CN107894516A - 一种激光雷达的距离门的标定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达的距离门的标定系统。其中，激光雷达的距离门的标定系统包括：信号产生器，用于产生激光信号；信号传输器，一端连接于信号产生器，且另一端用于连接探测光纤，用于将激光信号发送至探测光纤，并从探测光纤接收探测光纤的第一端面由于激光信号产生的第一回波信号以及探测光纤的第二端面由于激光信号产生的第二回波信号；信号转换器，连接信号传输器，用于将第一回波信号和第二回波信号分别转换成第一电信号和第二电信号。通过上述方式，本发明能够实现高精度的距离门判断。

Description

一种激光雷达的距离门的标定系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达的距离门的标定系统。
背景技术
雷达性能估计都是从理想化模型和理论开始的，然后通过损耗因子来描述实际系统和理想系统的差异。该过程具有建立理论性能上限的有点，可列出妨碍达到理想性能的各种因素，可对潜在改进措施在操作可行性和成本方面进行评估。
利用相干测风激光雷达测量风速的具体地过程是：激光器发射窄线宽的激光进入大气，激光与大气气溶胶粒子相互作用产生背向散射，根据多普勒效应，散射回来的激光信号频率会发生变化。此频移量与风速有直接的关系，其关系为：其中Δf为频移量；Δv为光探测方向上的风速分量；λ为激光波长。激光雷达接收系统收集一部分散射光后，利用不同的鉴频技术，估计出多普勒频移，最终反演出风速。脉冲相干激光雷达探测风速时，以时间为计算依据，根据不同距离段上的气溶胶的回光时间来判断距离，形成不同的距离门。由此可以看出，距离门测量的精准度直接影响测量的风速的精准度。而现有采用通过气溶胶的回光时间来判断得到距离门的方式，会由于气溶胶的浓度而导致距离门的判断出现偏差。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种激光雷达的距离门的标定系统，能够实现高精度的距离门判断。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光雷达的距离门的标定系统，包括：信号产生器，用于产生激光信号；信号传输器，一端连接于信号产生器，且另一端用于连接探测光纤，用于将激光信号发送至探测光纤，并从探测光纤接收探测光纤的第一端面由于激光信号产生的第一回波信号以及探测光纤的第二端面由于激光信号产生的第二回波信号，其中，探测光纤的第一端面与第二端面之间的距离代表待测距离门的物理距离；信号转换器，连接信号传输器，用于将第一回波信号和第二回波信号分别转换成第一电信号和第二电信号，其中，第一电信号和第二电信号用于计算得到激光雷达的待测距离门。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的激光雷达的距离门的标定系统可以将接收到的探测光纤的第一端面及第二端面的回波信号转换为电信号，并对电信号进行进一步的分析计算得到激光雷达的待测距离门，由于探测光纤的长度是固定的，且其光学属性是稳定的，不存在利用气溶胶在不同环境中浓度不同的情况，因此当探测光纤的第二端面有返回信号时，可以将该返回信号与第一端面的返回信号进行对比分析，进而准确的得到了距离门的长度，实现了高精度的距离门判断，另外，由于在室内可以模拟不同的室外环境并进行精确的测量，因此在外场环境也可以进行测量，方便了在不同外场环境下进行标定。
附图说明
图1是本发明一种激光雷达的距离门的标定系统一实施方式的结构示意图；
图2是本发明一种激光雷达的距离门的标定系统另一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面根据具体实施方式及附图对本发明做详细说明。
请参阅图1，图1是一种激光雷达的距离门的标定系统一实施方式的结构示意图。如图1所示，本实施方式中的激光雷达的距离门的标定系统包括：信号产生器11、信号传输器12、信号转换器13以及探测光纤。其中，信号传输器12的第一输出端连接信号产生器11，第二输出端连接信号转换器13，第三输出端连接探测光纤14。
下面对各器件进行具体说明：
信号产生器11用于产生激光信号。
信号传输器12用于将激光信号发送至探测光纤14，并从探测光纤14接收探测光纤14的第一端面a由于激光信号产生的第一回波信号以及探测光纤14的第二端面b由于激光信号产生的第二回波信号，其中，探测光纤14的第一端面a与第二端面b之间的距离代表待测距离门的物理距离。可以理解的是，对应要测量的激光雷达的不同距离门，则采用不同长度的探测光纤14，以使得当前采用的探测光纤14的第一端面a与第二端面b之间的距离可以代表当前要确定的待测距离门的物理距离。
信号转换器13用于将第一回波信号和第二回波信号分别转换成第一电信号和第二电信号，其中，第一电信号和第二电信号用于计算得到激光雷达的待测距离门。
