CN112764050B - 激光雷达测量方法及激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光雷达测量方法及激光雷达系统，通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；对输出光信号进行线性调频得到调频连续波信号；对调频连续波信号分束获得出射光信号和本振光信号；将出射光信号经功率放大后由光学相控阵发射单元发射，对目标物体的二维扫描；接收被目标物体反射的回波光信号，根据回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。将可调谐激光和光学相控阵体系结合，在一维光学相控阵器件的基础上实现二维扫描，避免一维光学相控阵器件采用堆叠形式实现二维扫描；通过采用外调制方式，实现将光学相控阵和宽带可调谐激光器与调频连续波体制合理结合，克服宽带可调谐激光器难以窄带线性调频的不足。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达测量方法及激光雷达系统。
背景技术
光学相控阵(Optical Phased Array，OPA)能够实现任意发射角度的扫描，且不存在任何机械旋转部件，因此被认为是固态激光雷达中最具竞争力核心器件之一。
目前针对OPA器件的研究热度较高，但支持基于纯相位控制的二维扫描OPA器件在设计和工艺上难度仍然较高，现阶段还难以展开广泛应用。另一方面，一维扫描的OPA器件根据其工作原理，完全能够接受波长调制而实现二维扫描。调频连续波(FrequencyModulated Continuous Wave，FMCW)技术凭借其固有的测距测速机制，非常适合应用于激光雷达系统中，同时其探测灵敏度理论上较传统脉冲探测高出至少三个数量级。鉴于OPA器件发射功率相对传统脉冲激光雷达信号功率更低，同时其对工作激光线宽要求较高，因此调频连续波(FMCW)技术非常适合与OPA进行结合。
现有技术中在一维OPA上实现FMCW机制，通常无法通过波长调制实现一维OPA的二维扫描，需要通过一维OPA的堆叠才能实现二维扫描；此外，在一维OPA上实现FMCW机制对于激光器的动态范围和精度要求比较高。
发明内容
本发明提供一种激光雷达测量方法及激光雷达系统，以实现光学相控阵与调频连续波体制的结合，避免一维光学相控阵器件采用堆叠的形式实现二维扫描。
本发明的第一方面是提供一种激光雷达测量方法，包括：
通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；
对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；
对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；
将所述出射光信号经功率放大后，通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描；
接收被目标物体反射的回波光信号后，根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
进一步的，所述光学相控阵发射单元包括波导光栅结构；
所述通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描，包括：
通过所述可调谐激光产生单元控制输出光信号的波长，以控制所述出射光信号的波长，以使所述光学相控阵发射单元在第一维度上扫描；
通过所述光学相控阵对所述出射光信号进行分路从所述波导光栅结构发射，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度，以使所述光学相控阵发射单元在第二维度上扫描。
进一步的，所述通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描，包括：
通过所述可调谐激光产生单元依次产生不同波长的输出光信号，对每一波长的输出光信号持续输出预设时长，以依次改变所述出射光信号在所述第一维度上的出射角度；
在每一所述预设时长内，由所述光学相控阵发射单元在第二维度上进行至少一次扫描。
进一步的，所述对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号，包括：
对所述输出光信号进行窄带线性调频，其中窄带线性调频调制所导致波长波动范围小于所述可调谐激光进行波长切换时的相邻波长间的波长差。
进一步的，所述可调谐激光产生单元为宽带可调谐激光器，其中心波长为850nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm或2000nm，最大波长调谐范围为40～100nm，线宽小于100MHz，波长分辨率小于1nm，10nm波长切换速度小于1微秒；
所述窄带线性调频调制的最大调制带宽范围为10GHz-40GHz。
进一步的，所述预设时长不小于所述调频连续波信号的调制周期。
