CN117687005A - 基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本公开描述一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，包括：发生模块、调制模块、干涉测距模块以及多个耦合元件，发生模块获得的脉冲激光经由第一耦合元件分为第一光束和第二光束，第一光束经由调制模块调制后形成第一调制光束，第二光束经由调制模块调制后形成与第一调制光束反相的第二调制光束，两个调制光束再耦合为目标光束，干涉测距模块的出射单元反射部分目标光束作为参考光束且透射部分目标光束作为测量光束，待测目标反射测量光束以形成反射光束，干涉测距模块的探测单元接收参考光束和反射光束以获得待测目标的距离和多普勒频移量。本公开采用单光源和双光栅调制，能够解决调频连续波干涉测距中的多普勒频移问题。

Description

基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达

技术领域

本公开涉及智能制造装备产业领域，具体涉及一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达。

背景技术

调频连续波干涉测距(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)作为一种新型相干探测技术，结合了光学干涉和无线电雷达技术的优点，通过向待测目标发射频率连续调制的激光，使由位于待测目标上的待测目标点反射的信号光与参考光发生干涉，并对干涉产生的拍频信号频率进行解调，即可实现高精度、大动态范围的距离测量，广泛应用于航天、航空、汽车、船舶等大型先进设备制造领域。但在实际应用中，待测目标容易受到外界影响而发生振动，而且在智能装配等领域，还需要实对运动部件进行实时跟踪监测，此时拍频信号会受到待测目标运动的影响而产生多普勒效应，具体而言，由于待测目标相对测距系统具有相对运动速度，使得拍频信号的频率中包括了多普勒效应产生的频移分量(简称为多普勒频移分量)，并且多普勒频移与相对运动速度相关，从而影响距离测量的测量精度，另外待测目标相对测距系统的相对运动速度越大，距离测量的误差也越大。

在一种现有技术中(现有技术1)，测距系统采用单激光光源，并将单激光光源进行三角波调制获得调频连续波，调频连续波具有频率随着时间变化而增大(也可称为上啁啾)和频率随着时间变化而下降(也可称为下啁啾)的波形组合，由于待测目标运动所产生的多普勒效应在上啁啾期间产生的多普勒频移分量与在下啁啾期间产生的多普勒频移分量是互为相反的，从而能够获得上啁啾期间和下啁啾期间的拍频信号的拍频频率之和，进而减少运动引起的多普勒效应的影响。但是在现有技术1中，要在一个完整的调制周期(即包括上啁啾期间和下啁啾期间)进行计算才可减少多普勒效应的影响以获得较精确的测量距离，这样的方案对测距系统的测量速度和测量效率容易产生不利影响。

针对现有技术1的缺陷，又提出另一种现有技术(现有技术2)，测距系统采用双激光光源，其中第一路光源经由三角波调制获得第一调制光，第二路光源经由三角波调制获得第二调制光(调制方式通常为电学调相方式)，并且第一调制光的上啁啾对应于第二调制光的下啁啾，第一调制光的下啁啾对应于第二调制光的上啁啾，第一路光源和第二路光源各自独立地向待测目标发射激光，并获得各自独立的拍频信号，从而能够获得第一调制光的上啁啾期间和第二调制光的下啁啾期间拍频信号的拍频频率或者第一调制光的下啁啾期间和第二调制光的上啁啾期间拍频信号的拍频频率，进而减少运动引起的多普勒效应的影响。

然而，与现有技术1相比，在现有技术2中，测距系统虽然能够在半个调制周期内获得较精确的测量距离，有利于提高测距系统的测量速度和测量效率，但是现有技术2存在双激光光源的同步性和非线性问题，增加了信号处理难度，同时使用双激光光源也增加了设备成本。因此，需要一种既能解决现有技术1的测量速度和测量效率不佳的问题，又能够解决现有技术2中光源的同步性和非线性问题。

发明内容

本公开有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，能够采用单光源和双光栅调制来解决调频连续波干涉测距中的多普勒频移问题，具有结构简单、成本低、同步性好以及调制速度快的优点。

为此，本公开提供一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，包括：发生模块、调制模块、干涉测距模块以及多个耦合元件，所述发生模块配置为基于锁模脉冲技术获得脉冲激光，脉冲激光经由第一耦合元件分为第一光束和第二光束，所述调制模块包括正色散啁啾光纤光栅和负色散啁啾光纤光栅，所述第一光束经由所述正色散啁啾光纤光栅调制后形成第一调制光束，所述第二光束经由所述负色散啁啾光纤光栅调制后形成与所述第一调制光束反相的第二调制光束，所述第一调制光束和所述第二调制光束经由第二耦合元件耦合为目标光束，所述干涉测距模块包括出射单元和探测单元，所述出射单元配置为接收经过第三耦合元件的所述目标光束且反射部分所述目标光束至所述第三耦合元件作为参考光束，并且所述出射单元配置为透射部分所述目标光束作为测量光束，待测目标接收所述测量光束并反射所述测量光束至所述第三耦合元件以形成反射光束，所述探测单元接收经过所述第三耦合元件传播的所述参考光束和所述反射光束以获得所述待测目标的距离和多普勒频移量。

