CN111665486A - 激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统。一种激光雷达系统，包括：发射装置，用于发射激光信号；分束器，用于将所述激光信号分成本振激光信号和探测激光信号；扫描装置，用于将所述探测激光信号投射至探测区域，还用于接收由探测区域中目标反射的回波激光信号；放大转换模块，用于接收所述扫描装置反射的回波激光信号，并对所述回波激光信号进行放大后输出；耦合器，用于接收所述本振激光信号和放大后的所述回波激光信号，耦合后输出接收激光信号；以及接收装置，用于接收所述接收激光信号，并根据所述接收激光信号计算所述探测区域中目标的位置和/或速度信息。上述激光雷达系统相对于传统的激光雷达系统，信噪比和灵敏度更高。

Description

激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统。
背景技术
激光雷达系统是以发射激光信号探测目标的位置、速度等特征量的系统，其灵敏度是决定其测距范围的重要性能参数之一。
传统的激光雷达系统常采用固态激光雷达。固态激光雷达中的面阵激光雷达的接收端一般采用像素级的探测器阵列，在室外测量时，尤其是在雨天、雾天、雪天等恶劣天气的情况下，容易受外界环境背景光或杂散信号光的影响，造成信噪比恶化，灵敏度下降，以致限制了系统的最远探测距离。
发明内容
基于此，有必要针对传统的激光雷达系统信噪比差、灵敏度较低的问题，提供一种激光雷达系统。
一种激光雷达系统，包括：
发射装置，用于发射激光信号；
分束器，用于将所述激光信号分成本振激光信号和探测激光信号；
扫描装置，用于将所述探测激光信号投射至探测区域，还用于接收由探测区域中目标反射的回波激光信号；
放大转换模块，用于接收所述扫描装置反射的回波激光信号，并对所述回波激光信号进行放大后输出；
耦合器，用于接收所述本振激光信号和放大后的所述回波激光信号，耦合后输出接收激光信号；以及
接收装置，用于接收所述接收激光信号，并根据所述接收激光信号计算所述探测区域中目标的位置和/或速度信息。
在其中一个实施例中，所述放大转换模块包括放大器和滤波器，所述放大器用于放大接收到的所述回波激光信号，所述滤波器用于抑制所述放大器内自发辐射产生的噪声。
在其中一个实施例中，所述放大器为光纤放大器。
在其中一个实施例中，所述放大转换模块的一端还设置有光耦合镜，所述光耦合镜用于将所述回波激光信号耦合进所述放大转换模块。
在其中一个实施例中，所述放大转换模块还用于接收所述探测激光信号，并将所述探测激光信号射向所述扫描装置。
在其中一个实施例中，所述放大转换模块还包括环形器，所述环形器使所述探测激光信号从第一端口入、从第二端口出，同时所述环形器使放大后的所述回波激光信号从第二端口入、第三端口出。
在其中一个实施例中，所述放大器为单向放大器，仅对所述回波激光信号进行放大。
在其中一个实施例中，所述本振激光信号和放大后的所述回波激光信号，分别通过两个入口进入所述耦合器发生干涉形成所述接收激光信号，并通过一个出口输出。
在其中一个实施例中，所述发射装置和所述分束器之间设置有光隔离器，所述光隔离器只允许所述发射激光信号单向通过。
在其中一个实施例中，所述接收装置包括信号滤波器和接收阵列，所述信号滤波器用于滤除所述接收激光信号中由于干涉引入的低频直流信号和高频噪声信号。
上述激光雷达系统，包括发射装置、分束器、扫描装置、放大转换模块、耦合器以及接收装置。发射装置发射的激光信号通过分束器分成本振激光信号和探测激光信号；其中，本振激光信号直接传递至耦合器，探测激光信号通过扫描装置投射至探测区域，当遇到探测区域中目标时，目标反射的回波激光信号通过扫描装置接收后被投射至放大转换模块；放大转换模块对该回波激光信号进行放大后输出给耦合器；耦合器对接收到的本振激光信号和回波激光信号进行耦合后形成接收激光信号并输出；接收装置接收该接收激光信号，并根据接收激光信号计算探测区域中目标的位置和/或速度信息。放大转换模块对回波激光信号进行放大，能减轻外界环境背景光或杂散光的影响；即使是遇到像雨天、雾天等恶劣的天气，回波激光信号比较微弱的情况，也能保证回波激光信号被接收和放大后，能够被接收装置有效接收并识别；该系统的信噪比和灵敏度较高，对最远探测距离的限制较小。而且，光耦合镜能将微弱的回波激光信号耦合进入光纤放大器内，虽然光纤的耦合效率有限，但光纤的模场匹配作用等效于滤波器，能够过滤环境或其他不确定因素引入的噪声。在光纤放大器对回波激光信号进行放大前，还能对回波激光信号进行滤波，并不会使回波激光信号中的噪声也被放大，有利于提高系统的信噪比。再者，传统的电路元件，比如放大器、探测器等，在工作状态下往往会产生热噪声、散粒噪声等，这些噪声与实际信号混合在一起，使激光雷达系统的探测精度下降；而上述激光雷达系统的放大转换模块包含了滤波器和放大器，放大器在放大回波激光信号的同时，滤波器还能抑制放大器内自发辐射产生的噪声，使该系统的信噪比和灵敏度得到进一步的改善。另外，接收装置包括信号滤波器和接收阵列；信号滤波器能滤除接收激光信号中由于干涉引入的低频直流信号和高频噪声信号，使接收阵列接收到的接收激光信号更加精准，系统整体的灵敏度更高。
附图说明
图1为一实施例中的激光雷达系统的结构示意图。
图2为另一实施例中的激光雷达系统的结构示意图。
图3为其他实施例中的激光雷达系统的结构示意图。
图4为一实施例中的基于FMCW模式测距的基本原理示意图。
图5为一实施例中的基于FMCW模式测速的基本原理示意图。
图6为一实施例中的目标的移动方向与探测激光信号方向之间的角度示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一实施例中，如图1中所示，一种激光雷达系统包括发射装置100、分束器200、扫描装置300、放大转换模块402、耦合器500以及接收装置600。
发射装置100用于发射激光信号。可选地，发射装置100发射的激光信号为调频连续波(FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave)激光信号。发射装置100可以包括激光器和调制器，激光器为调谐激光器，调制器为相位调制器。调谐激光器用于产生频率可变的激光信号。相位调制器用于激光信号进行线性调制，以出射为频率连续的激光信号。
分束器200用于将发射装置100发射的激光信号分成本振激光信号和探测激光信号。发射装置100发射的激光信号可以通过光纤传播给分束器200，分束器200将一束光纤中的激光信号分到两束光纤中，其中一束作为本振激光信号，另一束作为探测激光信号。探测激光信号通过光学元件进行偏转后投射至探测区域以扫描整个探视场景，该光学元件可以为扫描装置300。
扫描装置300将探测激光信号进行偏转后投射至探测区域。当探测激光信号在探测区域中遇到目标900后，目标900会反射回波激光信号。扫描装置300还用于接收由探测区域中目标900反射来的回波激光信号，并将其反射给放大转换模块402。
放大转换模块402用于接收扫描装置300反射的回波激光信号，并对该回波激光信号进行放大后输出。在本实施例中，激光雷达系统采用离轴收发结构。具体地，探测激光信号通过扫描装置300进行偏转，投射至探测区域。探测区域中的目标900反射的回波激光信号被扫描装置300接收后反射至放大转换模块402，放大转换模块402对回波激光信号进行放大后输出给耦合器500。仅有回波激光信号经过放大转换模块402，探测激光信号并不会经过放大转换模块402，探测激光信号和回波激光信号的光轴不相同，它们各自经过不同的光学路径，避免相互之间的干扰。
耦合器500接收由分束器200分出的本振激光信号和经放大转换模块402放大后的回波激光信号，并将本振激光信号和回波激光信号耦合到一束光纤中形成接收激光信号并输出，即本振激光信号和回波激光信号在耦合器500内发生干涉，接收激光信号为本振激光信号和回波激光信号发生干涉后得到的激光信号。耦合器500是一种光通信中的无源器件。它是从多束输入及输出光纤中分配和组合光的器件。它可以在相同的波长上，将来自几束光纤的光耦合到其他几束光纤中，也可以将光从一束光纤分离到几束光纤中。耦合器500将一束光纤中的本振激光信号和另一束光纤中的回波激光信号耦合到一束光纤中，耦合后的激光信号为接收激光信号。可选地，耦合器500为3dB耦合器。耦合器的重要参数之一是耦合比，表示由输入信道耦合到指定输出信道功率的大小。3dB耦合器是指耦合比为50:50的耦合器。
