CN113383246B - 一种fmcw激光雷达系统 - Google Patents

一种fmcw激光雷达系统 Download PDF

Info

Publication number
CN113383246B
CN113383246B CN201980051040.XA CN201980051040A CN113383246B CN 113383246 B CN113383246 B CN 113383246B CN 201980051040 A CN201980051040 A CN 201980051040A CN 113383246 B CN113383246 B CN 113383246B
Authority
CN
China
Prior art keywords
port
signal
optical fiber
module
coupler
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201980051040.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113383246A (zh
Inventor
王超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Suteng Innovation Technology Co Ltd
Original Assignee
Suteng Innovation Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Suteng Innovation Technology Co Ltd filed Critical Suteng Innovation Technology Co Ltd
Publication of CN113383246A publication Critical patent/CN113383246A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113383246B publication Critical patent/CN113383246B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/493—Extracting wanted echo signals

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本申请实施例公开了一种FMCW激光雷达系统，所述系统包括发射模块、光纤耦合模块、扫描模块和解调模块，其中：所述发射模块的输出端与所述光纤耦合模块的输入端相连接；所述光纤耦合模块的第一输出端与所述扫描模块相连接；所述光纤耦合模块的第二输出端与所述解调模块的输入端相连接。

Description

一种FMCW激光雷达系统
技术领域
本申请涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种FMCW激光雷达系统。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
对于激光雷达系统，其测距原理是在扫频周期内发射频率线性变化的连续波作为出射信号，出射信号的一部分作为本振信号，其余部分向外出射进行探测，被物体反射后返回的回波信号与本振信号有一定的频率差，通过测量频率差可以获得被探测目标与雷达之间的距离信息。
目前，在FMCW激光雷达系统中，常常需要借助环形器完成出射信号的发射与回波信号的接收，环形器往往存在插损和较强的回波干扰从而导致系统的信噪比较低甚至真实的中频信号完全湮没而无法解调，从而导致无法准确的测量目标物体的位置信息。
发明内容
本申请实施例提供了一种FMCW激光雷达系统，可以顺利解调干涉生成的中频信号，进而能够准确的测量目标物体的位置信息。所述技术方案如下：
本申请实施例提供了一种FMCW激光雷达系统，所述系统包括发射模块、分束模块、光纤耦合模块、扫描模块和接收模块，其中：
所述发射模块，用于发射激光信号，并射向所述分束模块；
所述分束模块，用于将所述激光信号分为出射信号和本振信号，并射向所述光纤耦合模块的输入端口；
所述光纤耦合模块，用于使所述输入端口接收到的所述出射信号通过收发端口出射；
所述扫描模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述收发端口出射的所述出射信号，并向外出射后扫描，还用于接收回波信号并射向所述光纤耦合模块的所述收发端口；
所述光纤耦合模块，还用于使所述输入端口接收到的所述本振信号和所述收发端口接收到的所述回波信号相干后得到中频信号，并通过输出端口出射；
