一种可调频连续波激光雷达探测方法和系统与流程

1.本技术涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种可调频连续波激光雷达及其探测方法。


背景技术：

2.激光相干探测灵敏度高、携带信息丰富、能有效滤除杂散背景光等优势，在军事、测绘、通信等领域得到广泛的应用和发展。尤其是，fmcw激光雷达抗干扰能力强、功耗低及安全系数高。但是，fmcw激光雷达要获取一帧完整图像，需要对视场角fov作逐点扫描，这就要求扫描机构具有高的扫描速率及更小的步进长度。为增加距离分辨率，可调高频率调制周期，但是提高调制周期会增加三角波的转折次数，进而使非定值区域增多，引入更多无用信号进而引入更多噪声。另外，为实现距离和速度的解耦解算需要一个完整的三角波调制周期结束，不能满足对速度要求高的应用场景。


技术实现要素：

3.为解决可调频连续波激光雷达线性稳定性差、存在计算延时的问题，本发明提出一种可调频连续波激光雷达探测方法和系统，可实现高帧率、低延时的高信噪比目标距离和速度信息的探测获取。
4.本技术的实施例提出一种可调频连续波激光雷达探测方法，包括以下步骤：
5.用对称三角波信号对激光器输出的连续光波进行线性频率调制，生成调频连续波探测光，实现频率扫描；
6.通过光学结构周期性地改变所述调频连续波探测光的方向，对空间视场角区域进行扫描，实现角度扫描；
7.对所述调频连续波探测光的频率扫描周期和角度扫描周期进行协同控制，进行角度扫描的同时进行频率扫描，使每一个完成角度扫描的时间周期内，完成一次或多次频率扫描；
8.对所述调频连续波探测光的采样和来自空间视场角区域内各探测目标点的反射光采样进行干涉，产生拍频信号；
9.对所述拍频信号进行解算处理，生成三维扫描图像。
10.优选地，采用预失真技术对三角波信号进行校正，达到开环控制下的光频线性输出。
11.优选地，使用正棱柱体的线扫棱镜，实现信号光对设定视场角的扫描。
12.进一步优选地，使用中心波长不同的2个调频连续波探测光信号，同时对空间视场角区域进行扫描，实现角度扫描；所述2个调频连续波探测光信号的变频方向相反。
13.本技术实施例还提出一种可调频连续波激光雷达探测系统，用于实现本技术任意一项实施例所述方法，包括控制与信号处理系统、调制信号发生系统、光学干涉系统和线扫伺服驱动系统。
14.所述调频信号发生系统，用于使用对称三角波对光频进行调制，产生调频连续波探测光。所述光学干涉系统，使用法布里-珀罗干涉结构，探测光采样和反射光采样发生干涉，由探测器接收拍频信号。所述线扫伺服驱动系统，用于通过伺服电机控制棱镜旋转实现设定视场角的扫描。所述控制与信号处理系统，产生激光调制信号控制参数、伺服电机控制参数和解算拍频信号。
15.进一步地，所述调制信号发生系统包含激光器、信号发生器。所述信号发生器采用直接数字频率合成技术，产生对称三角波信号，对激光器的光频进行调制，产生调频连续波探测光，
16.进一步地，所述线扫伺服驱动系统包含线扫棱镜和伺服电机。所述线扫棱镜采用正棱柱体结构，由伺服电机控制做定速旋转，进而实现设定视场角的扫描。
17.进一步地，所述光学干涉系统包含光纤环形器、光纤准直器、半透半反镜、光电探测器和滤波放大器。光纤环行器分别连接激光器、光纤准直器和光电探测器；光纤准直器输出光通过空间耦合至半透半反镜；二维线扫棱镜安装在半透半反镜之后，与伺服电机连接；光电探测器的输出信号经滤波放大器进入控制与信号处理系统。
