CN109946707A - 激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法。上述激光雷达接收装置包括：光接收器件、干涉器件、光电探测器；所述光接收器件，用于通过自由空间将接收到的回波信号耦合至所述干涉器件；所述干涉器件，用于通过自由空间接收与所述回波信号对应的本振信号，将所述回波信号与所述本振信号进行干涉，得到差频信号，并将所述差频信号通过自由空间耦合至所述光电探测器；所述光电探测器，用于对所述差频信号进行光电转换。该激光雷达接收装置降低了接收到的回波信号的耦合损耗，提高了回波信号的能量，使得尽可能多的回波信号与本振信号进行干涉，从而提高了激光雷达系统的信噪比。

Description

激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法

技术领域

本申请涉及激光雷达领域，特别是涉及一种激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法。

背景技术

目前，调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达系统因具有抗干扰能力强、所需要的发射能量较小等优点，已被广泛应用于测距领域中。FMCW激光雷达系统通过发射调频连续波，利用接收到的回波信号和本振信号进行干涉，从而得到测距信息的差频信号，进而利用差频信号进行距离的测算。

传统技术中，FMCW激光雷达系统分别将回波信号和本振信号耦合到光纤中进行干涉，从而产生差频信号。

但是，传统方式会造成回波信号耦合损耗，导致干涉时的回波信号能量较小，从而导致FMCW激光雷达系统的信噪比较低。

发明内容

基于此，有必要针对传统方式会造成回波信号耦合损耗，导致干涉时的回波信号能量较小，从而导致FMCW激光雷达系统的信噪比较低的技术问题，提供一种激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法。

一种激光雷达接收装置，包括：光接收器件、干涉器件、光电探测器；

所述光接收器件，用于通过自由空间将接收到的回波信号耦合至所述干涉器件；

所述干涉器件，用于通过自由空间接收与所述回波信号对应的本振信号，将所述回波信号与所述本振信号进行干涉，得到差频信号，并将所述差频信号通过自由空间耦合至所述光电探测器；

所述光电探测器，用于对所述差频信号进行光电转换。

在其中一个实施例中，所述干涉器件包括薄膜分光器。

在其中一个实施例中，所述薄膜分光器包括透射反射比大于预设阈值的增透膜。

在其中一个实施例中，所述光电探测器包括雪崩光电探测阵列。

在其中一个实施例中，所述装置还包括缩束光阑；所述缩束光阑用于将所述差频信号汇聚到所述光电探测器。

在其中一个实施例中，所述薄膜分光器包括单层薄膜分光器或者多层薄膜分光器。

一种激光雷达发射装置，包括：发射准直器件；所述发射准直器件与激光雷达光源连接；

所述发射准直器件用于耦合所述激光雷达光源输出的调频激光，将所述调频激光作为本振信号，并通过自由空间将所述本振信号耦合至干涉器件，以使所述干涉器件对所述本振信号与回波信号进行干涉；所述回波信号为所述调频激光入射到目标物体后，经过所述目标物体反射回来，并经过光接收器件接收到的信号。

在其中一个实施例中，所述发射准直器件包括准直镜。

一种激光雷达系统，包括如上述实施例所述的激光雷达接收装置，以及如上述实施例所述的激光雷达发射装置。

一种距离的测量方法，包括：

向目标物体发射调频激光；

控制光接收器件通过自由空间将接收到的回波信号耦合至干涉器件；

控制发射准直器件通过自由空间向所述干涉器件传播本振信号；所述本振信号与所述回波信号相对应；

控制干涉器件通过自由空间接收所述回波信号和所述本振信号，并将所述本振信号和所述回波信号进行干涉，得到差频信号；

控制光电探测器对通过自由空间接收到的所述差频信号进行光电转换；

对所述光电转换后的差频信号进行分析，得到当前物体与所述目标物体的距离。

本申请提供的激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法，由于干涉器件是通过自由空间接收回波信号和本振信号，并将通过自由空间接收到的回波信号和本振信号进行相干干涉，这样，便不再需要将回波信号和本振信号耦合到光纤中进行相干干涉。相比传统技术，降低了接收到的回波信号的耦合损耗，提高了回波信号的能量，使得尽可能多的回波信号与本振信号进行干涉，从而提高了激光雷达系统的信噪比。