在本公开中，通过锁模脉冲技术，能够使发生模块获得脉冲时间极短、光束质量高、相干性高、能量密度高的脉冲激光；另外，脉冲激光再通过第一耦合元件分为第一光束和第二光束，由于第一光束和第二光束属于同一光源中利用分束方式获得的，因此能够提高后续对第一光束和第二光束进行调制并用于测量待测目标的距离时的同步性；另外，通过正色散啁啾光纤光栅和负色散啁啾光纤光栅分别对第一光束和第二光束进行调制，能够快速获得相位相反的第一调制光束和第二调制光束，因此即使脉冲激光未经任何调制，也能够通过调制模块快速获得可用于后续对待测目标进行测距同时抑制多普勒频移的两个调制光束，同时，较于电学调相方式，由于不采用软件控制，更能够提升调制速度和调制的稳定性；另外，第一调制光束和第二调制光束经由第二耦合元件耦合为目标光束，能够便于在一个光路中对待测目标进行测距，即能够简化设备结构以降低成本；另外，通过干涉测距模块，能够在基于目标光束对待测目标进行测距的同时抑制多普勒频移；另外，在测距时通过第三耦合元件的配合将目标光束在干涉测距模块中形成的参考光束或通过待测目标反射形成的反射光束耦合在一个光路系统中，由此能够进一步简化设备结构以降低成本。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述干涉测距模块还包括设置于所述第三耦合元件与所述出射单元之间的偏振单元，所述偏振单元用于改变所述目标光束的偏振态。在这种情况下，通过设置于第三耦合元件与出射单元之间的偏振单元，即使目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束都在同一个光路中传播，由于偏振态不同，目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束不会相互影响，由此能够在简化设备结构的同时减少目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束可能在一个光路中传播的相互影响的问题，能够提升测距的准确性。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述参考光束包括第一参考光束和第二参考光束，所述第一参考光束为经由所述出射单元反射的部分所述第一调制光束，所述第二参考光束为经由所述出射单元反射的部分所述第二调制光束；所述反射光束包括第一反射光束和第二反射光束，所述第一反射光束为经由所述出射单元透射且被所述待测目标反射的部分所述第一调制光束，所述第二反射光束为经由所述出射单元透射且被所述待测目标反射的部分所述第二调制光束；所述探测单元基于所述第一参考光束和所述第一反射光束获得第一距离信息，基于所述第二参考光束和所述第二反射光束获得第二距离信息，并基于所述第一距离信息和所述第二距离信息获得所述待测目标的距离和所述多普勒频移量。在这种情况下，由于第一调制光束和第二调制光束的相位相反，因此第一参考光束和第二参考光束的相位也相反，第一反射光束和第二反射光束的相位也相反，在通过第一参考光束和第一反射光束获得第一距离信息、且通过第二参考光束和第二反射光束获得第二距离信息时，能够在半个调频周期内快速获得且在获得的过程中解耦获得多普勒频移量并且具有较好的同步性。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述探测单元包括第一探测器和第二探测器，所述干涉测距模块通过设置于所述探测单元与所述第三耦合元件之间的第四耦合元件将所述反射光束解耦为所述第一反射光束和所述第二反射光束，并将所述参考光束解耦为所述第一参考光束和所述第二参考光束，所述第一探测器接收所述第一反射光束和所述第一参考光束以获得所述第一距离信息，所述第二探测器接收所述第二反射光束和所述第二参考光束以获得所述第二距离信息。在这种情况下，通过第四耦合元件，能够使第一探测器和第二探测器独立获得第一距离信息和第二距离信息，减少探测错误的情况，由此能够提升探测的精确性，且由于第一反射光束和第一参考光束由第一光束形成，第二反射光束和第二参考光束由第二光束形成，能够在获得第一距离信息和第二距离信息时保持较好的同步性。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述第一耦合元件、所述第二耦合元件以及所述第四耦合元件为偏振分束器，所述第三耦合元件为环形器。在这种情况下，通过第一耦合元件、第二耦合元件以及第四耦合元件等多个偏振分束器在光路中的设置，能够使第一光束和第二光束具有特定的偏振态，进而能够在同一光路中传播时具有独立性、互不干涉性，由此能够提升测距的精准性；另外，将第三耦合元件设置为环形器，能够使多个光束耦合在同一光路中，由此能够简化设备结构。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，还包括用于产生指示光束的指示光模块，所述指示光束经由第五耦合元件和所述目标光束汇合至所述出射单元。在这种情况下，指示光束和测量光束能够在同一个光路中一起射出到待测目标，由此能够通过指示光束判断测量光束与待测目标对准的情况，能够进一步提升测距的准确性。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述干涉测距模块还包括设置于所述第五耦合元件与所述出射单元之间的准直单元，所述准直单元用于对所述目标光束和/或所述指示光束准直。在这种情况下，通过准直单元能够降低目标光束和/或指示光束的发散程度，即能够使目标光束和/或指示光束呈准直光(平行光)，由此能够提升目标光束和/或指示光束的光束质量。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，还包括校正模块，所述校正模块配置为对所述发生模块获得的脉冲激光的非线性进行校正。在这种情况下，若发送模块生成的激光为线性调频激光时，线性调频激光再基于锁模脉冲技术形成脉冲激光，通过校正模块对脉冲激光的非线性进行校正，能够提升线性调频激光的线性度，由此能够利用线性调频激光进行测距，提升测距效率。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述第一探测器基于所述第一反射光束和所述第一参考光束干涉所形成的干涉光获得包括所述第一距离信息和所述多普勒频移量的第一拍频信号，所述第二探测器基于所述第二反射光束和所述第二参考光束干涉所形成的干涉光获得包括所述第二距离信息和所述多普勒频移量的第二拍频信号，所述探测单元基于所述第一拍频信号和所述第二拍频信号获得所述待测目标的距离和所述多普勒频移量。在这种情况下，通过两路拍频信号进行和差解耦，能够获得多普勒频移量和由于参考光束和目标光束之间的光程差引起的差频，进而能够通过解耦方式得到待测目标的距离和速度信息。

