[發明專利]基于類噪聲脈沖的高空間分辨率探測系統及探測方法

有效

• 申請號: 201811553535.6
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109507684B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 羅亦楊;劉雨松;柳博文;向陽;夏燃;李想;唐霞輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明屬于激光測距領域，具體公開了一種基于類噪聲脈沖的高空間分辨率探測系統及探測方法，該系統包括脈沖產生模塊、脈沖探測模塊以及數據處理模塊，脈沖產生模塊用于利用被動鎖模光纖激光器產生類噪聲脈沖作為探測光源；脈沖探測模塊用于將類噪聲脈沖分為探測光脈沖和參考光脈沖，并將探測光脈沖輸入到待測目標中實施探測；數據處理模塊用于接收參考光脈沖以及經過待測目標后的探測光脈沖，將光信號轉換成電信號，再采集這些電信號，最后再利用互相關算法處理從而得到對目標的探測結果。本發明通過被動鎖模光纖激光器中產生的類噪聲脈沖來實現對待測目標的探測，在光纖內的光時域反射儀技術以及空間光測距中，可獲得更高精度的探測結果。

技術領域

本發明屬于激光測距領域，更具體地，涉及一種基于類噪聲脈沖的高空間分辨率探測系統及探測方法，利用被動鎖模光纖激光器中輸出的類噪聲脈沖實現光纖內的光時域反射儀技術以及空間光測距，在激光測距、光纖傳感等領域具有很高的應用價值。

背景技術

激光作為二十世紀的重大發明，不斷推動著基礎科學的前沿探索。隨著智能技術的蓬勃發展，激光測距技術在自動駕駛汽車，無人機，機器人以及監控等應用中發揮著重要的作用；以其優越的檢測范圍、精度、空間分辨率以及對天氣和照明條件的較少限制來感知周圍環境，激光測距有望用于3D成像，對象跟蹤，識別以及同時定位和映射等功能。

如今，激光測距技術作為一種基本測量手段，應用非常廣泛。例如，脈沖飛行時間測距是利用激光脈沖持續時間極短、能量在時間上相對集中、瞬時功率很大的特點，在平均發射激光功率小于1mW條件下，能夠實現較長距離的測量。

單脈沖飛行時間激光測距技術就是其中一種測距方法，通過測量從脈沖發射經過目標后再返回到光電探測器的這段時間間隔來計算距離。雖然可以采用傳統的相位法進行測距，即通過測量發射高頻調強波與返回高頻調強波之間的相位差來確定時間間隔，但是采用脈沖飛行時間原理可以達到很高的測量速度，這是因為采用脈沖飛行時間原理測量只需要發射一個脈沖，即單發脈沖，且測距精度可以達到厘米級。

光時域反射儀(OTDR)技術就是脈沖飛行時間法測距的一種應用，采用瑞利散射和菲涅爾反向原理制作而成。通過發射光脈沖到光纖內，然后在OTDR端口接收返回的信息來進行。當光脈沖在光纖內傳輸時，會由于光纖本身的性質、連接器、接合點、彎曲或其它類似的事件而產生散射、反射。其中一部分的散射和反射就會返回到OTDR中。返回的有用信息由OTDR的探測器來測量，它們就作為光纖內不同位置上的時間或曲線片斷。從發射信號到返回信號所用的時間，再確定光在玻璃物質中的速度，就可以計算出距離。

但是，脈沖飛行時間法測距也存在著一些問題，測量的動態范圍和精度會受到一定的限制，在需要高精度測量的領域很受限。

除了脈沖飛行時間法測距，脈沖編碼調制也是一種為獲得精確測距結果的方法，基本方法是將一個時間連續、取值連續的模擬信號變換成時間離散、取值離散的數字信號。脈沖編碼調制就是對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化，編碼的過程。

通俗的解釋脈沖編碼調制就是：使用模數轉換器以一定的頻率(采樣率，如8kHz等)和一定的采樣位深度(位深，如8位、12位、24位等)對原始信號進行采集和模數轉換，得到的數據即為相應的數字信號。其中，經抽樣后的模擬信號應當包含原信號中所有信息，也就是說能無失真的恢復原模擬信號。

但是，脈沖編碼調制也同樣存在著一些問題，比如成本高、模數轉換系統復雜等，在激光測距領域中很難實現普及。

此外，還可以采用隨機信號作為測距信號，它需要隨機碼發生器和電光調制器，但隨機碼的碼率和調制速率受電子帶寬瓶頸的限制，且隨機信號的碼長是有限的，在長距離測量中對一個目標會產生多個測量結果(即測距雷達中的虛警問題)。

對于上述的隨機信號，可以采用光纖激光器中產生的類噪聲脈沖作為探測光源，利用其非周期性和不可預測性的優點，消除了脈沖和傳統激光測距中可能存在的干擾。