18.本技术实施例还提出一种可调频连续波激光雷达探测系统，在以上实施例的基础上，进一步地，使用波分复用耦合器将两个激光器和探测器耦合，其中，两个激光器具有不同的中心波长；一个激光器发射上行段扫描频率，另一个激光器发射下行段扫描频率；两个激光器的扫描速率相同或不同。
19.优选地，在本技术的方法或系统中，所述线扫棱镜满足设定的扫描视场角；在设定的光电探测器灵敏度条件下，调整外接圆半径直至探测目标点的距离和/或速度的系统误差低于设定阈值。
20.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
21.发明激光雷达采用相干探测技术可实现高信噪比目标距离和速度信息的探测获取；利用激光内调制方法，同时激光采用预失真技术可实现光频的线性输出，并有效降低系统的复杂度并提高探测精度；采用二维线扫棱镜结构和波分复用耦合技术，可有效提升系统的扫描速度和计算速度。解决了现有的测距方法存在抗干扰效果差，精度有限以及计算效率低的问题，本发明能够实现目标高精度、低延时、高信噪比的三维距离和速度点云扫描成像方法。
附图说明
22.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
23.图1为对称三角波fmcw激光雷达探测原理图；
24.图2为本技术方法的实施例流程图；
25.图3为以正棱柱体为例旋转棱镜反射光线示意图；
26.图4为反射式频率和角度扫描结构原理示意图；
27.图5为一种可调频连续波激光雷达系统组成示意图；
28.图6为单通道调频激光器测距测速电光路实施例结构图；
29.图7为双通道调频激光器耦合测距测速电光路实施例结构图。
具体实施方式
30.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
32.图1为现有技术的对称三角波fmcw激光雷达探测原理图。
33.在相干探测基础上发展的调频连续波(fmcw)激光雷达其探测原理，通过对激光频率的线性调制，将信号光与参考光进行干涉拍频，通过对拍频信号的解算，从而得到目标的距离和速度信息。
34.为剔除距离和距离的耦合，采用对称三角波的调制解调方式。利用线性调频测距以及多普勒效应测速，目标距离对应的频率和速度多普勒频移fd＝2v/λ，式中，r为发射天线到目标的距离；bf为调频带宽；tm为调制周期(即三角波的周期、频率扫描的周期)；c为传输介质中的光速；v为目标的速度；λ为探测光的波长。
35.对于一个移动目标，其多普勒频移将叠加到总的拍频信号上，对应三角波的下降调制段频移和上升调制段频移
36.利用上述公式可得，距离信息的拍频信号频率可表示为及速度信息的多普勒频移可表示为
37.因此，目标距离和速度可分别表示为：因此，目标距离和速度可分别表示为：通过检测对称三角波的下降和上升频率调制段的频移大小，就可以解算出目标的距离及速度信息，从而实现一定干扰环境下的目标距离和速度获取。其中距离分辨率为δr＝c/(2bf)，即由带宽bf决定，在10ghz的调制带宽下，距离分辨率能达到厘米级。
38.在本技术中，所述上升频率调制段，称为“上扫频”；所述下降频率调制段，称为“下扫频”。1个频率扫描的周期，包含1次上扫频和1次下扫频。
39.图2为本技术方法的实施例流程图。
40.本技术的方法实施例，包含以下步骤：
41.步骤101、用对称三角波信号对激光器输出的连续光波进行线性频率调制，生成调频连续波探测光，实现频率扫描；
42.优选地，采用预失真技术对三角波信号进行校正，提高激光器输出的线性度，达到开环控制下的光频线性输出。
43.步骤102、通过光学结构周期性地改变所述调频连续波探测光的方向，对空间视场角区域进行扫描，实现角度扫描；
44.优选地，可使用正棱柱体的线扫棱镜，在高精度伺服电机带动下，实现信号光对设定视场角的扫描。
45.步骤103、对所述调频连续波探测光的频率扫描的周期和角度扫描周期进行协同控制，进行角度扫描的同时进行频率扫描，使每一个完成角度扫描的时间周期内，完成一次
或多次频率扫描；
46.述角度扫描周期ta，是指对空间视场的角区域完成一次扫描所用的时间(旋转棱镜一个边完成)。所述一次频率扫描，是指完成一次上扫频或下扫频；所述多次频率扫描，是指完成至少1次上扫频和至少1次下扫频。也就是说，在单位时间内，频率扫描的次数是完成角度扫描次数的整数倍。所述频率扫描的周期tf，是指完成1次上扫频和1次下扫频所用的时间。也就是说，单位时间t0内完成频率扫描的次数为2t0/tf。
47.步骤104、对所述调频连续波探测光的探测光采样和来自空间视场角区域内各探测目标点的反射光采样进行干涉，产生拍频信号；
48.步骤105、对所述拍频信号进行解算处理，生成三维扫描图像。所述三维扫描图像中，至少包含探测目标点的速度和位置(距离)的信息。
49.基于本技术的方法和装置，实现基于调频连续波探测光雷达成像。
50.进一步地，为提高频率扫描效率，使用中心波长不同的2个调频连续波探测光信号，同时对空间视场角区域进行扫描，实现角度扫描；所述2个调频连续波探测光信号的变频方向相反。
51.需要说明的是，使用单一波长的调频连续波探测光信号，对空间视场角区域进行扫描时，信号解算应发生在一个扫频周期结束后；当使用中心波长不同的2个调频连续波探测光信号时，由于2个探测光信号的变频方向相反，接收机在任何时刻都能同时接收到上扫频探测信号的反射光和下扫频探测信号的反射光，因此可实时进行信号结算。
52.在本技术以下实施例中，为实现步骤101～105的方法，通过控制与信号处理系统向信号发生器发送控制参数，使信号发生器产生对称三角波的频率调制信号，同时发送驱动信号控制高精度伺服电机工作使线扫棱镜进行扫描；
53.激光器在信号发生器驱动下产生线性调频激光信号，激光通过光环行器i端口入射，由ii端口输出至光纤准直器，同时反射光拍频信号由ii端口入射，并从iii端口耦合至光电探测器；
54.准直整形过的激光信号在半透半反镜处分为两束，一束作为探测光透射至线扫棱镜，另一束作为参考光按原光路返回(即探测光的采样)，并与反射回的信号光(即来自空间视场角区域内各探测目标点的反射光采样)发生干涉，产生拍频信号。
55.线扫棱镜由控制与信号处理系统驱动的高精度伺服电机带动下，实现探测光对设定视场角的扫描，探测光经目标反射沿原光路返回，并在光路中与参考光发生干涉；
56.光电探测器接收拍频信号，实现光电转换并输出至滤波放大器后暂存至控制与信号处理系统并进行解算，输出目标的距离和速度信息。
57.图3为以正棱柱体为例旋转棱镜反射光线示意图。
58.由光的反射定律得棱镜转动过程中每个面反射激光角度范围，即视场角(fov)θh＝2αn＝720
°
/nm。其中αn为每个面最大转动角，nm为棱镜面数。如图3a所示的正八面棱镜αn＝45
°
，θh＝90
°
。
59.如图3b所示，多面棱镜对反射点的非线性效应和渐晕效应与转角θ和外接圆半径r有关，对参数进行调整可提高信号信噪比。
60.具体的，在反射镜面ab旋转过程中，这里选取三个时间节点下的位置a＇b＇、ab和a
″b″
，在瞬态转角为θ、0和-θ时，入射光与镜面交点分别为p、m和k，入射光源到达三个点位的
距离不等，因此，棱镜旋转使得探测光的光程发生非线性变化，在不同角度下会引入不同光程差，进而计算中需要补偿其中引起的速度和距离差值，增加了计算复杂度影响计算效率；减小棱镜外接圆半径可缩小非线性误差、避免补偿计算影响解算效率；另外，振动等因素会使旋转周期发生变化，半径越大，最外侧线速度变化越大，因此减小外接圆半径还可减小振动带来的系统误差。
61.另一方面，在设定的视场角θh和转速下，外接圆半径与扫描效率正相关，即半径越小，扫描效率越低。这是由于在扫描过程中的渐晕现象会导致能量损失，当减小外接圆半径时会降低有效信号质量，信号信噪比降低，需要提高光电探测器的灵敏度。为保证入射光束不发生渐晕，即最大限度保证光束完整打在镜面上，提高能量利用率，外接圆半径存在理论最小值，也就是说，继续减小外接圆半径会使测量精度下降。
62.综上，本发明设计最大转角αn满足扫描视场角θh的棱镜，优化外接圆半径r。例如，在设定的光电探测器灵敏度条件下，调整外接圆半径直至距离、速度的系统误差低于设定阈值。这样，降低计算复杂度，保证信号解算的速度；提高信号信噪比、降低对传感器的要求；减小系统误差，提高测量精度；
63.本系统给出如下实例：在正八面旋转棱镜，转速为3000r/min，即棱镜转动周期为20ms，视场角扫描范围为90度，入射光源距外接圆1cm，光斑直径2mm条件下，外接圆半径由10cm内缩至1cm，只计算单程光路，可使引入的最大距离误差由0.7厘米减至0.1厘米，降低85％；最大速度误差由34.5m/s减至3.14m/s，降低91％，能量损失可忽略，考虑光程的往返，可进一步提高系统性能，同时减小棱镜半径可缩小系统体积。
64.如图4所示的二维线扫棱镜扫描结构，需要说明，在单位时间内，完成频率扫描的次数是完成角度扫描次数的整数倍。例如，图中扫描方式一：光路扫过棱镜某一侧面时，频率扫描完成半个周期，即在光路扫过棱镜两相邻侧面时，分别完成频率的上扫频和下扫频，进而实现一个完整频率扫描，通过引入物理转折，滤除频率扫描转折带来的信号噪声；再例如，图中频率扫描方式二：在光路扫过棱镜某一侧面时，该平面完成单周期或多个周期频率扫描，即棱镜转过一个侧面时实现一次或者多次上扫频和下扫频。
65.采用本发明的棱镜扫描方式，在棱镜完成一个全向旋转时，可实现多次角度扫描，由棱镜边数决定；以及整数倍于角度扫描次数的频率扫描次数，由单一侧面上频率的扫描次数决定，起到了倍频作用，降低了对伺服驱动机构的要求，同时能有效避免频率转折引入的噪声信号，提高信号解算速度。
66.本发明提供了一种基于调频连续波的激光雷达系统，其系统组成示意图如图5所示，包括控制与信号处理系统10、调制信号发生系统20、光学干涉系统30和线扫伺服驱动系统40。
67.所述调频信号发生系统20，调频信号使用对称三角波对光频进行调制，频率分辨率在0.5hz以上。优选地，可输出双通道调频信号，并由控制与信号处理系统控制下，使双通道调频信号产生镜像对称三角波调频信号。
68.所述镜像对称三角波调制信号，进一步优选地，考虑温度对激光的影响，采用预失真技术对三角波信号进行校正，提高激光器输出的线性度，达到开环控制下的光频线性输出。
69.所述光学干涉系统30，使用法布里-珀罗干涉结构。例如本技术另一实施例中使用
光纤环形器和半透半反镜作为干涉结构主器件，在开放空间中实现光信号相干。在所述干涉结构中，激光经过激光束光学整形输出，例如，经半透半反镜，一部分作为参考光反射，一部分投透射至探测目标，反射回的探测信号光与参考光发生干涉，由探测器接收拍频信号，通过高线性度激光相干实现信号获取。
