CN112083401B - 一种调频连续波激光雷达非线性校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调频连续波激光雷达非线性校正装置，激光器输出当前检测光；波长检测模块接收当前检测光信号，并输出交流电流信号至差分器，以及输出直流电流信号至信号控制模块；信号控制模块获取到当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至差分器；差分器将交流电流信号与标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至积分器；积分器将差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。本发明通过动态调整激光器的输出波长实现激光器的线性调频，提高了测距精度。

Description

一种调频连续波激光雷达非线性校正装置及方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光雷达非线性校正装置及方法。

背景技术

调频连续波激光测距可实现高精度测距测量，其在激光雷达测距和测速中具有非常好的前景。调频连续波是一种通过测量发射光信号与回波信号相干得到的拍频信号的频域响应来获取被测目标位置、速度等参量的技术，其核心模式一个需要频率线性调制的激光源。

激光器一般通过直接调制驱动电流就可以实现频率调制。但是激光器的驱动电流与输出频率之间并非线性关系，这使得激光器在线性调制驱动电流的控制下，输出频率并非随时间可以线性规律变化，并且激光器的工作状态受温度、驱动和工作时长的影响比较明显，造成波长、电流-频率的调制效率、电流-频率线性度的不稳定输出，从而导致激光测距的精度和准确度不能满足需求。

因此要实现高精度、高分辨率的测距，对激光器进行调频非线性校正是十分重要的一环。激光器非线性校正通常有两种技术方案：一种是闭环校正，另外一种是开环校正。闭环校正法是通过采用延时自外差光电锁相环建立反馈回路，通过稳定干涉仪的拍频信号频率，实现对激光器输出信号调制频率的稳定，即实现对激光器输出信号调频信号的线性化校正。闭合校正方法的特点是校正精度较高，但是光电锁相环实现方式复杂，并且锁相环的锁定范围小，抗干扰能力差。开环校正的方法通过给激光器注入特定形式的非线性调制驱动电流，使激光器输出频率随时间以线性形式变化。通过测量恒定电流输入条件下的输出频率，建立数据库，拟和出使激光器输出频率线性化的驱动电流波形。该方法需要建立不同的数据库，占据资源空间大。简单的开环校正方法会恶化激光器的线宽，使得测距能力退化，并且不完美的调频线性度使得拍频展宽，降低了测距的精度。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种调频连续波激光雷达非线性校正装置及方法，通过动态调整激光器的输出波长实现激光器的线性调频，提高了测距精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波激光雷达非线性校正装置，所述装置包括激光器、波长检测模块、信号控制模块、差分器和积分器，所述激光器、波长检测模块、差分器和积分器构成负反馈环路，其中；

所述激光器，接收一外部输入电流，输出当前检测光至所述波长检测模块；

所述波长检测模块，接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块；

所述信号控制模块，根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至所述差分器；

所述差分器，将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器；

所述积分器，将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

优选的，所述波长检测模块包括分光器、马赫曾德干涉仪和平衡探测器；

所述激光器输出光信号经过分光器分出一部分作为当前检测光输出至所述马赫曾德干涉仪，另一部分出射到自由空间进行反射回传，所述马赫曾德干涉仪将当前检测光形成相干光，并在所述平衡探测器测得所述干涉光的拍频信号，并将其转化为电信号。

优选的，所述马赫曾德干涉仪包括第一耦合器、延时光纤和第二耦合器，所述当前检测光信号经所述第一耦合器分成两路，一路当前检测光信号经所述延时光纤，另一路作用于本振光，然后两束光经过所述第二耦合器耦合，所述两束光在所述平衡探测器中相干涉。

优选的，所述马赫曾德干涉仪用衰减的线性啁啾光栅代替。

优选的，所述马赫曾德干涉仪用环形谐振器代替。

优选的，所述平衡探测器包括两个串联的单光电探测器，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块。

优选的，所述装置还包括标定模块，搭建激光器调频特性实验测量系统，测量得到所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系。

优选的，所述信号控制模块包括设置单元、处理单元和查找单元，

所述设置单元，设置并存储将所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系，建立标定电流与输出波长的对应关系；

