CN112799090B - 一种频率复用固态激光雷达探测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率复用固态激光雷达探测方法，首先将包含N个梳齿的光频梳信号送入扫频移频器得到扫频光频梳信号并分为两路，一路作为参考光信号，另一路基于波长色散技术实现激光波束的空间扫描，得到的接收光信号与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号经解波分复用后得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；将N个待检测子光信号完成光电转换及信号采集后，基于信号处理算法即可得到目标二维空间分布信息。本发明还公开了一种频率复用固态激光雷达探测系统，通过扫频光频梳与光波长色散技术，单个信号周期即可同时实现目标角度、距离及速度信息的高精度测量。

Description

一种频率复用固态激光雷达探测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种固态激光雷达探测方法，尤其涉及一种基于频率复用及波长（频率）色散技术的固态激光雷达探测方法及系统。

背景技术

激光雷达广泛应用于自动驾驶、智能机器人、三维传感等领域。为了获取探测场景/目标的三维/二维空间分布信息，目前激光雷达系统多采用机械扫描方式实现激光波束的空间二维/一维扫描，并基于脉冲时间到达技术获取目标距离信息(参见[J. Liu, Q.Sun, Z. Fan, Y. Jia,, " TOF Lidar Development in Autonomous Vehicle," IEEE 3rd Optoelectronics Global Conference, 2018.])。但由于机械部件结构复杂、易磨损、稳定性及寿命受限，导致基于机械扫描方式的方案其在高精度、高稳定、长寿命应用受限。与此同时，硅光相控阵、液晶波导、光晶体波导等固态波束控制技术的方案也在快速发展，这些技术采用电控实现激光波束的快速扫描，与机械扫描相比具有更好的稳定性及鲁棒性(参见[C. Poulton, A. Yaacobi, D. Cole, etc, " Coherent solid-state LIDAR withsilicon photonic optical phased arrays," Optics Letters, vol. 42, no. 20, pp.4091-4094, 2017.])，然而相关技术综合性能及系统成熟度目前有限。但固态波束控制技术因其潜在的优势特性，仍吸引着广大科研工作者推动其向实用化方向发展，特别是将固态波束控制技术及调频连续波外差法两个优势技术结合起来，将有可能推动高性能激光雷达的进一步发展。论文 (参见[M. Okano, C. Chong, " Swept Source Lidar:simultaneous FMCW ranging and nonmechanical beam steering with a widebandswept source," Optics Express, vol. 28, no. 16, pp. 23898-23915, 2020.]) 提出了一种基于垂直腔体激光器(VCSEL)宽带扫频源的激光雷达方案，通过将宽带连续扫频源分段并利用波长色散机理实现目标距离、角度二维信息的同时获取，系统结构简单，效率高。但因为基于VCSEL的扫频源存在非线性且相干长度有限，导致该方案需要较复杂的非线性校正电路及非线性校正算法补偿非线性，此外，探测距离也受到一定限制。而论文(参见[J. Riemensberger, A. Lukashchuk, etc, " Massively parallel coherent laserranging using a soliton microcomb," Nature, vol. 581, pp. 164-171, 2020.])提出了一种频率复用并行激光雷达探测方案，其同样利用波长色散机理实现目标信息获取，在单个探测周期即可并行实现二维距离、角度信息获取，具有较高的探测速率。但由于生成扫频频梳的微谐振腔孤子生成机理，导致各子带信号参数有差异，系统需要额外的校正链路；且信号参数受限于微谐振腔，难以灵活调节以适应各种探测场景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于光扫频移频技术实现可频率复用激光雷达探测信号的产生，基于波长色散技术实现激光波束的空间扫描，基于光域调频技术实现高分辨率目标距离信息的获取。系统产生线性扫频信号线性度高、相干性好，可同时实现角度、距离二维信息的同时获取，大大提高雷达系统的工作效率。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种频率复用固态激光雷达探测方法，该方法具体为：

将包含N个梳齿的光频梳信号送入扫频移频器得到扫频光频梳信号并分为两路，一路作为参考光信号，另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号波束在自由空间中同时指向N个不同方向，得到N个指向不同方向的探测光信号；探测光信号遇到目标后反射回色散单元，并经光准直镜接收后，与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号经解波分复用后得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；将N个待检测子光信号光电转换及信号采集后，基于信号处理算法即可得到目标二维空间分布信息。

本发明方法基于线性调频连续波外调制光频梳实现高线性、参数灵活可调、子带信号一致性好的宽带扫频信号。并基于去调频技术获取目标距离信息。

优选地，所述包含N个梳齿的光频梳信号可通过以下设备或方法产生：飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号外调制电光调制器产生；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器、声光移频器。