附图说明

图1为一实施例提供的激光雷达接收装置结构示意图；

图2为一实施例提供的激光雷达发射装置结构示意图；

图3为一实施例提供的激光雷达系统结构示意图；

图4为另一实施例提供的激光雷达系统结构示意图；

图5为一实施例提供的距离的测量方法流程示意图。

附图标记说明：

10：光接收器件； 11：干涉器件； 12：光电探测器；

20：发射准直器件； 30：激光雷达光源； 31：激光雷达发射装置；

32：激光雷达接收装置； 33：校正装置； 34：数字处理电路；

35：第三耦合器； 301：调频激光器； 302：光隔离器；

311：第一耦合器； 312：准直镜； 313：光发射器件；

322：薄膜分光器； 323：缩束光阑； 324：雪崩光电探测阵列；

331：第二耦合器； 332：马赫曾德尔干涉仪； 333：第四耦合器；

334：平衡探测器； 341：模数转换器； 342：信号分析单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，通过下述实施例并结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1为一实施例提供的激光雷达接收装置结构示意图。如图1所示，该装置可以包括：光接收器件10、干涉器件11和光电探测器12。光接收器件10，用于通过自由空间将接收到的回波信号耦合至干涉器件11；干涉器件11，用于通过自由空间接收与回波信号对应的本振信号，将回波信号与本振信号进行干涉，得到差频信号，并将差频信号通过自由空间耦合至光电探测器12；光电探测器12，用于对差频信号进行光电转换。

具体的，激光雷达系统中的光发射器件向目标物体发射调频激光，待调频激光触碰目标物体后，会形成反射光信号或散射光信号。从目标物体上反射或散射的光信号被光接收器件10接收后，得到与调频激光对应的回波信号。接着，光接收器件10将接收到的回波信号通过自由空间耦合到干涉器件11。其中，光接收器件10为接收反射光信号或散射光信号所需的器件，其可以为接收透镜。上述自由空间指的是光接收器件10与干涉器件11之间存在的空间。

干涉器件11一方面接收通过自由空间传播的回波信号，另一方面接收通过自由空间传播的与回波信号对应的本振信号，并将接收到的回波信号与本振信号进行相干干涉，得到差频信号。其中，干涉器件11通过自由空间接收本振信号，该处所述的自由空间指的是产生本振信号的发射准直器件20与干涉器件11之间存在的空间。可选的，干涉器件11为薄膜分光器，该薄膜分光器为透射反射比大于预设阈值的增透膜。可选的，薄膜分光器为单层薄膜分光器或者多层薄膜分光器。以干涉器件11为薄膜分光器为例，光接收器件10接收回波信号，并通过自由空间将接收到的回波信号传播到薄膜分光器上，从而在薄膜分光器上形成一个光斑。同时，薄膜分光器通过自由空间接收与回波信号对应的本振信号，从而本振信号在薄膜分光器上也形成了一个光斑，回波信号在薄膜分光器上形成的光斑与本振信号在薄膜分光器上形成的光斑大小基本一致。接着，薄膜分光器将回波信号与本振信号进行相干干涉，得到差频信号，将得到的差频信号通过自由空间传播到光电探测器12上。

光电探测器12通过自由空间接收干涉器件11传播的差频信号，并对差频信号进行光电转换，并将光电转换后的差频信号输入至数字处理电路，以对携带距离信息的差频信号进行分析。其中，光电探测器12可以为能够通过自由空间接收差频信号，并能够对差频信号进行光电转换的器件，该处所述的自由空间指的是干涉器件11与光电探测器12之间存在的空间。在一个实施例中，光电探测器12可以包括雪崩光电探测阵列。可选的，激光雷达接收装置还可以包括缩束光阑，此时，缩束光阑通过自由空间接收干涉器件11传播的差频信号，并将接收到的差频信号汇聚到雪崩光电探测阵列的光敏面上。雪崩光电探测阵列对接收的差频信号光电转换，并将光电转换后的差频信号传输至数字处理电路中。

