CN101363914A - 混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法，其特点是将混沌激光器产生的混沌激光作为雷达信号，经分束器后分为两束，一束作为参考信号，另一束作为发射信号通过扫描装置对目标障碍物进行扫描探测，利用接收器分别接收参考信号及经目标物反射的回波信号，通过对回波信号与参考信号进行相关运算得到回波信号的延迟时间进而计算得到目标障碍物的距离，同时根据在确定时间间隔内的距离差计算得到汽车与目标障碍物的相对速度。本发明用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为激光雷达信号，具有测距精度高、抗干扰能力强、结构简单等优点，适用于各种车载使用。

Description

混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种雷达汽车防撞系统及方法，具体地说，是一种用混沌激光雷达系统实现汽车防撞的系统及方法。

技术背景

现有的车载激光雷达系统中的激光雷达测距技术主要是脉冲激光雷达测距技术和连续光调制测距技术。

脉冲激光雷达测距技术是利用测距仪向目标发出一个激光脉冲，该脉冲由探测目标反射回到测距仪的光传感器元件上，通过计时器记录下脉冲光的往返时间t，从而获得目标的距离。如：哈尔滨工业大学提出了一种一维扫描激光雷达汽车防撞系统(CN1847881A)以及清华大学提出了一种车载扫描式激光雷达探测系统及其探测前方危险物的方法(CN1546344A)，都是采用脉冲激光雷达测距技术进行目标测量。激光发射部件发射脉冲激光，通过扫描天线发射并对目标进行扫描探测，同时计时器开始计数，激光接收部件用于对回射光脉冲进行接收，然后根据计数器显示的脉冲激光的往返时间计算目标的距离。脉冲激光测距的缺点是测距精度较差，典型值为几米，同时存在测量盲区，即最小测量距离，通常为几十米。

连续波相位式激光测距技术是通过测量调制激光往返过后产生的相位变化来间接测量往返时间，从而获得目标的距离的一种方法。Fujima I，Seta k，Matsumoto H and O’ishi T1988“GHz traveling-wave optical modulator for precision distance measurement”，Proc.SPIE vol 889介绍了一种利用连续激光相位信息测距的方法，通过测量高频调制相位差实现测距。连续波相位式测距的测量精度较高，通常为几毫米，但其测量距离较短，通常为几十米。

上述现有的激光汽车防撞雷达系统还存在相同雷达系统之间的相互干扰问题。当车辆自身周围存在其它同种车载雷达系统时，无法区分接收到的信号是自身车辆雷达系统发出的信号还是其它车载雷达系统发出的信号，容易产生混淆而导致虚警。为了解决相互干扰问题，一种方法是对激光汽车雷达系统进行编码，如美国专利US5724124。但是，编码设备增加了汽车防撞雷达系统的技术难度和维修成本，不符合汽车防撞雷达系统造价低，体积小的要求。另一种方法是用伪随机码发生器产生的伪随机码对连续波激光雷达的激光信号进行调制。受随机码长和调制速率的限制，随机码调制的随机信号雷达距离分辨率低，不能完全解决虚警问题。

混沌信号具有不可预测的类噪声特点，因此具有天然的抗干扰能力，无需调制，不受码长的限制，从而在雷达系统及汽车防撞系统应用方面更具有优越性。由于受电子器件带宽的限制，现在的混沌信号发生器所得到的微波混沌信号带宽小，测量精度低，且成本高。S.Osofsky，A.M.Young，C.P.Silva，A chaotic radar demonstration system，Workshop onTransmission of Chaotic Signals，Univeri sty of Bristol，August，2006，UK.报道了一种混沌雷达的原理性样机，其中的混沌信号由“Yong-Silva”混沌电路产生，产生的混沌信号带宽仅200MHz。

