CN112526538A - 基于fdml的调频连续波激光雷达捕获系统及方法 - Google Patents

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CN112526538A CN202011383674.6A CN202011383674A CN112526538A CN 112526538 A CN112526538 A CN 112526538A CN 202011383674 A CN202011383674 A CN 202011383674A CN 112526538 A CN112526538 A CN 112526538A
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Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统及方法。该系统包括光源单元、测距单元和信号处理单元，光源单元用于基于FDML技术向待测目标发射激光；测距单元用于采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；信号处理单元用于基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。解决了现有调频连续波激光测距分辨率和测量精度低的技术问题。

Description

基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统及方法。
背景技术
激光雷达测距是激光最早应用的领域之一，凭借高精度、高分辨率、探测距离远和抗干扰能力强等优点，满足军事、工业测量等领域的测量需要，得到广泛应用。
相比于常用的激光脉冲飞行时间测距、连续波调幅测距技术，调频连续波具有很小的距离分辨率、能同时测量目标的速度、距离两种参数，其处理电路简单、功率小、结构紧凑、重量轻及功耗小。
虽然调频连续波激光测距具有诸多优势，但一直以来受激光器调制范围和调制线性度的限制，影响了激光测量分辨率和测量精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统及方法，其解决了现有调频连续波激光测距分辨率和测量精度低的技术问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，包括光源单元、测距单元和信号处理单元；
光源单元用于基于FDML技术向待测目标发射激光；
测距单元采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；
信号处理单元用于基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
本发明实施例提出的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，基于FDML技术和相干探测方式，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量。
可选地，光源单元选用FDML激光器作为调频连续波激光雷达捕获系统的光源，FDML激光器包括依次连接的驱动电源、可调谐滤波器、第一隔离器、半导体放大器、第二隔离器、色散位移光纤和第一耦合器；
驱动电源用于发出扫频激光，扫频激光依次通过可调谐滤波器、第一隔离器、半导体放大器、第二隔离器、色散位移光纤和第一耦合器。
可选地，第一耦合器用于将扫频激光分为A路扫频激光和B路扫频激光，第一耦合器的分光比为20：80；
其中，A路扫频激光作为FDML激光器的输出，输出20％的扫频激光能量；B路扫频激光返回到FDML激光器的环形谐振腔内，输出80％的扫频激光能量。
可选地，扫频激光在环形谐振腔内传播一周的时间是可调谐滤波器的驱动电压的周期的整数倍。
可选地，测距单元包括第二耦合器、第三耦合器、环形器、收发装置、待测目标、第四耦合器、第一光电探测器、第五耦合器、第六耦合器和第二光电探测器；
第二耦合器与第三耦合器、环形器、收发装置、待测目标依次连接；
第四耦合器和第一光电探测器依次连接；
第二耦合器还与第六耦合器、第二光电探测器依次连接；
第二耦合器用于将A路扫频激光分为C路扫频激光和D路扫频激光，第二耦合器的分光比为50：50；
其中，C路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第三耦合器；D路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第五耦合器。
可选地，第三耦合器用于将C路扫频激光分为C1路扫频激光和C2路扫频激光，第三耦合器的分光比为50：50；
其中，C1路扫频激光通过延时光纤进入第四耦合器；C2路扫频激光依次通过环形器、收发装置发射到待测目标上，收发装置接收从待测目标反射回来的反射激光，反射激光通过环形器后进入第四耦合器，与C1路扫频激光发生差频干涉，产生第一干涉信号。
可选地，第五耦合器用于将D路扫频激光分为D1路扫频激光和D2路扫频激光，第五耦合器的分光比为50：50；
其中，D1路扫频激光通过延时光纤进入第六耦合器；D2路扫频激光通过单模光纤进入第六耦合器，与D1路扫频激光发生差频干涉，产生第二干涉信号。
可选地，第一光电探测器用于通过光电转换将第一干涉信号转为第一电信号；
第二光电探测器用于通过光电转换将第二干涉信号转为第二电信号。
可选地，FPGA用于将第一电信号和第二电信号做差得到差频信号主频，根据所述差频信号主频，并结合FDML激光器的参数信息，得到待测目标的距离R和速度V：