本实施例提供的激光雷达接收装置，由于干涉器件是通过自由空间接收回波信号和本振信号，并将通过自由空间接收到的回波信号和本振信号进行相干干涉，这样，便不再需要将回波信号和本振信号耦合到光纤中进行相干干涉。相比传统技术，降低了回波信号的耦合损耗，提高了回波信号的能量，使得尽可能多的回波信号与本振信号进行干涉，从而提高了激光雷达系统的信噪比。另外，当干涉器件采用薄膜分光器时，由于采用的薄膜分光器的透射反射比较高，因此，能够提高回波信号的能量，从而进一步提高了激光雷达系统的信噪比。

图2为一实施例提供的激光雷达发射装置，该装置可以包括：发射准直器件20；发射准直器件20与激光雷达光源连接；发射准直器件20用于耦合激光雷达光源输出的调频激光，将调频激光作为本振信号，并通过自由空间将本振信号耦合至干涉器件11，以使干涉器件11对本振信号与回波信号进行干涉；回波信号为调频激光入射到目标物体后，经过目标物体反射回来，并经过光接收器件10接收到的信号。

具体的，激光雷达光源用于产生随时间变化的调频激光，并将产生的调频激光通过耦合器耦合到发射准直器件20上。激光雷达光源可以为半导体激光器、调频激光器。然后，发射准直器件20将耦合到的调频激光作为本振信号，通过自由空间传播到干涉器件11上，从而在干涉器件11上对接收到的本振信号和回波信号进行相干干涉。其中，发射准直器件20将本振信号通过自由空间传播到干涉器件11，该处所述的自由空间指的是产生本振信号的发射准直器件20与干涉器件11之间存在的空间。该回波信号与本振信号相对应，其为调频激光入射到目标物体后，经过目标物体反射回来，并经过光接收器件10接收到的信号，是干涉器件11通过自由空间接收到的。

可选的，发射准直器件20包括准直镜，该准直镜可以为光纤准直镜，也可以为其它类型的准直镜。准直镜能够将从耦合器耦合到的调频激光进行准直，并将准直后的调频激光作为本振信号发射出去，从而在干涉器件11上形成一个光斑。该光斑的大小与回波信号在干涉器件11上形成的光斑大小基本一致，从而便于信号的相干干涉。

本实施例提供的激光雷达发射装置，由于激光雷达发射装置中的发射准直器件能够通过自由空间向干涉器件传输本振信号，使得干涉器件能够对通过自由空间接收到的本振信号和回波信号进行相干干涉，这样，便不再需要将本振信号耦合到光纤中与回波信号进行相干干涉。相比传统技术，降低了回波信号的耦合损耗，提高了回波信号的能量，使得尽可能多的回波信号与本振信号进行干涉，从而提高了激光雷达系统的信噪比。

图3为一实施例提供的激光雷达系统，该系统可以包括如上述实施例所述的激光雷达接收装置，以及如上述实施例所述的激光雷达发射装置。

在一个实施例中，还提供如图4所示的激光雷达系统，该系统可以包括激光雷达光源30、激光雷达发射装置31、激光雷达接收装置32、校正装置33和数字处理电路34。激光雷达光源30包括调频激光器301和光隔离器302。激光雷达发射装置31包括第一耦合器311、准直镜312和光发射器件313。激光雷达接收装置32包括光接收器件10、薄膜分光器322、缩束光阑323和雪崩光电探测阵列324。数字处理电路34包括模数转换器341和信号分析单元342。校正装置33包括第二耦合器331、马赫曾德尔干涉仪332、第四耦合器333和平衡探测器334。

在上述系统工作时，调频激光器301产生随时间变化的调频激光，经过光隔离器302的隔离以及第三耦合器35(该第三耦合器35可以为99:1的耦合器)的分光，使99％的调频激光进入激光雷达发射装置31，使1％的调频激光进入校正装置33。一方面，进入激光雷达发射装置31的调频激光，经过第一耦合器311的分光，99％的调频激光经过光发射器件313发射至目标物体上，1％的调频激光经过准直镜312发射至薄膜分光器322上，作为相干干涉时的本振信号。光接收器件10将接收到的回波信号传播到薄膜分光器322上。薄膜分光器322将接收到的本振信号和回波信号进行干涉，得到差频信号，并将得到的差频信号传播到缩束光阑323。缩束光阑323将差频信号会聚到雪崩光电探测阵列324的光敏面上。雪崩光电探测阵列324对差频信号进行光电转换，并将光电转换后的差频信号输入至模数转换器341。模数转换器341对光电转换后的差频信号进行模数转换，并将模数转换后的差频信号输入至信号分析单元342，以使信号分析单元342对模数转换后的差频信号进行分析，从而得到当前物体与目标物体之间的距离。

