CN109116322B - 一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器。所述激光雷达系统在测量探测目标的位移和距离过程中会产生回光。对此，本回光消除方法一则通过消光装置以主动方式放置或相对移动到探测光程上，周期性地对反射光直接标定完后再移开，以消除探测目标的反射光，进而准连续地消除探测目标反射光对位移和距离测量结果的影响；二是在设定的周期性的标定时间段内，以特殊的不同于正常工作时间所采用的的调制方式对激光器进行调制，将回光信号进行分析处理后，对回光信号进行标定。两种方式都以准连续标定的方式对PIC芯片端面的回光进行消除，以大幅提高系统测量精度和测量速度。

Description

一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法

技术领域

本发明涉及测量领域，尤其涉及一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法。

背景技术

无论是当代的先进汽车、机器人还是无人机，正采用或将采用各类目标探测传感器以保证防撞、导航和自动驾驶的有效实现。在这些传感器里，激光雷达有着其它传感器所不可比拟的优势，如高精度测距，高精度角分辨率，低延时等。飞行时间法(ToF：time offlight)是激光雷达最常用的一种测距方法，比较适合长距离的测量，但距离精度有限。幅度调制相位检测法是另一种用于激光雷达的测距方法，通过特定频率对激光器经进行功率调制，并在接收端比较接收的调制光与发射端调制信号间的相位变化从而计算是目标距离。此方法由于相对较差的信噪比而多适用于静态目标的测量。而另一种测距法，即三角法，则是基于三角视差的原理来测量距离，但基本只适用于短距离应用场景。

此外，相干检测，尤其是调频连续波(FMCW，Frequency Modulated ContinuousWave)测距法,是在近年引起较多关注的一种测距方法。其常规的实现方式是采用线性调频激光器作为发射光源，在接收端通过比较由目标返回的探测光与本地发射光之间的频差就可以计算来回光波的光程时间从而得出目标距离，频差产生的过程也是一个双光场相互干涉产生相干增益的过程，对返回的微弱测量光信号有很强的选择性提升，即提高了信号强度又大大抑制了背景光以及同类设备串扰光的影响。相干检测的过程还可以对回光的相位进行测量，并通过多普勒频移的原理估算目标的运动速度。然而，常规的FMCW测距法对调频激光器的调频范围和调频线性度都有比较高的要求，因而成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，基于两种可具体实施的准连续的回光标定方案，以一种准自适应的方式周期性地对回光进行标定，从而在测量目标位移和距离过程中进行回光消除运算以保持测距/测速的精确性，并解决在测量目标位移和距离过程的回光问题。

第一方面，为达到上述目的，本发明实施例提供一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，其中，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器；在所述激光雷达系统测量探测目标的位移和距离过程中，将消光装置以主动方式放置或相对移动到探测光程上，对反射光标定完后再移开，以消除所述探测目标反射回来的反射光。

在一些实施方式中，所述消光装置安装在所述基于PIC芯片的位移和距离传感器扫描工作角度范围的外侧，在扫描光束经过的短暂时间内对反射光进行标定。

在一些实施方式中，通过光束扫描装置控制所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器的探测光对探测目标进行扫描。

在一些实施方式中，所述光束扫描装置为旋转平台；所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器放置在所述旋转平台上；所述旋转平台旋转带动所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器对探测目标进行扫描。

在一些实施方式中，所述消光装置放置在非扫描角度区域内。

在一些实施方式中，所述光束扫描装置为振镜；所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器发出的探测光照射在所述振镜上；所述振镜通过转动将所述探测光反射后对探测目标进行扫描。

在一些实施方式中，所述消光装置位于所述振镜扫描工作角度范围的外侧。

在一些实施方式中，所述振镜为机械振镜。

在一些实施方式中，可采用转镜或者镜鼓替代所述振镜。

在一些实施方式中，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器是基于PIC芯片的全固态激光雷达模组。

在一些实施方式中，所述基于PIC芯片的全固态激光雷达模组采用全固态光学相控阵。

第二方面，为达到上述目的，本发明实施例还提供了另一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，其特征在于，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器；在周期性的标定时间段内，设定所述基于PIC芯片的位移和距离传感器的调制方式,对PIC芯片的芯片端面的回光进行消除。

在一些实施方式中，所述在周期性的标定时间段内，设定所述基于PIC芯片的位移和距离传感器的调制方式，包括：

在周期性的标定时间段内，设定所述基于PIC芯片的位移和距离传感器的调制方式为线性锯齿波调制。

第三方面，为达到上述目的，本发明实施例还提供了另一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，该回光消除方法包括第一方面及其可能实施的回光消除方法和第二方面及其可能实施的回光消除方法；二者结合可以更好地解决提高激光雷达系统的回光问题，以及更好地提高激光雷达系统的测量精度和测量速度。

