及双脉冲间隔测量模块5，所述apd9接收空气中的激光信号并转化为电信号，通过跨阻放大电路7放大，输出信号一路发送给tdc4的stop1通道，用以测量回波信号的飞行时间，另一路发送给双脉冲间隔测量模块5，测量双脉冲间隔；双脉冲间隔测量模块5用于将双脉冲信号分离并生成时间窗信号屏蔽部分干扰信号。

8、进一步地，所述双脉冲间隔测量模块5包括时间窗电路模块16、非门17与两个与门(18、19)，首先，在时间窗电路模块16触发时间窗信号，时间窗信号进入fpga的延时模块13以调整时间窗宽度，信号从延时模块出来后会分为两路，一路信号直接进入其中一个与门，另一路信号经过非门17后再进入另一个与门。

9、进一步地，所述时间窗电路模块16由多个与非门及一个单稳态触发器串联组成；多个与非门用于延迟时间窗信号的形成，确保时间窗信号不与第一个脉冲信号重叠，以在信号分离时保证脉冲信号的完整性。

10、进一步地，所述信号测量模块包括：tdc4，所述tdc4包括四个通道，分别为start1、stop1、start2、stop2；其中，通道start1、stop1用于测量双脉冲产生电路3的输出与跨阻放大电路7传来的回波信号，可得到回波信号的飞行时间；通道start2、stop2用于测量双脉冲间隔测量模块5的双脉冲信号，可得到两个脉冲信号上升沿的时间间隔。

11、另一方面，本发明还提供了一种基于双脉冲间隔的激光雷达测距及通信的方法，具体包括如下步骤：

12、步骤一：信号编码与发射；

13、信号发射模块中的mcu1将二进制通信内容在fpga2的间隔编码模块10中进行编码，根据自身雷达ip一同决定脉冲间隔；脉冲控制模块14根据编码结果输出脉冲间隔控制信号，以此控制双脉冲产生电路3生成对应的双脉冲电压信号，一路进入ld驱动电路6，驱动激光二极管8发射双脉冲激光信号；另一路进入tdc4的start1通道，以使能stop1通道准备接收回波信号；

14、步骤二：距离测量；

15、步骤一的双脉冲激光信号一部分在收信雷达处会反射形成回波信号，被信号接收模块的apd9所接收，经过tia7放大后进入tdc4的stop1通道，由tdc4得出测量数据，传送至tdc控制模块15并将飞行时间δt1交由距离计算模块11计算得出通信距离；

16、所述通信距离通过如下公式得到：

17、

18、式中，c为大气中光的传播速度；δt1为回波信号的延迟时间；

19、最终通信距离会传给mcu1，实现完整的测距过程；

20、步骤三：信号处理与验证解码；

21、步骤一的双脉冲激光信号另一部分被被收信雷达的信号接收模块所接收，然后回传给apd9，再经过tia7转换为双脉冲电压信号，通过双脉冲间隔测量模块5对信号s2分离处理，得到分离的脉冲信号s6和s7，tdc4的start2通道和stop2通道再对分离的脉冲信号进行上升沿间隔tn测量以进行ip识别和内容解码。

22、进一步地，步骤三通过间隔解码模块12完成，具体包括如下内容：

23、首先，对tn进行判断，判断是否属于雷达信号，以及双脉冲上升沿间隔是否处于正确范围内，即tn是否处于(tnmin,tnmax)，即雷达n的ip＝(tnmin,tnmax)，当测量的脉冲间隔tn在(tnmin,tnmax)内时，表示信号是雷达间通信信号并确认雷达ip，可进入下一步判断，否则抛弃该双脉冲信号等待下一次接收；下一步判断是对通信内容的识别，(tnmin,tnmax)范围里的信号具体值tn代表雷达发送的信息。

24、与现有技术相比，本发明的优点如下：

25、1、将脉冲测距与脉冲通信相结合，在实现距离测量的同时，实现通信效果，提高系统集成程度；

26、2、利用fpga实现雷达ip添加，采用单稳态触发器生成时间窗信号，使用tdc测量信号间距，器件成本较低；

27、3、在接收端利用时间窗屏蔽部分无关信号，提高通信的抗干扰能力；

28、4、采用基于双脉冲间隔的雷达ip，防止外界干扰，进一步提高测距与通信的抗干扰能力。