CN110133616B - 一种激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光雷达系统。激光雷达系统包括发射模块、接收光学系统、本振光学系统、相干模块和接收模块。发射模块出射第一激光信号和第二激光信号，其中第一激光信号向外出射至探测区域，第二激光信号作为本振光信号。接收光学系统接收反射激光信号，并将反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，其中反射激光信号为第一激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号。本振光学系统将第二激光信号分为M×N束本振光子信号。相干模块将M×N束本振光子信号和M×N束反射激光子信号依次对应后输入相干模块，干涉后得到差频信号。接收模块接收差频信号，并根据差频信号得到探测区域内的物体的距离和速度。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是通过发射特定波长和方向的激光以实现对目标的位置、速度等特征信息探测的系统，目前已被广泛应用于测距系统、低飞目标的跟踪测量、武器制导、大气监测、测绘、预警、交通管理等领域。

按照激光雷达的激光光束控制方法的不同，现有的激光雷达大致可以分为四类。第一类是传统的机械式多线激光雷达，主要采用某种机械元件使激光雷达自身或部分组件高速旋转，从而实现对探测空间的特定扫描，这类雷达的优点是设计简单成本低，缺点是扫描精度受到机械精度、振动耦合等影响且使用寿命不长，体积较大、笨重。第二类是相控阵激光雷达，使保持激光雷达系统静止或相对静止，通过改变出射激光的波前而使光束方向发生改变，从而实现在空间一定范围内的光束扫描，属于一种固态激光雷达，由于没有机械运动，系统精度和寿命都大大提高，但缺点是扫描范围有限，扫描速度较低。第三类利用MEMS振镜实现光束的空间扫描的激光雷达，也是固态激光雷达的一种，优点是体积小、功耗低，缺点是仍存在机械运动,加工工艺复杂、难度高。第四类是Flash(闪光)雷达，它属于一种非扫描式雷达，通过脉冲或连续波捕获整个场景，而非用激光束逐点扫描。由于其发射系统没有机械运动，能够快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种干扰。

目前Flash雷达系统的接收端一般采用像素阵列接收反射激光信号，而像素阵列易受外界环境背景光或杂散信号光的影响，导致信噪比较差，探测精度较低、测量距离有限。

发明内容

基于此，有必要针对传统雷达系统中探测精度低以及抗干扰能力差的问题，提供一种激光雷达系统。

本发明提供了一种激光雷达系统，包括：

发射模块，出射第一激光信号和第二激光信号，其中所述第一激光信号向外出射至探测区域，所述第二激光信号作为本振光信号；

接收光学系统，接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，其中所述反射激光信号为所述第一激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号；

本振光学系统，将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号；

相干模块，将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块，干涉后得到差频信号；以及

接收模块，接收所述差频信号，并根据所述差频信号得到所述探测区域内的物体的距离和速度。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括传输模块，所述传输模块用于将M×N束所述反射激光子信号传递至所述相干模块。

在其中一个实施例中，所述传输模块包括M×N个单模光纤或M×N个接收天线，每束所述反射激光子信号对应一个所述单模光纤或所述接收天线。

在其中一个实施例中，所述相干模块包括M×N个光相干器，每束所述反射激光子信号分别输入对应的每个所述光相干器。

在其中一个实施例中，所述接收模块包括M×N个接收器，所述接收器和所述光相干器对应设置。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括滤波器阵列，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器和所述接收器对应设置，所述滤波器用于去除所述接收模块输出的接收信号中的直流共模信号和高频噪声信号。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括发射光学系统，用于将所述第一激光信号向外出射至所述探测区域。

在其中一个实施例中，所述本振光学系统包括光耦合镜和第二光分束器，所述光耦合镜将所述第二激光信号耦合进入所述第二光分束器，所述第二光分束器将所述第二激光信号分为M×N束所述本振光子信号。

在其中一个实施例中，所述本振光学系统还包括光隔离器，所述光隔离器设置于所述光耦合镜和所述第二光分束器之间，使所述第二激光信号由所述光耦合镜单向传输至所述第二光分束器。