申请人已授权的“光纤激光器混沌激光测距方法及装置”(CN100362366C)介绍了一种用于距离测量的装置和方法，该装置是用光纤激光器产生的混沌激光作为激光雷达的探测信号，用于目标距离测量；该方法是相关测距法测量目标的距离。该专利的优点是测量精度高，抗干扰能力强；存在的缺点是该装置只能用于静态目标测量，且得不到目标物的方位信息。发明人对该专利进行了进一步的分析和研究，并实验证实了半导体激光器在外界的扰动下(如光反馈与光注入)同样会输出不同状态激光的现象(如：混沌、低频起伏、相干塌陷等)。与光纤激光器产生混沌信号相比，用光反馈半导体激光器产生混沌激光，结构更简单，性能更稳定。本发明在前专利的基础上，对前专利提出的装置和方法进行了改进与延伸，用光反馈半导体激光器产生的混沌激光作为激光雷达载波信号；通过相关处理芯片，能实时进行距离与速度测量；通过光束扫描，能实现较宽范围内的测量，得到目标的方位信息，更重要的是将该装置与方法应用于汽车防撞系统，提出了一种混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法。

发明内容

本发明要解决的问题是现有汽车防撞雷达系统的相互干扰问题。其中主要是随机码调制随机信号雷达系统受随机码长和调制速率的限制而距离分辨率低的问题；采用编码设备的激光雷达系统编码设备成本高的问题；微波混沌信号雷达系统的混沌信号受现有电子器件的限制，产生宽带混沌信号困难的问题。

基于上述问题，本发明提出一种能有效、可靠的对汽车形成危险的目标障碍物进行预警的抗干扰能力强且测距精度高的混沌激光雷达汽车防撞系统及其方法。该方法能够有效的获得目标障碍物的距离以及方位信息。

本发明提供一种混沌激光雷达汽车防撞系统，包括混沌激光器，分束器，扩束器，会聚光学透镜I，光电探测器，扫描反射镜，扫描平台，接收器，数字相关器，信号处理器，声光报警器，显示器，其特征在于混沌激光器产生的混沌激光射入到分束器，分束器将混沌激光分成透射光和反射光，反射光作为参考光依次输入到会聚光学透镜I和光电探测器，光电探测器将参考光转变为电信号后再输入到数字相关器；透射光作为探测光依次输入到扩束器和固定在扫描平台上的扫描反射镜，扫描反射镜发射探测光，并扫描探测目标障碍物；障碍物的后向散射或反射光被扫描平台上的接收器接收并转化为电信号输入数字相关器；数字相关器将电信号连接到信号处理器后再将电信号分别连接到显示器和声光报警器。

本发明上述技术方案中所述的混沌激光器是由激光器I、非球面透镜、半波片、偏振分束器和反射镜通过光连接构成；

或者是由光纤依次连接的激光器II、光纤耦合器、光纤可变反射镜，以及与光纤耦合器另一输出端光连接的非球面透镜构成。

本发明上述技术方案中所述的激光器I是窗口输出的半导体激光器；激光器II是带尾纤的半导体激光器。

本发明一种用于混沌激光雷达汽车防撞系统的方法，特征是该方法是按下列步骤进行：

I.系统初始化与目标探测

将扫描反射镜的初始角度置于扫描范围的0°位置，后通过光反馈的方式，将混沌激光器产生的混沌激光，输入到分束器后分成两束，分束器的透射光作为探测光经扫描反射镜发射并通过接收器进行回波信号接收并转变为电信号输入到数字相关器，分束器的反射光作为参考光经光电探测器转变为电信号后输入到数字相关器；

II.目标障碍物方位的确定

目标障碍物距离的计算，数字相关器对接收到的参考信号和具有时延的回波信号进行互相关运算，通过相关测距法得到目标障碍物的距离；

目标障碍物与初始扫描位置之间角度A的计算，扫描反射镜的扫描频率为f，扫描的范围为60°，从0°扫描开始至探测到目标障碍物的时间为t，扫描反射镜扫描过的角度A1＝f×60°×t，当扫描反射镜完成一次扫描后，将扫描时间t置零后重新开始计时，计数器记录t的置零次数，以n表示，当n为奇数时，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝60°-A1，当n为0或者偶数时，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝A1；