进一步地，所述扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号f _{LFM_i} (i=1,2,…,N)具有可调节的扫频范围B及周期T；光频梳信号梳齿间隔即扫频子带信号中心载频频率间隔∆f可调，且与其扫频范围B之间需满足∆f ≥ B；通过调节子带信号带宽B可实现探测距离分辨率的改变，通过调节梳齿间隔∆f可实现探测角度间隔的改变。

进一步地，所述色散单元具体工作方式为：基于波长（频率）色散原理，扫频子带信号f _{LFM_i} (i=1,2,…,N)同时通过色散单元后，在空间中光波束同时分别指向θ _i (i=1,2,…,N)，实现空间中一维波束扫描，其中波束扫描范围为∆θ=θ _N -θ ₁，通过增加光频梳信号频谱宽度(N-1)∆f可以扩大波束扫描范围∆θ。

进一步地，所述色散单元为衍射光栅、棱镜或液晶。

所述二维空间分布信息还可以结合固态扫描技术或机械扫描技术，从而实现目标三维信息获取，其中机械扫描技术为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器、伺服电机。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种频率复用固态激光雷达探测系统，包括：

光频梳源，用于生成包含N个频率间隔为∆f的光频梳信号；

光扫频移频器，用于控制光频梳信号不同梳齿信号实现同时扫频，生成包含N个扫频子信号f _{LFM_i} (i=1,2,…,N)的扫频光频梳信号；

第一光耦合器，用于将光扫频移频器输出的扫频光频梳信号分为两路，分别为送入第二光耦合器的参考光信号与送入光环形器的探测光信号；

光环形器，所述光环形器的第一端口与第一光耦合器连接，第二端口与准直镜连接，第三端口与第二光耦合器连接；其中，第一端口到第二端口用于将扫频光频梳信号送到准直镜；第二端口到第三端口用于将准直镜接收的接收光信号送到第二光耦合器；

准直镜，用于将扫频光频梳信号发射到色散单元，并从色散单元接收回波信号；

色散单元，用于将扫频光频梳信号不同频率扫频子信号在空间中分别指向不同方向，从不同方向接收目标回波信号；

第二光耦合器，用于将参考光信号与接收光信号合为一路得到待检测光信号；

解波分复用器，用于将待检测光信号解波分复用，得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；

光电探测器阵列，用于分别将N个待检测子光信号光电转换为携带目标信息的中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对中频电信号进行模数转换，并进行固态激光雷达数字信号处理，提取出目标信息。

优选地，所述光频梳源为飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号源与电光调制器的组合设备，其中单频信号源产生的单频信号外调制电光调制器从而产生光频梳信号；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器、声光移频器。

进一步地，所述色散单元为衍射光栅、棱镜、液晶；

进一步地，还包括机械扫描装置，所述机械扫描装置为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器或伺服电机。所述二维空间分布信息结合固态扫描技术或机械扫描技术，可以实现目标三维信息获取。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1) 本发明基于线性调频电信号外调制光频梳信号得到宽带并行扫频光信号，宽带并行扫频光信号各子带信号继承了光频梳梳齿之间的相干性以及线性调频电信号的高线性度，从而可保证各子带信号具有相同的扫描参数，无需额外通道及非线性校正；光频梳信号梳齿的低功率差异及梳齿间隔可调，可有效增加子通道个数及线性调频信号带宽，从而实现高精度目标角度、距离二维信息探测。

2) 本发明通过频率色散技术实现空间激光波束的一维扫描，单个色散单元即可实现激光频率-探测角度映射，并最终实现来自不同通道中频信号-探测角度映射；方案结构简单，扫描速度快，可并行实现目标距离、速度、角度等信息的高精度快速获取。

3) 本发明在接收端实现解波分复用，保证了参考宽带并行扫频光信号各子带信号及接收宽带并行扫频光信号各子带信号子通道传输路径的一致性，保证了各子通道探测结果稳定，而且在通道校准时只需单次校准，而无需子通道逐个校准。

附图说明

图1为本发明固态激光雷达系统结构示意图；

图2为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例的结构示意图；

图3为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例光频梳及扫频光频梳频谱示意图；

图4为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例扫频光频梳探测信号、扫频光频梳接收信号、扫频子信号通过色散单元的偏移角度、不同角度波束对不同距离目标的探测、中频电信等彼此之间的映射关系图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明基于频率复用与波长色散技术实现激光波束的扫描，基于光域去调频技术实现高分辨率目标距离信息的获取。系统探测信号线性度高、相干性好，无需机械扫描即可同时实现角度、距离二维信息的获取，大大提高雷达系统的工作效率。

