CN111103575A - 一种激光超连续感知系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光雷达技术领域，且公开了一种激光超连续感知系统，包括激光器、扫描结构、合光镜、探测阵列、扫描控制单元、线性调频单元和数字信息处理单元。该激光超连续感知系统，对目标区域的成像结果为空间连续的，消除了传统激光雷达利用时间飞行技术所呈现的点云图带来的空间盲区，同时本发明的激光感知系统，可以在呈现3D空间距离信息的同时，附带测量目标物的径向速度信息，具有更高的感知能力。该激光超连续感知系统，降低传统激光雷达的系统复杂度，降低成本，提高量产可靠性，将目标物的径向速度参量引入激光感知系统的传感范围。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体为一种激光超连续感知系统。
背景技术
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置和速度等特征量的雷达系统，其工作原理是向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态和甚至形状等参数，从而对飞机和导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
根据中国授权发明专利CN201811514411.7提出的一种全固态面阵三维成像激光雷达系统，其有益效果为根据每个特征点的深度数据以及视场区域的像素位置计算方位角信息，进行探测目标角度及距离数据结算及未知数据解算，但是传统的雷达系统在纵向维度上只能实现离散点云扫描，且价格成本昂贵，安装生产及其复杂，故而提出一种激光超连续感知系统。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种激光超连续感知系统，具备较好的感知能力和消除感知盲点等优点，解决了传统的雷达系统在纵向维度上只能实现离散点云扫描，且价格成本昂贵，安装生产及其复杂的问题。
(二)技术方案
为实现上述较好的感知能力和消除感知盲点目的，本发明提供如下技术方案：一种激光超连续感知系统，包括激光器、扫描结构、合光镜、探测阵列、扫描控制单元、线性调频单元和数字信息处理单元。
优选的，所述激光器为双输出激光，准直镜和分光镜被集成在激光器内部。
优选的，所述扫描结构是将扩束后的线状激光反射后照在被扫描空间中，可以是MEMS微振镜，也可以是贴有反射镜的电机，也可以是光学相控阵。
优选的，所述合光镜具有不一致的分光比，其透射率大于反射率，经过扫描空间返回的信号光，大部分功率经过合光镜透射在探测器阵列上，激光器输出的另一路本振光信号，在合光镜中只有较小的功率被发射后，照射在探测器阵列上。
优选的，所述探测器阵列，由多个探测单元组成，每个单元上是一个高带宽，高增益的光电探测点，在每个单元上，被测信号为一个频率调制信号，其计算公式如下所示：
根据其频率特征，可以计算出在该单元所对应的空间方位角上，被测物的径向距离和径向速度，计算公式式中R为被测物的径向距离，v为被测物的相对径向速度，c为光速，T为线性调频信号的调频周期，ΔF为激光信号被频率调制的带宽，f为发射激光中心频率，fb-和fb+分别为被测信号的两个稳定特征频率。
优选的，所述线性调频单元用于产生加载在激光器上的的驱动信号，用于产生线性调频连续激光。
优选的，所述扫描控制单元用于控制扫描结构的偏转方向，使得被发射激光能够在立体空间中旋转扫描。
优选的，所述数字信号处理单元用于计算探测器阵列上的每一个单元上的接收信号时间-频率特征，通过数字信号处理得到每个探测器单元所对应的方位角上，被测物体的距离和速度信息，形成完整的三维空间感知信息。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种激光超连续感知系统流程，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光器发射两路输出光给发射接收板，一路光作为信号光，一路光作为本振光；
2)激光器发出的信号光经过扩束后，由一个45度的反射镜反射至正上方；
3)正上方倒置的扫描板上，有一45度倾斜的反射镜，反射镜的水平倾斜角度通过扫描控制电路驱动后，周期性地向外发射三维扫描光；
4)激光器发出的本振光经过扩束透镜后，通过合光镜的反射，照射在探测器阵列上；
5)三维扫描光照射在探测物上，其反射光作为信号光，经过聚焦透镜后，照射在探测器阵列上。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种激光超连续感知系统，具备以下有益效果：
1、该激光超连续感知系统的发射端包括一个激光器，激光器内部集成了准直镜和分光镜，提供双输出的准直光信号，其中一路经过柱状透镜行线状扩束，再经过扫描结构向外部空间发出立体扫描光。发射的激光在空间中传播，如果遇到物体，会被反射回来，反射光经过一个聚焦透镜后，作为相干接收模块的信号光。相干接收模块中，本振光和信号光通过合光镜合束后，同时照在探测器阵列上，该系统对目标区域的成像结果为空间连续的，消除了传统激光雷达利用时间飞行技术所呈现的点云图带来的空间盲区，同时本发明的激光感知系统，可以在呈现3D空间距离信息的同时，附带测量目标物的径向速度信息，具有更高的感知能力。