Figure BDA0002809142120000031
Figure BDA0002809142120000032
式中，B为FDML激光器的调制范围，T为FDML激光器的扫频周期，FD为第一电信号和第二电信号的差频信号主频，c为真空波速，λ为选定波长。
第二方面，本发明实施例提供一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法，该方法基于上述任一方案所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，包括以下步骤：
S1、基于FDML技术向待测目标发射激光；
S2、采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；
S3、基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
本发明实施例提出的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法，基于FDML技术和相干探测方式，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统及方法，由于采用FDML激光器作为激光雷达捕获系统的扫频光源，激光器工作在拟稳定态，该FDML技术克服了现有扫频光源在输出功率、扫频速度和光谱线宽等方面的限制，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量，同时系统结构简单紧凑，节约空间。
附图说明
图1为本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统的结构框图；
图2为本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统的结构示意图；
图3为本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法的流程图。
【附图标记说明】
1：驱动电源；2：可调谐滤波器；3：第一隔离器；4：半导体放大器；5：第二隔离器；6：色散位移光纤；7：第一耦合器；8：第二耦合器；9：第三耦合器；10：环形器；11：收发装置；12：待测目标；13：第四耦合器；14：第一光电探测器；15：第五耦合器；16：第六耦合器；17：第二光电探测器；18：FPGA；19：计算机。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的基于FDML(傅里叶域锁模)技术的调频连续波激光雷达捕获系统，由于采用FDML激光器作为激光雷达捕获系统的扫频光源，激光器工作在拟稳定态，该FDML技术克服了现有扫频光源在输出功率、扫频速度和光谱线宽等方面的限制，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量，同时系统结构简单紧凑，节约空间。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例1
本实施例提供一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，如图1所示，包括光源单元、测距单元和信号处理单元。光源单元基于锁模技术，实现高速、稳定的扫频光源输出，向待测目标发射激光；测距单元采用相干探测方式，利用光纤作为激光的传输和接收光路，接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；信号处理单元基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
如图2所示，光源单元选用FDML激光器作为调频连续波激光雷达捕获系统的光源，FDML激光器包括依次连接的驱动电源1、可调谐滤波器2、第一隔离器3、半导体放大器4、第二隔离器5、色散位移光纤6和第一耦合器7。可调谐滤波器2由驱动电源1控制开启与闭关，可调谐滤波器2的典型工作波长为1550nm，调谐电压范围为-20～50V，自由光谱范围为50～60nm。具体地，扫频激光在驱动电源1的控制下发出，依次通过可调谐滤波器2、第一隔离器3、半导体放大器4、第二隔离器5、色散位移光纤6和第一耦合器7，在通过第一耦合器7后被分为A路扫频激光和B路扫频激光，第一耦合器7的分光比为20：80，其中，A路扫频激光作为FDML激光器的输出，输出20％的扫频激光能量；B路扫频激光返回到FDML激光器的环形谐振腔内，一路循环，输出80％的扫频激光能量。
进一步地，FDML激光器与传统激光器的不同之处在于采用色散位移光纤6来进行色散管理，且窄带光学的可调谐滤波器2的驱动电压的周期与扫频激光在环形谐振腔内传播一周的时间相匹配的，即为前后两个时间相等或后者是前者的整数倍。这样就产生了一个似稳态模式，可调谐滤波器2的驱动电压的周期等于扫频激光绕环形谐振腔传播一周的时间，这样一定频率或波长的扫频激光经过可调谐滤波器2在环形谐振腔内传播一周后再次回到可调谐滤波器2时，正好可调谐滤波器2的腔长被调谐到该扫频激光可以通过，这样，前一个环路周期的扫频激光耦合回到增益介质，扫频激光的建立不再需要仅依赖于增益介质的自发辐射，从而将各纵模精确锁定，实现连续的扫频激光输出。