在其中一个实施例中，所述接收光学系统包括接收镜和透镜阵列，所述透镜阵列包括M×N个微透镜，所述透镜阵列将所述接收镜接收的所述反射激光信号分为M×N束。

在其中一个实施例中，所述发射模块包括激光器和调制器，所述激光器为可调谐激光器发射频率可变的调谐激光，所述调制器对所述激光器发射的激光调频。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括成像阵列，用于接收所述接收模块输出的接收信号，并根据所述接收信号得到所述探测区域的灰度信息进行成像。

上述激光雷达系统中，通过所述接收光学系统接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，每一束所述反射激光子信号对应于所述探测区域内的一特定视场，通过本振光学系统将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号，然后由相干模块将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块，得到所述差频信号，每个所述差频信号由所述接收模块接收。接收光学系统将接收的反射激光信号分为M×N束，每束反射激光子信号分别与对应的本振光子信号在相干模块内干涉，避免了环境光对干涉效果的影响，改善系统的探测性能和精度；另外，干涉后得到M×N束差频信号，分别由接收模块的接收器阵列接收，提高接收模块的接收效率，减少了射向接收器间隙处、没有被探测到的反射光信号，提高了探测性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种激光雷达系统的结构示意图；

图3为被探测物体处于静态时的测距的基本原理示意图；

图4为被探测物体处于动态时的测距的基本原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参见图1和图2，本发明实施例提供了一种激光雷达系统，所述激光雷达系统包括发射模块100、接收光学系统200、本振光学系统300、相干模块400和接收模块500。

所述发射模块100出射第一激光信号和第二激光信号，其中所述第一激光信号向外出射至探测区域，所述第二激光信号作为本振光信号。本实施例中，所述第一激光信号和所述第二激光信号均为调频连续波激光信号，且所述第一激光信号和所述第二激光信号具有相同的周期、相位、振幅和频率。在一个实施例中，发射模块100包括激光器110和调制器120，所述激光器110为可调谐激光器，发射频率可变的调谐激光，所述调制器120对所述激光器100发射的激光调频，形成调频连续波激光信号。此外，由于调频连续波激光信号携带的信息主要为频率信息，通过对本振光子信号和反射激光子信号可得到差频信号，进而确定探测区域内的物体的速度和距离，不需要较高的出射功率，有利于降低激光雷达系统成本，提高激光雷达的探测距离。

所述接收光学系统200接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，其中所述反射激光信号为所述第一激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号。本实施例中，通过所述接收光学系统200将所述反射激光信号分为M×N束所述反射激光子信号，可使得所述反射激光子信号分别与对应的本振光子信号在相干模块内干涉，避免了环境光对干涉效果的影响，改善系统的探测性能和精度。另外，干涉后得到M×N束差频信号，分别由接收模块的接收器阵列接收，提高接收效率，提高探测性能。

所述本振光学系统300将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号。本实施例中所述M×N束本振光子信号分别与反射激光子信号一一对应，分别对每一束反射激光子信号和与之对应的本振光子信号发生干涉。

所述相干模块400将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块400，干涉后得到差频信号。在其中一个实施例中，所述相干模块400包括M×N个光相干器，每一光相干器接收一所述反射激光子信号和与该射激光子信号对应的所述本振光子信号，并对二者进行干涉处理，得到所述差频信号，避免了环境光及杂散信号对干涉效果的影响。本实施例中所述相干模块400由所述M×N个光相干器阵列组成，每一个光相干器形成一个特定接收区域。

具体设计中，所述相干模块400可以是3dB耦合器阵列。3dB耦合器即50:50耦合器，它可以将任意一个输入端的光信号均匀的分配给两个输出端或者输出两个输入信号耦合后一半能量的信号，被分束后的光信号的中心波长保持不变。此外，所述相干模块400也可以是干涉仪阵列。由于马赫-曾德尔干涉仪具有测量精度高、速度快，稳定性好等优点，因此可采用马赫-曾德尔干涉仪形成所述干涉仪阵列。需指出的是，所述干涉仪阵列还可以采用其它类型的干涉仪形成，本说明书并不对所述干涉仪的类型进行限定。