本发明实施例提供的一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，采用的两种回光标定的方案，即分别是：

(1)周期性地通过外部回光消光装置直接标定；

(2)周期性地进入回光标定程式，在标定程式中通过特定的调制方式实现回光的间接标定。

方案(1)的基本思路是在正常的激光调制下，周期性地将外部任何探测目标的回光尽量抑制，以准确测定PIC芯片端面回光的真实特性，这一标定过程的计算过程相对简单，而相对复杂的是消光装置与激光光束扫描进程的配合。考虑到PIC芯片端面的回光特性会随外在环境变化以及激光器特性的变化而改变，因此必须周期性地重复回光标定的过程。方案(1)的创新点就是实用的机械消光设计以及与激光光束扫描配合操作操作流程。

与方案(1)不同，方案(2)的基本思路是周期性地在特定的标定时间段内通过设定相应的激光调制方式，在不负担测量工作的情况下，对PIC芯片端面的回光特性进行有效地标定，在这一标定过程中不需要特定的消光装置对外部回光(包括探测目标回光)做消光处理。

针对前述的应用，本文采用的方案以高集成度的制成来实现高精度/小体积/低成本的激光测距/激光雷达产品化。基于PIC(Photonics Integrated Circuit，集成光学光路)平台的特点，该设计采用的是非线性FMCW的测距方案，以实现在精度/体积/成本等方面的综合目标。本发明通过主动回光标定、以及相适应消除算法有效解决这类回光问题。在一个简化的设计方案里，该设计在发射段只需要对半导体激光器(LD)进行小幅度、低频的正弦调制，调制后的激光通过特殊设计的PIC芯片及相应的光学前端发射出去，对探测目前进行照射，从探测目标部分返回的探测激光将反向经过同一光学前端接收并进入到同一个PIC芯片中，在芯片中与本地参考光进行混频后实现全相位检相测量，而在同一PIC芯片中还设计有基于特定延时的鉴频器作为频率与空间尺度的参考。所有检测到的信号将通过多个光电探测器(PD)和其跟随的模数采样电路(ADC)(即光电转换/信号采集和处理电路)进行数字化，并对数字化的信号进行算法处理从而计算出测距距离/目标速度等信息。

总体来讲，基于PIC芯片上的鉴频和检相光路，采用的非线性FMCW测距方案具有以下几个好处：

1)不再需要高度线性的调频激光器，对激光器的要求大大降低。

2)相对低速的频率调制减少了鉴频和检相电路中ADC采样率的要求。

3)检相光路的使用可以用来进行目标物相对运动速度的快速测量，而不仅仅是距离的准确测量。

在上述介绍的非线性FMCW系统里，双工设计(激光发射和接收共用同一套光学前端，所采用的基于PIC芯片的位移和距离传感器中的双工光学前端)是减少系统复杂度、减小体积和成本的重要一环。而双工设计就必须考虑到系统内部回光(即芯片端面的反射光)对系统的影响。由于PIC的芯片端面主要的回光产生源，其回光强度一般在发射光的1％～5％，根据回光强度，该反射光可到达所接收信号强度的10¹～10³倍。理论上，本发明提供的方案具有10^(-5)或更高的测距精度，但最终可实现的测距精度会受到各种端面回光、杂散光的影响而损失测量精度，尤其是由系统内部几个光学界面上所产生的强回光。为提高系统的测量精度/速度，必须采用一定的回光消除机制，因此本发明提供的实施例提供的方案中的回光消除可以通过两个途径来实现：

1)物理消除：在接收信号里提取回光信号的强度信息作为反馈信号并通过芯片上设计的回光消除光路以及相应的回光消除电子线路等物理手段来实现闭环的回光消除回路，以到达减少、消除回光信号的目的。

2)算法消除：通过特定的回光检测程序和数字信号处理等手段，对回光信号的特性作精确的标定，然后在正常检测阶段将标定过的回光信号从总体的接收信号中去除以提高测量精度/速度。

本发明实施例第二方面提供的一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，其所采用的算法消除法可以比较有效地通过间断性回光标定以消除芯片端面回光的影响，实现测量系统的主要功能，进而简化芯片和系统的设计。但是考虑到PIC芯片端面的回光特性会随外在环境变化以及激光器特性的变化而改变，因此必须在测距传感器的工作期间周期性得进行回光特性标定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1为本发明实施例第一方面提供的回光消除方法的应用场景示意图；