测距单元包括第二耦合器8、第三耦合器9、环形器10、收发装置11、待测目标12、第四耦合器13、第一光电探测器14、第五耦合器15、第六耦合器16和第二光电探测器17。第二耦合器8与第三耦合器9、环形器10、收发装置11、待测目标12依次连接，第四耦合器13和第一光电探测器14依次连接，第二耦合器8还与第六耦合器16、第二光电探测器17依次连接。A路扫频激光通过第二耦合器8后被分为C路扫频激光和D路扫频激光，第二耦合器8的分光比为50：50，其中，C路扫频激光输出50％的扫频激光能量，D路扫频激光输出50％的扫频激光能量。
C路扫频激光通过第三耦合器9后被分为C1路扫频激光和C2路扫频激光，第三耦合器9的分光比为50：50，其中，C1路扫频激光通过延时光纤进入第四耦合器13，C2路扫频激光依次通过环形器10、收发装置11发射到待测目标12上，收发装置11接收从待测目标12反射回来的反射激光，反射激光通过环形器10后进入第四耦合器13，与C1路扫频激光发生差频干涉，产生第一干涉信号(即第一光输出信号)，第一干涉信号被第一光电探测器14接收，第一光电探测器14通过光电转换将第一干涉信号转为第一电信号。
D路扫频激光通过第五耦合器15后被分为D1路扫频激光和D2路扫频激光，第五耦合器15的分光比为50：50，其中，D1路扫频激光通过延时光纤进入第六耦合器16，D2路扫频激光通过普通单模光纤进入第六耦合器16，与D1路扫频激光发生差频干涉，产生第二干涉信号(即第二光输出信号)，第二干涉信号被第二光电探测器17接收，第二光电探测器17通过光电转换将第二干涉信号转为第二电信号。
进一步地，C路扫频激光和D路扫频激光形成双干涉光路，两束激光由同一光源发出，其中C路扫频激光作为测量干涉光路，D路扫频激光为马赫-曾德尔干涉光路，作为辅助干涉光路，其中延时光纤用于增加光程，对第二干涉信号进行等频率重采样，能够有效地消除FDML激光器调制非线性的影响，起到降噪的作用。
测量干涉光路(C路扫频激光)的输出第一干涉信号的强度Im(f)为：
Im(f)＝Amcos(2πfτm)＝Amcos(2π(f0+Δf)τm)
式中，Am为第一干涉信号的幅值，f为FDML激光器的瞬时频率，f0为FDML激光器的初始频率，Δf为FDML激光器的差频值，τm为第一干涉信号的延时。
辅助干涉光路(D路扫频激光)的输出第二干涉信号的强度Ia(f)为：
Ia(f)＝Aacos(2πfτa)＝Aacos(2π(f0+Δf)τa)
式中，Aa为第二干涉信号的幅值，τa为第二干涉信号的延时。
令：
2πΔf(n)τa＝πn
式中，n为正整数，n＝1,2,3,...,N，N为第二干涉信号极值点个数，Δf(n)为第n个干涉信号极点时差频值，Δf(n)＝n/2τa，则输出第一干涉信号的强度可简化为Im(n)：
Im(n)＝Amcos(2πf0τm+πnτm/τa)
信号处理单元包括FPGA(现场可编程逻辑门阵列)18和计算机19。FPGA 18接收第一光电探测器14的第一电信号和第二光电探测器17的第二电信号，对第一电信号和第二电信号进行处理后得到待测目标12的距离和速度，并将待测目标12的距离和速度存入计算机19。
进一步地，FPGA 18用于将第一电信号和第二电信号做差得到差频信号主频，根据差频信号主频，并结合FDML激光器的参数信息，得到待测目标12的距离R和速度V：
Figure BDA0002809142120000081
Figure BDA0002809142120000082
式中，B为FDML激光器的调制范围，T为FDML激光器的扫频周期，FD为第一电信号和第二电信号的差频信号主频，c为真空波速，λ为选定波长。
进一步地，对距离R进行快速傅里叶变换可得待测目标12的简便运算距离R'为：
Figure BDA0002809142120000083
式中，nfiber为激光在光纤中的折射率，nair激光在空气中的折射率，Ra为第二干涉信号的长度，T为FDML激光器的扫频周期，N为第二干涉信号极值点个数。
综合上述，本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，运用FDML锁模扫频激光源，首次将其与调频连续波测距法相结合，可以对待测物体同时实现高精度的距离和速度测量，同时系统结构简单且紧凑。
其中，光源单元采用FDML扫频激光器，基于锁模技术，实现高速、稳定的扫频光源输出。相对于传统的测距系统所选用的光源，FDML所采用的锁模技术克服了现有扫频光源在扫描速度、扫频范围和光谱线宽等方面的限制，实现了更加高速、稳定的扫频激光输出。
测距单元采用干涉降噪，通过引入辅助干涉光路，对测量干涉光路进行等频率重采样，能够有效地消除激光器调制非线性的影响，起到降噪的作用，且成本低，效果好，具有减少数据计算量，从而提升系统精度的优势。发射和接收部分采用全光纤设计，具备体积小、重量轻、防电磁干扰等优点，使用场景广阔。
本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统特别适用于远距离、高精度的物体距离和速度测试。
实施例2
本实施例提供一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法，如图3所示，为该方法的流程图。该方法基于实施例1提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，包括以下步骤：
S1、基于FDML技术向待测目标发射激光；
S2、采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；
S3、基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