其中，探测光纤14的长度范围为40米到3千米。
另外，探测光纤14的自由端采用特殊切割工艺进行处理，例如在切割时，需要对切割刀头进行位置、步进量，以及光纤所受张力的限定。而且，探测光纤14的自由端为非垂直面，切割角度范围为5度到15度。在其中一个实施方式中，探测光纤14的自由端的切割角度可以设置为8度。
进一步地，探测光纤14的长度可以为40米、100米、500米、1千米、2千米或者3千米等。
具体地，信号产生器11为一激光器，该激光器可以为固体激光器、光纤激光器等可以产生种子源激光信号的激光器。
具体地，信号传输器12中还包括光功率放大器，用于放大信号产生器11产生的激光信号，使得激光信号的能量可以完成两次反射。
另外，本实施方式中的信号传输器12与信号产生器11和信号转换器13可以通过光纤进行连接。具体地，此处的连接光纤可以是单模保偏光纤。进一步地，本实施方式中的探测光纤也可以为单模保偏光纤。
可以理解的是，上述标定系统也可不包含该探测光纤，可提供仅包含信号产生器、信号传输器、信号转换器的标定系统，在实际使用过程中，用户在增加探测光纤连接于信号转换器，以实现激光雷达的距离门标定。
而且，在另一实施方式中，该信号转换器可具体用于利用原始的激光信号对两个回波信号分别进行拍频得到两个拍频信号后，将两个拍频信号转换得到第一电信号和第二电信号。即，信号转换器可连接于信号产生器或者信号传输器，以通过信号产生器或信号传输器获得原始的激光信号(也称为本振信号)。
另外，本实施方式中的标定系统可以用于对任意激光雷达的距离门进行标定，例如对相干探测光纤激光雷达进行距离门的标定。
在本实施方式中，激光雷达的距离门的标定系统可以将接收到的探测光纤的第一端面及第二端面的回波信号转换为电信号，并对电信号进行进一步的分析计算得到激光雷达的待测距离门，由于探测光纤的长度是固定的，且其光学属性是稳定的，不存在利用气溶胶在不同环境中浓度不同的情况，因此当探测光纤的第二端面有返回信号时，可以将该返回信号与第一端面的返回信号进行对比分析，进而准确的得到了距离门的长度，实现了高精度的距离门判断，另外，由于在室内可以模拟不同的室外环境并进行精确的测量，因此在外场环境也可以进行测量，方便了在不同外场环境下进行标定。
请参阅图2，图2是本发明中一种激光雷达的距离门的标定系统另一实施方式的结构示意图。如图2所示，本实施方式中的标定系统包括：激光器201、分束器202、第一功率放大器203、第二功率放大器204、环形器205、输出头206、耦合装置207、光开关208、探测光纤209、耦合器210、平衡探测器211、处理器212。其中，激光器201是上一实施方式中的信号产生器，分束器202、第一功率放大器203、第二功率放大器204、环形器205、输出头206以及耦合装置207组成了上一实施方式中的信号传输器，耦合器210和平衡探测器211组成了上一实施方式中的信号转换器。另外，本实施方式的环形器205是光纤型同轴环形器，包括三个连接端。
其中，激光器201通过分束器202与第一功率放大器203和第二功率放大器204进行连接，第二功率放大器204连接环形器205的第一端，环形器205的第二端连接输出头206，输出头206连接耦合装置207，耦合装置207通过光开关208连接探测光纤209。另外，分束器202和环形器205的第三端连接耦合器210，耦合器210连接平衡探测器211，平衡探测器211连接处理器212。需要说明的是，激光器201、分束器202、第一功率放大器203、第二功率放大器204、环形器205之间均可以通过光纤进行连接，而输出头206与耦合装置207之间、耦合装置207与光开关208之间的连接不通过光纤进行连接，是直接通过空间耦合，也即是输出头206的光轴与耦合装置207的光轴重合、耦合装置207与光开关208的光轴重合，从输出头206出射的激光通过耦合装置207进行聚焦之后，通过空间耦合直接进入探测光纤209中。其中，探测光纤209包括多条长度不同的光纤，光开关208根据用户的操作或者处理器212发送的指令选择探测光纤209中的一条光纤进行连接。
具体地，环形器205用于将第一功率放大器203输入的激光信号传输至输出头206，并将输出头206输入的回波信号传输至信号转换器，也即是，环形器205用于将输出头206输入的回波信号传输至耦合器210和平衡探测器211中。耦合器210用于将激光器201产生的激光信号与第一回波信号进行拍频得到第一拍频信号，将激光信号与第二回波信号进行拍频得到第二拍频信号。具体地，回波信号是附带有探测目标的频移信息和时间间隔信息，通过和激光信号进行耦合会发生拍频，从而得到两光束的差频信息和时间间隔信息。平衡探测器211用于将第一拍频信号和第二拍频信号转换为第一电信号和第二电信号，其中，第一电信号与第二电信号之间的时间间隔为待测距离门的测量时间距离。