所述接收模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述输出端口出射的所述中频信号，并根据所述中频信号解算得到探测信息。
可选的，所述分束模块为分束器，用于将接收到的所述激光信号分为所述出射信号和所述本振信号，所述出射信号的能量大于所述本振信号。
可选的，所述光纤耦合模块包括双包层耦合器，所述双包层耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和所述第二端口为所述输入端口，所述第三端口为所述收发端口，所述第四端口为所述输出端口。
可选的，所述光纤耦合模块还包括第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器以及第一收发耦合器；
所述第一光耦合器置于所述第一端口，所述出射信号通过所述第一光耦合器进入所述第一端口；
所述第二光耦合器置于所述第二端口，所述本振信号通过所述第二光耦合器进入所述第二端口；
所述第一收发耦合器置于所述第三端口，所述出射信号通过所述第一收发耦合器从所述第三端口向外出射，所述回波信号通过所述第一收发耦合器进入所述第三端口；
所述第三光耦合器置于所述第四端口，所述中频信号通过所述第三光耦合器从所述第四端口向外出射。
可选的，所述第一端口和所述第三端口之间为双包层单模光纤，包括第一纤芯和第一内包层，所述第二端口和所述第四端口之间为多模光纤，包括第一多模包层，所述第一内包层和所述第一多模包层熔接形成熔接段。
可选的，所述出射信号由所述第一端口进入所述第一纤芯，并通过所述第一纤芯传递至所述第三端口。
可选的，所述回波信号由所述第三端口进入所述第一内包层。
可选的，所述回波信号和所述本振信号在所述熔接段内相干得到所述中频信号。
可选的，所述分束模块为偏心熔接光纤，包括第一光纤、第二光纤及所述第一光纤和所述第二光纤之间的熔接区，所述偏心熔接光纤包括第二纤芯和第二包层；所述激光信号由所述第一光纤的端口进入所述第二纤芯，所述激光信号传递至所述熔接区时，部分所述激光信号由所述第二纤芯进入所述第二包层并传输至所述第二光纤的端口，其余所述激光信号通过所述第二纤芯传输至所述第二光纤的端口；由所述第二包层出射的信号为所述本振信号，由所述第二纤芯出射的信号为所述出射信号。
可选的，所述光纤耦合模块包括光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第五端口、第六端口和第七端口，所述第五端口为所述输入端口，所述第六端口为所述收发端口，所述第七端口为所述输出端口。
可选的，所述第五端口与所述第二光纤的端口熔接或通过光纤连接器连接，所述光纤耦合模块还包括第四光耦合器和第二收发耦合器；
所述出射信号和所述本振信号通过由所述第二光纤的端口直接进入所述第五端口；
所述第二收发耦合器置于所述第六端口，所述出射信号通过所述第二收发耦合器从所述第六端口向外出射，所述回波信号通过所述第二收发耦合器进入所述第六端口；
所述第四光耦合器置于所述第七端口，所述中频信号通过所述第四光耦合器从所述第七端口向外出射。
可选的，所述第五端口和所述第六端口之间为双包层单模光纤，包括第三纤芯和第三内包层，所述第七端口通过多模光纤与所述第三内包层熔接，所述多模光纤包括第二多模包层。
可选的，所述所述出射信号由所述第五端口进入所述第三纤芯，并通过所述第三纤芯传递至所述第六端口，所述本振信号由所述第五端口进入所述第三内包层。
可选的，所述回波信号由所述第六端口进入所述第三内包层。
可选的，所述回波信号和所述本振信号在所述第三内包层和所述第二多模包层中相干得到所述中频信号。
本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
在本申请一个或多个实施例中，采用FMCW激光雷达系统，采用2x2双包层光纤耦合器替代环形器或采用up-taper光纤替代环形器或在环形器的出射端口处可以熔接一个高透低反的微镜面结构，省去了传统同轴系统需要使用环形器时不得不引入的串扰和高强度回波干扰的弊端，有利于更准确的提取信号中频，并进行解调。此外，相干过程发生在光纤的包层内无需使用3db耦合器，简化了系统的复杂度，有利于降低系统外部引入插损，利于提高系统的信噪比。激光雷达系统尺寸体积大幅减小，便于集成甚至芯片化，系统的总体积大幅减小，有利于降低系统总功耗。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种双包层光纤耦合器的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种up-taper光纤的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种up-taper光纤结构的FMCW激光雷达系统中光纤耦合模块的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。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，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合具体的实施例对本申请实施例提供的FMCW激光雷达系统进行详细介绍。
