CN108594253A - 光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质 - Google Patents

光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质。该光脉冲测距方法包括：根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率；以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，n个脉冲种子光的频率均为发射频率且n个脉冲种子光的波长不同；接收发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；对不同波长的脉冲种子光进行分析得到目标物的距离。本发明实施例既可以实现激光雷达的远距离探测，又可以确保激光雷达的高频率，从而保证了激光雷达的性能。

Description

光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质
技术领域
本发明实施例涉及激光雷达技术，尤其涉及一种光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质。
背景技术
激光雷达通过发射激光束探测目标的位置、速度等特征量，其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，接收从目标反射回来的回波信号，然后将回波信号与探测信号进行比较，适当处理后就可获得目标的有关信息，例如，目标距离、方位、高度、速度、姿态，甚至形状等信息，基于此可以对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
目前，激光雷达远距离探测多采用飞行时间(Time of flight，简称：TOF)测距法，该方法有其极限频率，若探测距离为D米远，其极限频率f极限为：f极限＝1.5×108/D(Hz)，可见探测距离与极限频率呈反比关系。
但是，在安防、地铁防撞、直升机防撞等领域，要求激光雷达既可以远距离探测又要确保高刷新频率和高角度分辨，因此需要突破TOF测距法的极限频率，以保证激光雷达的性能不受限制。
发明内容
本发明实施例提供一种光脉冲测距方法、装置、激光雷达和存储介质，以利用波分复用和时分复用突破TOF测距法的极限频率，既可以实现激光雷达的远距离探测，又可以确保激光雷达的高频率，从而保证了激光雷达的性能。
第一方面，本发明实施例提供了一种光脉冲测距方法，包括：
根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，所述发射频率小于或等于所述极限频率，n为自然数；
以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对所述n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，所述n个脉冲种子光的频率均为所述发射频率且所述n个脉冲种子光的波长不同，所述时间间隔是所述极限频率对应的周期的n分之一；
接收所述发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对所述回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；
对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离。
可选的，所述根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，包括：
根据公式(1)计算n：
其中，D为所述目标测距，f为所述极限频率，Y为所述重复频率；
根据公式(2)计算所述发射频率X：
可选的，还包括：
根据公式(3)计算所述时间间隔T：
可选的，所述对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离，包括：
计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；
根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离。
可选的，所述根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离，包括：
根据公式(4)计算所述目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为所述波长，X为所述发射频率，t为所述时间差。
第二方面，本发明实施例提供了一种光脉冲测距装置，包括：
折算模块，用于根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，所述发射频率小于或等于所述极限频率，n为自然数；
发射模块，用于以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对所述n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，所述n个脉冲种子光的频率均为所述发射频率且所述n个脉冲种子光的波长不同，所述时间间隔是所述极限频率对应的周期的n分之一；
接收模块，用于接收所述发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对所述回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；
分析模块，用于对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离。
可选的，所述折算模块，具体用于根据公式(1)计算n：
其中，D为所述目标测距，f为所述极限频率，Y为所述重复频率；
根据公式(2)计算所述发射频率X：
可选的，所述折算模块，还用于根据公式(3)计算所述时间间隔T：
可选的，所述分析模块，具体用于计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离。