III.目标障碍物相对速度的计算

信号处理器根据确定时间间隔内测得的距离差计算出目标障碍物的相对速度；

IV.报警与防撞

当目标障碍物的距离小于预置报警距离时，由信号处理器控制声光报警器进行声光报警。

本发明用于上述混沌激光雷达汽车防撞系统的方法中，所述的目标障碍物的距离是通过数字相关器对接收到的参考信号和具有时延的回波信号进行互相关运算，得到探测信号探测目标障碍物的往返时间t，然后根据公式S＝Ct/2计算得到目标障碍物的距离，其中，C为光速。所述的预置报警距离是根据汽车与障碍物的相对速度进行选择。

本发明混沌激光雷达汽车防撞系统具有的积极效果在于：光反馈半导体激光器产生的宽带混沌激光信号，具有宽带噪声特点和良好的自身识别能力(通过相关运算)，能够避免传统车载雷达系统的相互干扰问题，提高车载雷达的抗干扰能力；与编码激光雷达相比，无需使用成本较高的编码设备对雷达载波信号进行编码，成本低；与随机码调制的随机信号雷达相比，无需对雷达载波进行调制，不受调制速率以及码长的限制，结构简单；与现有的微波混沌信号雷达相比，能够容易地产生宽带(>5GHz)混沌信号。

本发明用于混沌激光雷达汽车防撞系统的方法具有的积极效果在于：通过对车辆行驶方向进行扫描，能够实现较宽范围的扫描探测，有效地发现汽车行驶过程中的目标障碍物，得到目标障碍物的距离和方位信息，并进行预警；通过相关测距方法得到的距离精度取决于混沌激光信号的带宽，与目标障碍物的距离无关，可达到厘米级。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图

图2是本发明的接收器部分的结构示意图

图3是本发明的混沌激光器的一种具体结构示意图

图4是本发明的混沌激光器的另一种具体结构示意图

图5是本发明的方法流程示意图

图中：1：混沌激光器  2：分束器  3：扩束器  a：凹透镜  3b：凸透镜  4：扫描平台  5：混沌激光  6：回波信号  7：扫描反射镜  8：接收器  9：会聚光学透镜I  10：光电探测器  11：数字相关器  12：信号处理器  13：显示器  14：声光报警器  15：接收望远镜  16：视场光阑  17：准直光学透镜  18：会聚光学透镜II  19：三维调整架  21：激光器I  22：半波片  23：反射镜  24：非球面透镜  25：激光器II  26：光纤耦合器  27：光纤可变反射镜  28：偏振分束器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明

具体实施方式1

混沌激光雷达汽车防撞系统的实施

如图1所示，混沌激光器1产生的混沌激光入射进入分束器2，分束器2将混沌激光分成两束：透射光和反射光，分束器2的反射光作为参考信号光束，依次输入到会聚光学透镜9和光电探测器10，光电探测器10再将参考光束转变为电信号输入到数字相关器11，分束器2的透射光输入到扩束器3进行扩束，扩束器3的输出输入到扫描反射镜7，扫描反射镜7输出的混沌激光5作为探测光信号，在扫描平台4的驱动下对目标障碍物进行扫描探测，探测信号光束在遇到目标障碍物后发生反射，接收器8对反射回波信号6进行接收并经过光电探测器10转换为电信号后输入到数字相关器11，数字相关器11的输出接入信号处理器12后分别再接入显示器13、声光报警器14。由显示器13实时显示目标障碍物的距离、方位角以及相对速度。当目标障碍物的距离以及相对速度达到预置报警距离时控制声光报警器14进行报警。扫描平台4在步进马达的驱动下可以在0-60°范围内向车辆前方来回扫描，扫描反射镜7与接收器8固定在扫描平台4上，并随着扫描平台4转动，使得接收器8能够接收到更多的回波信号。分束器2为非偏分束器，根据实际需要选择合适的透射光与反射光的分束比。对于混沌激光雷达应用，混沌激光在被发射前需要进行高倍准直。本发明中通过扩束器3进行对混沌激光光束发射角的降低，扩束器3由一个凹透镜3a和一个凸透镜3b组成：凹透镜3a直径12mm，焦距25mm；凸透镜3b直径10cm，焦距25cm，凹透镜3a的虚焦点与凸透镜3b的实焦点实施共焦点配置。首先由凹透镜3a对分束器21输出的近似平行光进行扩束，然后由凸透镜3b对凹透镜3a输出的光信号进行准直。