请参见图1，为本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统的结构示意图。
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。目前已被广泛应用于测距系统、低飞目标的跟踪测量、武器制导、大气监测、测绘、预警、交通管理等领域。
对于激光雷达，如调频连续波FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达，属于一种基于相干探测的连续波激光雷达。其基本原理是在扫频周期内发射频率线性变化的连续波作为出射信号，出射信号的一部分作为本振信号，其余部分作为出射信号向外出射进行探测，被物体反射后返回的回波信号与本振信号有一定的频率、相位、幅度等差异，通过回波信号和本振信号相干得到中频信号，根据中频信号可以获得被测物体与激光雷达之间的距离信息。
该FMCW激光雷达系统包括发射模块11、分束模块12、光纤耦合模块13、扫描模块14和接收模块15。
其中，发射模块11是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光纤调频激光器等组成。在本申请实施例中，对于FMCW激光雷达中，需要一个频率连续变化的光源，扫频范围通常在几百MHz到几十GHz，一般使用三角波进行调制，调制频率一般在10kHz～100kHz。而且FMCW激光雷达对出射信号的连续性和线性度有较高要求，使得本振信号和回波信号之间的差值是稳定的，避免因为波形变化非线性引入其他变量。通常可使用电流调制的分布反馈式(DistributedFeedback，DFB)半导体激光器或外腔半导体激光器(External Cavity Diode Lasers，ECDL)作为光源。所述发射模块11为光纤调频激光器，用于发射线性调制的光信号，并射向所述分束模块12。
所述分束模块12，用于将接收到的所述激光信号分为出射信号和本振信号，所述出射信号的能量大于所述本振信号。
所述分束模块12可以为1*2的分束器。所述分束器的一端与所述发射模块11的输出端相连接，所述分束器的另一端与所述光纤耦合模块13的输入端相连接。
所述光纤耦合模块13用于使所述输入端口接收到的所述出射信号通过收发端口出射。
所述光纤耦合模块13具体可包括单模光纤与多模光纤结合的2x2双包层光纤耦合器，所述双包层耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和所述第二端口为输入端口，所述第三端口为收发端口，所述第四端口为输出端口。
所述2x2双包层光纤耦合器，是双包层光纤(单模光纤纤芯外面包裹了一层多模内包层)与标准阶跃折射率多模光纤结合的耦合器。其内部结构示意图如图2所示，第一端口(端口1)和第三端口(端口3)之间是一根双包层单模光纤，包括第一纤芯和第一内包层，所述第二端口和所述第四端口之间为多模光纤，包括第一多模包层，所述第一内包层和所述第一多模包层熔接形成熔接段。所述出射信号由所述第一端口进入所述第一纤芯，并通过所述第一纤芯传递至所述第三端口。所述回波信号由所述第三端口进入所述第一内包层。
第二端口(端口2)和第四端口(端口4)之间是一根多模光纤，单模光纤的内包层与多模光纤的包层熔接到一起。也就是说，端口1为双包层单模光纤输入端、端口3为双包层单模光纤输出端、端口2为多模光纤输入端以及端口4为多模光纤输出端。
所述回波信号和所述本振信号在所述熔接段内相干得到所述中频信号。
需要说明的是，所述光纤耦合模块13还包括第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器以及第一收发耦合器。其中，所述第一光耦合器置于所述第一端口，所述出射信号通过所述第一光耦合器进入所述第一端口；所述第二光耦合器置于所述第二端口，所述本振信号通过所述第二光耦合器进入所述第二端口；所述第一收发耦合器置于所述第三端口，所述出射信号通过所述第一收发耦合器从所述第三端口向外出射，所述回波信号通过所述第一收发耦合器进入所述第三端口；所述第三光耦合器置于所述第四端口，所述中频信号通过所述第三光耦合器从所述第四端口向外出射。