可选的，所述分析模块，具体用于根据公式(4)计算所述目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为所述波长，X为所述发射频率，t为所述时间差。
第三方面，本发明实施例提供了一种激光雷达，包括：处理器、多个雪崩光电二极管APD、波分复用器WDM、掺铒光纤放大器EDFA、准直器以及接收透镜；其中，所述多个APD分别通过光纤与所述WDM连接，所述WDM通过多模光纤与所述EDFA连接，所述EDFA与所述准直器连接；所述接收透镜通过多模光纤与所述WDM连接；所述处理器与所述APD连接。
第四方面，本发明实施例提供了一种包含可执行指令的存储介质，所述可执行指令在由处理器执行时用于执行如上述第一方面中任一所述的光脉冲测距方法。
本发明实施例利用波分复用和时分复用突破TOF测距法的极限频率，既可以实现激光雷达的远距离探测，又可以确保激光雷达的高频率，从而保证了激光雷达的性能。
附图说明
图1和图2为本发明实施例一提供的激光雷达的结构示意图；
图3为本发明实施例二提供的光脉冲测距方法的流程图；
图4为本发明实施例二提供的多个脉冲种子光的时序示意图；
图5和图6为本发明实施例四提供的激光雷达的结构示意图；
图7为本发明实施例四提供的2个脉冲种子光的时序示意图；
图8为本发明实施例五提供的光脉冲测距装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明实施例，而非对本发明实施例的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1和图2为本发明实施例一提供的激光雷达的结构示意图，参照图1和图2，该激光雷达包括：处理器、多个雪崩光电二极管(Avalanche Photo Diode，简称：APD)(APD1、APD2、APD3……APDn)、波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，简称：WDM)、掺铒光纤放大器(Erbium-doped Optical Fiber Amplifier，简称：EDFA)、准直器以及接收透镜；其中，多个APD分别通过光纤与WDM连接，WDM通过多模光纤与EDFA连接，EDFA与准直器连接；接收透镜通过多模光纤与WDM连接；处理器与APD连接。
实施例二
图3为本发明实施例二提供的光脉冲测距方法的流程图，该方法可以由图1和图2所示的激光雷达来执行，具体包括如下步骤：
步骤101、根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，发射频率小于或等于极限频率，n为自然数；
TOF测距方法中发出去的发射光脉冲和接收到的回波光脉冲必须是成对的才能实现目标物的测距，这就要求激光器发出一个发射光脉冲后必须要在接收到该发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲后才能发射下一个发射光脉冲，否则无法区分回波光脉冲是对应于哪一个发射光脉冲的。因此，要实现远距离的目标测距就要限制发射光脉冲的最大频率(极限频率)，于是形成了目标测距D和极限频率f之间的对应关系：而现实对激光雷达的要求使得激光雷达的重复频率通常是高于极限频率的，这就缩小了激光雷达所能测得的目标物的范围。
本实施例中将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，这样发射频率是重复频率的n分之一，该发射频率是小于或等于极限频率的，因此由此折算出来的发射频率可以满足激光雷达的目标测距。
步骤102、以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，n个脉冲种子光的频率均为发射频率且n个脉冲种子光的波长不同，时间间隔是极限频率对应的周期的n分之一；
图4为本发明实施例二提供的多个脉冲种子光的时序示意图，参照图4，利用波分复用和时分复用的理论，先以相同的时间间隔依次发射n个波长不同但相近的脉冲种子光，该时间间隔是极限频率对应的周期的n分之一，这样n个脉冲种子光的第一个光脉冲全部发出到达下一轮的第一个脉冲种子光的时候正好是一个极限频率对应的周期，将n个脉冲种子光进行波分复用处理形成一个发射光脉冲，合起来看发射光脉冲的频率与重复频率相等，分开看其中每个脉冲种子光的频率与极限频率相等。如此一来，每个脉冲种子光可探测的目标物的距离仍然可达到目标测距，而又不影响激光雷达的高频率需求。
步骤103、接收发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；
发射光脉冲遇到目标物后反射回来被激光雷达接收，激光雷达对回波光脉冲进行波分复用处理，从回波光脉冲中将不同波长的脉冲种子光区分开。
步骤104、对不同波长的脉冲种子光进行分析得到目标物的距离。
由此发射光脉冲带有波长信息，而激光雷达已知发送时刻，同样的，回波光脉冲也带有波长信息，激光雷达也知道接收时刻，这样对于同一波长的脉冲种子光就可以分析得到其遇到的目标物的距离。
本实施例分别将多个频率相同但波长不同却相近的多个脉冲种子光以相同的时间间隔依次发射，再利用WDM让多个脉冲种子光在同一根多模光纤中传播，然后这几个脉冲种子光经过同一个EDFA放大功率，最后通过准直器准直输出发射光脉冲。发射光脉冲遇到目标物后反射回波光脉冲，回波光脉冲经接收透镜汇聚至多模光纤中，再利用WDM将多个不同波长的脉冲种子光通过多个光纤通道分别输回至不同的APD中。处理器根据发射和接收的同一波长的脉冲种子光分析得到目标物的距离。
本实施例，利用波分复用和时分复用突破TOF测距法的极限频率，既可以实现激光雷达的远距离探测，又可以确保激光雷达的高频率，从而保证了激光雷达的性能。
在上述技术方案的基础上，步骤101中的根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，包括：根据公式(1)计算n：
其中，D为目标测距，f为极限频率，Y为重复频率；
根据公式(2)计算发射频率X：
在上述技术方案的基础上，根据公式(3)计算时间间隔T：
