CN110133617A - 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、发射光学系统、探测模块和信号处理模块。发射模块产生啁啾调幅连续波的出射激光信号，并出射。发射光学系统对所述出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的所述出射激光信号均匀照亮整个探测区域。探测模块接收发射模块发送的啁啾调幅连续波的所述出射激光信号中的载波信号，同时接收反射激光信号，将反射激光信号转化为反射电信号，并将反射电信号和载波信号混频后获得差频信号，其中反射激光信号为出射激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号。信号处理模块接收差频信号，并根据差频信号计算出探测区域内的物体的绝对距离和速度。

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。

按照激光雷达的测距原理的不同，现有的激光雷达测距原理主要可以分为三大类。第一种是基于飞行时间的脉冲测距，光源出射一定脉宽和波形的非连续脉冲信号，探测器(阵列)接收到被探测物体的散射回波后通过计算脉冲时延，得到距离信息。优点是原理简单，理论上可探测距离较远；缺点是往往需要较高的激光发射功率，致使系统成本较高，且测试过程总不可避免的存在系统和非系统误差，限制了测试精度的提高。第二种是基于连续波调幅测距，通过发射一束照明光，利用发射光波信号与反射光波信号的相位变化来进行距离测量。该方法的优点测距精度高，可以直接得到深度信息且抗干扰能力强，对光源的要求也相对较低，不需要短时高强度脉冲，可以采用不同类型的光源，运用不同的调制方法。该技术的缺点是需要多次采样积分，测量时间长，限制了相机的帧率，同时对运动物体的测量可能会模糊，测试精度不高。第三种是基于连续波调频测距原理，按照调制载波的种类不同分为调制光频和调制载波。频率调制连续波(FMCW)激光雷达的光源通过发出连续波的、调制成频率线性变化的调频信号，再通过与本机震荡发射激光的反射激光信号所产生的差频信号，计算出目标的实际距离。这类方法的优点是测距精度高，对光源的功率要求低，理论上可以得到探测目标的速度信息等；缺点是系统对光路的准确性要求很高、调整困难，系统效率较低。

闪光(Flash)雷达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。传统的Flash雷达系统是基于飞行时间测距原理的，往往需要较高的激光发射功率，致使系统成本较高。且Flash激光雷达设计时，不考虑对发射光束进行分束，通常采用离焦发射或通过柱面镜扩展光束发散角，让光束扩散出射，这种方法接收时各方向的杂光串扰严重，无法达到较高的空间分辨率。此外，雷达系统的接收端一般采用像素阵列接收回波信号，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，测量精度较低。

发明内容

基于此，有必要针对传统Flash雷达系统中发射功率大、测量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，产生啁啾调幅连续波的出射激光信号，并出射；

发发射光学系统，对所述出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的所述出射激光信号均匀照亮整个探测区域；

探测模块，接收所述发射模块发送的啁啾调幅连续波的所述出射激光信号中的载波信号，同时接收反射激光信号，将所述反射激光信号转化为反射电信号，并将所述反射电信号和所述载波信号混频后获得差频信号，其中所述反射激光信号为所述出射激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号；以及

信号处理模块，接收所述差频信号，并根据所述差频信号计算出所述探测区域内的物体的绝对距离和速度。

在其中一个实施例中，所述发射模块包括：

激光器，用于出射预设波长的激光信号；

啁啾幅度调制器，与所述激光器电连接，用于利用啁啾信号对预设波长的所述激光信号进行调幅，以形成所述啁啾调幅连续波的所述出射激光信号；以及

准直镜，用于准直所述出射激光信号。

在其中一个实施例中，所述发射光学系统为达曼光栅。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括接收光学系统，所述接收光学系统用于接收所述反射激光信号，并对所述反射激光信号进行汇聚和整形处理，以使所述反射激光信号的光斑尺寸适应与所述探测模块的接收面尺寸。

在其中一个实施例中，所述接收光学系统包括所述接收光学系统包括聚焦镜和整形镜，所述聚焦镜用于汇聚所述反射激光信号，所述整形镜用于对汇聚后的所述反射激光信号进行整形处理。

在其中一个实施例中，所述探测模块包括自混频探测器阵列，所述自混频探测器阵列包括M×N个自混频探测器，所述自混频探测器接收所述反射激光信号以及所述发射模块发送的调制所述出射激光信号中的载波信号，将所述反射激光信号转化为反射电信号，并将所述反射电信号以及所述载波信号混频获得所述差频信号，其中M和N均为正整数。

在其中一个实施例中，所述探测模块还包括滤波器阵列，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器与所述自混频探测器一一对应，用于对所述差频信号进行滤波处理，得到滤波后的差频信号，并发送给所述信号处理模块。