在其中一个具体的实施方式中，由激光器201产生的原始的激光信号经过分束器202后分为两路，一路激光信号作为原始激光信号，另一路激光信号进入进入第一功率放大器203和第二功率放大器204进行放大，环形器205将放大后的激光信号输出到输出头206中，经过放大后的激光信号的其中部分在输出头206的第一端面C产生第一回波信号，另一部分激光信号由输出头206，经过光开关208进入探测光纤209中的其中一条光纤中，在探测光纤209的自由端产生第二回波信号。其中，原始激光信号、第一回波信号以及第二回波信号都由环形器205的第三端进入耦合器210中，原始激光信号与第一回波信号、原始激光信号与第二回波信号分别在耦合器210中拍频，得到第一拍频信号以及第二拍频信号后，第一拍频信号以及第二拍频信号进入平衡探测器211转换为第一电信号和第二电信号，第一电信号和第二电信号再进入处理器212，并经过处理器212计算分析，得到相应的距离门数据。
进一步地，耦合装置207为至少由两个透镜组成的透镜模组，例如，可以是两个凸透镜，可以是一个凹透镜、一个凸透镜，还可以是连个凸透镜、一个平面镜等，此处不对耦合装置207的透镜个数及透镜类型进行限制。
具体地，第一功率放大器203为主振荡功率放大器(Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA)，MOPA的具体地工作过程是：将具有高光束质量的种子信号光和泵浦光通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大，从而实现对种子光源的高功率放大。MOPA的突出特点是：可以产生高质量的种子光，输出功率可大可小，因而输出光较易做到所需的时域、频域特性和保持良好的光束质量；功率放大部分主要作用则是对种子光进行放大，在保证了输出光的高光束质量的同时又实现了高功率、高能量输出，即它结合了低功率种子源的良好脉冲特性和双包层放大器的高功率放大特性的优点。
进一步地，第二功率放大器204可以是非MOPA，也是可以是MOPA。在其他的实施方式中，还可以省去第二功率放大器204。
其中，探测光纤209如上一实施方式所述。
然后，处理器212根据第一电信号和第二电信号计算得到激光雷达的待测距离门。例如，处理器212计算平衡探测器211转换得到的第一电信号与第二电信号之间的时间间隔，并将计算得到的时间间隔作为待测距离门的测量时间距离tk’。
在另一实施方式中，处理器212还用于采用下述公式，由待测距离门的测量时间距离计算得到待测距离门的测量物理距离：
L＝ν*tk’；
其中，L为待测距离门的测量物理距离；tk’为待测距离门的测量时间距离；ν为大气中光速。
在具体的实施方式中，上述激光雷达的距离门的标定系统可以根据探测光纤的回波信号计算得到待测距离门的测量时间距离tk，由于大气中的光速ν＝3×10^8m/s为已知的，因此，该标定系统还可以计算出待测距离门的测量物理距离。
在又一实施方式中，处理器212还用于采用下述公式，计算得到待测距离门的参考时间距离：
tk＝2*Ak*n/c；
其中，Ak为当前传输激光信号的探测光纤的长度，n为当前传输激光信号的探测光纤折射率，c为光速，tk为待测距离门的参考时间距离。
在具体的实施方式中，Ak为当前传输激光信号的探测光纤的长度，可以设定Ak为是已知的，当前传输激光信号的探测光纤的折射率n以及光速c也是已知的，可以计算得到tk的大小。
并且，处理器212在计算得到待测距离门的参考时间距离后，还用于判断待测距离门的测量时间距离与参考时间距离之差是否低于设定差值；在低于设定差值时，确定待测距离门的测量时间距离为最终的待测距离门的测量时间距离；在不低于设定差值时，舍弃待测距离门的测量时间距离，并根据新输入的第一电信号和第二电信号重新计算得到待测距离门的测量时间距离。
在其中一个具体的应用场景中，若设定差值为x，假设利用本实施方式中的激光雷达的距离门的标定系统测试得到的距离门时间为tk’，然后根据该距离门时间tk’和公式L＝ν*tk’计算出待测距离门的测量物理距离P，并将P与实际的光纤长度Ak进行比较，若|Ak-P|≤x，则可以确定本实施方式中的激光雷达的距离门的标定系统的精准度在预设范围之内，可以确定本实施方式中的测量的待测距离门的测量时间距离为最终的待测距离门的测量时间距离；若是|Ak-P|>x，则可以确定本实施方式中的激光雷达的距离门的标定系统的精准度达不到预设的要求，需要对系统进行进一步的调试。
进一步地，本实施方式中的连接光纤和探测光纤均可以为单模保偏光纤。
在本实施方式中，激光雷达的距离门的标定系统可以将接收到的探测光纤的第一端面及第二端面的回波信号转换为电信号，并对电信号进行进一步的分析计算得到激光雷达的待测距离门，通过使用不同长度的光纤作为探测硬靶，并固定探测光纤的长度，且其光学属性是稳定的，不存在利用气溶胶在不同环境中浓度不同的情况，因此当探测光纤的第二端面有返回信号时，可以将该返回信号与第一端面的返回信号进行对比分析，进而准确的得到了距离门的长度，实现了高精度的距离门判断，另外，由于在室内可以模拟不同的室外环境并进行精确的测量，因此在外场环境也可以进行测量，方便了在不同外场环境下进行标定。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达的距离门的标定系统，其特征在于，包括：