在上述技术方案的基础上，步骤104中的对不同波长的脉冲种子光进行分析得到目标物的距离，包括：计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；根据时间差和波长计算目标物的距离。其中，根据时间差和波长计算目标物的距离，包括：根据公式(4)计算目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为波长，X为发射频率，t为时间差。
实施例三
本发明实施例三通过调整APD的个数和发射的脉冲种子光的数量，可以实现任意目标测距，并保证激光雷达的重复频率。APD的个数可以通过以下原则来确定：
若选择2(n＝2)个APD。分别发射波长相近的2个脉冲种子光λ1和λ2(公式(1))，这2个脉冲种子光的发射频率都为(公式(2))。先发射λ1，相隔后λ2，λ1和λ2先后都发射至WDM中，再经过EDFA放大后经准直器发出。发射光脉冲遇到目标物后反射回波光脉冲，回波光脉冲经接收透镜汇聚至多模光纤中，再利用WDM将2个不同波长的脉冲种子光通过2个光纤通道分别输回至2个APD中。发射光脉冲和回波光脉冲都带有波长信息和时刻信息，处理器根据发射和接收的同一波长的脉冲种子光分析得到目标物的距离。实现突破当时的TOF测距法的极限频率。
若选择3(n＝3)个APD。分别发射波长相近的3个脉冲种子光λ1、λ2和λ3(公式(1))，这3个脉冲种子光的发射频率都为(公式(2))。先发射λ1，相隔后发射λ2，再相隔后发射λ3，λ1、λ2和λ3先后都发射至WDM中，再经过EDFA放大后经准直器发出。发射光脉冲遇到目标物后反射回波光脉冲，回波光脉冲经接收透镜汇聚至多模光纤中，再利用WDM将3个不同波长的脉冲种子光通过3个光纤通道分别输回至3个APD中。发射光脉冲和回波光脉冲都带有波长信息和时刻信息，处理器根据发射和接收的同一波长的脉冲种子光分析得到目标物的距离。实现突破当时的TOF测距法的极限频率。
若选择n个APD。分别发射波长相近的n个脉冲种子光λ1、λ2、λ3……λn(公式(1))，这n个脉冲种子光的发射频率都为(公式(2))。先发射λ1，相隔后发射λ2，再相隔后发射λ3，……，最后相隔后发射λn，λ1、λ2、λ3……λn先后都发射至WDM中，再经过EDFA放大后经准直器发出。发射光脉冲遇到目标物后反射回波光脉冲，回波光脉冲经接收透镜汇聚至多模光纤中，再利用WDM将n个不同波长的脉冲种子光通过n个光纤通道分别输回至n个APD中。发射光脉冲和回波光脉冲都带有波长信息和时刻信息，处理器根据发射和接收的同一波长的脉冲种子光分析得到目标物的距离。实现突破当时的TOF测距法的极限频率。106/Y
实施例四
图5和图6为本发明实施例四提供的激光雷达的结构示意图，参照图5和图6，该激光雷达包括：处理器、2个APD、1个WDM、1个EDFA、1个准直器以及1个接收透镜；其中，2个APD分别通过光纤与WDM连接，WDM通过多模光纤与EDFA连接，EDFA与准直器连接；接收透镜通过多模光纤与WDM连接；处理器与2个APD连接。
假设目标测距D为500m，其对应的极限频率f为300KHz，而激光雷达的重复频率Y为600KHz，通过上述公式(1)-(3)计算得到n＝2，X＝300KHz，T＝1.667μs。图7为本发明实施例四提供的2个脉冲种子光的时序示意图，参照图7，先发射波长为λ1，频率为300KHz的脉冲种子光，隔1.667μs后发射波长为λ2，频率为300KHz的脉冲种子光，WDM将2个脉冲种子光进行波分复用，从而发射出带有波长信息和时刻信息的600KHz的发射光脉冲。发射光脉冲遇到目标物后反射回来，回波光脉冲经接收透镜汇聚至多模光纤中(外径100-200μm)，再经过WDM将2个不同波长的脉冲种子光通过2个光纤通道分别输出，通道1输出波长为λ1的脉冲种子光，通道2输出λ2的脉冲种子光，通道1号通过光纤与一个APD对准，通道2号通过光纤与另一个APD对准，因此回波光脉冲也带有波长信息和时刻信息。从而实现500m目标测距且频率为600KHz，保证了激光雷达的性能。
实施例五
图8为本发明实施例五提供的光脉冲测距装置的结构示意图，参照图8，该装置包括：折算模块11、发射模块12、接收模块13和分析模块14，其中，折算模块11，用于根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，所述发射频率小于或等于所述极限频率，n为自然数；发射模块12，用于以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对所述n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，所述n个脉冲种子光的频率均为所述发射频率且所述n个脉冲种子光的波长不同，所述时间间隔是所述极限频率对应的周期的n分之一；接收模块13，用于接收所述发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对所述回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；分析模块14，用于对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离。
在上述技术方案的基础上，所述折算模块11，具体用于根据公式(1)计算n：
其中，D为所述目标测距，f为所述极限频率，Y为所述重复频率；
根据公式(2)计算所述发射频率X：
在上述技术方案的基础上，所述折算模块11，还用于根据公式(3)计算所述时间间隔T：
在上述技术方案的基础上，所述分析模块14，具体用于计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离。
在上述技术方案的基础上，所述分析模块14，具体用于根据公式(4)计算所述目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为所述波长，X为所述发射频率，t为所述时间差。
本发明实施例所提供的光脉冲测距装置可执行本发明任意实施例所提供的光脉冲测距方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例六
