CN111708004A - 一种新型激光测距方法及激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

一种新型激光测距方法及激光雷达系统，所述新型激光测距方法利用电光转换产生激光脉冲序列照射目标，利用光电转换将目标反射回的激光脉冲序列转换为电信号序列，其中：光电转换的响应度与时间呈余弦函数关系变化且光电转换的响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，使得电信号序列中每个电信号的能量发生改变，电信号序列的能量分布按照一定规律变化，通过解算电信号序列的能量分布变化频率得到目标距离；所述激光雷达系统采用所述新型激光测距方法实现。应用上述激光测距方法及激光雷达系统，可以解决激光雷达系统分辨率低、成像距离范围小、抗干扰能力差、平均功耗高、性能受成像探测器光学响应一致性和稳定性较大的问题。

Description

一种新型激光测距方法及激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种新型激光测距方法及激光雷达系统。
背景技术
当前，主要通过发射宽度很窄但峰值功率高的激光脉冲，测量脉冲光到目标之间来回的光飞行的时间进行测距。一些激光测距方法通过提取脉冲信号的上升沿、峰值、形状等波形信息解算目标距离，但是当脉冲信号信噪比较低、脉冲形状发生畸变时，会导致较大测距误差和虚警率。基于上述测距方法实现的激光三维成像雷达系统（参见RogerStettner, Howard Bailey, Richard D. Richmod. Eye-Safe Laser Radar 3-D Imaging[J]. Proc. SPIE vol. 4377, pp23-28, 2005）通常采用集成有雪崩光电二极管阵列和读出电路的焦平面阵列，成像分辨率较低。还有一些激光测距方法通过将光飞行的时间转换为电压幅值解算目标距离，其中，先前激光三维成像雷达系统（参见John P. Anthes, PhilGarcia, Joe T. Pierce, et al. Non-scanned LADAR imaging and applications [J].Proc. SPIE vol. 1936, pp11-22, 1993）基于鉴相测量法，该系统存在测量模糊、抗光干扰能力较差。先前激光三维成像雷达系统（参见Scannerless Ladar ArchitectureEmploying Focal Plane Detector Arrays and FM-CW Ranging Theory, U.S. Pat. No.5877851以及High-Range Resolution Ladar, U.S. Pat. No. 5608514）基于非相干啁啾调制解调鉴频测量法，该系统需要对连续波激光发射功率进行超宽带调制，平均功耗较高。先前激光三维成像雷达系统（参见增益调制式脉冲成像激光雷达系统，专利申请号CN200610010237.3以及System and Method of High Resolution Three-DimensionalImaging, U.S. Pat. No. 14/685326）基于脉冲飞行时间测量法，该系统性能受成像探测器光学响应一致性和稳定性影响严重，单次成像距离范围较小。
发明内容
本发明的内容是为了解决现有激光测距方法在信噪比较低、脉冲形状发生畸变时，测距误差和虚警率大幅增大的问题和现有激光雷达系统分辨率较低、成像距离范围较小、抗干扰能力较差、平均功耗较高、性能受成像探测器光学响应一致性和稳定性较大的问题，发明了一种新型激光测距方法及激光雷达系统。
第一方面，提出一种新型激光测距方法，具体内容如下所述。
利用电光转换产生激光脉冲序列照射目标，激光脉冲序列中包含有多个激光脉冲。
利用光电转换将目标反射回的激光脉冲序列转换为电信号序列，其中：光电转换的响应度与时间呈余弦函数关系变化且光电转换的响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，由于光电转换的响应度不断变化，使得所生成的电信号序列中每个电信号的能量发生改变，电信号序列的能量分布按照一定规律变化。
可选的，激光脉冲序列中的激光脉冲发射时间间隔相同，每个激光脉冲能量相等。
可选的，光电转换的响应度与时间呈线性调频函数关系变化。
通过解算电信号序列的能量分布变化频率得到目标距离。
第二方面，提出一种激光雷达系统，所述激光雷达系统采用所述新型激光测距方法，所述激光雷达系统包括：发射模块、接收模块、信号处理模块和控制模块，其中：所述发射模块，适于产生并发射激光脉冲序列，包括：激光器驱动子模块、电光转换子模块、发射光学子模块、分光子模块，其中：所述激光器驱动子模块产生激光器驱动脉冲信号，并能够对激光器驱动脉冲信号的脉冲重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量等参数进行控制；所述电光转换子模块在激光器驱动脉冲信号的控制下产生激光脉冲序列，并能够对激光脉冲序列的脉冲重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量、光波长等参数进行控制；所述发射光学子模块对激光脉冲序列进行准直、扩束、散斑抑制与消除，能够对激光脉冲序列的束腰和发散角等参数进行控制；所述分光子模块反射一部分激光脉冲序列，作为光触发信号；所述接收模块，适于接收并处理反射回的激光脉冲序列，包括：接收光学子模块、滤波子模块、光电探测器驱动子模块、响应度可调光电探测子模块，其中：所述接收光学子模块会聚反射回的激光脉冲序列，以供所述响应度可调光电探测子模块接收；所述滤波子模块滤掉激光脉冲序列之外的其他光束的反射信号；所述光电探测器驱动子模块产生光电探测器驱动信号，能够对光电探测器驱动信号的幅度、频率、相位、重复周期、功率等参数进行控制；所述响应度可调光电探测子模块在光电探测器驱动信号的控制下，其响应度与时间呈余弦函数关系变化且响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，反射回的激光脉冲序列经过光电转换后，通过积分、滤波、放大等处理，得到电信号序列；所述信号处理模块，适于接收电信号序列并对电信号序列进行信号处理，提取电信号序列能量分布变化频率并解算目标距离；所述控制模块，适于控制所述发射模块产生并发射激光脉冲序列，所述控制模块还接收光触发信号，据此控制所述接收模块接收并处理反射回的激光脉冲序列。
可选的，所述电光转换子模块为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或由上述激光器组成的激光器阵列。
可选的，所述电光转换子模块产生的激光脉冲序列中包含有多个激光脉冲，激光脉冲发射时间间隔相同，每个激光脉冲能量相等。
可选的，所述滤波子模块为波长可调谐滤波器或者窄带滤光片。
可选的，所述响应度可调光电探测子模块在光电探测器驱动信号的控制下，其响应度与时间呈线性调频函数关系变化。
可选的，所述响应度可调光电探测子模块为响应度可调的单像素光电探测器或响应度可调的多像素光电探测器。
可选的，所述响应度可调光电探测子模块除了包括单像素光电探测器或多像素光电探测器，还包括电光调制器。
可选的，所述响应度可调光电探测子模块包括响应度可调的单像素平衡光电探测器或响应度可调的多像素平衡光电探测器。
可选的，所述响应度可调光电探测子模块除了包括单像素平衡光电探测器或多像素平衡光电探测器，还包括电光调制器。
可选的，所述激光雷达系统还包括：扫描模块，其中：所述扫描模块与所述控制模块、所述发射模块、所述接收模块耦接，所述扫描模块在所述控制模块的控制下，通过摆动，将所述发射模块产生的激光脉冲序列反射至目标区域。
可选的，所述扫描模块为二维振镜。
与现有技术相比，本发明提出的一种新型激光测距方法及激光雷达系统，具有以下三个突出有益效果：一是所述新型激光测距方法及激光雷达系统，通过解算电信号序列能量分布变化频率得到目标距离，因此具有更强的抗干扰能力，更大的动态接收范围，特别是能够有效解决接收信噪比较低、脉冲形状畸变时，测距误差和虚警率增大的问题；二是可以采用响应度可调的积分型光电探测器阵列，如像增强型电荷耦合器件、电子倍增型电荷耦合器件实现，也可以采用电光调制器加积分型光电探测器阵列的方式实现，而无需采用高速探测器阵列及高速读出电路；三是所述新型激光测距方法及激光雷达系统还具有目标分辨能力，通过增大光电转换的响应度变化带宽，可以提高目标分辨率。
附图说明
图1为本发明提出的一种新型激光测距方法示意图。
图2为本发明提出的一种新型激光测距方法中涉及的信号波形示意图。
图3为本发明提出的一种激光雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解和实施本发明，下面结合附图进行说明。
下面结合图1和图2对本发明提出的一种新型激光测距方法进行说明。
图1中步骤S101，利用电光转换产生激光脉冲序列A，可以采用半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或由上述激光器组成的激光器阵列产生激光脉冲序列A；例如，如图2中波形（A）所示，激光脉冲序列A包含有多个激光脉冲，激光脉冲发射时间间隔相同，设为△T，则脉冲重复频率为f=1/△T，每个激光脉冲的能量相等，设为E。
图1中步骤S102，利用光电转换将目标反射回的激光脉冲序列B（如图2中波形（B）所示）转换为电信号序列D，可以采用响应度可调的光电探测器实现光电转换，如雪崩光电二极管及其阵列、像增强型电荷耦合器件、电子倍增型电荷耦合器件等；图1中步骤103实现响应度控制信号生成，产生响应度控制信号C，在光电转换过程中，响应度控制信号C对光电转换的响应度进行控制，使得响应度与时间呈余弦函数关系变化且响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，由于光电转换的响应度不断变化，使得所生成的电信号序列D中每个电信号的能量发生改变，电信号序列D的能量分布按照一定规律变化；例如，如图2中波形（C）所示，响应度控制信号C为线性调频信号，其形式为：C=C1+C2cos(2πf 0 t+πBt 2/T+φC)，式中：C1和C2为常数，f 0为线性调频信号起始频率，t为时间，B为线性调频信号带宽，T为线性调频信号持续时间，φC为响应度控制信号C的起始相位；在响应度控制信号C的控制下，响应度（如图2中波形（D）所示）与时间也呈线性调频函数关系变化，其形式为：Rd=Rd1+Rd2cos(2πf 0 t+πBt 2/T+φd)，式中：Rd1和Rd2为常数，φd为响应度的起始相位；经过积分、滤波与放大等信号处理后，所生成的电信号序列D如图2中波形（E）所示，其能量分布呈余弦规律变化，频率为f i=2BR/(cT)，式中：R为目标距离，c为光速。
图1中步骤S104对电信号序列D进行处理，并通过提取电信号序列D的能量分布变化频率得到目标距离，目标距离和电信号序列D的能量分布变化频率间的关系为：R=cTf i/(2B)。
下面结合图3对本发明提出的一种激光雷达系统进行说明。
参见图3，本发明实施例提供了一种激光雷达系统30，包括：发射模块31、接收模块32、信号处理模块33、控制模块34和扫描模块35。
所述发射模块31包括：激光器驱动子模块311、电光转换子模块312、分光子模块313和发射光学子模块314，其中：所述激光器驱动子模块311通过激光器驱动脉冲信号A控制所述电光转换子模块312产生激光脉冲序列B，所述激光器驱动子模块311通过激光器驱动脉冲信号A改变激光脉冲序列B的脉冲重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量、光波长等参数；所述分光子模块313通过反射一部分激光脉冲序列B生成光触发信号L，另一部分激光脉冲序列B作为预发射激光脉冲序列C进入发射光学子模块314；所述发射光学子模块314对预发射激光脉冲序列C进行准直、扩束、散斑抑制与消除，得到发射激光脉冲序列D，使其具有探测所需的束腰和发散角。
所述接收模块32包括：接收光学子模块321、滤波子模块322、响应度可调光电探测子模块323和光电探测器驱动子模块324，其中：所述接收光学子模块321会聚回波信号E得到回波接收信号F；所述滤波子模块322滤掉回波接收信号F之外的其他光束的反射信号，得到回波激光脉冲序列G；所述响应度可调光电探测子模块323在所述光电探测器驱动子模块324的控制下将回波激光脉冲序列G转换为电信号序列H；所述光电探测器驱动子模块324通过光电探测器驱动信号M控制所述响应度可调光电探测子模块323的响应度，使响应度与时间呈余弦函数关系变化且响应度的变化频率与时间呈线性关系变化。
所述信号处理模块33对电信号序列H进行信号处理，提取电信号序列H的能量分布变化频率并解算目标距离。
所述控制模块34通过激光发射控制信号I控制所述激光器驱动子模块311产生激光器驱动脉冲信号A，从而触发所述发射模块31工作；所述控制模块34还接收光触发信号L并据此产生回波接收控制信号J；所述控制模块34通过回波接收控制信号J控制所述光电探测器驱动子模块324产生光电探测器驱动信号M，从而触发所述接收模块32工作。
所述扫描模块35与所述控制模块34、所述发射模块31、所述接收模块32耦接，所述扫描模块35在所述控制模块34的控制下，通过摆动，将所述发射模块31产生的发射激光脉冲序列D反射至目标区域。
在具体实施例中，发射激光脉冲序列D中可包含有多个激光脉冲，激光脉冲发射时间间隔相同且每个激光脉冲的能量相等；所述响应度可调光电探测子模块323在光电探测器驱动信号M的控制下，其响应度可与时间呈线性调频函数关系变化，其形式可以表示为：Rd=Rd1+Rd2cos(2πf 0 t+πBt 2/T+φd)，式中：Rd1和Rd2为常数，f 0为线性调频信号起始频率，t为时间，B为线性调频信号带宽，T为线性调频信号持续时间，φd为响应度的起始相位；在此具体实施例中，电信号序列H的能量分布呈余弦规律变化，其频率为f i=2BR/(cT)，式中：R为目标距离，c为光速；通过解算频率f i可以得到目标距离R=cTf i/(2B)。
在具体实施例中，所述电光转换子模块312可为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或由上述激光器组成的激光器阵列。
在具体实施例中，所述滤波子模块322可为波长可调谐滤波器或者窄带滤光片。
在具体实施例中，所述响应度可调光电探测子模块323可为雪崩光电二极管、金属-半导体-金属光电探测器等响应度可调的单像素光电探测器，或者可为雪崩光电二极管阵列、金属-半导体-金属光电探测器阵列等响应度可调的多像素光电探测器，或者可为像增强型电荷耦合器件、电子倍增型电荷耦合器件等多像素光电探测器。
在具体实施例中，所述响应度可调光电探测子模块323除了包括单像素光电探测器或多像素光电探测器，还包括电光调制器，其中：单像素光电探测器或多像素光电探测器进行光电转换，电光调制器对光强度进行调制，使得所述响应度可调光电探测子模块323的响应度发生改变。
在具体实施例中，所述响应度可调光电探测子模块323可为响应度可调的单像素平衡光电探测器或响应度可调的多像素平衡光电探测器，实现对回波激光脉冲序列G的相干接收。
在具体实施例中，所述响应度可调光电探测子模块323除了包括单像素平衡光电探测器或多像素平衡光电探测器，还包括电光调制器，其中：单像素平衡光电探测器或多像素平衡光电探测器进行相干接收，电光调制器对光强度进行调制，使得所述响应度可调光电探测子模块323的响应度发生改变。
在具体实施例中，所述扫描模块35为二维振镜。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可做各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (14)

1.一种新型激光测距方法，其特征在于：
利用电光转换产生激光脉冲序列照射目标，激光脉冲序列中包含有多个激光脉冲；
利用光电转换将目标反射回的激光脉冲序列转换为电信号序列，其中：光电转换的响应度与时间呈余弦函数关系变化且光电转换的响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，由于光电转换的响应度不断变化，使得所生成的电信号序列中每个电信号的能量发生改变，电信号序列的能量分布按照一定规律变化；
通过解算电信号序列的能量分布变化频率得到目标距离。
2.根据权利要求1所述的新型激光测距方法，其特征在于，激光脉冲序列中的激光脉冲发射时间间隔相同，每个激光脉冲能量相等。
3.根据权利要求1和权利要求2任一项所述的新型激光测距方法，其特征在于，光电转换的响应度与时间呈线性调频函数关系变化。
4.一种激光雷达系统，其特征在于，采用权利要求1至3任一项所述的新型激光测距方法，包括：
发射模块、接收模块、信号处理模块和控制模块，其中：
所述发射模块，适于产生并发射激光脉冲序列，包括：
激光器驱动子模块、电光转换子模块、发射光学子模块、分光子模块，其中：
所述激光器驱动子模块产生激光器驱动脉冲信号，并能够对激光器驱动脉冲信号的脉冲重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量等参数进行控制；
所述电光转换子模块在激光器驱动脉冲信号的控制下产生激光脉冲序列，并能够对激光脉冲序列的脉冲重复频率、脉冲宽度、单脉冲能量、光波长等参数进行控制；
所述发射光学子模块对激光脉冲序列进行准直、扩束、散斑抑制与消除，能够对激光脉冲序列的束腰和发散角等参数进行控制；
所述分光子模块反射一部分激光脉冲序列，作为光触发信号；
所述接收模块，适于接收并处理反射回的激光脉冲序列，包括：
接收光学子模块、滤波子模块、光电探测器驱动子模块、响应度可调光电探测子模块，其中：
所述接收光学子模块会聚反射回的激光脉冲序列，以供所述响应度可调光电探测子模块接收；
所述滤波子模块滤掉激光脉冲序列之外的其他光束的反射信号；
所述光电探测器驱动子模块产生光电探测器驱动信号，并能够对光电探测器驱动信号的幅度、频率、相位、重复周期、功率等参数进行控制；
所述响应度可调光电探测子模块在光电探测器驱动信号的控制下，其响应度与时间呈余弦函数关系变化且响应度的变化频率与时间呈线性关系变化，反射回的激光脉冲序列经过光电转换后，通过积分、滤波、放大等处理，得到电信号序列；
所述信号处理模块，适于接收电信号序列并对电信号序列进行信号处理，提取电信号序列能量分布变化频率并解算目标距离；
所述控制模块，适于控制所述发射模块产生并发射激光脉冲序列，所述控制模块还接收光触发信号，据此控制所述接收模块接收并处理反射回的激光脉冲序列。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其特征在于，所述电光转换子模块为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、光纤激光器或由上述激光器组成的激光器阵列。
6.根据权利要求4和权利要求5任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述电光转换子模块产生的激光脉冲序列中包含有多个激光脉冲，激光脉冲发射时间间隔相同，每个激光脉冲能量相等。
7.根据权利要求4至6任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述滤波子模块为波长可调谐滤波器或者窄带滤光片。
8.根据权利要求4至7任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述响应度可调光电探测子模块在光电探测器驱动信号的控制下，其响应度与时间呈线性调频函数关系变化。
9.根据权利要求4至8任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述响应度可调光电探测子模块为响应度可调的单像素光电探测器或响应度可调的多像素光电探测器。
10.根据权利要求4至8任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述响应度可调光电探测子模块除了包括单像素光电探测器或多像素光电探测器，还包括电光调制器。
11.根据权利要求4至8任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述响应度可调光电探测子模块包括响应度可调的单像素平衡光电探测器或响应度可调的多像素平衡光电探测器。
12.根据权利要求4至8任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述响应度可调光电探测子模块除了包括单像素平衡光电探测器或多像素平衡光电探测器，还包括电光调制器。
13.根据权利要求4至12任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：扫描模块，其中：
所述扫描模块与所述控制模块、所述发射模块、所述接收模块耦接，所述扫描模块在所述控制模块的控制下，通过摆动，将所述发射模块产生的激光脉冲序列反射至目标区域。
14.根据权利要求4至13任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扫描模块为二维振镜。
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