在其中一个实施例中，所述滤波器为无源滤波器。

在其中一个实施例中，所述差频信号包含所述载波信号与所述反射电信号的差频；

所述绝对距离与所述差频的关系为：

其中，所述R表示所述绝对距离，所述Δf为所述探测区域内的物体静止状态下所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述T为所述出射激光信号的发射周期，所述c为光速。

在其中一个实施例中，所述速度与所述差频的关系为：

Δf_{Diff_down}+Δf_{Diff_up}＝2Δf_Dopp

其中，所述α为所述探测区域内的物体相对于所述激光雷达系统指向的夹角，所述f₀为所述啁啾调幅连续波激光信号的出射频率，所述Δf_Dopp为所述探测区域内的物体运动状态下的多普勒移频，所述Δf_{Diff_down}为前半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述Δf_{Diff_up}为后半周期所述载波电信号与所述反射电信号的差频。

上述激光雷达系统，通过发射光学系统对出射至探测区域的出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的啁啾调幅连续波的出射激光信号均匀照亮整个探测区域，分束后各探测方向的光能量集中，能够到达更远的探测距离，并且回波不会产生各方向通道间串扰问题，提高所述差频信号的信噪比，从而提高测量精度和成像质量。其次，激光光源调制生成啁啾调幅连续波的出射激光信号相对生成调频激光信号更加简单，降低了调制难度；由于采用相干探测，啁啾调幅连续波的出射激光信号携带的信号主要为频率信息，通过对载波信号以及反射电信号混频即可得到差频信号，不需要较高的出射功率，有利于降低激光雷达系统成本。啁啾调幅连续波信号的出射激光信号为扫频连续信号，与杂光串扰信号的频率均不相同，进一步提高了抗干扰性能。此外，探测模块采用载波信号和反射电信号进行电混频得到差频信号，并基于差频信号进行信号处理，避免本振光信号和反射激光信号直接干涉，减少环境噪声光的影响，提高测量精度。

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。

请一并参见图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、发射光学系统200、探测模块300和信号处理模块400。

所述发射模块100产生啁啾调幅连续波(Chirped Amplitude ModulatedContinuous Wave，Chirped AMCW)的出射激光信号，并出射。

所述发射光学系统200对所述出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的所述出射激光信号均匀照亮整个探测区域。

所述探测模块300接收所述发射模块发送的所述啁啾调幅连续波的所述出射激光信号中的载波信号，同时接收反射激光信号，将所述反射激光信号转化为反射电信号，并将所述反射电信号和所述载波信号混频后获得差频信号，其中所述反射激光信号为所述出射激光信号被所述探测区域内的物体反射产生的激光信号。

所述信号处理模块400接收所述差频信号，并根据所述差频信号计算出所述探测区域内的物体的绝对距离和速度。

上述激光雷达系统，通过发射光学系统200对出射至探测区域的出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的啁啾调幅连续波的出射激光信号均匀照亮整个探测区域，分束后各探测方向的光能量集中，能够到达更远的探测距离，并且回波不会产生各方向通道间串扰问题，提高所述差频信号的信噪比，从而提高测量精度和成像质量。其次，激光光源调制生成啁啾调幅连续波的出射激光信号相对生成调频激光信号更加简单，降低了调制难度；由于采用相干探测，啁啾调幅连续波的出射激光信号携带的信号主要为频率信息，通过对载波信号以及反射电信号混频即可得到差频信号，不需要较高的出射功率，有利于降低激光雷达系统成本。啁啾调幅连续波信号的出射激光信号为扫频连续信号，与杂光串扰信号的频率均不相同，进一步提高了抗干扰性能。此外，探测模块300采用载波信号和反射电信号进行电混频得到差频信号，并基于差频信号进行信号处理，避免本振光信号和反射激光信号直接干涉，减少环境噪声光的影响，提高测量精度。

在其中一个实施例中，所述发射模块100包括激光器110、啁啾幅度调制器120、准直镜130。

所述激光器110用于出射预设波长的激光信号。本实施例中，由于雷达系统的工作原理是基于Chirped AMCW机制的，因此发射光源不需要使用调频激光器，只需要保证选择的特定波长光源有合适的线宽即可。因此，可使用但不限于使用的激光器有分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB Laser)、激光二极管(Laser Diode，LD)、光纤激光器和垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等。