进一步的，所述根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息，包括：
对所述回波光信号和所述本振光信号进行耦合，得到拍频信号；
从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
进一步的，所述将所述出射光信号经功率放大后通过光学相控阵发射前，还包括：
对所述出射光信号进行移频处理；
所述从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息，包括：
结合移频处理的移频量，从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
本发明的第二方面是提供一种激光雷达系统，包括：
可调谐激光产生单元，用于产生波长可调谐的输出光信号；
线性调频单元，用于对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；
第一光学耦合单元，用于对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；
光放大单元，用于对所述出射光信号进行功率放大；
光学相控阵发射单元，用于发射所述出射光信号，实现对目标物体的二维扫描；
接收单元，用于接收被目标物体反射的回波光信号；
处理单元，用于根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
进一步的，所述光学相控阵发射单元包括波导光栅结构；
所述可调谐激光产生单元能够通过控制输出光信号的波长，以控制所述出射光信号的波长，使所述光学相控阵发射单元在第一维度上扫描；
所述光学相控阵能够对所述出射光信号进行分路从所述波导光栅结构发射，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度，以使所述光学相控阵发射单元在第二维度上扫描。
进一步的，所述可调谐激光产生单元用于依次产生不同波长的输出光信号，对每一波长的输出光信号持续输出预设时长，以依次改变所述出射光信号在所述第一维度上的出射角度；
所述光学相控阵发射单元用于在每一所述预设时长内在第二维度上进行至少一次扫描。
进一步的，所述线性调频单元用于对所述输出光信号进行窄带线性调频，其中窄带线性调频调制所导致波长波动范围小于所述可调谐激光进行波长切换时的相邻波长间的波长差。
进一步的，所述可调谐激光产生单元为宽带可调谐激光器，其中心波长为850nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm或2000nm，最大波长调谐范围为40～100nm，线宽小于100MHz，波长分辨率小于1nm，10nm波长切换速度小于1微秒；
所述窄带线性调频调制的最大调制带宽范围为10GHz-40GHz。
进一步的，所述预设时长不小于所述调频连续波信号的调制周期。
进一步的，所述处理单元包括：
第二光学耦合单元，用于对所述回波光信号和所述本振光信号进行耦合；
光电转换单元，用于将耦合后的光信号转换为电信号，得到拍频信号；
信号处理单元，用于从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
进一步的，所述激光雷达系统还包括：
光学移频单元，用于在所述光放大单元对所述出射光信号进行功率放大前，对所述出射光信号进行移频处理；
所述信号处理单元用于，结合移频处理的移频量，从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
可选的，所述光学相控阵发射单元为基于硅基波导光栅耦合器的光学相控阵器件的发射单元；
所述接收单元为所述基于硅基波导光栅耦合器的光学相控阵器件的波导光栅耦合器，用于接收所述回波光信号，并经过波导环形器输出至所述处理单元。
可选的，所述接收单元为光纤耦合单元，用于接收所述回波光信号，并经过光纤输出至所述处理单元。
进一步的，所述线性调频单元、所述第一光学耦合单元、所述光学移频单元、所述光放大单元、所述光学相控阵发射单元、所述第二光学耦合单元、所述光电转换单元的中心波长同所述可调谐激光产生单元的中心波长一致。
本发明提供的激光雷达测量方法及激光雷达系统，通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；将所述出射光信号经功率放大后，通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描；接收被目标物体反射的回波光信号后，根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。通过将可调谐激光和光学相控阵体系相结合，能够在一维光学相控阵器件的基础上实现二维扫描，避免了一维光学相控阵器件采用堆叠的形式实现二维扫描；通过采用外调制的方式，对宽带可调谐光源的输出光信号进行线性调频，能够实现将光学相控阵和宽带可调谐激光器与调频连续波体制的合理结合，构建出一套完整的激光雷达系统，克服了宽带可调谐激光器难以窄带线性调频的不足。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的激光雷达测量方法流程图；