所述处理单元，根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长；

所述查找单元根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。

为实现上述目的，本发明提供了一种调频连续波激光雷达非线性校正方法，所述方法包括：

S1、激光器接收一外部输入电流，输出当前检测光至波长检测模块；

S2、所述波长检测模块接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块；

S3、所述信号控制模块根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至差分器；

S4、所述差分器将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器；

S5、所述积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

优选的，所述步骤S3包括：

根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长；

根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。

与现有技术相比，本发明提供一种调频连续波激光雷达非线性校正装置及方法，所带来的有益效果为：基于激光器输出波长与输入电流的特性关系，通过负反馈环路动态调整激光器输出波长，使激光器的波长能够稳定输出，从而实现激光器的线性调频，使得线性调频更加准确，提高了激光测距的精度；整个动态调整时间速度快，可以达到us级别；采用模块化设计，将多个功能模块封装在一起，减少体积和成本，提高生产的便利性，降低模组的成本，便于批量化生产。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的调频连续波激光雷达非线性校正装置的系统示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的调频连续波激光雷达非线性校正方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明的一个实施例，本发明提供一种调频连续波激光雷达非线性校正装置，所述装置包括激光器10、波长检测模块11、信号控制模块12、差分器13和积分器14，所述激光器10、波长检测模块11、差分器13和积分器14构成负反馈环路，其中，

所述激光器10，接收一外部输入电流，输出当前检测光至所述波长检测模块11；

所述波长检测模块11，接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器13，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块12；

所述信号控制模块12，根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至所述差分器13；

所述差分器13，将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器14，

所述积分器14，将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

激光器一般通过调制驱动电流就可以实现频率调制。激光器的输出波长与驱动电流成一定的函数关系，通过改变驱动电流就能够实现对激光器输出波长的改变，从而实现对激光器的输出光频率的调制。所述激光器接收一外部输入电流，在所述外部输入电流的控制下，所述激光器输出光信号，将所述激光器当前输出的一部分光信号作为检测光。所述激光器将所述检测光输出至所述波长检测模块。

所述波长检测模块接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块。具体地，所述波长检测模块11包括分光器110、马赫曾德干涉仪111和平衡探测器112。所述激光器输出光信号，经过分光器分出一部分作为当前检测光输出至所述马赫曾德干涉仪，另一部分出射到自由空间进行反射回传。所述马赫曾德干涉仪将当前检测光形成相干光，并在所述平衡探测器测得所述干涉光，并将其转化为电信号。所述马赫曾德干涉仪包括第一耦合器、延时光纤和第二耦合器，所述当前检测光信号经所述第一耦合器分成两路，一路当前检测光信号经所述延时光纤，另一路作用于本振光，然后两束光经过所述第二耦合器耦合，由于两束光是由分光得到并且经过的光程不同，所以两束光在所述平衡探测器中相干涉，所述平衡探测器测得两束光的拍频信号，将光信号转换为电信号。所述平衡探测器包括两个串联的单光电探测器，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块。所述平衡探测器的输出电流随着激光器波长的改变而改变，即其输出电流与激光器的波长有着对应的关系。

所述信号控制模块根据获取的直流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至所述差分器。根据本发明的一具体实施例，所述装置还包括标定模块，搭建激光器调频特性实验测量系统，对实验测量系统基于激光器的输出波长与驱动电流成一定的函数关系，测量得到所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系。所述信号控制模块包括设置单元、处理单元和查找单元。所述设置单元，设置所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系，并将所述特性关系进行存储，建立标定电流与输出波长的对应关系。标定电流与输出波长的特性关系能够实现所述激光器的线性调频。所述处理单元根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长。所述查找单元根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。

所述差分器将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，将差值电流信号发送至所述积分器。所述积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止所述负反馈环路的调整。所述激光器、波长检测模块、差分器和积分器构成负反馈环路。当交流电流信号与所述标定电流信号不等时，所述差分器输出差值电流信号至积分器，积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器，在所述校正电流信号和输入电流控制下，控制激光器的波长调节，形成负反馈环路，实现了对激光器波长的实时动态调整，直到所述交流电流信号与所述标定电流信号相等时，所述差分器输出的差值电流信号为零，所述积分器输出的校正电流信号为零，整个负反馈环路达到平衡状态，停止激光器的波长调节，激光器的波长稳定输出，达到激光器的线性调频。实现了对激光器波长的动态调整，从而实现了激光器的线性调频，整个实现过程所需要的时间可达到us级别，能够快速实现激光器波长的线性变换，对激光器的线性调频具有很好的作用。