所述啁啾幅度调制器120与所述激光器110电连接，用于利用啁啾信号对预设波长的所述激光信号进行调幅，以形成啁啾调幅连续波的所述出射激光信号。

可以理解，所述啁啾幅度调制器120利用啁啾信号对所述预设波长的激光信号进行线性调制，以形成啁啾调幅连续波的所述出射激光信号。需注意的是，在调制的过程中，并不是对所述预设波长的激光信号进行调制，而是对其载波信号，即所述啁啾信号进行调制，所述啁啾信号的频率远小于所述预设波长的激光信号的频率，因此更加容易实现调制，降低了调制难度。

本实施例中，所述相位调制器为双平行相位调制器。双平行相位调制器微波光子链路采用2个相位调制器，通过调节调制器的相位偏移差为π，使2路相位调制信号在接收端拍频时不会相互抵消，实现微波信号相位调制直接探测。此外，还可以通过机械式的改变谐振腔长度来改变输出光频。本实施例对激光源的调制方式不做特别的限定，只要能够保证光源输出线性的连续光即可。

所述准直镜130用于准直所述出射激光信号并出射。本实施例中，用于准直所述啁啾调幅连续波的出射激光信号的准直镜130，使用透射式准直镜，一般采用硒化锌透镜作为透射式准直镜使用。

在其中一个实施例中，所述发射光学系统200为达曼光栅。

可以理解，使用达曼光栅不仅可以实现对所述出射激光信号进行分束，同时还可以保持其与原入射光完全相同的性质，有利于改善传统闪光雷达因为出射球面波(能量衰减特性)造成的探测距离较近的问题。达曼光栅的分束数与接收反射激光信号的接收器件的数目一致，达曼光栅远场光点分布与接收器件的分布一致。

在其中一个实施例中，所述激光雷达系统还包括接收光学系统600，所述接收光学系统600用于接收所述反射激光信号，并对所述反射激光信号进行汇聚和整形处理，以使所述反射激光信号的光斑的尺寸适应与所述探测模块的接收面相的尺寸。

在其中一个实施例中，所述接收光学系统600包括聚焦镜610和整形镜620，所述聚焦镜610用于汇聚所述反射激光信号，所述整形镜620用于对汇聚后的所述反射激光信号进行整形处理。本实施例中，所述聚焦镜610对反射激光信号进行汇聚，汇聚后的反射激光信号经过所述整形镜620整形处理，使得所述反射激光信号的光斑尺寸适应所述探测模块的接收面尺寸，且反射激光信号以近似平面波的形式直接照射在接收模块的表面。

在其中一个实施例中，所述探测模块300包括自混频探测器阵列310，所述自混频探测器阵列310包括M×N个自混频探测器，所述自混频探测器接收所述反射激光信号以及所述发射模块发送的调制所述出射激光信号中的载波信号，将所述反射激光信号转化为反射电信号，并将所述反射电信号以及所述载波信号混频获得所述差频信号，其中M和N均为正整数。可以理解，反射激光信号经过接收光学系统600汇聚和整形处理后，照射在所述M×N个自混频探测器上，自混频探测器将接收到的反射激光信号先转化为反射电信号，然后将该反射电信号与载波信号进行混频，获取所述载波信号与该反射电信号的差频信号，以便根据该差频信号获取探测区域内的物体的距离和速递。

本实施例中，达曼光栅分束数与所述自混频探测器的数目一致，达曼光栅远场光点分布与所述自混频探测器的分布一致，以便接收不同通道的反射激光信号，避免反射激光信号产生各方向通道间的串扰问题。

在其中一个实施例中，所述探测模块300还包括滤波器阵列330，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器与所述自混频探测器一一对应，所述滤波器对所述电信号进行滤波处理，得到滤波后的电信号，并发送给所述信号处理模块400。可以理解，所述由所述自混频探测器阵列310输出的电信号中包含共模的直流成分以及噪声信号，为提高所述差频信号的信噪比，需要通过所述滤波器阵列330对所述电信号进行滤波处理，滤波掉所述电信号好中的高频信号和低频信号，得到滤波后的电信号，并发送给所述信号处理模块400。

在其中一个实施例中，所述滤波器为无源滤波器。可以理解，无源滤波器又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，且具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此本实施例中采用无源滤波器，有利于简化所述激光雷达的结构设计，降低生产成本。

在其中一个实施例中，所述差频信号包含所述载波信号与所述反射电信号的差频；

所述绝对距离与所述差频的关系为：

其中，所述R表示所述绝对距离，所述Δf为所述探测区域内的物体静止状态下所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述T为所述出射激光信号的发射周期，所述c为光速。

在其中一个实施例中，所述速度与所述差频的关系为：

Δf_{Diff_down}+Δf_{Diff_up}＝2Δf_Dopp

其中，所述α为所述探测区域内的物体相对于所述激光雷达系统指向的夹角，所述f₀为所述载波信号的频率，所述Δf_Dopp为所述探测区域内的物体运动状态下的多普勒移频，所述Δf_{Diff_down}为前半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述Δf_{Diff_up}为后半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频。