信号产生器，用于产生激光信号；
信号传输器，一端连接于所述信号产生器，且另一端用于连接探测光纤，用于将所述激光信号发送至所述探测光纤，并从所述探测光纤接收所述探测光纤的第一端面由于所述激光信号产生的第一回波信号以及所述探测光纤的第二端面由于所述激光信号产生的第二回波信号，其中，所述探测光纤的第一端面与所述第二端面之间的距离代表待测距离门的物理距离；
信号转换器，连接所述信号传输器，用于将所述第一回波信号和所述第二回波信号分别转换成第一电信号和第二电信号，其中，所述第一电信号和第二电信号用于计算得到所述激光雷达的所述待测距离门。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括所述探测光纤。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述探测光纤包括多条长度不同的光纤，所示光纤的长度范围为40米到3千米，所述探测光纤的自由端为非垂直面，切割角度范围为5度到15度；和/或
所述探测光纤均为单模保偏光纤。
4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述系统还包括光开关，所述信号传输器的另一端通过所述光开光连接于所述探测光纤；所述光开光用于根据用户操作或者处理器发送的指令选择所述探测光纤中的一条光纤连接所述信号传输器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述信号传输器包括依序连接的分束器、第一功率放大器、环形器、输出头以及耦合装置，且所述耦合装置还通过所述光开关连接所述探测光纤；所述分束器还连接所述信号产生器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述环形器是光纤型同轴环形器，包括三个连接端，其中，第一连接端连接所述第一功率放大器，第二连接端连接所述输出头，第三连接端连接所述信号转换器，所述环形器用于将第一功率放大器输入的激光信号传输至所述输出头，并将所述输出头输入的回波信号传输至所述信号转换器；
所述耦合装置为至少两个透镜组成的透镜模组。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述第一功率放大器为主振荡功率放大器；
第二功率放大器，用于进一步放大所述激光的功率。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
所述信号转换器包括耦合器、平衡探测器；
其中，所述耦合器的输入端连接所述信号传输器的所述分束器和所述环形器，所述耦合器输出端连接所述平衡探测器，所述耦合器用于接收所述分束器输出的激光信号和所述环形器输出的第一回波信号和第二回波信号，并将所述激光信号与所述第一回波信号进行拍频得到第一拍频信号，将所述激光信号与所述第二回波信号进行拍频得到第二拍频信号；
所述平衡探测器用于将所述第一拍频信号和所述第二拍频信号转换为第一电信号和第二电信号，其中，所述第一电信号与所述第二电信号之间的时间间隔为所述待测距离门的测量时间距离。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：处理器，所述处理器用于根据所述第一电信号和第二电信号计算得到所述激光雷达的所述待测距离门。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述处理器还用于采用下述公式1，由所述待测距离门的测量时间距离计算得到所述待测距离门的测量物理距离：
L＝ν*tk’ (1)；
其中：所述L为待测距离门的测量物理距离；所述tk为所述待测距离门的测量时间距离；所述ν为大气中光速；和/或
所述处理器还用于：
采用下述公式2，计算得到所述待测距离门的参考时间距离：
tk＝2*Ak*n/c (2)；
其中，Ak为当前传输所述激光信号的探测光纤的长度，n为当前传输所述激光信号的探测光纤的折射率，c为光速，tk为所述待测距离门的参考时间距离；
判断所述待测距离门的测量时间距离与所述参考时间距离之差是否低于设定差值；在低于所述设定差值时，确定所述待测距离门的测量时间距离为最终的所述待测距离门的测量时间距离；在不低于所述设定差值时，舍弃所述待测距离门的测量时间距离，并根据新输入的所述第一电信号和第二电信号重新计算得到所述待测距离门的测量时间距离。
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