本发明提供的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法，运用FDML锁模扫频激光源，首次将其与调频连续波测距法相结合，可以对待测物体同时实现高精度的距离和速度测量。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，包括光源单元、测距单元和信号处理单元；
光源单元用于基于FDML技术向待测目标发射激光；
测距单元采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；
信号处理单元用于基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
2.如权利要求1所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，所述光源单元选用FDML激光器作为调频连续波激光雷达捕获系统的光源，所述FDML激光器包括依次连接的驱动电源(1)、可调谐滤波器(2)、第一隔离器(3)、半导体放大器(4)、第二隔离器(5)、色散位移光纤(6)和第一耦合器(7)；
驱动电源(1)用于发出扫频激光，扫频激光依次通过可调谐滤波器(2)、第一隔离器(3)、半导体放大器(4)、第二隔离器(5)、色散位移光纤(6)和第一耦合器(7)。
3.如权利要求2所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，第一耦合器(7)用于将扫频激光分为A路扫频激光和B路扫频激光，第一耦合器(7)的分光比为20：80；
其中，A路扫频激光作为FDML激光器的输出，输出20％的扫频激光能量；B路扫频激光返回到FDML激光器的环形谐振腔内，输出80％的扫频激光能量。
4.如权利要求3所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，扫频激光在环形谐振腔内传播一周的时间是可调谐滤波器(2)的驱动电压的周期的整数倍。
5.如权利要求3所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，所述测距单元包括第二耦合器(8)、第三耦合器(9)、环形器(10)、收发装置(11)、待测目标(12)、第四耦合器(13)、第一光电探测器(14)、第五耦合器(15)、第六耦合器(16)和第二光电探测器(17)；
第二耦合器(8)与第三耦合器(9)、环形器(10)、收发装置(11)、待测目标(12)依次连接；
第四耦合器(13)和第一光电探测器(14)依次连接；
第二耦合器(8)还与第六耦合器(16)、第二光电探测器(17)依次连接；
第二耦合器(8)用于将A路扫频激光分为C路扫频激光和D路扫频激光，第二耦合器(8)的分光比为50：50；
其中，C路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第三耦合器(9)；D路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第五耦合器(15)。
6.如权利要求5所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，第三耦合器(9)用于将C路扫频激光分为C1路扫频激光和C2路扫频激光，第三耦合器(9)的分光比为50：50；
其中，C1路扫频激光通过延时光纤进入第四耦合器(13)；C2路扫频激光依次通过环形器(10)、收发装置(11)发射到待测目标(12)上，收发装置(11)接收从待测目标(12)反射回来的反射激光，反射激光通过环形器(10)后进入第四耦合器(13)，与C1路扫频激光发生差频干涉，产生第一干涉信号。
7.如权利要求6所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，第五耦合器(15)用于将D路扫频激光分为D1路扫频激光和D2路扫频激光，第五耦合器(15)的分光比为50：50；
其中，D1路扫频激光通过延时光纤进入第六耦合器(16)；D2路扫频激光通过单模光纤进入第六耦合器(16)，与D1路扫频激光发生差频干涉，产生第二干涉信号。
8.如权利要求5所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，第一光电探测器(14)用于通过光电转换将第一干涉信号转为第一电信号；
第二光电探测器(17)用于通过光电转换将第二干涉信号转为第二电信号。
9.如权利要求8所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，其特征在于，FPGA(18)用于将第一电信号和第二电信号做差得到差频信号主频，根据所述差频信号主频，并结合FDML激光器的参数信息，得到待测目标(12)的距离R和速度V：
Figure FDA0002809142110000031
Figure FDA0002809142110000032
式中，B为FDML激光器的调制范围，T为FDML激光器的扫频周期，FD为第一电信号和第二电信号的差频信号主频，c为真空波速，λ为选定波长。
10.一种基于FDML的调频连续波激光雷达捕获方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-9中任一所述的基于FDML的调频连续波激光雷达捕获系统，包括以下步骤：
S1、基于FDML技术向待测目标发射激光；
S2、采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到干涉信号；
S3、基于干涉信号得到待测目标的距离和速度。
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