基于啁啾调幅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电信号和载波信号。

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为所述出射激光信号的发射周期。

从上述绝对距离R的表达式中可以看出，只要得到所述载波信号与所述反射电信号的差频，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，利用啁啾调幅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电信号和载波信号。

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和载波信号的频率f₀的关系如下：

Δf_{Diff_down}+Δf_{Diff_up}＝2Δf_Dopp

其中，所述α为所述探测区域内的物体相对于所述激光雷达系统指向的夹角，所述Δf_Dopp为所述探测区域内的物体运动状态下的多普勒移频，所述Δf_{Diff_down}为前半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述Δf_{Diff_up}为后半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频。

根据上述关系，对运动物体的测量信息分析后可以结算处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目标的相对速度(目标相对于雷达指向的夹角为α)。

上述激光雷达系统，通过发射光学系统200对出射至探测区域的出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的啁啾调幅连续波的出射激光信号均匀照亮整个探测区域，分束后各探测方向的光能量集中，能够到达更远的探测距离，并且回波不会产生各方向通道间串扰问题，提高所述差频信号的信噪比，从而提高测量精度和成像质量。其次，激光光源调制生成啁啾调幅连续波的出射激光信号相对生成调频激光信号更加简单，降低了调制难度；由于采用相干探测，啁啾调幅连续波的出射激光信号携带的信号主要为频率信息，通过对载波信号以及反射电信号混频即可得到差频信号，不需要较高的出射功率，有利于降低激光雷达系统成本。啁啾调幅连续波信号的出射激光信号为扫频连续信号，与杂光串扰信号的频率均不相同，进一步提高了抗干扰性能。此外，探测模块300采用载波信号和反射电信号进行电混频得到差频信号，并基于差频信号进行信号处理，避免本振光信号和反射激光信号直接干涉，减少环境噪声光的影响，提高测量精度。

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 (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

发射模块，产生啁啾调幅连续波的出射激光信号，并出射；

发射光学系统，对所述出射激光信号进行分束处理，使得分束处理的所述出射激光信号均匀照亮整个探测区域；

探测模块，接收所述发射模块发送的啁啾调幅连续波的所述出射激光信号中的载波信号，同时接收反射激光信号，将所述反射激光信号转化为反射电信号，并将所述反射电信号和所述载波信号混频后获得差频信号，其中所述反射激光信号为所述出射激光信号被探测区域内的物体反射产生的激光信号；以及

信号处理模块，接收所述差频信号，并根据所述差频信号计算出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，所述发射模块包括：

激光器，用于出射预设波长的激光信号；

啁啾幅度调制器，用于利用啁啾信号对预设波长的所述激光信号进行调幅，以形成啁啾调幅连续波的所述出射激光信号；以及

准直镜，用于准直所述出射激光信号。

3.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射光学系统为达曼光栅。

4.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括接收光学系统，所述接收光学系统用于接收所述反射激光信号，并对所述反射激光信号进行汇聚和整形处理，以使所述反射激光信号的光斑尺寸适应所述探测模块的接收面尺寸。

5.如权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收光学系统包括聚焦镜和整形镜，所述聚焦镜用于汇聚所述反射激光信号，所述整形镜用于对汇聚后的所述反射激光信号进行整形处理。

6.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述探测模块包括自混频探测器阵列，所述自混频探测器阵列包括M×N个自混频探测器，其中M和N均为正整数。

7.如权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述探测模块还包括滤波器阵列，所述滤波器阵列包括M×N个滤波器，所述滤波器与所述自混频探测器一一对应，用于对所述差频信号进行滤波处理，得到滤波后的所述差频信号，并发送给所述信号处理模块。

8.如权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述滤波器为无源滤波器。

9.如权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述差频信号包含所述载波信号与所述反射电信号的差频；

所述距离与所述差频的关系为：

其中，所述R表示所述距离，所述Δf为所述探测区域内的物体静止状态下所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述T为所述出射激光信号的发射周期，所述c为光速。

10.如权利要求9所述的激光雷达系统，其特征在于，所述速度与所述差频的关系为：

Δf_{Diff_down}+Δf_{Diff_up}＝2Δf_Dopp

其中，所述α为所述探测区域内的物体相对于所述激光雷达系统指向的夹角，所述f₀为所述载波信号的频率，所述Δf_Dopp为所述探测区域内的物体运动状态下的多普勒移频，所述Δf_{Diff_down}为前半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频，所述Δf_{Diff_up}为后半周期所述载波信号与所述反射电信号的差频。