一种大带宽串行多脉冲连续间隔检测系统及其检测方法

本发明属于仪器仪表，具体涉及一种大带宽串行多脉冲连续间隔检测系统及其检测方法。

背景技术：

1、因具有稳定性好、亮度高等优点，激光被广泛应用于雷达系统中。在目前的激光雷达系统中，测距及通信是其必要的功能，而采用脉冲激光的雷达系统具有结构简单、量程远、脉冲频率高、运行速度快等多种优点，因而得到广泛应用。

2、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，同时多个激光雷达将会在同一个应用场景中存在。在多个激光雷达的应用场景中，为了避免雷达间的相互干扰，每个雷达必须能准确识别到自身发射信号的回波信号，同时还会涉及到激光雷达相互间的通信技术。

技术实现思路

1、针对现有脉冲激光雷达中存在的通信质量和工作效率低等问题，本发明提出了一种大带宽串行多脉冲连续间隔检测系统及其检测方法，该系统及方法采用多个脉冲作为编码信号，称之为脉冲串，脉冲串具有n+1个脉冲，其中，第一个脉冲用来测量距离，另外n个脉冲间隔携带通信信息，用来作为雷达间的通信信号；此系统及方法一次收发，即可传输多bit信息。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种大带宽串行多脉冲连续间隔检测系统，包括源端发送机1及宿端接收机10；所述源端发送机1包括微控制器mcu2、现场可编程逻辑门阵列fpga3、脉冲产生电路4、激光二极管(ld)脉冲发射电路5、雪崩二极管(apd)脉冲接收电路6及脉冲串解调模块7；所述微控制器2将雷达ip信息发送给fpga3，fpga3经过脉冲调制后将包含有基带信号的脉冲串调制信号发送给脉冲产生电路4；脉冲产生电路4产生经过调制之后的脉冲串信号，该信号的一部分传递给激光二极管(ld)脉冲发射电路5，激光二极管(ld)脉冲发射电路5将调制好的双脉冲信号发射到信道中，信道之中的信号经反射、折射后一部分被雪崩二极管(apd)脉冲接收电路6所接收，另一部分被宿端接收机10所接收，被雪崩二极管(apd)脉冲接收电路6所接收的那一部分信号发送至脉冲串解调模块7；脉冲产生电路4产生经过调制之后的脉冲串信号的另一部分也发送至脉冲串解调模块7，两部分信号经脉冲串解调模块7处理后回送到fpga3；经脉冲串解调模块7进行解调后即可得到所测的距离信息和脉冲间隔信息，fpga3对该信息进一步处理，即可测得距离并且识别通信信息，之后将数据发送给mcu2，mcu2可对数据进一步处理或者将其发送给上位机进行处理。

4、进一步地，所述脉冲串解调模块7包括选通信号生成模块9及解调模块8；所述接收脉冲产生电路4生成的脉冲串发送至解调模块8，作为测距的参考信号，所述雪崩二极管(apd)脉冲接收电路6接收到的信号的一部分直接发送给解调模块8，作为其输入信号，另一部分发送给选通信号生成模块9，进行处理后生成选通信号，然后发送至解调模块8，作为解调模块8的选通信号；解调模块8在选通信号有效的情况下，对脉冲串进行解调处理。

5、进一步地，所述选通信号生成模块9，用于生成解调模块所需的选通信号和单稳态信号，包括多个与门、多个延时加单稳态电路及或非门19，脉冲串信号依次经过第一个与门、第一个延时加单稳态电路产生单稳态信号，所述单稳态信号的一部分发送至第二个与门，作为第二个延时加单稳态电路的开启信号；另一部分发送至非门19，产生与第一个门的选通信号；此时实现第一个单稳态信号的生成，第一个与门11关闭，第二个延时加单稳态电路开启，当接收到脉冲串信号第二个脉冲后，即可生成第二个单稳态信号，依此类推，可生成(n+1)个单稳态信号，且或非门19输出始终为低电平，可对除脉冲串有效脉冲的干扰进行消除；当第n个单稳态信号生成后，或非门输出为高，即可认为选通信号为有效，等待处理下一次输入脉冲串。

6、进一步地，所述解调模块8由多个非门20-25、多个与门及tdc34组成；来自选通信号生成模块9的(n+1)个宽脉冲单稳态信号分别送至相应的非门和与门对脉冲串信号进行处理，将脉冲串中单个脉冲分别提取出来，发送到tdc34，所述tdc34具有(n+1)个通道，来自脉冲产生电路4的脉冲串信号直接送给start0通道，用作通道0的开启信号；脉冲接收电路6接收到的脉冲串信号中提取出的脉冲串中的第一个脉冲送给stop0和start1，用作通道0的停止信号和通道1的开始信号；此时，tdc34通道0所计数时间即为脉冲串在空中的飞行时间，携带距离信息；接收脉冲串中分离的第二个脉冲送给stop1和start2，用作通道1的停止信号和通道2的开始信号，通道1所计数时间即为脉冲串中脉冲1和脉冲2之间的间隔时间，携带着通信信息；进而可测得所有脉冲间隔信息。