下面对该系统的具体部件作出进一步的详细说明：

(1)接收器8。参见图2，接收器8由接收望远镜15、视场光阑16、准直光学透镜17、会聚光学透镜II18、光电探测器10组成。后向散射的混沌激光雷达回波信号6经过接收望远镜15收光聚焦以后，依次输入到视场光阑16和准直光学透镜17，视场光阑16将接收视场控制在合适的视场角范围内，准直光学透镜17将回波光信号整理成平行光后，输入到会聚光学透镜II18，会聚光学透镜II18将光斑直径缩小，以使光斑直径小于光电探测器10的光敏面，会聚光学透镜II18将光斑直径缩小后输入到光电探测器10，光电探测器10将回波光信号转换成相应的电信号。三维调整架19用来对光电探测器10的空间位置进行精密调节，以使所有的回波光信号都能入射到光电探测器10的光敏面上。

(2)数字相关器11。数字相关器11包括数据采集卡以及数字相关芯片。首先通过高速数据采集卡对输入到数字相关器11的参考信号和探测信号进行模/数变换，然后通过数字相关芯片对模/数变换得到的数字信号进行相关。数字相关芯片选用美国TRW公司的相关运算芯片TMC2032，TMC2032是一种新型的全数字相关器电路，其相关字长和相关门限可编程。数据采集卡属于已有技术，可选产品较多，不再详述。

(3)扫描平台4。扫描平台4是带有步进驱动马达的旋转平台，属于已有技术，不再详述。

(4)光电探测器10。光电探测器10选用高速/高增益雪崩二极管，如上海派铼兹科贸有限公司的AD230-8(T052S1)，该产品的截止频率为2GHz，增益为200。

(5)信号处理器12。信号处理器12使用基于微处理器，DSP或FPGA的嵌入式处理系统来实现，属于已有技术，不再详述。

(6)声光报警器14。声光报警器14选用JB-508型车用声光组合报警器。

(7)显示器13。显示器13选用组合式数字显示器，属于已有技术，可选产品较多，不再详述。

(8)混沌激光器1。混沌激光器1用半导体激光器的非线性特征产生混沌激光，其具体实施方式如下：

第一种，见图3，利用光反馈实现混沌激光输出的混沌激光器的一种结构示意图。

混沌激光器1包括激光器I 21、非球面透镜24、半波片22、偏振分束器28和反射镜23并依次通过光连接构成。其中激光器I 21选用商用的窗口输出的半导体激光器，输出激光的中心波长为808nm。激光器I 21的输出光首先输入到非球面透镜24进行光束整形，得到近似平行光，非球面透镜24的输出依次输入到半波片22、偏振分束器28和反射镜23，反射镜23的反射光沿原路返回激光器I 21。通过调节半波片22的角度，使得反馈耦合进入激光器I 21的光强与激光器I 21的输出光强比在10％-20％之间，激光器I 21在该强度反馈光的扰动下产生混沌激光。偏振分束器28的反射端是混沌激光器1的输出端。

第二种，见图4，利用光反馈实现混沌激光输出的混沌激光器的另一种结构示意图。

混沌激光器1是由激光器II 25、光纤耦合器26、光纤可变反射镜27依次通过光纤连接器连接，非球面透镜24与光纤耦合器26的另一输出端通过光连接构成。其中激光器II25选用带尾纤的商用半导体激光器，输出激光的中心波长为1550nm，光纤耦合器26选用1×2的光纤耦合器。激光器II 25输出的光通过光纤耦合进入光纤耦合器26的输入端，光纤耦合器26的一个输出端输出的激光通过光纤耦合进入光纤可变反射镜27，可变反射镜的反射光经过光纤耦合器26后进入激光器II 25，通过调节光纤可变反射镜27的反射率，使得反馈耦合进入激光器II25的光强与激光器II 25的输出光强比在10％-20％之间，激光器II 25在该强度反馈光的扰动下产生混沌激光。光纤耦合器26的另一个输出端与非球面透镜24连接通过光连接，非球面透镜24的输出端是混沌激光器1的输出端。