另一方面，进入校正装置33的调频激光，经过第二耦合器331的分光，分路的光信号进入马赫曾德尔干涉仪332，再经过第四耦合器333的汇合相干，以及经过平衡探测器334的光电转换，得到中频信号。该中频信号可以用来对调频激光器301的调制电流或电压进行非线性校正，以使调频激光器301发射出满足需求的线性调频激光。

当然，该系统不仅可以用来进行距离测算，还可以用来进行定位以及测速等。

图5为一实施例提供的距离的测量方法流程示意图。如图5所示，该方法可以包括：

S101、向目标物体发射调频激光。

S102、控制光接收器件通过自由空间将接收到的回波信号耦合至干涉器件。S103、控制发射准直器件通过自由空间向所述干涉器件传播本振信号；所述本振信号与所述回波信号相对应。

S104、控制干涉器件通过自由空间接收所述回波信号和所述本振信号，并将所述本振信号和所述回波信号进行干涉，得到差频信号。

S105、控制光电探测器对通过自由空间接收到的所述差频信号进行光电转换。

S106、对所述光电转换后的差频信号进行分析，得到当前物体与所述目标物体的距离。

关于上述方法的具体描述可以参照上述激光雷达发射装置、激光雷达接收装置以及激光雷达系统中的描述，本实施例在此不再赘述。

本实施例提供的距离测量方法，由于在距离的测量过程中，控制干涉器件通过自由空间接收回波信号和本振信号，并在干涉器件上对接收到的回波信号和本振信号进行相干干涉，这样，便不再需要将回波信号和本振信号耦合到光纤中进行相干干涉。相比传统技术，降低了回波信号的耦合损耗，提高了回波信号的能量，使得尽可能多的回波信号与本振信号进行干涉，从而提高了激光雷达系统的信噪比。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种激光雷达接收装置，其特征在于，包括：光接收器件、干涉器件、光电探测器；

所述光接收器件，用于通过自由空间将接收到的回波信号耦合至所述干涉器件；

所述干涉器件，用于通过自由空间接收与所述回波信号对应的本振信号，将所述回波信号与所述本振信号进行干涉，得到差频信号，并将所述差频信号通过自由空间耦合至所述光电探测器；所述光电探测器，用于对所述差频信号进行光电转换。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干涉器件包括薄膜分光器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述薄膜分光器包括透射反射比大于预设阈值的增透膜。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电探测器包括雪崩光电探测阵列。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括缩束光阑；所述缩束光阑用于将所述差频信号汇聚到所述光电探测器。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述薄膜分光器包括单层薄膜分光器或者多层薄膜分光器。

7.一种激光雷达发射装置，其特征在于，包括：发射准直器件；所述发射准直器件与激光雷达光源连接；

所述发射准直器件用于耦合所述激光雷达光源输出的调频激光，将所述调频激光作为本振信号，并通过自由空间将所述本振信号耦合至干涉器件，以使所述干涉器件对所述本振信号与回波信号进行干涉；所述回波信号为所述调频激光入射到目标物体后，经过所述目标物体反射回来，并经过光接收器件接收到的信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述发射准直器件包括准直镜。

9.一种激光雷达系统，其特征在于，包括如权利要求1至6中的任一项所述的激光雷达接收装置，以及如权利要求7或8所述的激光雷达发射装置。

10.一种距离的测量方法，其特征在于，包括：

向目标物体发射调频激光；

控制光接收器件通过自由空间将接收到的回波信号耦合至干涉器件；

控制发射准直器件通过自由空间向所述干涉器件传播本振信号；所述本振信号与所述回波信号相对应；

控制干涉器件通过自由空间接收所述回波信号和所述本振信号，并将所述本振信号和所述回波信号进行干涉，得到差频信号；

控制光电探测器对通过自由空间接收到的所述差频信号进行光电转换；

对所述光电转换后的差频信号进行分析，得到当前物体与所述目标物体的距离。