所述接收模块500接收所述差频信号，并根据所述差频信号得到所述探测区域内的物体的距离和速度。在其中一个实施例中，所述接收模块500包括M×N个接收器，所述接收器和所述光相干器对应设置，每一所述接收器接收与之对应的光相干器输出的差频信号，即每个所述接收器对应接收一个所述光相干器输出的所述差频信号，并根据所述差频信号得到所述探测区域内的物体的距离和速度。

可以理解，通过所述接收光学系统200接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，每一束所述反射激光子信号对应于所述探测区域内的一特定视场，通过本振光学系统300将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号，然后由相干模块400将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块400，即对每一束反射激光子信号与对应的本振光子信号进行干涉处理，得到所述差频信号。由于通过所述接收光学系统200将所述反射激光信号分为M×N束所述反射激光子信号，可使得所述反射激光子信号分别与对应的本振光子信号在相干模块400内干涉，避免了环境光对干涉效果的影响，改善系统的探测性能和精度。另外，干涉后得到M×N束差频信号，分别由接收模块的接收器阵列接收，提高接收效率，提高探测性能。

基于调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)的激光雷达系统，其基本工作原理是通过一次性地出射脉冲或连续波捕获整个探测视场，探测器阵列接收视场内不同方向的反射激光信号，得到距离、速度和灰度信息。由于所述调频连续波激光光束携带的信号主要为频率信息，通过对反射激光信号以及本振光信号相干得到差频信号。为提高探测精度，探测信号和本振信号应具有相同的特性。基于此，在其中一个实施例中，所述发射模块100包括激光器110、调制器120和第一光分束器130。

所述激光器110用于出射预设波长的激光光束。所述调制器120用于对所述预设波长的激光光束进行线性调制，以出射所述调频连续波激光光束。所述第一光分束器130将所述激光器110出射的激光光束分成所述第一激光信号和所述第二激光信号。由第一光分束器130分束得到的第一激光信号和所述第二激光信号具有相同的光学特性，可避免因出射至探测区域中激光信号与本振信号的光学特性不同所导致的误差，有利于提高测量精确度。本实施例中，由于所述调频连续波激光光束携带的信号主要为频率信息，通过对反射激光信号以及本振光信号相干得到差频信号，不需要较高的出射功率，有利于降低激光雷达系统成本。其次，所述调频连续波信号为扫频连续信号，与杂光串扰信号的频率均不相同，具有良好的抗干扰性能。

在其中一个实施例中，所述发射模块100包括两个激光器110和两个调制器120，通过所述调制器120对两个所述激光器110进行同时调制，利用其中一个激光器110出射的激光向外出射至探测区域，利用另一个激光器110出射的激光信号作为本振光信号。

所述激光雷达系统还包括发射光学系统800，用于将所述第一激光信号向外出射至所述探测区域。本实施例中，由所述第一光分束器130分束得到的用于作为探测激光的第一激光信号首先入射到所述发射光学系统800，再由所述发射光学系统800向外出射至所述探测区域。

在其中一个实施例中，所述接收光学系统200包括接收镜和透镜阵列，所述透镜阵列包括M×N个微透镜，所述透镜阵列将所述接收镜接收的所述反射激光信号分为M×N束。本实施例中，通过所述接收镜将所述第一激光信号被探测区域内的物体反射产生的反射激光信号进行汇聚，然后再通过所述微透镜阵列将汇聚后的反射激光信号分成M×N束反射激光子信号。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括传输模块600，所述传输模块600用于将M×N束所述反射激光子信号传递至所述相干模块400。本实施例中，利用所述传输模块600将M×N束所述反射激光子信号分别传递至所述相干模块400的M×N个光相干器，使得所述反射激光子信号分别与对应的本振光子信号在光相干器内发生干涉。