图2为本发明实施例提供的激光雷达系统的结构图；
图3为本发明实施例提供的激光雷达系统的信号处理的原理示意图；
图4为本发明另一实施例提供的激光雷达系统的信号处理的原理示意图；
图5为本发明另一实施例提供的激光雷达系统的信号处理的原理示意图；
图6为本发明实施例提供的激光雷达系统的进行二维扫描的控制方法示意图；
图7为图6所示实施例中二维扫描的扫描轨迹示意图；
图8为本发明另一实施例提供的激光雷达系统的结构图；
图9为本发明另一实施例提供的激光雷达系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的激光雷达测量方法流程图。本实施例提供的激光雷达测量方法，可适用于如图2所示的激光雷达系统，该方法具体步骤如下：
S11、通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；
S12、对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；
S13、对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；
S14、将所述出射光信号经功率放大后，通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描；
S15、接收被目标物体反射的回波光信号后，根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
下面结合附图2所示的激光雷达系统对上述激光雷达测量方法进行详细说明。
本实施例中的激光雷达系统包括可调谐激光产生单元101、线性调频单元102、第一光学耦合单元103、光放大单元105、光学相控阵发射单元106、接收单元、及处理单元。
其中，可调谐激光产生单元101，用于产生波长可调谐的输出光信号；线性调频单元102的输入端与可调谐激光产生单元101的输出端光学连接，用于对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；第一光学耦合单元103包括一个输入端和两个输出端，其输入端与线性调频单元102的输出端光学连接，用于对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号111和本振光信号112；光放大单元105与第一光学耦合单元103的一个输出端光学连接(输出出射光信号111的输出端)，用于对所述出射光信号111进行功率放大；光学相控阵发射单元106，用于发射经功率放大的出射光信号113，实现对目标物体的二维扫描；接收单元，用于接收被目标物体反射的回波光信号114；处理单元分别与接收单元的输出端、以及第一光学耦合单元103的另一个输出端光学连接(输出本身光信号)，用于根据所述回波光信号114与本振光信号112进行获取目标物体的距离和/或速度信息。
其中，可调谐激光产生单元101是输出波长具有宽带可调谐特点的连续激光器，其具体类型包括但不限于固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等，其波长调谐机制包括但不限于机械式、外腔式、分布式反馈、光纤布拉格光栅等；其中心波长包括但不限于为850nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm或2000nm，最大波长调谐范围为40～100nm，线宽小于100MHz，波长分辨率小于1nm，10nm波长切换速度小于1微秒。
线性调频单元102用于对可调谐激光产生单元101的输出光信号进行窄带线性调频，线性调频单元102可包括但不限于电光调制器、声光调制器、硅光子调制器等，其调制类型包括但不限于双边带(DSB)、单边带(SSB)、抑制载波双边带(CS-DSB)、抑制载波单边带等(CS-SSB)，最大调制带宽为10GHz-40GHz。
第一光学耦合单元103用于对调频连续波信号进行分束，输出出射光信号111和本振光信号112，该单元所对应实际物理器件类型基于其分光原理可包括但不限于偏振分束镜、非偏振分束镜、光纤耦合器等，输出光束数不小于2。
光放大单元105用于出射光信号111的功率进行放大，以提供足够的系统发射光功率，保证所需的探测距离。该单元所对应实际物理器件类型基于其光放大原理包括但不限于掺杂光纤放大器、半导体光学放大器、集成硅光子光放大器等。
光学相控阵发射单元106发射经功率放大的出射光信号113，实现对目标物体的二维扫描。其中，光学相控阵发射单元106具体特征表现为：
1)工作在一维扫描模式下，也即光学为相控控阵发射单元106对出射光信号经过分束后得到多路出射光信号从所述波导光栅结构发射，在各路出射光信号分别附加不同的相位差，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度产生一定的偏转，即可实现一维扫描；