图2为采用图1所示的回光消除方法进行回光标定以及回光消除后改善距离测量的波形图；

图3为图1所示的回光消除方法采用旋转平台作为光束扫描装置时的应用场景示意图；

图4为图1所示的回光消除方法采用振镜作为光束扫描装置时的应用场景示意图；

图5为图1所示的回光消除方法采用基于PIC芯片的全固态激光雷达模组作为基于PIC芯片的激光位移和距离传感器时的应用场景示意图；

图6为本发明实施例第二方面提供的回光消除方法中回光标定进程与距离测量进程过程在时间轴上一个周期性交替过程的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

现在根据参考附图详细描述本发明的实施案例。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1示出了本发明实施例第一方面提供的回光消除方法的应用场景示意图。如图1所示，基于PIC芯片的位移和距离传感器10包括PIC芯片20、半导体激光器30、双工光学前端40。PIC芯片20内包括三个主要功能性光路区域：发射光/接收光分离光路21、检相光路22、鉴频光路23。其中，半导体激光器30发射出第一激光(发射光)25。第一激光25在发射光/接收光分离光路21分离为第二激光26-1、本地参考光29-1、本地参考光29-2。第二激光26-1的光束在芯片端面24处进入自由空间，并通过双工光学前端40整形为准直光束(即第三激光)27。准直光束27照射到目标50上。由目标50返回的探测光(即第四激光)28经过双工光学前端40并沿同光程返回到PIC芯片20中成为第五激光26-2。经过发射光/接收光分离光路21后，仅接收光(即第六激光)28-3进入检相光路22与本地参考光29-1共同混频作用后实现检相功能。而进入鉴频光路23的本地参考光29-2则通过延时自相干的作用实现鉴频功能。由检相光路和鉴频光路产生的光信号经由光电转换/信号采集和处理电路36处理后产生所需要的位移和距离信息。

如图1所示，第一激光25在经过发射光/接收光光路后成为第二激光26-1，然后经过芯片端面24，双工光学前端40后形成探测光束(即准直光束)27照射到探测目标50上。在这一激光传播的路径上，会有多个反射点产生不同强度的反射。研究及实施表明，此设计最大的反射源是PIC芯片的芯片端面24，其强度远高于其他反射面上的反射强度，更大于由探测目标50上返回的光信号。为了最大限度地减少由芯片端面24产生的反射对距离测量的影响，需要对其反射特性作一定的标定，并在实时测量时将芯片端面24的反射通过算法去除。

如图1所示，标定芯片端面24回光的方案(1)为可以通过消除探测目标回光28来实现。具体的作法是将特殊设计的消光装置100放置于在探测光束的传播路径上，以消除外界任何探测目标50上反射回来的探测光(接收光)28。理论上消光装置100具有至少50dB以上的消光能力。由于有消光装置100几乎完全消除了外界反射光，系统探测到的信号就只有PIC芯片端面24的反射光。对于应用场景为定点测量的位移和距离传感器，消光装置100可以用主动方式放置或移动到探测光程上，反射光标定完后在移开。

图2示出了回光标定和消光的作用：左上角的典型测量曲线图60显示的测量信号包含有测量目标反射光和本地回光(主要来自PIC芯片端面)：Q通道测量信号61和I通道测量信号62；由于本地回光远大于测量目标反射光，其信号强弱的变化主要由本地回光主导。左下角显示的是消除了测量目标反射光后，只包含本地回光(主要来自PIC芯片端面)的典型测量曲线70，包括I通道本地回光信号71和Q通道本地回光信号72。通过本地回光的标定，就可以在实际目标探测中有效地去除本地回光的影响，获得了更为有效、准确的目标测定数据，见图2中的有效信号曲线80中的Q通道有效信号81、I通道有效信号82。

针对扫描式激光雷达的应用，无论是机械光束扫描还是全固态光学相控阵扫描，都可以选择在特定的扫描位置。在不干扰正常激光测距的情况下，让激光扫描光束经过标定角度区域，照射在消光装置上，在短时间内完成PIC芯片端面24反射光的标定。

如图3所示，图3为图1所示的回光消除方法采用旋转平台作为光束扫描装置时的应用场景示意图。本回光消除方法所应用在的系统，包括基于PIC芯片的位移和距离传感器10-1、消光装置100、旋转平台110；其中，基于PIC芯片的激光位移和距离传感器10-1放置在旋转平台110上，通过旋转平台110的旋转实现最大为360度的周期往复式扫描探测目标1、探测目标2、探测目标N等多个探测目标物体，以周期性的测量，保证标定的准实时更新，补偿时间/环境对回光特性的影响。旋转平台110每一旋转周期经过消光装置100进行回光标定测量，再通过信号处理实现回光标定后的消除。很多应用中只需用270度以下的扫描范围，在这样的系统要求下，消光装置100可以放置在非扫描角度区域内。