接收装置600接收耦合器500输出的接收激光信号。由于接收激光信号由本振激光信号和回波激光信号干涉得到，因此接收激光信号中包含了本振激光信号和回波激光信号的差频信息，根据该差频信息可以计算出探测区域中目标900的位置、速度等信息。
上述激光雷达系统，包括发射装置100、分束器200、扫描装置300、放大转换模块402、耦合器500以及接收装置600。发射装置100发射的激光信号通过分束器200分成本振激光信号和探测激光信号；其中，本振激光信号被耦合器500接收；探测激光信号通过扫描装置300投射至探测区域，当遇到探测区域中目标900时，目标900反射的回波激光信号通过扫描装置300接收后投射至放大转换模块402，放大转换模块402对该回波激光信号进行放大后输出给耦合器500；耦合器500对接收到的本振激光信号和回波激光信号进行耦合后形成接收激光信号并输出；接收装置600接收该接收激光信号，并根据接收激光信号计算探测区域中目标900的位置和/或速度信息。通过放大转换模块402对回波激光信号的放大，能减轻外界环境背景光或杂散光的影响；即使是遇到像雨天、雾天等恶劣的天气，回波激光信号比较微弱的情况，也能保证回波激光信号被耦合器500接收；而且，该激光雷达系统中的回波激光信号可以通过光纤传播，虽然光纤的耦合效率有限，但光纤的模场匹配作用等效于滤波器，能够过滤环境或其他不确定因素引入的噪声。在放大转换模块402对回波激光信号进行放大的同时，还能对其进行滤波，并不会使回波激光信号中的噪声也被放大，有利于提高系统的信噪比。该系统的信噪比和灵敏度较高，对最远探测距离的限制较小。
在本实施例中，放大转换模块402包括放大器和滤波器。放大器用于放大接收到的回波激光信号。滤波器用于抑制该放大器内自发辐射产生的噪声。传统的电路元件，比如放大器，在工作状态下往往会产生热噪声、散粒噪声等。这些噪声与实际的回波激光信号混合在一起，使激光雷达系统的探测精度下降；而上述激光雷达系统的放大转换模块402包含了滤波器和放大器，放大器在放大回波激光信号的同时，滤波器还能抑制放大器内自发辐射产生的噪声，使该系统的信噪比和灵敏度得到进一步的改善，从而使最终的测量结果更加准确。可选地，放大转换模块402中的滤波器为带通滤波器。在其他实施例中，滤波器还可以是设置在放大器内部或外部的光纤，利用光纤的模场匹配作用，也能够过滤放大器自身产生的噪声。
在本实施例中，放大器为光纤放大器。光纤放大器(OFA，Optical FiberAmplifier)是指一种可用于光通信线路中，实现信号放大的一种新型全光放大器。传统的光纤传输系统是采用光-电-光再生中继器，而OFA不需要经过光电转换、电光转换和信号再生等复杂过程，可直接对回波激光信号进行全光放大。而且OFA的输入端和输出端都是采用的光纤接头，在对回波激光信号放大的同时还能利用光纤的模场匹配作用对回波激光信号进行滤波，并不会使回波激光信号中的噪声也被放大，激光雷达系统信噪比较高。可选地，放大器为掺铒光纤放大器。
在本实施例中，如图1中所示，放大转换模块402的一端还设置有光耦合镜406。光耦合镜406设置于放大转换模块402接收所述回波激光信号的一侧。光耦合镜406的作用是把光耦合进入光纤。OFA的输入端和输出端采用的光纤接头，无法直接与自由空间耦合。扫描装置300和放大转换模块402之间为自由空间，因此需要设置光耦合镜406，将从扫描装置300反射来的回波激光信号耦合进光纤接头，从而进入OFA内。回波激光信号在放大转换模块402与耦合器500之间可以通过光纤传播，因此无需设置光耦合器406。可选地，耦合镜406为锥形耦合镜。锥形耦合镜的锥角与OFA的光纤接头连接。锥形耦合镜能将微弱的回波激光信号耦合进OFA内，该激光雷达系统的灵敏度较高。
在另一实施例中，放大转换模块402除了接收反射激光信号，还用于接收探测激光信号，并将探测激光信号射向扫描装置300，即，如图2中所示，激光雷达系统采用同轴收发结构。具体地，探测激光信号从分束器200中出来后依次经过放大转换模块402、光耦合镜406和扫描装置300，,通过扫描装置300扫描整个被探测区域，当遇到目标900后，目标900反射的回波激光信号依次经过扫描装置300、光耦合镜406和放大转换模块402，最后传递至耦合器500。探测激光信号和回波激光信号均经过放大转换模块402、光耦合镜406和扫描装置300，光路同轴。同轴收发结构能够避免结构上带来的测距误差，而且同轴收发结构的设计更加简洁。