2)对应实际物理器件包括但不限于集成硅基光波导形式的光学相控阵的发射单元，光学相控阵发射单元106包括波导光栅结构或者与波导光栅类似的其他光发射结构；通过可调谐激光产生单元101控制输出光信号的波长，即可改变出射光信号的偏转角度(改变衍射角度)，从而可实现光学相控阵发射单元106在另一维度上的扫描；
3)波导相位控制阵列的数量为16～128；
4)根据所选用光学相控阵类型及相应制造工艺的不同，需保证波导光栅的0级衍射主极大能够在入射光的波长范围内，衍射角度变化不少于20°。
接收单元用于接收被目标物体反射的回波光信号114输出给处理单元；其中，接收单元可以集成于光学相控阵或者处理单元中，也可单独设置一接收单元，因此图2中并未单独示出。
处理单元获取第一光学耦合单元103的本振光信号112、以及被目标物体反射的回波光信号114，根据回波光信号114与本振光信号112进行获取目标物体的距离和/或速度信息。更具体的，所述处理单元包括：第二光学耦合单元108、光电转换单元109以及信号处理单元110。
第二光学耦合单元108，用于对所述回波光信号114和所述本振光信号112进行耦合。第二光学耦合单元108具有对至少2路进行光束的合束的能力，该单元所对应实际物理器件类型包括但不限于偏振分束镜、非偏振分束镜、光纤耦合器等。
光电转换单元109，用于将耦合后的光信号转换为电信号，得到拍频信号。光电转换单元109包括光电探测器件、放大电路和滤波电路等，其中光电探测器件根据其工作原理包括但不限于PIN光电二极管、APD光电二极管、平衡探测器等，用于将混合于第二光学耦合单元108的本振光信号112和回波光信号114在其探测器表面产生混频，并获得拍频信号。
信号处理单元110，用于从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。信号处理单元110包括具有一定计算能力的集成电路主控芯片及保证其工作的外围电路，主控芯片类型包括但不限于FPGA、DSP、MCU等，外围电路至少包括模数转换器(ADC)，该单元用于采集并处理光电转换单元109得到的拍频信号，并提取出目标物体的距离、速度等信息。
在上述实施例的基础上，所述激光雷达系统还可包括光学移频单元104，用于在所述光放大单元105对所述出射光信号111进行功率放大前，对所述出射光信号111进行移频处理；光学移频单元104具体用于对来自其前端第一光学耦合单元103的出射光信号111进行单向光学移频，目的是在FMCW系统的拍频信号中产生中频，该单元所对应实际物理器件类型包括但不限于声光调制器、电光调制器、硅光子调制器等。要求所选器件中心波长与可调谐激光产生单元101的中心波长一致，且工作带宽合适，最大移频量200MHz。
进一步的，所述信号处理单元110用于，结合移频处理的移频量，从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
需要注意的是，在上述实施例所涉及的内容基础上，线性调频单元102、第一光学耦合单元103、光学移频单元104、光放大单元105、光学相控阵发射单元106、第二光学耦合单元108所选用实际物理器件的工作中心频率，需同可调谐激光产生单元101所选器件的中心频率一致，且工作带宽合理。
下面对上述激光雷达系统的扫描及测距过程的原理进行详细说明。
图3为本发明一实施例中本振光信号与回波光信号的瞬时频率关系，在本实施例中，线性调频单元102可以选用电光调制器，并将调制类型设定为抑制载波单边带调制，同时激光雷达系统未设置光学移频单元104。在光电转换单元109中的光电探测器表面处，回波光信号201瞬时频率fr，本振光信号202瞬时频率fs(由于没有光学移频单元104，出射光信号与本振光信号202瞬时频率相同，图中未示出)，本实施例中线性调频单元102采用50％占空比的三角波调制，调制周期为Tm，三角波段的调制带宽为Bm；回波光信号201(未叠加多普勒频移fB)与本振光信号202的延时时间为Δτ，而回波光信号201与本振光信号202上升沿的频差Δf则可反映目标物体的距离信息，若目标物体与激光雷达存在相对运动，则回波光信号201存在由于相对运动导致的多普勒频移fB，多普勒频移fB可反映目标物体的速度信息，叠加fB的回波光信号203的瞬时频率为fr-|fB|。在|fB|＜Δf的情况下，拍频信号的瞬时频率如204所示，可根据拍频信号204的不同时段的瞬时频率获取与距离和速度信息相关的两个频率值Δf、|fB|；在|fB|≥Δf的情况下，拍频信号的瞬时频率如205所示，可根据拍频信号205的不同时段的瞬时频率获取与距离和速度信息相关的两个频率值Δf、|fB|。
而在实际应用过程中，通常无法事先确定Δf与|fB|的大小关系，因此，图4公开了另一种线性调频单元102的调制方式，回波光信号为301(未叠加多普勒频移fB)，本振光信号为302，叠加了多普勒频移fB的回波光信号为203，其同时在三角波周期后保持一段固定频率，用于单独提取出多普勒频移|fB|，进而根据|fB|以及拍频信号304的不同时段的瞬时频率可确定Δf。