本发明实施例六还提供一种包含可执行指令的存储介质，所述可执行指令在由处理器执行时用于执行本发明任意实施例所提供的光脉冲测距方法中的相关操作。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明实施例可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory,ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory,RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明实施例各个实施例所述的方法。
值得注意的是，上述装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明实施例的保护范围。
注意，上述仅为本发明实施例的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明实施例不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明实施例的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明实施例进行了较为详细的说明，但是本发明实施例不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明实施例构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明实施例的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (12)

1.一种光脉冲测距方法，其特征在于，包括：
根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，所述发射频率小于或等于所述极限频率，n为自然数；
以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对所述n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，所述n个脉冲种子光的频率均为所述发射频率且所述n个脉冲种子光的波长不同，所述时间间隔是所述极限频率对应的周期的n分之一；
接收所述发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对所述回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；
对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，包括：
根据公式(1)计算n：
其中，D为所述目标测距，f为所述极限频率，Y为所述重复频率；
根据公式(2)计算所述发射频率X：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
根据公式(3)计算所述时间间隔T：
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离，包括：
计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；
根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离，包括：
根据公式(4)计算所述目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为所述波长，X为所述发射频率，t为所述时间差。
6.一种光脉冲测距装置，其特征在于，包括：
折算模块，用于根据目标测距对应的极限频率将激光雷达的重复频率折算成n个相同的发射频率，所述发射频率小于或等于所述极限频率，n为自然数；
发射模块，用于以相同的时间间隔依次发射n个脉冲种子光，并对所述n个脉冲种子光进行波分复用处理形成发射光脉冲发射出去，所述n个脉冲种子光的频率均为所述发射频率且所述n个脉冲种子光的波长不同，所述时间间隔是所述极限频率对应的周期的n分之一；
接收模块，用于接收所述发射光脉冲遇到目标物后反射回来的回波光脉冲，对所述回波光脉冲进行波分复用处理后获取不同波长的脉冲种子光；
分析模块，用于对所述不同波长的脉冲种子光进行分析得到所述目标物的距离。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述折算模块，具体用于根据公式(1)计算n：
其中，D为所述目标测距，f为所述极限频率，Y为所述重复频率；
根据公式(2)计算所述发射频率X：
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述折算模块，还用于根据公式(3)计算所述时间间隔T：
9.根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于，所述分析模块，具体用于计算同一波长的脉冲种子光的接收时间和发射时间的时间差；根据所述时间差和所述波长计算所述目标物的距离。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述分析模块，具体用于根据公式(4)计算所述目标物的距离d：
其中，c＝λ×X，λ为所述波长，X为所述发射频率，t为所述时间差。
11.一种激光雷达，其特征在于，包括：处理器、多个雪崩光电二极管APD、波分复用器WDM、掺铒光纤放大器EDFA、准直器以及接收透镜；其中，所述多个APD分别通过光纤与所述WDM连接，所述WDM通过多模光纤与所述EDFA连接，所述EDFA与所述准直器连接；所述接收透镜通过多模光纤与所述WDM连接；所述处理器与所述APD连接。
12.一种包含可执行指令的存储介质，其特征在于，所述可执行指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-5中任一所述的光脉冲测距方法。
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