本发明的一种频率复用固态激光雷达探测系统，如图1所示，包括光频梳源、光扫频移频器、第一光耦合器、第二光耦合器、光环形器、准直镜、色散单元、光电探测器阵列、信号采集处理单元。

将光频梳源产生的包含N个梳齿的光频梳信号送入光扫频移频器得到扫频光频梳信号，并分为两路，一路作为参考光信号，另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号波束在自由空间中同时指向N个不同方向，得到N个指向不同方向的探测光信号；探测光信号遇到目标后反射回色散单元，并经光准直镜接收后，与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号经解波分复用后得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；将N个待检测子光信号完成光电转换及信号采集后，基于信号处理算法即可得到目标二维空间分布信息。

此外，所述二维空间分布信息结合固态扫描技术或机械扫描技术，可以实现目标三维信息获取，其中机械扫描技术可以为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器、伺服电机等。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行进一步详细说明：

如图2所示，本实施例的固态激光雷达探测系统包括：1个线性调频信号源 (LFM)、1个双平行马赫-曾德尔调制器 (DPMZM)、1个飞秒激光器、1个光放大器、2个光耦合器即第一光耦合器器和第二光耦合器、1个光环形器、1个准直镜、1个色散单元、1个光电探测器阵列（包含N个低频光电探测器）、1个信号采集与处理单元。

首先飞秒激光器输出重频为∆f的光脉冲，即频率间隔为∆f的光频梳信号f _s +(i-1) ∆f ( i=1,2,…,N)，其中N为光频梳梳齿个数，f _s 为光频梳起始梳齿频率。对此信号通过光放大器放大后送入双平行马赫-曾德尔调制器，线性调频信号源输出瞬时频率为f _LFM = f ₀ + kt(0≤ t ≤T)的线性调频电信号，其中，f ₀为线性调频电信号的起始频率，t为时间，T为其周期，k为其调频斜率。将电线性调频信号通过双平行马赫-曾德尔调制器对光频梳信号进行抑制载波单边带调制，得到包含N个梳齿扫频子信号f _{LFM_i} (i=1,2,…,N)的扫频光频梳信号，如图3所示，其中，B为扫频子信号的扫频范围；扫频光频梳信号S _comb (t)具体可以表示为：

S _comb (t) = A ₁exp[2π(f _s t+ f ₀ t +0.5kt ²)]+ A ₂exp[2π((f _s +∆f) t+ f ₀ t +0.5kt ²)]+…+A _N exp[2π((f _s +( N-1)∆f) t+ f ₀ t +0.5kt ²)](0≤ t ≤T) (1)

其中A _i (i=1,2,…,N)为扫频光频梳信号第i个梳齿扫频子信号的幅度。将此信号通过第一光耦合器分为两路，其中一路作为参考光信号，另一路送入光环形器，光环形器将其送入光准直镜，光准直镜将扫频光频梳信号射向色散单元成为探测光信号。基于频率和角度存在与色散相关的映射关系，色散单元控制扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号同时射向不同方向θ _i (i=1,2,…,N)，角度θ _i 与扫频子信号存在映射关系。射向空间中的探测光信号遇到目标后发生反射，反射信号依次经色散单元送入光准直镜得到接收光信号，光准直镜将接收光信号通过光环形器送入第二光耦合器与参考光信号合为一路得到待检测光信号。设角度为θ _i 的探测光信号探测到目标，对应子信号的接收光信号与参考光信号延时差为τ _i ，则接收光信号S _combR (t)可以表示为：

S _combR (t) = A _1R exp[2π(f _s (t-τ₁)+f ₀(t-τ₁) +0.5k(t-τ₁)²)]

+A _2R exp[2π((f _s +∆f)(t–τ₂)+f ₀(t–τ₂) +0.5k(t–τ₂)²)]+…

+A _NR exp[2π((f _s +(N-1)∆f)(t–τ _N )+f ₀(t-τ _N ) +0.5k(t-τ _N )²)] (0≤ t≤T) (2)

其中A _iR (i=1,2,…,N)为接收光信号子信号幅度，将待检测光信号送入解波分复用器后得到N路待检测扫频子信号S _Chi (t)，可以表示为：

S _Chi (t) = A _i exp[2π((f _s +(i-1)∆f)t+f ₀ t +0.5kt ²)]+A _iR exp[2π((f _s +(i-1)∆f)(t–τ _i )+f ₀(t–τ _i ) +0.5k(t–τ _i )²)] (0≤ t≤T); (i=1,2,…,N) (3)