另外，根据本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，可选地，所述第一拍频信号与所述第一光束的起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围相关，所述第二拍频信号与所述第二光束的起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围相关。在这种情况下，能够基于起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围获得拍频信号，由于起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围可测或可知，由此能够对拍频信号进行高效的解算。

根据本公开，能够提供一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其采用单光源和双光栅调制来解决调频连续波干涉测距中的多普勒频移问题，具有结构简单、成本低、同步性好以及调制速度快的优点。

附图说明

现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例。

图1是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达用于探测待测目标的应用场景示意图。

图2是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达的第一种实施例的结构框图。

图3是示出了本公开示例所涉及的发生模块基于锁模脉冲技术获得脉冲激光的原理示意图。

图4是示出了本公开示例所涉及的发生模块的结构框图。

图5是示出了本公开示例所涉及的调制模块的结构框图。

图6是示出了本公开示例所涉及的干涉测距模块的结构框图。

图7是示出了本公开示例所涉及的在干涉测距模块中获得第一拍频信号和第二拍频信号的原理示意图。

图8是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达的第二种实施例的光路结构示意图。

图9是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达的第三种实施例的光路结构示意图。

图10是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达的第四种实施例的光路结构示意图。

图11是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达的第五种实施例的光路结构示意图。

附图标记说明：

1…激光雷达，11…发生模块，12…调制模块，13…干涉测距模块，14…耦合元件，111…锁模脉冲激光器，112…光纤隔离器，121…正色散啁啾光纤光栅，122…负色散啁啾光纤光栅，131…出射单元，1311…部分反射组件，1312…聚焦组件，132…探测单元，1321…第一探测器，1322…第二探测器，141…第一耦合元件，142…第二耦合元件，143…第三耦合元件，144…第四耦合元件，145…第五耦合元件，146…第六耦合元件，147…第七耦合元件，133…偏振单元，134…准直单元，15…指示光模块，16…校正模块，

2…待测目标。

具体实施方式

以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。

需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1用于探测待测目标2的应用场景示意图。图2是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1的第一种实施例的结构框图。

如图1所示，本公开提供一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1。在一些示例中，基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1可以对待测目标2进行测距，具体地，是在基于调频连续波干涉测距原理对待测目标2进行测距的同时抑制多普勒频移。在本公开中，可以采用单光源和双光栅调制来解决调频连续波干涉测距中的多普勒频移问题，具有结构简单、成本低、同步性好以及调制速度快的优点。

在一些示例中，基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1也可以称“基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达装置”、“基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光测量设备”、“抑制多普勒频移的激光雷达”或“基于调频连续波干涉测距原理的激光测量设备”等，以下为了便于描述，有时也简称“激光雷达”。

如图2所示，本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1可以包括发生模块11。在一些示例中，基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1还可以包括调制模块12。在一些示例中，基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1还可以包括干涉测距模块13。在一些示例中，基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1还可以包括多个耦合元件14。在一些示例中，本公开所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1可以包括发生模块11、调制模块12、干涉测距模块13以及多个耦合元件14。

在一些示例中，发生模块11、调制模块12、干涉测距模块13以及多个耦合元件14之间可以通过保偏光纤进行连接。在这种情况下，能够使光束在发生模块11、调制模块12、干涉测距模块13以及多个耦合元件14之间传播，即能够形成光纤光路，由此能够便于在完成测距的同时抑制多普勒频移；另外，光纤光路较于反射镜式光路更能够简化或优化激光雷达1的设备结构，由此能够提升激光雷达1的紧凑性。

以下结合附图分别对发生模块11、调制模块12、干涉测距模块13以及多个耦合元件14进行详细描述。

图3是示出了本公开示例所涉及的发生模块11基于锁模脉冲技术获得脉冲激光的原理示意图。图4是示出了本公开示例所涉及的发生模块11的结构框图。

如上所述，激光雷达1可以包括发生模块11。在一些示例中，发生模块11也可以称“光源模块”或“激光脉冲发生模块”。在一些示例中，发生模块11可以配置为基于锁模脉冲技术获得脉冲激光。锁模脉冲技术是指光学中用于产生极短时间激光脉冲的技术，其原理是在激光共振腔中的不同模式间(如图3中的ω₁、ω₂、ω₃所示意的波形)引入固定的相位关系，模式之间的干涉所产生的一系列脉冲(如图3中的ω₄所示意的波形)。在这种情况下，通过锁模脉冲技术，能够使发生模块11获得脉冲时间极短、光束质量高、相干性高、能量密度高的脉冲激光，由此即使发生模块11产生的光束不是线性调频激光，也能够利用脉冲激光的高相干性进行测距和解算测距过程中由于待测目标2的移动导致的多普勒频移量。

在一些示例中，如图4所示，发生模块11可以包括锁模脉冲激光器111和光纤隔离器112。在一些示例中，锁模脉冲激光器111的锁模方式不限，例如锁模脉冲激光器111的锁模方式可以是主动锁模方式，也可以是被动锁模方式。