在其中一个实施例中，所述传输模块600包括M×N个单模光纤，每束所述反射激光子信号对应一个所述单模光纤，通过所述单模光纤进行传输。

可以理解，所述单模光纤的中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。所以通过所述单模光纤仅允许处于所述谱宽范围内的中频信号进行传输，而滤掉处于谱宽之外的高频信号和低频信号，因此所述反射激光子信号在通过所述单模光纤时进行滤波处理，有助于滤除杂散光等外界噪声信号。

在其中一个实施例中，所述传输模块600包括M×N个接收天线，每束所述反射激光子信号对应一个所述接收天线，通过所述接收天线进行传输。本实施例中，所述接收天线为被动式光学天线，通过M×N个所述接收天线将探测区域中的反射激光信号汇聚于特定的光学天线上，每一接收天线类似于一个方位可调节的相控阵元件，接收探测区域内的反射激光信号，即每一接收天线接收并传递一束所述反射激光子信号给光相干器。一般的，为了提高能量接收效率，可使用多个光学天线组成一个天线接收阵列，利用天线阵列接收反射激光信号。

在其中一个实施例中，所述本振光学系统300包括光耦合镜310和第二光分束器320，所述光耦合镜310将所述第二激光信号耦合进入所述第二光分束器320，所述第二光分束器320将所述第二激光信号分为M×N束所述本振光子信号，并提供给所述光相干器。

在其中一个实施例中，所述本振光学系统300还包括光隔离器330，所述光隔离器设置于所述光耦合镜310和所述光第二光分束器320之间，使所述第二激光信号由所述光耦合镜310单向传输至所述第二光分束器320。本实施例中，通过所述光隔离器330保证所述第二激光信号由所述光耦合镜310单向传输至所述第二光分束器320，避免所述第二激光反射至发射模组，损坏光路系统。

可以理解，每一所述光相干器接收与之对应的单模光纤/接收天线传递的反射激光子信号，同时接收所述第二光分束器传递的与所述光相干器对应的所述本振光子信号，然后所述反射激光子信号和所述本振光子信号在所述光相干器内发生干涉，获得干涉后的所述差频信号。在其中一个实施例中，所述光相干器具体可以是光耦合器，也可以是光干涉仪，利用耦合器和干涉仪，均可将反射激光子信号和与之对应的本振光子信号进行干涉，得到所述差频信号。

在其中一个实施例中，所述接收器可以是光电二极管，也可以是平衡探测器，利用光电二极管或平衡探测器，均可以接收所述差频信号，并将该差频信号转化为电信号，即为所述接收器输出的接收信号，根据该接收信号可以解算出物体的速度距离信号和灰度信息。

其中，当采用二极管作为接收器时，一般利用APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)，主要是利用雪崩二极管还可对所述差频信号进行放大，以提高检测的灵敏度。在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括滤波器阵列700，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器和所述接收器对应设置，所述滤波器用于去除所述接收模块输出的接收信号中的直流共模信号和高频噪声信号，提高所述接收信号的信噪比。

在其中一个实施例中个，所述激光雷达系统还包括成像模块900，用于接收所述接收模块500输出的接收信号，并根据所述接收信号得到所述探测区域的灰度信息进行成像。本实施例中，所述成像模块900包括M×N个图像传感器，所述图像传感器与所述滤波器一一对应，接收所述接收信号并解算出的灰度信息，以及根据所述灰度信息确定并输出图像信息。

为了更好地体现本实施例中的激光雷达系统的优点，下面结合激光雷达系统的具体工作原理过程来进行说明：

基于调频连续波模式的激光雷达系统，是利用连续频谱的差频与时延的关系计算出目标的绝对距离，请参见图3，图3位为被探测区域内的物体与雷达相对静止时发射信号、接收信号以及差频信号的频率与时间的相关曲线。横轴代表时间，纵坐标代表信号的频率值，虚线为接收信号，实线为发射信号，分别对应本发明实施例中的反射激光信号和本振光信号。