将N路待检测扫频子信号送入包含N个低频光电探测器的光电探测器阵列，分别完成光电转换后，忽略寄生相位可得到N个携带目标信息的中频电信号S _ILi (t)，其表达式为：

S _ILi (t) = A _RIi exp(2πkτ _i ) (0≤ t≤T); (i=1,2,…,N) (4)

其中A _RIi 为子信号中频电信号的幅度，对此信号进行采集，并进行通道角度映射及距离维信息提取，即可得到高精度的目标二维分布信息。为便于理解，图4详细描绘了目标距离信息及角度信息的测量原理及扫频光频梳探测信号频率-角度的映射关系。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种频率复用固态激光雷达探测方法，其特征在于，该方法具体为：

将包含N个梳齿的光频梳信号送入扫频移频器得到扫频光频梳信号并分为两路，一路作为参考光信号，另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号波束在自由空间中同时指向N个不同方向，得到N个指向不同方向的探测光信号；探测光信号遇到目标后反射回色散单元，并经光准直镜接收后，与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号经解波分复用后得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；将N个待检测子光信号光电转换及信号采集后，基于信号处理算法得到目标二维空间分布信息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述包含N个梳齿的光频梳信号通过以下设备或方法产生：飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号外调制电光调制器产生；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器或声光移频器。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扫频光频梳信号不同梳齿扫频子信号f _{LFM_i} ,i=1,2,…,N具有可调节的扫频范围B、中心载频频率间隔∆f及周期T；其中，扫频子带信号的中心载频频率间隔∆f与扫频范围B之间满足∆f ≥ B；通过调节扫频范围B实现探测距离分辨率的改变，通过调节中心载频频率间隔∆f实现探测角度间隔的改变。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色散单元具体工作方式为：基于频率色散原理，扫频子信号f _{LFM_i} , i=1,2,…,N同时通过色散单元后，在空间中光波束同时分别指向θ _i , i=1,2,…,N，实现空间中一维波束扫描，其中波束扫描范围为∆θ=θ _N -θ ₁，通过增加光频梳信号频谱宽度(N-1)∆f扩大波束扫描范围∆θ；其中，∆f表示中心载频频率间隔。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色散单元为衍射光栅、棱镜或液晶。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括三维信息获取步骤：

将所述二维空间分布信息结合固态扫描技术或机械扫描技术，实现目标三维信息获取，其中机械扫描技术为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器或伺服电机。

7.一种基于权利要求1所述频率复用固态激光雷达探测方法的雷达探测系统，其特征在于，包括：

光频梳源，用于生成包含N个频率间隔为∆f的光频梳信号；

光扫频移频器，用于控制光频梳信号不同梳齿信号实现同时扫频，生成包含N个扫频子信号f _{LFM_i} , i=1,2,…,N的扫频光频梳信号；

第一光耦合器，用于将光扫频移频器输出的扫频光频梳信号分为两路，分别为送入第二光耦合器的参考光信号与送入光环形器的探测光信号；

光环形器，所述光环形器的第一端口与第一光耦合器连接，第二端口与准直镜连接，第三端口与第二光耦合器连接；其中，第一端口到第二端口用于将扫频光频梳信号送到准直镜；第二端口到第三端口用于将准直镜接收的接收光信号送到第二光耦合器；

准直镜，用于将扫频光频梳信号发射到色散单元，并从色散单元接收回波信号；

色散单元，用于将扫频光频梳信号不同频率扫频子信号在空间中分别指向不同方向，从不同方向接收目标回波信号；

第二光耦合器，用于将参考光信号与接收光信号合为一路得到待检测光信号；

解波分复用器，用于将待检测光信号解波分复用，得到N个仅包含单个子梳齿的待检测子光信号群；

光电探测器阵列，用于分别将N个待检测子光信号光电转换为携带目标信息的中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对中频电信号进行模数转换，并进行固态激光雷达数字信号处理，提取出目标信息。

8.根据权利要求7所述的雷达探测系统，其特征在于，所述光频梳源为飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔、或单频信号源与电光调制器的组合设备；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器或声光移频器。

9.根据权利要求7所述的雷达探测系统，其特征在于，所述色散单元为衍射光栅、棱镜或液晶。

10.根据权利要求7所述的雷达探测系统，其特征在于，还包括机械扫描装置，所述机械扫描装置为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器或伺服电机。

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