在一些示例中，光纤隔离器112可以用于锁模脉冲激光器111和光纤之间的连接。在这种情况下，光纤隔离器112能够提供信号的隔离和处理功能，起到减少脉冲激光受干扰和使光信号高质量地传输的作用，由此能够保持锁模脉冲激光器111的光源谱纯度。

在本公开中，使用的可以是单个1550nm(纳米)锁模脉冲激光器111，也可以是单个905nm(纳米)的锁模脉冲激光器111。在一些示例中，由于1550nm(纳米)锁模脉冲激光器111对人眼伤害更小，且测距的范围更大，所以优选地，本公开采用的是1550nm(纳米)的锁模脉冲激光器111。在一些示例中，锁模脉冲激光器111可以是利用氩离子激光器作为泵浦的染料激光器、基于离子掺杂晶体或者玻璃的固体激光器、锁模光纤激光器或锁模半导体激光器中的一种。

在一些示例中，脉冲激光经过光纤隔离器112后可以进入调制模块12。

图5是示出了本公开示例所涉及的调制模块12的结构框图。图6是示出了本公开示例所涉及的干涉测距模块13的结构框图。图7是示出了本公开示例所涉及的在干涉测距模块13中获得第一拍频信号和第二拍频信号的原理示意图。图8是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1的第二种实施例的光路结构示意图。需要说明的是，图7仅示意的是光学中获取拍频信号的基本原理，图中的波形并非代表本公开所涉及的脉冲激光的实际波形。

如上所述，激光雷达1可以包括调制模块12。在一些示例中，调制模块12也可以称“调频模块”、“反相调制模块”或“啁啾调频模块”等。

在一些示例中，调制模块12可以用于对脉冲激光进行调制，例如相位调制或脉宽调制。

在一些示例中，如图5所示，调制模块12可以包括正色散啁啾光纤光栅121和负色散啁啾光纤光栅122。在一些示例中，正色散啁啾光纤光栅121和负色散啁啾光纤光栅122可以基于逻辑进行划分，例如第一啁啾光纤光栅、第二啁啾光纤光栅，第一啁啾光纤光栅可以是正色散啁啾光纤光栅121或负色散啁啾光纤光栅122，第二啁啾光纤光栅与第一啁啾光纤光栅反相，即第二啁啾光纤光栅可以是负色散啁啾光纤光栅122或正色散啁啾光纤光栅121。啁啾光纤光栅(chirped fiber Bragg gratings，简称CFBG，也称啁啾布拉格光栅)是指光纤的纤芯折射率变化幅度或折射率变化的周期沿光纤轴向逐渐变大(小)形成的一种光纤光栅，具有大带宽、低插入损坏和高反射率等特点，主要用于制作增益平坦滤波器、色散补偿器、脉冲展宽器以及粗波分复用器等。

在一些示例中，正色散啁啾光纤光栅121可以是利用啁啾光纤光栅的周期沿光纤轴向逐渐变大以对第一光束(稍后继续描述)进行调制的光栅器件，负色散啁啾光纤光栅122可以是利用啁啾光纤光栅的周期沿光纤轴向逐渐变小以对第二光束(稍后描述)进行调制的光栅器件。在这种情况下，即使脉冲激光未经任何调制，也能够通过调制模块12快速获得可用于后续对待测目标2进行测距同时抑制多普勒频移的调制光束，同时，较于电学调相方式，由于不采用软件控制，更能够提升调制速度和调制的稳定性。

在一些示例中，正色散啁啾光纤光栅121与负色散啁啾光纤光栅122的色散系数可以相反。在这种情况下，正色散啁啾光纤光栅121与负色散啁啾光纤光栅122能够对脉冲激光进行相反的调制。

在一些示例中，脉冲激光可以首先入射至第一耦合元件141(例如偏振分束器，稍后继续描述)，将脉冲激光分割为第一光束(例如P光，P光也称纵波，是指光的电场振动方向与光线传播方向相同的偏振光)和第二光束(例如S光，S光也称横波，是指光的电场振动方向与光线传播方向垂直的偏振光)。

在一些示例中，第一耦合元件141的分束比例可以是50:50。在一些示例中，第一耦合元件141的分束比例可以不限。第一光束入射至第一啁啾光纤光栅(如正色散啁啾光纤光栅121或负色散啁啾光纤光栅122)。第二光束入射至第二啁啾光纤光栅(与第一啁啾光纤光栅反相，如负色散啁啾光纤光栅122或正色散啁啾光纤光栅121)。在这种情况下，通过正、负色散啁啾光纤光栅能够实现第一光束和第二光束的光路的反相线性频率调制(也简称反相调制)。在一些示例中，术语“反相调制”可以是指光束被调制后光束中的不同频率的部分具有不同的延时，其中，所形成的第一调制光束中频率越高，延时越高，所形成的第二调制光束中频率越高，延时越低。

在一些示例中，第一啁啾光纤光栅和第二啁啾光纤光栅可以互相变换，例如第一啁啾光纤光栅可以是负色散啁啾光纤光栅122，第二啁啾光纤光栅可以是正色散啁啾光纤光栅121。