本发明的一具体实施例，用线性啁啾光栅代替马赫曾德干涉仪。所述马赫曾德干涉仪还可以用环形谐振器代替。

如图2所示的本发明的一个实施例，本发明提供了一种调频连续波激光雷达非线性校正方法，所述方法包括：

S201、激光器接收一外部输入电流，输出当前检测光至波长检测模块；

S202、所述波长检测模块接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至信号控制模块；

S203、所述信号控制模块根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至差分器；

S204、所述差分器将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器；

S205、所述积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

激光器接收一外部输入电流，在所述外部输入电流的控制下，所述激光器输出光信号，将所述激光器当前输出的一部分光信号作为检测光。所述激光器将所述检测光输出至所述波长检测模块。所述波长检测模块接收所述当前检测光信号，通过马赫曾德干涉仪将当前检测光形成相干光，并在所述平衡探测器测得所述干涉光，并将其转化为电信号。所述平衡探测器输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块。所述平衡探测器的输出电流随着激光器波长的改变而改变。所述信号控制模块根据获取的直流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至所述差分器。具体地，根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长。根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。所述差分器将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，将差值电流信号发送至所述积分器。所述积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整。在所述校正电流信号和输入电流控制下，控制激光器的波长调节，形成负反馈环路，实现了对激光器波长的实时动态调整，直到所述交流电流信号与所述标定电流信号相等时，所述差分器输出的差值电流信号为零，所述积分器输出的校正电流信号为零，整个负反馈环路达到平衡状态，停止激光器的波长调节，达到激光器的线性调频。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述装置包括激光器、波长检测模块、信号控制模块、差分器和积分器，所述激光器、波长检测模块、差分器和积分器构成负反馈环路，其中；

所述激光器，接收一外部输入电流，输出当前检测光至所述波长检测模块；所述波长检测模块，接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块；

所述信号控制模块，根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至所述差分器；

所述差分器，将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器；

所述积分器，将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

2.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述波长检测模块包括分光器、马赫曾德干涉仪和平衡探测器；

所述激光器输出光信号经过分光器分出一部分作为当前检测光输出至所述马赫曾德干涉仪，另一部分出射到自由空间进行反射回传，所述马赫曾德干涉仪将当前检测光形成相干光，并在所述平衡探测器测得干涉光的拍频信号，并将其转化为电信号。

3.如权利要求2所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪包括第一耦合器、延时光纤和第二耦合器，所述当前检测光信号经所述第一耦合器分成两路，一路经所述延时光纤，另一路作用于本振光，然后两束光经过所述第二耦合器耦合，所述两束光在所述平衡探测器中相干涉。

4.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪用衰减的线性啁啾光栅代替。

5.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪用环形谐振器代替。

6.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述平衡探测器包括两个串联的单光电探测器，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至所述信号控制模块。

7.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述装置还包括标定模块，搭建激光器调频特性实验测量系统，测量得到所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系。

8.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置，其特征在于，所述信号控制模块包括设置单元、处理单元和查找单元，

所述设置单元，设置并存储将所述激光器的输入标定电流与输出波长的特性关系，建立标定电流与输出波长的对应关系；

所述处理单元，根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长；

所述查找单元根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。

9.一种如权利要求1-8任一所述的调频连续波激光雷达非线性校正装置的校正方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、激光器接收一外部输入电流，输出当前检测光至波长检测模块；

S2、所述波长检测模块接收所述当前检测光信号，并输出交流电流信号至所述差分器，以及输出直流电流信号至信号控制模块；

S3、所述信号控制模块根据获取的直流电流信号获取到所述当前检测光的波长，并在预先设置的波长与标定电流特性关系中，查找到所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将标定电流信号输出至差分器；

S4、所述差分器将所述交流电流信号与所述标定电流信号进行差值运算，并将差值电流信号发送至所述积分器；

S5、所述积分器将所述差值电流信号进行运算，输出校正电流信号至所述激光器进行波长反馈调整，并当所述校正电流信号为零时，停止波长调节。

10.如权利要求9所述的调频连续波激光雷达非线性校正方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

根据接收的直流电流信号，经过模数转换后采样得到当前检测光的光功率，计算得到所述当前检测光的波长；

根据获取的所述当前检测光的波长，在所述特性关系中，查找所述当前检测光的波长所对应的标定电流，并将所述标定电流输出至所述差分器。