7、进一步地，所述fpga3包括脉冲串编码模块35、脉冲串控制模块36、距离计算模块37、tdc控制模块38及信息解调模块39；在发送端，脉冲串编码模块35接收到来自mcu需要编码的信息，将所需要传输的信息编码到脉冲间隔之中，然后将信号传递给脉冲控制模块36，生成相应的电压波形，进而将此波形送给脉冲产生电路4，生成瞬时功率高的窄脉冲信号；在接收端，tdc控制模块38接收到来自脉冲串解调模块7的信息，一部分送给信息解调模块39，此模块根据脉冲编码模块35的编码规则，还原出所编码的信息，此信息即为通信信息，通过比对此信息中包含的雷达ip，即可判断出接收到的信息是此雷达发射信号的回波信号还是雷达间的通信信号；将此信息的另一部分送给距离计算模块37计算出所测距离，若信息解调模块39中解调的为回波信号，则保留所测距离信息，若为雷达间的通信信号，则舍去此距离信息。

8、另一方面，本发明还提供了一种大带宽串行多脉冲连续间隔检测系统的检测方法，具体包括如下步骤：

9、步骤一：脉冲串激光脉冲生成与发送；

10、源端发射机1中的mcu2将雷达ip信息发送给fpga3，fpga3将该信息作为基带信号，产生脉冲串控制信号；脉冲串中不同脉冲间的间隔时间携带不同的信息，单次编码即可传输多bit信息；fpga3处理完成后将控制信号发送给脉冲产生电路4；脉冲产生电路4产生经过调制之后的脉冲串信号，该脉冲串信号中的脉冲间隔信息即为需要传递的基带信息；该信号的一部分传递给激光二极管(ld)脉冲发射电路5将调制好的脉冲串信号从电信号转化为光信号，进而将光信号发射到信道中，另一部分传递给脉冲串解调模块7的start0通道作为tdc通道0的开启信号；

11、步骤二：脉冲串脉冲接收与解调；

12、雪崩二极管脉冲接收电路6接收到经测量目标反射回来的回波信号，一部分发送给脉冲串解调模块7中的选通信号生成模块9，用于生成解调模块8的选通信号和其所需要的多个单稳态信号；另一部分直接送给脉冲串解调模块7中的解调模块8，用于提取接收脉冲串中的单个脉冲；

13、步骤三：测量距离及解码基带信息；

14、解调模块8中的tdc34是一个具有n+1通道的多通道tdc芯片，其通道0的开启信号为来自脉冲产生电路4的脉冲串信号，其关闭信号为接收到的脉冲串信号中提取出的脉冲串中的第一个脉冲，该通道的计数时间之差δt在fpga3中的tdc控制模块38的控制下进一步送给距离计算模块37，即可计算出距离，δt为源端发射机所发射的双脉冲激光信号在信道中的飞行时间，根据公式：

15、

16、其中，c为光速，d为此双脉冲激光信号在信道中所飞行的距离的一半，即为双脉冲雷达所测量目标与激光雷达之间的距离，从而实现激光雷达测距的功能。

17、进一步地，步骤三还包括：

18、脉冲串信号中提取出的脉冲串中的第一个脉冲送给start1，当通道1的开始信号；接收脉冲串中分离的第二个脉冲送给stop1和start2，当通道1的停止信号和通道2的开始信号，通道1所计数时间即为脉冲串中脉冲1和脉冲2之间的间隔时间；依此类推，可以分别测得n+1个脉冲之间所携带的n个间隔时间；n个间隔时间在经过fpga3中的tdc控制模块38的控制下，转发至信息解调模块39，此模块根据脉冲编码模块35的编码规则，将n个间隔时间还原出所传递的信息。还原出信息后，比对此信息中包含的雷达ip信息，判断接收到的信号为回波信号或雷达间的通信信号，若为回波信号，保留所测距离信息，否则舍去该次测量。

19、与现有技术相比，本发明的优点如下：

20、1、本发明充分利用多通道tdc的高速优点，针对极小间隔的多脉冲，检测出连续相邻脉冲间的时间间隔，对于脉冲间隔编码的系统，该方法具有带宽大和编码信号信息容量大的优点；

21、2、每个雷达系统均具有自身的ip地址，并可以将其编码到多激光脉冲的发射信号(脉冲间隔编码)中，单个雷达不仅能快速准确的识别到自身的回波信号并有效测距，而且可以辨别出其它雷达信息，实现大带宽高效率的雷达间通信；

22、3、通过脉冲串解调模块对脉冲串间隔信号进行处理，采用空间换时间的方式，单次发送即可传输多bit数据，进一步提高了通信效率；

23、4、所使用器件价格较便宜，整个方法实现成本较低；

24、5、本方法具有普适性，本方法适用于各种形式的脉冲激光发射和接收电路，实用性强，可移植性高。