2、该激光超连续感知系统，通过设置线性调频单元，本系统的激光器是一个高功率的窄线宽激光器，工作在连续光模式下，电路中的线性调频单元产生一个周期性地驱动信号，通过激光器上对应的调制电极，使得激光器产生对应调频周期的线性调频波，突破了传统激光雷达对目标区域成像结果的离散性扫描，消除感知盲区，降低传统激光雷达的系统复杂度，降低成本，提高量产可靠性，将目标物的径向速度参量引入激光感知系统的传感范围。
附图说明
图1为本发明一种激光超连续感知系统结构示意图；
图2为本发明一种激光超连续感知系统流程示意图；
图3为本发明一种激光超连续感知系统实施例一结构示意图；
图4为本发明一种激光超连续感知系统实施例二结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：一种激光超连续感知系统，包括激光器，激光器为双输出激光，准直镜和分光镜(准直镜和分光镜被集成在激光器内部)，扫描结构，合光镜，合光镜具有不一致的分光比，其透射率大于反射率，经过扫描空间返回的信号光，大部分功率经过合光镜透射在探测器阵列上，激光器输出的另一路本振光信号，在合光镜中只有较小的功率被发射后，照射在探测器阵列上，探测阵列，探测器阵列，由多个探测单元组成，每个单元上是一个高带宽，高增益的光电探测点，在每个单元上，被测信号为一个频率调制信号，其计算公式如下所示：
根据其频率特征，可以计算出在该单元所对应的空间方位角上，被测物的径向距离和径向速度，计算公式式中R为被测物的径向距离，v为被测物的相对径向速度，c为光速，T为线性调频信号的调频周期，ΔF为激光信号被频率调制的带宽，f为发射激光中心频率，fb-和fb+分别为被测信号的两个稳定特征频率，扫描控制单元，扫描结构是将扩束后的线状激光反射后照在被扫描空间中，可以是MEMS微振镜，也可以是贴有反射镜的电机，也可以是光学相控阵，扫描控制单元用于控制扫描结构的偏转方向，使得被发射激光能够在立体空间中旋转扫描，线性调频单元，线性调频单元用于产生加载在激光器上的的驱动信号，用于产生线性调频连续激光，数字信息处理单元，数字信号处理单元用于计算探测器阵列上的每一个单元上的接收信号时间-频率特征，通过数字信号处理得到每个探测器单元所对应的方位角上，被测物体的距离和速度信息，形成完整的三维空间感知信息。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种激光超连续感知系统流程，包括以下步骤：
1)激光器发射两路输出光给发射接收板，一路光作为信号光，一路光作为本振光；
2)激光器发出的信号光经过扩束后，由一个45度的反射镜反射至正上方；
3)正上方倒置的扫描板上，有一45度倾斜的反射镜，反射镜的水平倾斜角度通过扫描控制电路驱动后，周期性周期性地向外发射三维扫描光；
4)激光器发出的本振光经过扩束透镜后，通过合光镜的反射，照射在探测器阵列上；
5)三维扫描光照射在探测物上，其反射光作为信号光，经过聚焦透镜后，照射在探测器阵列上。
实施例二：一种激光超连续感知系统，包括激光器，准直镜，分光镜，扫描结构，合光镜，探测器阵列。激光器为单输出激光，合光镜具有不一致的分光比，其透射率大于反射率，经过扫描空间返回的信号光，大部分功率经过合光镜透射在探测器阵列上，激光器输出的另一路本振光信号，在合光镜中只有较小的功率被发射后，照射在探测器阵列上，探测阵列，探测器阵列，由多个探测单元组成，每个单元上是一个高带宽，高增益的光电探测点，在每个单元上，被测信号为一个频率调制信号，其计算公式如下所示：
根据其频率特征，可以计算出在该单元所对应的空间方位角上，被测物的径向距离和径向速度，计算公式式中R为被测物的径向距离，v为被测物的相对径向速度，c为光速，T为线性调频信号的调频周期，ΔF为激光信号被频率调制的带宽，f为发射激光中心频率，fb-和fb+分别为被测信号的两个稳定特征频率，扫描控制单元，扫描结构是将扩束后的线状激光反射后照在被扫描空间中，可以是MEMS微振镜，也可以是贴有反射镜的电机，也可以是光学相控阵，扫描控制单元用于控制扫描结构的偏转方向，使得被发射激光能够在立体空间中旋转扫描，线性调频单元，线性调频单元用于产生加载在激光器上的的驱动信号，用于产生线性调频连续激光，数字信息处理单元，数字信号处理单元用于计算探测器阵列上的每一个单元上的接收信号时间-频率特征，通过数字信号处理得到每个探测器单元所对应的方位角上，被测物体的距离和速度信息，形成完整的三维空间感知信息。
本发明要解决的另一技术问题是提供一种激光超连续感知系统流程，包括以下步骤：
1)与实施例一不同的是，实施例二中的激光器为单输出激光器，激光器的输出光经过外部的准直镜和分光镜，分为信号光和本振光；
2)激光器发出的信号光，经过扩束后，由一个45度的反射镜反射至正上方；
3)正上方倒置的扫描板上，有一45度倾斜的反射镜，反射镜的水平倾斜角度通过扫描控制电路驱动后，周期性周期性地向外发射三维扫描光；
4)激光器发出的本振光经过扩束透镜后，通过合光镜的反射，照射在探测器阵列上；
5)三维扫描光照射在探测物上，其反射光作为信号光，经过聚焦透镜后，照射在探测器阵列上。
实验后证明，对目标区域的成像结果为空间连续的，消除了传统激光雷达利用时间飞行技术所呈现的点云图带来的空间盲区，可以在呈现3D空间距离信息的同时，附带测量目标物的径向速度信息，具有更多维度的感知能力，只有一个激光器，因而成本更低，系统更简单，生产安装更为便捷。