在本实施例中，放大器为单向放大器。在上述同轴收发结构中，放大器对经过的探测激光信号没有放大作用，仅对回波激光信号进行放大。
在本实施例中，放大转换模块402还包括环形器。环形器是一个多端口器件，环形器使探测激光信号从第一端口输入、从第二端口(未示出)输出；同时，环形器还使放大后的回波激光信号从第二端口输入、从第三端口输出；探测激光信号向环形器输入的端口和放大后的回波激光信号从环形器输出的端口不是同一个端口。在其他实施例中，也可以如图3所示，在放大转换模块402和耦合器500之间设置第二光耦合器404。第二光耦合器404相当于上述环形器的作用，保证了探测激光信号输入的端口和放大后的回波激光信号输出的端口不是同一个端口。
在本实施例中，本振激光信号和放大后的回波激光信号，分别通过两个入口进入耦合器500。本振激光信号和放大后的回波激光信号在耦合器500内发生干涉后形成接收激光信号，并通过一个出口输出该接收激光信号。
在本实施例中，发射装置100和分束器200之间设置有光隔离器700。光隔离器700是一种只允许单向光通过的无源光器件。光隔离器700使发射装置100发射的激光信号仅向分束器200的方向传输。
在本实施例中，接收装置600包括信号滤波器和接收阵列。接收阵列用于接收耦合器500输出的接收激光信号。可选地，接收阵列中使用单光子雪崩二级管(SPAD，SinglePhoton Avalanche Diode)。单光子雪崩二级管具有极高的灵敏度，有利于进一步提高激光雷达系统的探测率，从而提高系统的灵敏度和探测阈值，实现对更远距离的目标900的探测。信号滤波器设置于耦合器500和接收阵列之间。信号滤波器用于滤除耦合器500输出的接收激光信号中由于干涉引入的低频直流信号和高频噪声信号，使接收阵列接收到的接收激光信号更加精准，系统整体的灵敏度也更高。
在本实施例中，接收装置600还包括处理器。处理器用于根据上述接收激光信号计算目标900相对于激光雷达系统的距离、速度等信息。这样用户能够直接通过激光雷达系统了解到探测区域中目标900的距离、速度等信息。具体的计算过程如下所述。
可以理解，上述发射装置100能够发射调频连续的激光信号，该激光雷达系统是基于FMCW的激光雷达系统。基于FMCW的激光雷达系统通过比较任意时刻回波激光信号频率与此时刻本振激光信号频率之差的方法来得到目标900的距离信息，距离正比于两者的频率差。目标900的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到。基于FMCW的激光雷达系统对可探测的回波激光信号的能量的要求比传统的飞行时间测距法(TOF，Time offlight)的激光雷达系统低，并且可有效弥补TOF模式的激光雷达系统在低成本和安全性前提下所不能达到的低发射功率、抗干扰能力以及高探测精度的性能，而且还可以同时得到探测区域中目标900的距离和速度信息。FMCW是利用连续频谱的差频与时延的关系计算出目标900的绝对距离，图4为目标900与激光雷达系统相对静止时本振激光信号、回波激光信号以及它们的差频信号的频率与时间的相关曲线。图中虚线为回波激光信号，实线为本振激光信号。经历了时间τ的延迟后产生了△f的差频，目标900和激光雷达系统的绝对距离R与延时τ的关系式为：
Figure BDA0001988224160000101
其中，c为光速。在图4中根据相似的几何关系可知：
Figure BDA0001988224160000102
其中，△F为本振激光信号频率的峰值，T为本振激光信号的周期。又由于激光器是线性变频的，激光器的调频速度V可以表示为：
Figure BDA0001988224160000103
由上式(1)、(2)、(3)，可以得到雷达测量的绝对距离R可以表示为：
Figure BDA0001988224160000104
其中，V为激光器的调频速度(单位Hz/s)。
基于FMCW激光雷达测速原理解算目标900的速度信息时，只要根据测量信号结合一定的信号处理算法得到信号的中频即可，然后根据多普勒效应，可以得到目标900运动所产生的多普勒频移量，从而根据多普勒频移公式计算得到目标900的运动速度。具体地，如图5所示。根据多普勒效应的移频特性可以得到多普勒频移量△fDopp与目标900的速度v的关系：