70.所述线扫伺服驱动系统40，使用高精度伺服电机，控制棱镜旋转实现一定视场角的信息采集，同时频率扫描次数是角度扫描次数的整数倍。优选地，本技术系统使用的棱镜为正棱柱体结构，可实现设定视场角扫描，同时考虑棱镜旋转引入的反射点非线性效应，由控制与信号处理系统对最终结果进行校正。
71.控制与信号处理系统10，以高性能fpga作为核心，产生激光调制信号、伺服电机控制参数和解算拍频信号，配合线扫伺服驱动系统实现快速低延时的信号解算与处理。调制信号控制模块和伺服控制模块，分别驱动调制信号发生系统和线扫伺服驱动系统；信号解算处理模块解算拍频信号。
72.图6为单通道调频激光器测距测速电光路实施例结构图。作为本技术可调频连续波激光雷达探测系统的一个实施例，控制与信号处理系统10、信号发生器22、激光器23依次连接，光纤环行器分别连接激光器、光纤准直器34和光电探测器35。光纤准直器输出光通过空间耦合至半透半反镜36。二维线扫棱镜47安装在半透半反镜之后，与伺服电机连接48。光电探测器的输出信号经滤波放大器39进入控制与信号处理系统。
73.在图6所示实施例中，控制与信号处理系统连接伺服电机、信号发生器，对信号发生器的扫频信号和伺服电机驱动角度扫描的进程进行同步控制，使线扫棱镜输出的光信号角度扫描同时进行频率扫描，且在单位时间内，完成频率扫描的次数是完成角度扫描次数的整数倍。具体地，例如控制与信号处理系统发送控制参数，使任意波形信号发生器产生调制信号，这里的调制信号已在标定试验中完成信号的预失真处理，信号加载在大带宽dfb激光器上产生线性调频激光信号，同时控制与信号处理系统对伺服电机进行控制，使二维伺服线扫棱镜旋转，在同一时间段内，实现频率扫描次数是角度扫描次数的整数倍。
74.在图6所示实施例中，所述调制信号发生系统包含激光器、信号发生器；所述信号发生器采用直接数字频率合成技术，利用高性能双通道dds芯片，产生高分辨率频率驱动电流信号，对激光器的光频进行调制，使其产生调频连续波探测光，作为光学干涉系统的光源，进而提高系统探测精度。
75.进一步地：所述信号发生器可以是任意波形信号发生器，输出端口连接大带宽dfb激光器。任意波形信号发生器可产生对称三角波信号，优选的信号输出为双通道，并可输出镜像对称三角波。为满足光频的线性输出，可对调制信号做预失真处理。所述大带宽dfb激光器采用内调制的光频调制方式，中心波长为1550nm，调制带宽不低于10ghz，可实现高精度信号获取。
76.优选地，在本技术的任意一个实施例中，激光调制采用内调制技术，通过改变注入电流实现频率调制，可实现大带宽激光调频，要求激光器调频带宽不小于10ghz。进一步优选地，激光器驱动电路加入tec温度控制模块，实现对激光器温度的控制，提高激光频率输出的线性度。
77.在图6所示实施例中，所述线扫伺服驱动系统包含线扫棱镜和伺服电机。通过配置棱镜面数和扫描速度对信号光方向进行调整，实现大视场角扫描，使干涉系统输出不同空
间位置的拍频信号。进一步地：线扫棱镜采用正棱柱体结构，由伺服电机控制做定速旋转，进而实现设定视场角的扫描。不同于振镜扫描方式，棱镜旋转扫描不会引入由切换扫描方向带来的动态加速度，使结果更加准确，计算耗时更短。
78.在图6所示实施例中，所述光学干涉系统包含光纤环形器、光纤准直器、半透半反镜、光电探测器和滤波放大器；所述光学干涉系统输出高线性度的准直整形信号光，并产生带有目标信息的拍频信号，实现简易光路的拍频信号获取，并将信号传递给控制与信号处理系统，通过解算出的三维距离和速度共四维信息提高系统的抗干扰能力。