本发明的有益效果是：该激光超连续感知系统，通过设置激光器，激光器内部集成了准直镜和分光镜，提供双输出的准直光信号，其中一路经过柱状透镜行线状扩束，再经过扫描结构向外部空间发出立体扫描光，发射的激光在空间中传播，如果遇到物体，会被反射回来，反射光经过一个聚焦透镜后，作为相干接收模块的信号光，相干接收模块中，本振光和信号光通过合光镜合束后，同时照在探测器阵列上，对目标区域的成像结果为空间连续的，消除了传统激光雷达利用时间飞行技术所呈现的点云图带来的空间盲区，同时本发明的激光感知系统，可以在呈现3D空间距离信息的同时，附带测量目标物的径向速度信息，具有更高的感知能力。
并且，通过设置线性调频单元，本系统的激光器是一个高功率的窄线宽激光器，工作在连续光模式下，电路中的线性调频单元产生一个周期性地驱动信号，通过激光器上对应的调制电极，使得激光器产生对应调频周期的线性调频波，突破了传统激光雷达对目标区域成像结果的离散性扫描，消除感知盲区，降低传统激光雷达的系统复杂度，降低成本，提高量产可靠性，将目标物的径向速度参量引入激光感知系统的传感范围，解决了传统的雷达系统在纵向维度上只能实现离散点云扫描，且价格成本昂贵，安装生产及其复杂的问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种激光超连续感知系统，包括激光器、扫描结构、合光镜、探测阵列、扫描控制单元、线性调频单元和数字信息处理单元。
2.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述激光器为双输出激光，准直镜和分光镜被集成在激光器内部。
3.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述扫描结构是将扩束后的线状激光反射后照在被扫描空间中，可以是MEMS微振镜，也可以是贴有反射镜的电机，也可以是光学相控阵。
4.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述合光镜具有不一致的分光比，其透射率大于反射率，经过扫描空间返回的信号光，大部分功率经过合光镜透射在探测器阵列上，激光器输出的另一路本振光信号，在合光镜中只有较小的功率被发射后，照射在探测器阵列上。
5.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述探测器阵列，由多个探测单元组成，每个单元上是一个高带宽，高增益的光电探测点，在每个单元上，被测信号为一个频率调制信号，其计算公式如下所示：
根据其频率特征，可以计算出在该单元所对应的空间方位角上，被测物的径向距离和径向速度，计算公式式中R为被测物的径向距离，v为被测物的相对径向速度，c为光速，T为线性调频信号的调频周期，ΔF为激光信号被频率调制的带宽，f为发射激光中心频率，fb-和fb+分别为被测信号的两个稳定特征频率。
6.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述线性调频单元用于产生加载在激光器上的的驱动信号，用于产生线性调频连续激光。
7.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述扫描控制单元用于控制扫描结构的偏转方向，使得被发射激光能够在立体空间中旋转扫描。
8.根据权利要求1所述的一种激光超连续感知系统，其特征在于，所述数字信号处理单元用于计算探测器阵列上的每一个单元上的接收信号时间-频率特征，通过数字信号处理得到每个探测器单元所对应的方位角上，被测物体的距离和速度信息，形成完整的三维空间感知信息。
9.一种激光超连续感知系统流程，其特征在于，包括以下步骤：
1)激光器发射两路输出光给发射接收板，一路光作为信号光，一路光作为本振光；
2)激光器发出的信号光经过扩束后，由一个45度的反射镜反射至正上方；
3)正上方倒置的扫描板上，有一45度倾斜的反射镜，的水平倾斜角度通过扫描控制电路驱动后，周期性地向外发射三维扫描光；
4)激光器发出的本振光经过扩束透镜后，通过合光镜的反射，照射在探测器阵列上；
5)三维扫描光照射在探测物上，其反射光作为信号光，经过聚焦透镜后，照射在探测器阵列上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 518000 unit 1501 1502 1503 1509 1510 1511 1512, block C, 15 / F, Baoneng Science Park, Qinghu village, Qinghu community, Longhua street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant after: Micro source Photonics (Shenzhen) Technology Co.,Ltd. Address before: 518000 Room 403, building 3, Yuhong health Flower City, Bulan Road, Buji street, Longgang District, Shenzhen City, Guangdong Province Applicant before: Micro source Photonics (Shenzhen) Technology Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200505 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |