CN111983627A - 一种探测装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种探测装置及探测方法，探测领域。该装置包括：发射模块，接收模块以及信号处理模块；所述发射模块包括有窄线宽调频激光器，所述窄线宽调频激光器用于输出台阶波频率调制的窄线宽激光；所述接收模块用于接收从目标物体反射回来的回波信号，并根据回波信号和所述窄线宽调频激光器输出的信号得到混频信号；所述信号处理模块用于根据所述窄线宽调频激光器输出的信号，回波信号以及混频信号得到目标物体的距离信息和/或速度信息。实现了提高探测精度缩短探测时间。同时对于调频范围较大的激光器，可以完整利用其调频范围，不用使得调频范围限制在由最大测距距离和测距系统所能承受的最大中频频率所划定的范围内。

Description

一种探测装置及探测方法
技术领域
本申请涉及探测技术领域，特别涉及一种探测装置及探测方法。
背景技术
测速测距相干激光雷达是激光雷达技术、相干探测技术、信号处理技术的综合应用之一。广泛的应用在航空航天、目标监控、风场测量等诸多领域，在军事和民用领域都有着广阔的应用前景。
目前的激光雷达大多单一测量目标的速度或者距离信息，测速测距主要有以下几种方法：第一种是采用微波雷达探测的方式，但是与激光雷达探测方式相比，微波雷达波束宽、角分辨率低、抗干扰能力不强。第二种是采用激光雷达直接探测的方式，直接探测与相干探测相比，其探测灵敏度大大降低，从而降低了激光雷达的作用距离。第三种是采用激光回波频率调制相干的方式，这种方式要加入体积功耗大的声光移频器，信噪比不高，导致测量作用距离和精度不高。第四种是采用对激光发射信号进行频率三角波调制的方式进行探测，采用三角波调制时，三角波信号的非线性会导致测量精度降低。而且三角波的调制的方式进行探测需要时间周期长。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种探测装置及探测方法，以解决现有的探测中耗时长精度不高的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种探测装置，包括：发射模块，接收模块以及信号处理模块；
所述发射模块包括有窄线宽调频激光器，所述窄线宽调频激光器用于输出台阶波频率调制的窄线宽激光；
所述接收模块用于接收从目标物体反射回来的回波信号，并根据回波信号和所述窄线宽调频激光器输出的信号得到混频信号；
所述信号处理模块用于根据所述窄线宽调频激光器输出的信号，回波信号以及混频信号得到目标物体的距离信息和/或速度信息。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光还包括多个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光包括多个只用于测量速度信息的时间段。
可选地，根据一个测量速度信息的时间段和一个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段就完成一次对所属目标物体的探测。
可选地，所述用于同时测量速度信息和距离信息的时间段的每一个的持续时间大于回波时间。
第二方面，本申请实施例提供了一种探测方法，应用于上述第一方面所述的探测装置，所述探测方法包括：
窄线宽调频激光器发射台阶波频率调制的窄线宽激光；
在同时测量速度和距离信息的时间段得到第一频率；
在只用于测量速度信息的时间段得到第二频率；
根据第一频率和第二频率得到目标物体的速度和距离信息。
可选地，在同时测量速度和距离信息的时间段得到第三频率，根据所述第二频率和第三频率得到目标物体的速度和距离信息。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光还包括多个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光包括多个只用于测量速度信息的时间段。
可选地，所述获得第一频率和所述获得第三频率的时间段分别大于回波时间。
本申请的有益效果是：
本申请实施例提供的一种探测装置及探测方法，该传探测装置包括：发射模块，接收模块以及信号处理模块；
所述发射模块包括有窄线宽调频激光器，所述窄线宽调频激光器用于输出台阶波频率调制的窄线宽激光；
所述接收模块用于接收从目标物体反射回来的回波信号，并根据回波信号和所述窄线宽调频激光器输出的信号得到混频信号；
所述信号处理模块用于根据所述窄线宽调频激光器输出的信号，回波信号以及混频信号得到目标物体的距离信息和/或速度信息。通过本申请的探测装置及探测方法中提供的台阶波频率调制可以提高探测精度缩短探测时间。同时对于调频范围较大的激光器，可以完整利用其调频范围，不用使得调频范围限制在由最大测距距离和测距系统所能承受的最大中频频率所划定的范围内。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请一实施例提供的一种探测装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种现有的三角波频率调制示意图；
图3为本申请实施例提供的三角波调制时中频信号中距离产生的频移量与多普勒频移的关系示意图；
图4为本申请实施例提供的使用梯形波调制时的频率示意图；
图5为本申请实施例提供的使用台阶波调制时的频率示意图；
图6～图9为本申请实施例提供的不同台阶波的示意图；
图10为本申请实施例提供的探测方法的流程图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
图1为本申请实施例提供的一种探测装置的结构示意图，该探测装置可以为激光雷达设备或集成于激光雷达。
如图1所示，该探测装置可以包括：发射模块01、接收模块02和信号处理模块03。其中：
发射模块01，用于向待探测目标发射第一波形信号，其中第一波形信号可以是台阶波调制的波形。
接收模块02，用于接收所述待探测目标基于所述第一波形信号反射的第二波形信号，其中，所述第二波形信号携带空间调制信息。基于所述第二波形信号生成与所述空间调制信息对应的检测信号，获得所述检测信号携带的信号飞行时间。
可选地，第一波形信号、第二波形信号可以是光信号，例如激光信号，也可以是其他波形信号，例如声波信号等，本申请不作限制。
信号处理模块03，用于基于多个所述空间调制信息、各所述空间调制信息对应的所述信号飞行时间，确定所述待探测目标的距离数据。
其中，接收模块可以包括飞行时间(Time of flight，简称TOF)芯片，接收到待探测目标发射的第二波形信号后，第二波形信号可以聚焦在TOF芯片上，在TOF芯片上可以获取光信号。
即获取检测信号携带的信号飞行时间之后，可以根据上述空间调制信息、各空间调制信息对应的信号飞行时间，计算获取上述待探测目标的距离数据。
本实施例中，通过向待探测目标发射第一波形信号，并接收该待探测目标基于所述第一波形信号反射的第二波形信号，其中，第二波形信号携带空间调制信息；进而基于上述第二波形信号生成与空间调制信息对应的检测信号，获得检测信号携带的信号飞行时间，基于多个上述空间调制信息、各空间调制信息对应的信号飞行时间，确定上述待探测目标的距离数据，实现了通过向探测目标发射出的或者反射回的信号加载空间调制信息，基于多个所接收的具有空间调制信息的波形信号矩阵可以获取多个信号飞行时间矩阵，通过多个信号飞行时间矩阵的计算得到比探测设备分辨率更高的距离数据，从而也提升了测量精度。
图2为本申请实施例提供的一种现有的三角波频率调制示意图。如图2所示，I为信号光，II为本振光，III为信号光和本振光之间的频率偏移。在相干探测中，通常使用对称的三角波来对于激光光源进行频率调制。激光光源通常采用窄线宽的激光器，其线宽和测距距离之间关系通常可以表示为：2L＝c/Δf，其中c为光速，Δf为该激光器的线宽，L为测距的距离。如图1所示，在进行测距的时候，完成一次完整的测距/测速则需要至少半个完整的调频周期，即：
Figure BDA0002658500120000071
其中，tmin为完成一次测距的时间，T为频率调制的周期。
在这一段时间内，本振光的频率与从运动的目标上反射回来的信号光的频率分别表示为：fL，fS。他们二者在光敏面上产生干涉，产生的中频频率为：fmid＝|fL-fS|，其中信号光的频率包含了距离产生的频率变化与目标具有的相对速度所产生的多普勒频移，信号光的频率可以表示为：
Figure BDA0002658500120000072
其中，B为调频带宽或者调频范围，即为一次调频所产生的的最大频率变化量；L为测距距离；
Figure BDA0002658500120000081
为完成三角波调频的频率。则当分别处于上升和下降沿的时候，中频信号的频率分别为:
Figure BDA0002658500120000082
或者：
Figure BDA0002658500120000083
这时，我们能需要同时获得频率处于调频周期处于上升沿和下降沿时产生的中频频率：fmid+与fmid-，才能完整的计算出在当前时刻目标的距离与速度。即：
Figure BDA0002658500120000084
图3为本申请实施例提供的三角波调制时中频信号中距离产生的频移量与多普勒频移的关系示意图。如图3所示，曲线IV为本振光，曲线V为信号光，信号光相对于本振光的频移是由于距离引起的，曲线VI为信号光加多普勒频移，曲线VII为距离产生的频移，曲线VIII为距离和多速度共同产生的频移。这样在三角波调制时根据上升沿和下降沿就可以得到目标物体的距离和速度信息。
图4为本申请实施例提供的使用梯形波调制时的频率示意图。其原理是采用如梯形波的频率调制来克服在三角波调制时完成测距所需要的上升沿频率和下降沿频率，在上升和下降沿之间有一个频率不变的区间。如图4所示，曲线IX为本振光，曲线X为信号光，如图4所示，在梯形波调制时中间有一段频率是不变化的。，这样就可以直接得到速度引起的多普勒频移，然后在频率变化的上升沿或者下降沿可以得到同时包含距离和速度信息频移，这样就可以在较短时间内得到目标物体的距离和速度信息。如图4所示可以产生Δf1，Δf2，Δf3三个不同的频率，其中：
Figure BDA0002658500120000091
则可以得到：
Figure BDA0002658500120000092
在进行相干测距时，结果就变得非常简单。
图5为本申请实施例提供的使用台阶波调制时的频率示意图，其原理是采用台阶波形状的频率调制来在更短的时间内得到目标物体的距离和速度信息，如图5所示在上升和下降沿之间有多个个频率不变的区间。如图5所示有3个固定的频率，分别为Δf1，Δf2，Δf3。其中：
Figure BDA0002658500120000093
则可以得到：
Figure BDA0002658500120000094
即只需要获得一个Δf2的值与一个Δf1或者Δf3的值即可完成一次测距。特别是，中频信号中Δf1与Δf2间隔交错出现，可以极大地降低完成一次测距所需时间。
如图6所示对于台阶波调频波形，每个频率平坦区到下个频率平坦区的周期为T，其中分为上升/下降段T1，平坦段T2。为了使得可以出现如图5中所示的Δf1，Δf2，Δf3，需要T1和T2均大于信号回波所需要的时间，即：
Figure BDA0002658500120000101
其中L为目标距离，c为光速。
图6～图9为本申请实施例提供的不同台阶波的示意图。图6～图9只是为了示例性说明，并不局限于这几种波形。需要保证频率不变的阶段与调频的阶段均大于目标往返所需时间即可。
图10为本申请实施例提供的探测方法的流程图，该探测方法可以应用于前述的探测装置，该方法基本原理及产生的技术效果与前述对应的探测装置实施例相同，为简要描述，本实施例中未提及部分，可参考探测装置实施例中的相应内容。如图10所示，该探测方法包括：
S101、窄线宽调频激光器发射台阶波频率调制的窄线宽激光。
S102、在同时测量速度和距离信息的时间段得到第一频率。
S103、在只用于测量速度信息的时间段得到第二频率。
S104、根据第一频率和第二频率得到目标物体的速度和距离信息。
可选地，在同时测量速度和距离信息的时间段得到第三频率，根据所述第二频率和第三频率得到目标物体的速度和距离信息。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光包括多个只用于测量速度信息的时间段。
可选地，所述台阶波频率调制的窄线宽激光还包括多个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段。
可选地，所述获得第一频率和所述获得第三频率的时间段分别大于回波时间。
上述方法应用于前述实施例提供的探测装置，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测装置，其特征在于，包括：发射模块，接收模块以及信号处理模块；
所述发射模块包括有窄线宽调频激光器，所述窄线宽调频激光器用于输出台阶波频率调制的窄线宽激光；
所述接收模块用于接收从目标物体反射回来的回波信号，并根据回波信号和所述窄线宽调频激光器输出的信号得到混频信号；
所述信号处理模块用于根据所述窄线宽调频激光器输出的信号，回波信号以及混频信号得到目标物体的距离信息和/或速度信息。
2.根据权利要求1所述探测装置，其特征在于，所述台阶波频率调制的窄线宽激光还包括多个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段。
3.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述台阶波频率调制的窄线宽激光包括多个只用于测量速度信息的时间段。
4.根据权利要求3所述的探测装置，其特征在于，根据一个测量速度信息的时间段和一个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段就完成一次对所属目标物体的探测。
5.根据权利要求2所述的探测装置，其特征在于，所述用于同时测量速度信息和距离信息的时间段的每一个的持续时间大于回波时间。
6.一种探测方法，其特征在于，所述方法应用于上述权利要求1所述的探测装置，所述方法包括：
窄线宽调频激光器发射台阶波频率调制的窄线宽激光；
在同时测量速度和距离信息的时间段得到第一频率；
在只用于测量速度信息的时间段得到第二频率；
根据第一频率和第二频率得到目标物体的速度和距离信息。
7.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，在同时测量速度和距离信息的时间段得到第三频率，根据所述第二频率和第三频率得到目标物体的速度和距离信息。
8.根据权利要求6所述的探测方法，其特征在于，所述台阶波频率调制的窄线宽激光还包括多个用于同时测量速度信息和距离信息的时间段。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述台阶波频率调制的窄线宽激光包括多个只用于测量速度信息的时间段。
10.根据权利要求7所述的探测方法，其特征在于，所述获得第一频率和所述获得第三频率的时间段分别大于回波时间。
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