在另一实施例中，线性调频单元102调制方式为抑制载波双边带调制，同时激光雷达系统设置有光学移频单元104，其正向移频量为fshift，图5所示为该实施例中的瞬时频率关系，可调谐激光产生单元101在某一固定波长下输出光信号中心频率为f0，调制载波频率为fc，调制带宽为Bm；本实施例中，系统同时存在两种光频成分，分别为上边带出射光信号401、下边带出射光信号402，以及上边带本振光信号403、下边带本振光信号404；经过一定目标物距离产生的延时后形成上边带回波光信号405、下边带回波光信号406(未叠加多普勒频移fB)，相应距离拍频量为Δf，叠加多普勒频移fB后得到上边带回光波信号407和下边带回波光信号408；本实施所述的双边带调制方式能够在拍频信号频谱中同时得到两个峰值频点，分别为fup＝fshift+Δf+fB、fdown＝fshift–Δf+fB，其中，fup代表上边带回波光信号407与上边带本振光信号403形成的拍频信号频率，fdown代表下边带回波光信号408与下边带本振光信号404形成的拍频信号频率。相比于上述实施例中的单边带调制，需根据调制信号全周期内不同时段所对应的拍频信号频谱信息，才能实现距离和速度信息的去耦合，本实施例中的双边带调制方式能够在拍频信号中同时得到两个峰值频点fup和fdown，很容易计算出两个频率值Δf、fB。
在上述实施例的基础上，通过光学相控阵发射单元106发射，实现对目标物体的二维扫描，具体可通过如下方式实现：
通过所述可调谐激光产生单元101控制输出光信号的波长，以控制所述出射光信号的波长，以使所述光学相控阵发射单元106在第一维度上扫描；
通过所述光学相控阵对所述出射光信号进行分路从所述波导光栅结构发射，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度，以使所述光学相控阵发射单元在第二维度上扫描。
在本实施例中，基于光学相控阵的发射波导光栅特性，光学相控阵发射单元106的1级主极大衍射光角度α与出射光信号的波长λ满足：
d(sinα+1)＝λ
因此，对于一位光学相控阵器件，其在垂直于阵列波导方向的发射角度将受到信号光的中心波长调制。需要注意的是，角度α与出射光信号的波长λ的关系一般是非线性的，但本领域技术人员很容易想到通过一定的标定手段标定出二者关系，并加以运用。
作为一种可选实施例，可通过所述可调谐激光产生单元101依次产生不同波长的输出光信号，对每一波长的输出光信号持续输出预设时长，以依次改变所述出射光信号在所述第一维度上的出射角度；在每一所述预设时长内，由所述光学相控阵发射单元106在第二维度上进行至少一次扫描。
例如图6所示控制可调谐激光产生单元101输出波长501和线性调频单元102调制信号频率502的时序关系，其中，双纵轴坐标系左侧代表波长，右侧代表频率；在本实施例中通过阶跃改变可调谐激光产生单元101输出波长501，也即在某特定输出波长λ1下，保持预设时长(至少一个调制周期时间长度)，在该预设时长内光学相控阵发射单元106在第二维度上进行至少一次扫描，再由可调谐激光产生单元101切换至下一波长λ2输出，再由光学相控阵发射单元106在第二维度上进行至少一次扫描，重复上述步骤，即可实现二维扫描，扫描轨迹可如图7所示，其中光学相控阵发射单元601的水平发射角度受相控阵控制，垂直发射角度受出射光信号中心波长控制，在所述阶跃波长控制下，将呈现矩阵式的二维扫描轨迹602。由于一般的宽带可调谐激光器，其波长切换速度根据激光器工作原理及切换波长差不同，通常最快在几十纳秒至微秒量级，本实施例所述的这种扫描方式，具有较高的时间利用率。
需要说明的是，在可调谐激光产生单元101输出某一波长的输出光信号时，再由线性调频单元102对该述输出光信号进行线性调频，由于理论上会导致波长的变化，也即线性调频带宽Bm理论上也会影响出射光信号的波长，进而改变衍射角度，导致扫描角度指向的不稳定，因此本发明实施例中需要线性调频单元102进行窄带线性调频，窄带线性调频调制所导致波长波动范围小于可调谐激光进行波长切换时的相邻波长间的波长差，也即线性调频带宽Bm远小于切换波长差Δλ，使得窄带线性调频调制所导致衍射角度的波动可以忽略不计。
在上述实施例中，可调谐激光产生单元101可以对波长进行等间隔的阶跃切换，也可根据实际扫描场景设计合适的波长切换行驶，实现不同的扫描视场和扫描轨迹。
在上述任一实施例的基础上，可通过如下方式构建激光雷达系统的接收单元：
在一可选实施例中，如图8所示，本实施例的光学相控阵发射单元为基于硅基波导光栅耦合器的光学相控阵器件的发射单元，具有波导光路可逆特点，所述接收单元采用基于硅基波导光栅耦合器的光学相控阵器件的波导光栅耦合器。下面按照光信号传输方向，描述本实施例所述激光雷达系统工作流程：宽带可调谐激光器701输出特定波长的输出光信号，经电光调制器调702进行线性调频，进一步经1×2光纤耦合器分束成出射光信号光711和本振光信号712；出射光信号光711经声光移频器704产生固定移频，用作系统中频，后经光纤放大器705进行功率放大，光学相控阵706在一定的二维角度控制下，向空间某一特定角度发射经移频和功率放大后的出射光信号707；目标物709被出射光信号707照射后产生漫反射的回波光信号708，一部分反向的回波光信号708进入至光学相控阵的波导光栅耦合器，并经过波导环形器输出经过光学耦合的回波光信号710；回波光信号710和本振光信号712通过2×2光纤耦合器713进行混合后再光电转换单元714中探测器表面产生拍频信号，最后信号处理单元715对拍频信号解算出目标物体709的距离和/或速度信息。上述系统中，各单元实例均采用光纤连接。本实施例中的调制方法、扫描方法以及信号处理方法可采用上述实施例中的方法，此处不再赘述。
在另一可选实施例中，如图9所示，本实施例提供一种基于光学相控阵器件的收发分置的激光雷达系统，其接收单元采用光纤耦合单元接收回波光信号，光纤耦合单元具体可选用光学透镜组，包括单片或多片球面、非球面透镜、渐变折射率透镜等，用于将回波光信号耦合进入光纤，本领域技术人员可根据耦合视场角和耦合效率等指标合理设计耦合单元的具体形式。下面按照光信号传输方向，描述本实施例所述激光雷达系统工作流程：宽带可调谐激光器801输出特定波长的输出光信号，经电光调制器调802进行线性调频，进一步经1×2光纤耦合器分束成出射光信号光812和本振光信号812；出射光信号光812经声光移频器804产生固定移频，用作系统中频，后经光纤放大器805进行功率放大，光学相控阵806在一定的二维角度控制下，向空间某一特定角度发射经移频和功率放大后的出射光信号807；目标物809被出射光信号807照射后产生漫反射的回波光信号808，一部分回波光信号808被独立的光纤耦合单元810接收并耦合进光纤811传输为经过光学耦合的回波光信号817；回波光信号817和本振光信号812通过2×2光纤耦合器813进行混合后再光电转换单元815中探测器表面产生拍频，输出拍频信号，最后信号处理单元816对拍频信号解算出目标物体809的距离和/或速度信息。本实施例中的调制方法、扫描方法以及信号处理方法可采用上述实施例中的方法，此处不再赘述。
上述各实施例提供的激光雷达测量方法及激光雷达系统，通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；对所述输出光信号进行线性调频，得到调频连续波信号；对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；将所述出射光信号经功率放大后，通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描；接收被目标物体反射的回波光信号后，根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息。通过将可调谐激光和光学相控阵体系相结合，能够在一维光学相控阵器件的基础上实现二维扫描，避免了一维光学相控阵器件采用堆叠的形式实现二维扫描；通过采用外调制的方式，对宽带可调谐光源的输出光信号进行线性调频，能够实现将光学相控阵和宽带可调谐激光器与调频连续波体制的合理结合，构建出一套完整的激光雷达系统，克服了宽带可调谐激光器难以窄带线性调频的不足。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (14)
1.一种激光雷达测量方法，其特征在于，包括：
通过可调谐激光产生单元产生波长可调谐的输出光信号；所述可调谐激光产生单元为宽带可调谐激光器；
对所述输出光信号进行窄带线性调频，得到调频连续波信号；其中窄带线性调频调制所导致波长波动范围小于所述可调谐激光进行波长切换时的相邻波长间的波长差；
对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；
将所述出射光信号经功率放大后，通过光学相控阵发射单元发射，实现所述光学相控阵对目标物体的二维扫描；
接收被目标物体反射的回波光信号后，根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息；
所述光学相控阵发射单元包括波导光栅结构；所述通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描，包括：
通过所述可调谐激光产生单元控制输出光信号的波长，以控制所述出射光信号的波长，以使所述光学相控阵发射单元在第一维度上扫描；
通过所述光学相控阵对所述出射光信号进行分路从所述波导光栅结构发射，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度，以使所述光学相控阵发射单元在第二维度上扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过光学相控阵发射单元发射，实现对目标物体的二维扫描，包括：
通过所述可调谐激光产生单元依次产生不同波长的输出光信号，对每一波长的输出光信号持续输出预设时长，以依次改变所述出射光信号在所述第一维度上的出射角度；