上述混沌激光器的第一种和第二种实施方式中所用到的激光器以及光学元件均为普通器件，市场上可选产品比较多，具体结构以及作用不再详述。

具体实施方式2

一种用于实现混沌激光雷达汽车防撞系统的方法，见图5，其实施方法步骤如下：

第一，系统初始化。首先将系统初始化，将扫描反射镜置于初始位置，使得激光扫描的初始角度处于扫描范围的0度位置。

第二，目标障碍物的探测。接通激光器I 21或激光器II 25的电源，通过光反馈的方式，混沌激光器1产生混沌激光。混沌激光输入到分束器2后经由分束器2分成两束，分束器2的反射光作为参考信号光束，依次输入到会聚光学透镜9和光电探测器10，光电探测器10将参考光束转变为电信号输入到数字相关器11，分束器2的透射光输入到扩束器3进行扩束，扩束器3的输出输入到扫描反射镜7，扫描反射镜7输出的混沌激光作为探测光信号，在扫描平台4的驱动下对目标障碍物进行探测，探测信号光束在遇到目标障碍物后发生反射，接收器8对反射回波信号进行接收并经过光电探测器10转换为电信号后输入数字相关器11。

第二，目标障碍物的方位的确定。

目标障碍物距离的计算。数字相关器11对参考信号和接收到的具有时延的回波信号进行互相关运算，根据相关结果得到回波信号相对于参考信号的延迟时间，即探测光探测目标的往返时间τ，利用公式L＝τC/2得到目标障碍物的距离，C为光速，并将结果输入到信号处理器12。距离测量精度为数字相关器11得到的相关曲线的半高全宽值与光速的乘积，该半高全宽值取决于混沌激光信号的带宽，与目标障碍物的距离无关。通过对宽带混沌信号进行互相关的测距法，可以得到高精度的，与距离无关的距离分辨率。

目标障碍物与初始扫描位置之间角度A的计算。扫描反射镜的扫描频率为f，扫描的范围为60°，初始扫描方向为顺时针，从0°扫描开始至探测到目标障碍物的时间为t，以A1表示扫描反射镜扫描过的角度，则A1＝f×60°×t，当扫描反射镜完成一次扫描后，即A1＝60°，将扫描时间t置零后重新开始计时，并用计数器记录t的置零次数n，当n为奇数时，表示扫描反射镜完成一次扫描并沿逆时针扫描，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝60°-A1，当n为0或者偶数时，表示扫描反射镜沿顺时针扫描，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝A1。

第四，目标障碍物相对速度的计算。信号处理器12根据一定时间间隔t内测得的距离差ΔL计算出目标障碍物的平均相对速度V。t1时刻目标障碍物的距离为L1，t2时刻目标障碍物的距离为L2，则V＝ΔL/t＝(L2-L1)/(t2-t1)。其速度分辨率由时间间隔决定，当时间间隔t非常小时，平均相对速度可以近似看作瞬时相对速度。

第五，报警与防撞。当目标障碍物的距离小于预先设置的安全距离S时，由信号处理器12控制声光报警器14进行声光报警。安全距离与汽车和目标障碍物之间的相对速度V有关，可在1m～300m间调节。国家道路交通安全法实施条例规定，高速公路最高车速不得超过每小时120Km，最低车速不得低于每小时60Km。由此，安全距离要根据具体的相对车速V来确定：当V≥60Km/h时，S>100m；当V<60Km/h时，S>Vt/1000>50m(最小安全距离不得少于50m)。相对速度每减少10Km/h，安全距离相应减少10m.