在一些示例中，脉冲激光可以入射至第一耦合元件141后分为两路光路，令其中一路光路为正向调制光路，另一路光路为反向调制光路，在正向调制光路或反向调制光路中的至少一路光路具有延时光纤或任意延时结构，在这种情况下，由于经过正色散啁啾光纤光栅121和负色散啁啾光纤光栅122处理后的脉冲激光的延时发生变化，通过延时光纤能够使两路光路所形成的调制信号同步至大致相同的时间区间内。

在一些示例中，第一光束和第二光束可以在经过调制模块12后获得第一调制光束和第二调制光束，第一调制光束和第二调制光束可以沿着光路入射至第二耦合元件142(如偏振合束器，即实质为反向的偏振分束器)。在这种情况下，能够将第一调制光束和第二调制光束合束成目标光束，并能够在一条光纤上传输；另外，由于偏振态不同，第一调制光束和第二调制光束在传输过程中不会发生干涉(例如第一调制光束为p偏振，第二调制光束为s偏振)，由此能够减少光纤数量以增加测距系统的集成度，同时还能够提升测距的精确性。

如图8所示，在另一些示例中，第一光束可以通过第六耦合元件146入射至第一啁啾光纤光栅(如正色散啁啾光纤光栅121)。第二光束可以通过第七耦合元件147入射至第二啁啾光纤光栅(与第一啁啾光纤光栅反相，如负色散啁啾光纤光栅122)。

图9是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1的第三种实施例的光路结构示意图。图10是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1的第四种实施例的光路结构示意图。

如上所述，激光雷达1可以包括干涉测距模块13。在一些示例中，干涉测距模块13也可以称“测距模块”、“测量模块”或“干涉模块”等。

在一些示例中，干涉测距模块13可以用于获得待测目标2的距离和多普勒频移量。在一些示例中，如图6所示，干涉测距模块13可以包括出射单元131和探测单元132。在一些示例中，出射单元131可以用于反射目标光束以作为参考光束，且用于透射目标光束以作为测量光束。在一些示例中，测量光束可以被待测目标2反射以形成反射光束。在一些示例中，探测单元132可以用于探测参考光束和反射光束以获得待测目标2的距离和多普勒频移量。

在一些示例中，如图6所示，出射单元131可以包括部分反射组件1311和聚焦组件1312。在一些示例中，目标光束可以经由部分反射组件1311反射以形成参考光束，且可以经由部分反射组件1311透射以形成测量光束。在一些示例中，测量光束可以经由聚焦组件1312聚焦于待测目标2，且可以被待测目标2反射以形成反射光束。

在一些示例中，部分反射组件1311可以是部分反射器、部分反射镜或反射透镜等及其组合。

在一些示例中，聚焦组件1312可以是聚焦透镜。在一些示例中，聚焦透镜可以是一个，也可以根据聚焦需要设置为多个。

在一些示例中，参考光束可以包括第一参考光束和第二参考光束。在一些示例中，第一参考光束为经由出射单元131反射的部分第一调制光束，第二参考光束为经由出射单元131反射的部分第二调制光束。具体地，第一参考光束为经由部分反射组件1311反射的部分第一调制光束，第二参考光束为经由部分反射组件1311反射的部分第二调制光束。

在一些示例中，测量光束可以包括第一测量光束和第二测量光束。在一些示例中，第一测量光束为经由出射单元131透射的部分第一调制光束，第二测量光束为经由出射单元131透射的部分第二调制光束。具体地，第一测量光束为经由部分反射组件1311透射的部分第一调制光束，第二测量光束为经由部分反射组件1311透射的部分第二调制光束。

在一些示例中，反射光束可以包括第一反射光束和第二反射光束。在一些示例中，第一反射光束为经由出射单元131透射且被待测目标2反射的部分第一调制光束，第二反射光束为经由出射单元131透射且被待测目标2反射的部分第二调制光束。具体地，第一反射光束为经由部分反射组件1311透射且经由聚焦组件1312聚焦于待测目标2后被待测目标2反射的部分第一调制光束，第二反射光束为经由部分反射组件1311透射且经由聚焦组件1312聚焦于待测目标2后被待测目标2反射的部分第二调制光束。

如图8所示，在一些示例中，干涉测距模块13可以通过第四耦合元件144对参考光束和反射光束进行解耦。具体地，干涉测距模块13可以通过设置于探测单元132与第三耦合元件143之间的第四耦合元件144将反射光束解耦为第一反射光束和第二反射光束，并将参考光束解耦为第一参考光束和第二参考光束。在这种情况下，通过第四耦合元件144，能够在后续通过多个探测器进行独立探测以减少探测错误的情况，由此能够提升探测的精确性。

在一些示例中，探测单元132可以基于第一参考光束和第一反射光束获得第一距离信息。在一些示例中，探测单元132可以基于第二参考光束和第二反射光束获得第二距离信息。在一些示例中，探测单元132可以基于第一距离信息和第二距离信息获得待测目标2的距离和多普勒频移量。由于第一调制光束和第二调制光束经调制模块12通过反相调制获得，因此第一调制光束(以及与第一调制光束对应的第一参考光束和第一反射光束)和第二调制光束(以及与第二调制光束对应的第二参考光束和第二反射光束)的频率的变化趋势相反，在这种情况下，在通过第一参考光束和第一反射光束获得第一距离信息、且通过第二参考光束和第二反射光束获得第二距离信息时，能够利用第一距离信息和第二距离信息进行计算并解耦出待测目标的距离和多普勒频移量。同时，通过上文所述的延时光纤能够将第一调制光束和第二调制光束同步至大致相同的时间区间内，由此能够在一个较短的时间内同时获得第一距离信息和第二距离信息，从而提高测距速度。

在一些示例中，如图6或图8所示，探测单元132可以包括第一探测器1321和第二探测器1322。

在一些示例中，第一探测器1321可以接收第一反射光束和第一参考光束以获得第一距离信息。在一些示例中，第二探测器1322可以接收第二反射光束和第二参考光束以获得第二距离信息。在这种情况下，第一探测器1321和第二探测器1322能够独立获得第一距离信息和第二距离信息，减少探测错误的情况，由此能够提升探测的精确性，并且由于第一反射光束和第一参考光束由第一光束形成，第二反射光束和第二参考光束由第二光束形成，第一光束和第二光束同属于一个光源(即发生模块11)，由此能够在获得第一距离信息和第二距离信息时保持较好的同步性。

在一些示例中，第一探测器1321可以基于第一反射光束和第一参考光束干涉所形成的干涉光获得包括第一距离信息和多普勒频移量的第一拍频信号。在一些示例中，第二探测器1322可以基于第二反射光束和第二参考光束干涉所形成的干涉光获得包括第二距离信息和多普勒频移量的第二拍频信号。在一些示例中，探测单元132可以基于第一拍频信号和第二拍频信号获得待测目标2的距离和多普勒频移量。在这种情况下，通过两路拍频信号进行和差解耦，能够获得多普勒频移量和由于参考光束和目标光束之间的光程差引起的差频，由此能够通过解耦方式得到待测目标2的距离和速度信息。

在一些示例中，第一拍频信号可以与第一光束的起始频率、调频速率、调频周期(即图7中“T”)、以及调频范围(即图7中“B”)相关。在一些示例中，第二拍频信号也可以与第二光束的起始频率、调频速率、调频周期(即图7中“T”)、以及调频范围(即图7中“B”)相关。在这种情况下，能够基于起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围获得拍频信号，由于起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围可测或可知，由此能够对拍频信号进行高效的解算。

在一些示例中，起始频率可以是指第一光束或第二光束的调频频率，即本公开的脉冲激光也可以是线性调频激光。在一些示例中，调频速率、调频周期、以及调频范围可以是指第一光束或第二光束经过啁啾光纤光栅所具有的调频速率、调频周期、以及调频范围，换言之，调频速率、调频周期、以及调频范围与啁啾光纤光栅相关。

具体地，可以通过如下公式对拍频信号进行解算以获得待测目标2的距离和多普勒频移量：

Fup1＝F1-D1(式1)

Fdown2＝F1+D1(式2)

其中，Fup1为正向调制时的第一参考光束和第一反射光束干涉所形成的干涉光的拍频频率(具体参见图7所示，虚线a示意第一参考光束，虚线b示意第一反射光束)；Fdown2为正向调制时的第二参考光束和第二反射光束干涉所形成的干涉光的拍频频率(具体参见图7所示，实线c示意第二参考光束，虚线d示意第二反射光束)；F1为正向调制时的第一调制光束的频率中的线性部分，-F1为正向调制时的第二调制光束的频率中的线性部分，F1、-F1由参考光束和反射光束之间的光程差所形成的频率差，与目标的距离线性相关；D1为多普勒频移量的绝对值。

在一些示例中，正向调制时的第一参考光束和第一反射光束干涉所形成的干涉光的拍频频率(即Fup1)可以通过第一探测器1321解算获得。在一些示例中，正向调制时的第二参考光束和第二反射光束干涉所形成的干涉光的拍频频率(即Fdown2)可以通过第二探测器1322解算获得。

在一些示例中，可以通过式1和式2的和差解算获得待测目标2的距离和多普勒频移量的绝对值D1。

如图9所示，在一些示例中，干涉测距模块13还可以包括偏振单元133。具体地，干涉测距模块13还可以包括设置于第三耦合元件143与出射单元131之间的偏振单元133。在一些示例中，偏振单元133可以用于改变目标光束的偏振态。在这种情况下，通过设置于第三耦合元件143与出射单元131之间的偏振单元133，即使目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束都在同一个光路中传播，由于偏振态不同，目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束不会相互影响，由此能够在简化设备结构的同时减少目标光束和通过目标光束获得的参考光束、反射光束可能在一个光路中传播的相互影响的情况，能够提升测距的准确性。

具体地，以第一调制光束(初始偏振态为P光)为例。第一调制光束入射至偏振单元133，第一调制光束透过偏振单元133之后，第一调制光束的偏振态旋转90度，然后入射至出射单元131。一方面，出射单元131中的部分反射组件1311能够反射一部分第一调制光束以形成第一参考光束，第一参考光束再次以反方向进入偏振单元133，第一参考光束的偏振态再次旋转90度，从而将第一参考光束的偏振态由P光变成S光；另一方面，出射单元131中的部分反射组件1311能够将第一调制光束透射以形成第一测量光束，并通过聚焦组件1312聚焦于待测目标2的表面，第一测量光束照射至待测目标2表面的待测目标点时，待测目标点能够将第一测量光束进行散射，第一测量光束的散射光(即第一反射光束)能够被聚焦组件1312继续接收进入干涉测距模块13，第一反射光束通过聚焦组件1312入射至偏振单元133，第一反射光束的偏振态再次旋转90度，也即第一反射光束的偏振态也变为S光。在这种情况下，能够使第一参考光束与第一反射光束发生干涉，形成第一干涉光，并且第一干涉光的偏振态是S光。

在一些示例中，偏振单元133可以是1/4波片。

如图10所示，在一些示例中，干涉测距模块13还可以包括准直单元134。在一些示例中，准直单元134可以设置于第五耦合元件145与出射单元131之间。在一些示例中，准直单元134可以用于对目标光束和/或指示光束(后续描述)准直，即准直单元134可以用于单独对目标光束或指示光束准直，准直单元134还可以用于同时对目标光束和指示光束准直。在这种情况下，通过准直单元134能够降低目标光束和/或指示光束的发散程度，即能够使目标光束和/或指示光束呈准直光(平行光)，由此能够提升目标光束和/或指示光束的光束质量。

在一些示例中，准直单元134可以是准直透镜或光纤准直器。

如上所述，激光雷达1可以包括多个耦合元件14。在一些示例中，多个耦合元件14可以用于对光束进行分束、合束、调整射出方向或切换偏振态。具体地，多个耦合元件14可以包括但不限于第一耦合元件141、第二耦合元件142、第三耦合元件143、第四耦合元件144、第五耦合元件145或更多。

如上所述，多个耦合元件14可以包括第一耦合元件141。在一些示例中，脉冲激光可以经由第一耦合元件141分为第一光束和第二光束。在这种情况下，脉冲激光再通过第一耦合元件141分为第一光束和第二光束，由于第一光束和第二光束属于同一光源中利用分束方式获得的，因此能够提高后续对第一光束和第二光束进行调制并用于测量待测目标2的距离时的同步性。

如上所述，多个耦合元件14可以包括第二耦合元件142。在一些示例中，第一调制光束和第二调制光束可以经由第二耦合元件142耦合为目标光束。在这种情况下，第一调制光束和第二调制光束经由第二耦合元件142耦合为目标光束，能够便于在一个光路中对待测目标2进行测距，即能够简化设备结构以降低成本。

如上所述，多个耦合元件14可以包括第三耦合元件143。在一些示例中，出射单元131可以接收经过第三耦合元件143的目标光束且反射部分目标光束至第三耦合元件143作为参考光束，并且出射单元131可以透射部分目标光束作为测量光束，待测目标2可以接收测量光束并反射测量光束至第三耦合元件143以形成反射光束。在一些示例中，探测单元132可以接收经过第三耦合元件143传播的参考光束和反射光束以获得待测目标2的距离和多普勒频移量。在这种情况下，在测距时通过第三耦合元件143的配合将目标光束在干涉测距模块13中形成的参考光束或通过待测目标2反射形成的反射光束耦合在一个光路系统中，由此能够进一步简化设备结构以降低成本。

如上所述，多个耦合元件14可以包括第四耦合元件144。在一些示例中，第四耦合元件144可以配置将反射光束解耦为第一反射光束和第二反射光束，并可以将参考光束解耦为第一参考光束和第二参考光束。在这种情况下，通过第四耦合元件144，能够便于第一探测器1321和第二探测器1322独立获得第一距离信息和第二距离信息，减少探测错误的情况，由此能够提升探测的精确性。

如上所述，多个耦合元件14可以包括第五耦合元件145。在一些示例中，指示光束(稍后描述)可以经由第五耦合元件145和目标光束汇合至出射单元131。在这种情况下，指示光束和测量光束能够在同一个光路中一起射出到待测目标2，由此能够通过指示光束判断测量光束与待测目标2对准的情况，能够进一步提升测距的准确性。

在一些示例中，第一耦合元件141、第二耦合元件142以及第四耦合元件144可以为偏振分束器。在这种情况下，通过第一耦合元件141、第二耦合元件142以及第四耦合元件144等多个偏振分束器在光路中的设置，能够使第一光束和第二光束具有特定的偏振态，进而能够在同一光路中传播时具有独立性、互不干涉性，由此能够提升测距的精准性。

在一些示例中，第三耦合元件143可以为环形器。在这种情况下，将第三耦合元件143设置为环形器，能够使多个光束耦合在同一光路中，由此能够简化设备结构。

在一些示例中，第五耦合元件145可以为波分复用器。在这种情况下，即使指示光束和测量光束的波长不同，也能够将指示光束和测量光束汇合在同一个光路中一起射出到待测目标2。

如上所述，第一光束可以通过第六耦合元件146入射至第一啁啾光纤光栅(如正色散啁啾光纤光栅121)。第二光束可以通过第七耦合元件147入射至第二啁啾光纤光栅(与第一啁啾光纤光栅反相，如负色散啁啾光纤光栅122)。也即，耦合元件14还可以包括第六耦合元件146和第七耦合元件147。在一些示例中，第六耦合元件146和第七耦合元件147可以为环形器。在这种情况下，能够提升第一光束进入第一啁啾光纤光栅或第二光束进入第二啁啾光纤光栅的便利性和稳定性。

图11是示出了本公开示例所涉及的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1的第五种实施例的光路结构示意图。

如图10或图11所示，在一些示例中，激光雷达1还可以包括用于产生指示光束的指示光模块15。如上所述，指示光束可以经由第五耦合元件145和目标光束汇合至出射单元131。在这种情况下，指示光束和测量光束能够在同一个光路中一起射出到待测目标2，由此能够通过指示光束判断测量光束与待测目标2对准的情况，能够进一步提升测距的准确性。