在每一所述预设时长内，由所述光学相控阵发射单元在第二维度上进行至少一次扫描。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可调谐激光产生单元中心波长为850nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm或2000nm，最大波长调谐范围为40~100nm，线宽小于100MHz，波长分辨率小于1nm，10nm波长切换速度小于1微秒；
所述窄带线性调频调制的最大调制带宽范围为10GHz-40GHz。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预设时长不小于所述调频连续波信号的调制周期。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息，包括：
对所述回波光信号和所述本振光信号进行耦合，得到拍频信号；
从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述出射光信号经功率放大后通过光学相控阵发射前，还包括：
对所述出射光信号进行移频处理；
所述从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息，包括：
结合移频处理的移频量，从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
7.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：
可调谐激光产生单元，用于产生波长可调谐的输出光信号；所述可调谐激光产生单元为宽带可调谐激光器；
线性调频单元，用于对所述输出光信号进行窄带线性调频，得到调频连续波信号；其中窄带线性调频调制所导致波长波动范围小于所述可调谐激光进行波长切换时的相邻波长间的波长差；第一光学耦合单元，用于对所述调频连续波信号进行分束，获得出射光信号和本振光信号；
光放大单元，用于对所述出射光信号进行功率放大；
光学相控阵发射单元，用于发射所述出射光信号，实现对目标物体的二维扫描；
接收单元，用于接收被目标物体反射的回波光信号；
处理单元，用于根据所述回波光信号与本振光信号获取目标物体的距离和/或速度信息；
所述光学相控阵发射单元包括波导光栅结构；
所述可调谐激光产生单元能够通过控制输出光信号的波长，以控制所述出射光信号的波长，使所述光学相控阵发射单元在第一维度上扫描；
所述光学相控阵能够对所述出射光信号进行分路从所述波导光栅结构发射，并通过控制各路出射光信号的相位来控制各路出射光信号干涉后的主极大的角度，以使所述光学相控阵发射单元在第二维度上扫描。
8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，
所述可调谐激光产生单元用于依次产生不同波长的输出光信号，对每一波长的输出光信号持续输出预设时长，以依次改变所述出射光信号在所述第一维度上的出射角度；
所述光学相控阵发射单元用于在每一所述预设时长内在第二维度上进行至少一次扫描。
9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述可调谐激光产生单元中心波长为850nm、980nm、1064nm、1310nm、1550nm或2000nm，最大波长调谐范围为40~100nm，线宽小于100MHz，波长分辨率小于1nm，10nm波长切换速度小于1微秒；
所述窄带线性调频调制的最大调制带宽范围为10GHz-40GHz。
10.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其特征在于，所述预设时长不小于所述调频连续波信号的调制周期。
11.根据权利要求7-10任一项所述的激光雷达系统，其特征在于，所述处理单元包括：
第二光学耦合单元，用于对所述回波光信号和所述本振光信号进行耦合；
光电转换单元，用于将耦合后的光信号转换为电信号，得到拍频信号；
信号处理单元，用于从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
12.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其特征在于，还包括：
光学移频单元，用于在所述光放大单元对所述出射光信号进行功率放大前，对所述出射光信号进行移频处理；
所述信号处理单元用于，结合移频处理的移频量，从所述拍频信号获取目标物体的距离和/或速度信息。
13.根据权利要求11所述的激光雷达系统，其特征在于，
所述接收单元用于接收被目标物体反射的回波光信号，并进行耦合后输出给所述第二光学耦合单元。
14.根据权利要求12所述的激光雷达系统，其特征在于，
所述线性调频单元、所述第一光学耦合单元、所述光学移频单元、所述光放大单元、所述光学相控阵发射单元、所述第二光学耦合单元、所述光电转换单元的中心波长同所述可调谐激光产生单元的中心波长一致。
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