在本发明的上述具体实施方式中，所述的目标障碍物是混沌激光雷达汽车防撞系统所能够探测到的动态或静态的物体，指在汽车行进的方向上，混沌激光雷达能够探测到的对汽车能够造成危害以及事故的任何运动的或者静止的物体，包括车辆、人或其它物体。

Claims (7)

1.混沌激光雷达汽车防撞系统，包括混沌激光器，分束器，扩束器，会聚光学透镜I，光电探测器，扫描反射镜，扫描平台，接收器，数字相关器，信号处理器，声光报警器，显示器，其特征在于混沌激光器(1)产生的混沌激光射入到分束器(2)，分束器(2)将混沌激光分成透射光和反射光，反射光作为参考光依次输入到会聚光学透镜I(9)和光电探测器(10)，光电探测器(10)将参考光转变为电信号后再输入到数字相关器(11)；透射光作为探测光依次输入到扩束器(3)和固定在扫描平台(4)上的扫描反射镜(7)，扫描反射镜(7)发射探测光，并扫描探测目标障碍物；障碍物的后向散射或反射光被扫描平台(4)上的接收器(8)接收并转化为电信号输入数字相关器(11)；数字相关器(11)将电信号连接到信号处理器(12)后再将电信号分别连接到显示器(13)和声光报警器(14)。

2.权利要求1所述的混沌激光雷达汽车防撞系统，其特征在于混沌激光器(1)是由激光器I(21)、非球面透镜(24)、半波片(22)、偏振分束器(28)和反射镜(23)通过光连接构成；

或者是由光纤依次连接的激光器II(25)、光纤耦合器(26)、光纤可变反射镜(27)，以及与光纤耦合器(26)另一输出端光连接的非球面透镜(24)构成。

3.权利要求2所述的混沌激光雷达汽车防撞系统，其特征在于激光器I(21)是窗口输出的半导体激光器；激光器II(25)是带尾纤的半导体激光器。

4.一种用于混沌激光雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于该方法是按下列步骤进行：

I.系统初始化与目标探测

将扫描反射镜(7)的初始角度置于扫描范围的0°位置，后通过光反馈的方式，将混沌激光器(1)产生的混沌激光，输入到分束器(2)后分成两束，分束器(2)的透射光作为探测光经扫描反射镜(7)发射并通过接收器(8)进行回波信号接收并转变为电信号输入到数字相关器(11)，分束器(2)的反射光作为参考光经光电探测器(10)转变为电信号后输入到数字相关器(11)；

II.目标障碍物方位的确定

目标障碍物距离的计算，数字相关器(11)对接收到的参考信号和具有时延的回波信号进行互相关运算，通过相关测距法得到目标障碍物的距离；

目标障碍物与初始扫描位置之间角度A的计算，扫描反射镜的扫描频率为f，扫描的范围为60°，从0°扫描开始至探测到目标障碍物的时间为t，扫描反射镜扫描过的角度A1＝f×60°×t，当扫描反射镜完成一次扫描后，将扫描时间t置零后重新开始计时，计数器记录t的置零次数，以n表示，当n为奇数时，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝60°-A1，当n为0或者偶数时，目标障碍物与初始扫描位置之间的角度A＝A1；

III.目标障碍物相对速度的计算

信号处理器(12)根据确定时间间隔内测得的距离差计算出目标障碍物的相对速度；

IV.报警与防撞

当目标障碍物的距离小于预置报警距离时，由信号处理器(12)控制声光报警器(14)进行声光报警。

5.权利要求4所述的用于混沌激光雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于目标障碍物的距离是通过数字相关器(11)对接收到的参考信号和具有时延的回波信号进行互相关运算，得到探测信号探测目标障碍物的往返时间t，然后根据公式S＝Ct/2计算得到目标障碍物的距离，其中，C为光速。

6.权利要求4所述的用于混沌激光雷达汽车防撞系统的方法，其特征在于预置报警距离是根据汽车与障碍物的相对速度进行选择。

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