假设经历了时间τ的延迟后产生了△f的差频，其绝对距离R与延时的关系为

其中c为光速，根据几何关系有

因此雷达测量的绝对距离R可以表示为：

其中，所述T为所述激光光束的发射周期。

从上述绝对距离R的表达式中可以看出，只要得到差频信号的差频，就可以结算目标物体的距离信息。

当目标与雷达之间存在相对运动时，利用调频连续波原理得到的所述差频信号中包含距离和速度信息的缠绕，得到差频后再利用多普勒频移效应就可以计算出目标的速度，请参见图4。图4位为探测区域内的物体与雷达相对运动时发射信号、接收信号以及差频信号的差频与时间的相关曲线。横轴代表时间，纵坐标代表信号的频率值，虚线为接收信号，实线为发射信号，分别对应本发明实施例中的反射激光信号和本振光信号。

根据多普勒频移效应的基本原理，多普勒移频Δf_Dopp与目标的瞬时速度v和激光光束的发射频率f₀的关系如下：

Δf_{Diff_down}+Δf_{Diff_up}＝2Δf_Dopp

Δf_{Diff_down}-Δf_{Diff_up}＝2Δf

其中，所述α为所述被探测区域内的物体相对于所述激光雷达系统指向的夹角。

根据上述关系，对运动物体的测量信息分析后可以计算出物体实际的多普勒频移，再利用多普勒频移与运动速度的关系就可以能得到被探测区域内的物体的相对速度(目标相对于雷达指向的夹角为α)。

上述激光雷达系统中，通过所述接收光学系统200接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，每一束所述反射激光子信号对应于所述探测区域内的一特定视场，通过本振光学系统300将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号，然后由相干模块400将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块，得到所述差频信号，每个所述差频信号由所述接收模块500接收。接收光学系统200将接收的反射激光信号分为M×N束，每束反射激光子信号分别与对应的本振光子信号在相干模块内干涉，避免了环境光对干涉效果的影响，改善系统的探测性能和精度；另外，干涉后得到M×N束差频信号，分别由接收模块的接收器阵列接收，提高接收模块的接收效率，减少了射向接收器间隙处、没有被探测到的反射光信号，提高了探测性能。

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

Claims (9)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

发射模块，出射第一激光信号和第二激光信号，其中所述第一激光信号向外出射至探测区域，所述第二激光信号作为本振光信号；

接收光学系统，接收反射激光信号，并将所述反射激光信号分为M×N束反射激光子信号，其中所述反射激光信号为所述第一激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号；

本振光学系统，将所述第二激光信号分为M×N束本振光子信号；

相干模块，将M×N束所述本振光子信号和M×N束所述反射激光子信号依次对应后输入所述相干模块，干涉后得到差频信号；

所述相干模块包括M×N个光相干器，每束所述反射激光子信号分别输入对应的每个所述光相干器；以及

接收模块，接收所述差频信号，并根据所述差频信号得到所述探测区域内的物体的距离和速度。

2.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括传输模块，所述传输模块用于将M×N束所述反射激光子信号传递至所述相干模块。

3.如权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述传输模块包括M×N个单模光纤或M×N个接收天线，每束所述反射激光子信号对应一个所述单模光纤或所述接收天线。

4.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收模块包括M×N个接收器，所述接收器和所述光相干器对应设置。

5.如权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括滤波器阵列，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器和所述接收器对应设置，所述滤波器用于去除所述接收模块输出的接收信号中的直流共模信号和高频噪声信号。

6.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述本振光学系统包括光耦合镜和第二光分束器，所述光耦合镜将所述第二激光信号耦合进入所述第二光分束器，所述第二光分束器将所述第二激光信号分为M×N束所述本振光子信号。

7.如权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述本振光学系统还包括光隔离器，所述光隔离器设置于所述光耦合镜和所述第二光分束器之间，使所述第二激光信号由所述光耦合镜单向传输至所述第二光分束器。

8.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收光学系统包括接收镜和透镜阵列，所述透镜阵列包括M×N个微透镜，所述透镜阵列将所述接收镜接收的所述反射激光信号分为M×N束。

9.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括发射光学系统，用于将所述第一激光信号向外出射至所述探测区域。

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