Figure BDA0001988224160000111
其中，如图6所示，目标900的移动方向与投射到目标900上的探测激光信号方向的角度为α。c为光速。f0为发射装置100发射激光信号的频率。
并且，由图5中的几何关系可以得到：
ΔfDiff_down+ΔfDiff_up＝2ΔfDopp (6)
从上式(5)、(6)计算可以得到目标900的移动速度，即通过分析接收激光信号并进行相应的计算，就可以能得到目标900与激光雷达系统的相对速度。在本实施例中，激光雷达系统中还可以包括平衡光电探测器。平衡光电探测器设置于耦合器500和接收阵列之间。平衡光电探测器实际上是内置两路通道，使用两个特性完全接近的光电二极管作为光电转换，其中一路加入延迟线，或者前端使用马赫曾德干涉仪，调整一路的相位反偏。后端使用的是差分放大器，放大差模信号，抑制共模信号。将两路相加后，噪声完全相抵，大幅度放大输出幅度。平衡光电探测器常常用于对微弱信号的检测和差分相移键控(DPSK，Differential Phase Shift Keying)以及差分探测的应用等。
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。
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：
发射装置，用于发射激光信号；
分束器，用于将所述激光信号分成本振激光信号和探测激光信号；
扫描装置，用于将所述探测激光信号投射至探测区域，还用于接收由探测区域中目标反射的回波激光信号；
放大转换模块，用于接收所述扫描装置反射的回波激光信号，并对所述回波激光信号进行放大后输出；
耦合器，用于接收所述本振激光信号和放大后的所述回波激光信号，耦合后输出接收激光信号；以及
接收装置，用于接收所述接收激光信号，并根据所述接收激光信号计算所述探测区域中目标的位置和/或速度信息。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大转换模块包括放大器和滤波器，所述放大器用于放大接收到的所述回波激光信号，所述滤波器用于抑制所述放大器内自发辐射产生的噪声。
3.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大器为光纤放大器。
4.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大转换模块的一端还设置有光耦合镜，所述光耦合镜用于将所述回波激光信号耦合进所述放大转换模块。
5.根据权利要求2所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大转换模块还用于接收所述探测激光信号，并将所述探测激光信号射向所述扫描装置。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大转换模块还包括环形器，所述环形器使所述探测激光信号从第一端口入、从第二端口出，同时所述环形器使放大后的所述回波激光信号从第二端口入、第三端口出。
7.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述放大器为单向放大器，仅对所述回波激光信号进行放大。
8.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述本振激光信号和放大后的所述回波激光信号，分别通过两个入口进入所述耦合器发生干涉形成所述接收激光信号，并通过一个出口输出。
9.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述发射装置和所述分束器之间设置有光隔离器，所述光隔离器只允许所述发射激光信号单向通过。
10.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述接收装置包括信号滤波器和接收阵列，所述信号滤波器用于滤除所述接收激光信号中由于干涉引入的低频直流信号和高频噪声信号。
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