在一些示例中，优选地，指示光模块15可以产生红色的指示光束。

如图11所示，在一些示例中，激光雷达1还可以包括校正模块16。在一些示例中，校正模块16可以配置为对发生模块11获得的脉冲激光的非线性进行校正。在这种情况下，若发送模块生成的激光为线性调频激光时，线性调频激光再基于锁模脉冲技术形成脉冲激光，通过校正模块16对脉冲激光的非线性进行校正，能够提升线性调频激光的线性度，由此能够利用线性调频激光进行测距，提升测距效率。

在一些示例中，校正模块16的校正原理可以为将脉冲激光的一部分通过延迟光纤延迟后与原来的脉冲激光形成光程差，基于光程差计算获得基准距离。

在一些示例中，激光雷达1可以基于基准距离判断实际的测距信息是否准确，并可以根据判断结果对发生模块11进行线性补偿。

在一些示例中，校正模块16中至少可以包括一个光电探测器，该光电探测器可用于探测脉冲激光，光电探测器能够探测通过延迟光纤延迟后的部分以及脉冲激光获得前述的光程差。

根据本公开，能够提供一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达1，其采用单光源和双光栅调制来解决调频连续波干涉测距中的多普勒频移问题，具有结构简单、成本低、同步性好以及调制速度快的优点。

虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，包括：发生模块、调制模块、干涉测距模块以及多个耦合元件，

所述发生模块配置为基于锁模脉冲技术获得脉冲激光，脉冲激光经由第一耦合元件分为第一光束和第二光束，

所述调制模块包括正色散啁啾光纤光栅和负色散啁啾光纤光栅，所述第一光束经由所述正色散啁啾光纤光栅调制后形成第一调制光束，所述第二光束经由所述负色散啁啾光纤光栅调制后形成与所述第一调制光束反相的第二调制光束，所述第一调制光束和所述第二调制光束经由第二耦合元件耦合为目标光束，

所述干涉测距模块包括出射单元和探测单元，所述出射单元配置为接收经过第三耦合元件的所述目标光束且反射部分所述目标光束至所述第三耦合元件作为参考光束，并且所述出射单元配置为透射部分所述目标光束作为测量光束，待测目标接收所述测量光束并反射所述测量光束至所述第三耦合元件以形成反射光束，

所述探测单元接收经过所述第三耦合元件传播的所述参考光束和所述反射光束以获得所述待测目标的距离和多普勒频移量。

2.如权利要求1所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述干涉测距模块还包括设置于所述第三耦合元件与所述出射单元之间的偏振单元，所述偏振单元用于改变所述目标光束的偏振态。

3.如权利要求1所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述参考光束包括第一参考光束和第二参考光束，所述第一参考光束为经由所述出射单元反射的部分所述第一调制光束，所述第二参考光束为经由所述出射单元反射的部分所述第二调制光束；

所述反射光束包括第一反射光束和第二反射光束，所述第一反射光束为经由所述出射单元透射且被所述待测目标反射的部分所述第一调制光束，所述第二反射光束为经由所述出射单元透射且被所述待测目标反射的部分所述第二调制光束；

所述探测单元基于所述第一参考光束和所述第一反射光束获得第一距离信息，基于所述第二参考光束和所述第二反射光束获得第二距离信息，并基于所述第一距离信息和所述第二距离信息获得所述待测目标的距离和所述多普勒频移量。

4.如权利要求3所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述探测单元包括第一探测器和第二探测器，所述干涉测距模块通过设置于所述探测单元与所述第三耦合元件之间的第四耦合元件将所述反射光束解耦为所述第一反射光束和所述第二反射光束，并将所述参考光束解耦为所述第一参考光束和所述第二参考光束，

所述第一探测器接收所述第一反射光束和所述第一参考光束以获得所述第一距离信息，所述第二探测器接收所述第二反射光束和所述第二参考光束以获得所述第二距离信息。

5.如权利要求4所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述第一耦合元件、所述第二耦合元件以及所述第四耦合元件为偏振分束器，所述第三耦合元件为环形器。

6.如权利要求1所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

还包括用于产生指示光束的指示光模块，所述指示光束经由第五耦合元件和所述目标光束汇合至所述出射单元。

7.如权利要求6所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述干涉测距模块还包括设置于所述第五耦合元件与所述出射单元之间的准直单元，所述准直单元用于对所述目标光束和/或所述指示光束准直。

8.如权利要求1所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

还包括校正模块，所述校正模块配置为对所述发生模块获得的脉冲激光的非线性进行校正。

9.如权利要求4所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述第一探测器基于所述第一反射光束和所述第一参考光束干涉所形成的干涉光获得包括所述第一距离信息和所述多普勒频移量的第一拍频信号，

所述第二探测器基于所述第二反射光束和所述第二参考光束干涉所形成的干涉光获得包括所述第二距离信息和所述多普勒频移量的第二拍频信号，

所述探测单元基于所述第一拍频信号和所述第二拍频信号获得所述待测目标的距离和所述多普勒频移量。

10.如权利要求9所述的基于正负色散啁啾光纤光栅抑制多普勒频移的激光雷达，其特征在于，

所述第一拍频信号与所述第一光束的起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围相关，所述第二拍频信号与所述第二光束的起始频率、调频速率、调频周期、以及调频范围相关。