79.进一步地：如图6所示，激光器输出端口连接至光纤环形器i端口，光纤准直器输入端口连接光纤环形器ii端口，半透半反镜安装在光纤准直器输出方向上，二维伺服线扫棱镜安装在半透半反镜透射光方向上，与伺服电机连接，光电探测器与光纤环形器iii端口连接，滤波放大器输入端口连接光电探测器输出端口，控制与信号处理系统同时连接任意波形信号发生器、滤波放大器以及伺服电机。
80.激光器输出激光入射至光纤环形器i端口，并由ii端口输出至光纤准直器对光束进行整形，准直后的信号光在半透半反镜处分束，一部分光作为参考光沿原光路返回，另一部分透射光作为信号光入射至二维线扫棱镜实现对空间视场角区域的扫描。
81.反射回的信号光沿原光路返回与参考光发生干涉拍频，由光纤环形器ii端口入射，经光纤环形器后在iii端口输出，进而耦合进光电探测器实现光电转换，经过滤波放大电路对电信号进行调理，最终由信号处理控制与信号处理系统对信号进行解算，实现目标距离和速度信息的三维点云成像。
82.作为本技术的最佳实施例，激光扫描带宽为500ghz，周期为5ms(一次上扫频 一次下扫频的时间长度)；所述角度扫描机构为正八面旋转棱镜，转速为3000r/min，即棱镜扫描周期为20ms，可分别在棱镜两个邻边实现频率扫描范围的上扫频和下扫频，等效视场角扫描周期为2.5ms，可实现视场角扫描范围为90度，等效数据采集频率为200hz。
83.图7为双通道调频激光器耦合测距测速电光路实施例结构图。
84.为了提高测量速率，实现实时测量。如图7所示用波分复用耦合器将两个激光器和探测器耦合，实现双单元协同探测，其中，两个激光器具有不同的中心波长以利于区分信号；两个扫频信号经波分复用耦合器耦合后由角度扫描机构输出，反射光经波分复用耦合器根据中心波长的差异分开回到各自探测单元。两路测距单元里采用镜像对称的调制三角波频率，即在线扫棱镜扫描过程中，一个激光器发射上扫频调制信号，另一个激光器发射下扫频调制信号。两个激光器的扫描速率可以相同或不同，优选扫描速率相同。由于两路测距单元的调制三角波频率镜像对称，因此，每次扫描均同时包括上扫频段和下扫频段两组数据，由控制与信号处理系统接收后可直接用于解算距离和速度，总的测量速率可获得至少两倍提升，且每次测量均可直接实时输出距离和速度信息。
85.在图6所示实施例的基础上，如图7可使用波分复用耦合器将两个激光器和探测器耦合，具体地，包含两组激光器(激光器1和激光器2)、环形器、光电探测器(探测器1和探测器2)、滤波放大器(滤波放大器1和滤波放大器2)，信号发生器产生两组调制信号，分别对激光器1和激光器2的输出光进行调制，生成两路调频连续波探测光信号，分别经环形器输出至波分复用耦合器，合路后进入准直器；反射波经波分复用耦合器分路后，分别进入环形器，分别输出至探测器1、探测器2，再分别经滤波放大器1、滤波放大器2进入控制与信号处
理系统。其中，两个激光器具有不同的中心波长以利于区分信号；两个扫频信号经波分复用耦合器耦合后经由角度扫描机构输出，反射光经波分复用耦合器分开回到各自探测单元。两组测距单元里采用反向的激光三角波频率，即在角度扫描机构扫描过程中，一个激光器发射上行段扫描频率，另一个激光器发射下行段扫描频率。两个激光器的扫描速率可以相同或不同，优选扫描速率相同。由于两组测距单元的三角波频率扫描反向，因此，每次扫描均同时包括上扫频和下扫频两组数据可直接用于计算距离和速度，可直接实时输出距离和速度信息，进而提高降低计算延迟和提高计算效率。
86.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
87.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。