如图4所示，图4为图1所示的回光消除方法采用振镜作为光束扫描装置时的应用场景示意图。本回光消除方法所应用在的系统，包括基于PIC芯片的单点激光雷达模组(距离传感器)10-2、消光装置100、振镜120；其中，基于PIC芯片的激光位移和距离传感器(即基于PIC芯片的单点激光雷达模组(距离传感器))10-2的位置固定，其出射的准直光束27-1则经过机械振镜(或其他转镜)120转动实现对探测目标1至探测目标n的扫描。同样，扫描只需要一定角度范围内进行距离探测，故消光装置100可以安装在扫描工作角度范围外侧，在扫描光束经过的短暂时间内进行反射光标定。

如图5所示，图5图1所示的回光消除方法采用基于PIC芯片的全固态激光雷达模组作为基于PIC芯片的激光位移和距离传感器时的应用场景示意图，即采用基于PIC芯片的全固态激光雷达模组10-3和消光装置100构成的激光雷达进行探测目标1至探测目标n的扫描探测。PIC芯片通过光学相控阵(例如全固态光学相控阵)实现光束扫描。其扫描功能类似于机械转镜，同样，故消光装置100也可以安装在扫描工作角度范围外侧，在扫描光束经过的短暂时间内进行反射光标定。

图6为本发明实施例第二方面提供的回光消除方法中回光标定进程与距离测量进程过程在时间轴上一个周期性交替过程的示意图。如图6(a)所示，图6(a)示出了准实时的回光标定的方案(2)：不采用消光装置，仅在周期性的标定时间段210-1、210-2内，通过特定的激光器调制方式,比如图6(b)中示出的有特定时长的线性锯齿波231，来获得有特定时长的了激光功率和频率的线性变化。从而可以获通过接收机ADC获得更稳定、富含端面回光信号的I通道242信号、Q通道241信号，进而在相应的算法计算下，得出更准确的端面回光模型，应用到下一个测量时间段220-1、时间段220-2。这个准实时的标定消光过程可以解释为标定进程与测量进程在时间轴上的一个周期性交替的过程。

此外，本发明实施方式中图1至5中示出的应用方案和图6(a)-6(b)的方案可以结合，以实现对位移和距离激光雷达系统进行更有效的消光处理和测量精度及速度。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (11)

1.一种位移和距离激光雷达系统的回光消除方法，其特征在于，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器（10）；在所述激光雷达系统测量探测目标的位移和距离过程中，周期性地将消光装置（100）以主动方式放置或相对移动到探测光程上，消除探测目标反射回来的反射光，系统探测到的信号只有PIC芯片端面的反射光，对PIC芯片端面的反射光反射特性作标定，标定完后再移开消光装置，在实时测量时将PIC芯片端面的反射从总体的接收信号中去除。

2.根据权利要求1所述的回光消除方法，其特征在于，所述消光装置（100）安装在所述基于PIC芯片的位移和距离传感器扫描工作角度范围的外侧，在扫描光束经过的短暂时间内对PIC芯片端面的反射光进行标定。

3.根据权利要求2所述的回光消除方法，其特征在于，通过光束扫描装置控制所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器（10）的探测光对探测目标进行扫描。

4.根据权利要求3所述的回光消除方法，其特征在于，所述光束扫描装置为旋转平台（110）；所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器（10）放置在所述旋转平台（110）上；所述旋转平台（110）旋转带动所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器（10）对探测目标进行扫描。

5.根据权利要求4所述的回光消除方法，其特征在于，所述消光装置（100）放置在非扫描角度区域内。

6.根据权利要求3所述的回光消除方法，其特征在于，所述光束扫描装置为振镜（120）；所述基于PIC芯片的激光位移和距离传感器（10）发出的探测光照射在所述振镜（120）上；所述振镜（120）通过转动将所述探测光反射后对探测目标进行扫描。

7.根据权利要求6所述的回光消除方法，其特征在于，所述消光装置（100）位于所述振镜（120）扫描工作角度范围的外侧。

8.根据权利要求6所述的回光消除方法，其特征在于，所述振镜（120）为机械振镜。

9.根据权利要求6所述的回光消除方法，其特征在于，可采用转镜或者镜鼓替代所述振镜（120）。

10.根据权利要求1所述的回光消除方法，其特征在于，所述激光雷达系统包括基于PIC芯片的位移和距离传感器（10）是基于PIC芯片的全固态激光雷达模组（10-3）。

11.根据权利要求10所述的回光消除方法，其特征在于，所述基于PIC芯片的全固态激光雷达模组（10-3）采用全固态光学相控阵。

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