所述扫描模块14，用于接收所述光纤耦合模块的所述收发端口出射的所述出射信号，并向外出射后扫描，还用于接收回波信号并射向所述光纤耦合模块的所述收发端口。
具体的，调谐激光器输出线性调频的光信号，经过1*2的分束器后，一路信号从端口1进入单模光纤的纤芯，经端口3出射，再由光学准直系统和扫描系统将其射向被探测目标，经被探测目标反射后沿相同光路返回，经单模光纤的包层进入单模光纤，作为回波信号；另一路信号作为本振信号，进过光学准直、扩束后被耦合进入多模光纤的包层。回波信号由单模光纤的包层传输至多模光纤的包层中，并与多模光纤的包层中的本振信号发生干涉，从而生成中频信号。干涉得到的中频信号远低于光频。
其中，通常光线是发散的，即出射信号向外传播后会越来越扩散。通过光学准直系统对出射信号进行准直，使光束以近似平行的方式出射。
需要说明的是，回波信号在进入包层前，需要先经过收发耦合器，提高发射和接收效率。且该回波信号沿与出射信号相同的光路返回，实现同轴收发，可以减少干扰光。
在本申请实施例中，中频信号通过本振信号与回波信号的干涉生成。即本振信号与回波信号而所生成的中频信号从包层出射后经过滤波、探测等分析处理，从而可以确定探测目标的位置。
所述接收模块15，用于接收所述光纤耦合模块的所述输出端口出射的所述中频信号，并根据所述中频信号解算得到探测信息。
接收模块15采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。在本申请实施例中，还包括解调模块16，所述解调模块16包括数据采集卡和信号分析设备，所述平衡探测器将接收到的中频信号转化为电信号后，传输给所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述信号分析设备相连接，对接收到的电信号进行处理和解算。
为了减小噪声的干扰以及提高测量的准确性，有必要滤除从多模光纤包层输出的中频信号中的噪声(如杂散光)，具体可通过信号滤波器滤除。
在滤除噪声后，采用光探测器探测该中频信号。在本申请实施例中，可采用平衡探测器进行探测。平衡探测器是相干探测技术的核心器件之一，采用平衡探测器的相干探测技术，比通常的直接探测技术光探测器的接收灵敏度高约20dB，显著消除了探测器噪声和电子线路噪声对微弱光信号检测的影响。
数据采集是指通过数据采集卡对设备被测的模拟或数字信号(所探测到的中频信号)自动采集并送到上位机中进行分析、处理，从而实现对被探测目标距离的测量。
其中，本申请实施例中，数据采集和处理系统根据系统实际的性能要求设置，一般实时系统需要高速的数据采集卡。
在本申请一个或多个实施例中，采用2x2双包层光纤耦合器替代环形器，通过将线性调制的光信号入射至2x2双包层光纤耦合器的单模光纤的纤芯中，获取所述调制信号经所述纤芯传输至所述多模光纤的包层的本振信号，并获取所述调制信号经所述纤芯出射，经光学准直系统和扫描系统射向被探测目标，并经所述被探测目标反射后同轴入射至所述单模光纤的包层的回波信号，本振信号与所述回波信号在融合后的包层中干涉生成中频信号，经解调模块进行解调。在此过程中，在光纤外完成出射信号与回波信号的同轴过程，在2x2双包层光纤耦合器内完成本振信号与回波信号的干涉，而2x2双包层光纤耦合器内部插损和回波干扰较小，使得干涉生成的中频信号不会被噪声湮没，可以顺利解调，进而能够准确的测量目标物体的位置信息。此外，相干过程发生在光纤的包层内无需使用3db耦合器，简化了系统的复杂度，有利于降低系统外部引入插损，利于提高系统的信噪比。激光雷达系统尺寸体积大幅减小，便于集成甚至芯片化，系统的总体积大幅减小，有利于降低系统总功耗。
请参见图3，为本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统的结构示意图。该FMCW激光雷达系统包括发射模块21、分束模块22、光纤耦合模块23、扫描模块24和接收模块25。
所述分束模块22为偏心熔接光纤，即up-taper光纤，所对应的结构如图4所示，包括第一光纤、第二光纤及所述第一光纤和所述第二光纤之间的熔接区，所述偏心熔接光纤包括第二纤芯和第二包层；所述激光信号由所述第一光纤的端口进入所述第二纤芯，所述激光信号传递至所述熔接区时，部分所述激光信号由所述第二纤芯进入所述第二包层并传输至所述第二光纤的端口，其余所述激光信号通过所述第二纤芯传输至所述第二光纤的端口；由所述第二包层出射的信号为所述本振信号，由所述第二纤芯出射的信号为所述出射信号。
所述光纤耦合模块23包括光纤耦合器，如图5所示，所述光纤耦合器包括第五端口(端口5)、第六端口(端口6)和第七端口(端口7)，所述第五端口为所述输入端口，所述第六端口为所述收发端口，所述第七端口为所述输出端口。
所述第五端口与所述第二光纤的端口熔接或通过光纤连接器连接，所述光纤耦合模块还包括第四光耦合器和第二收发耦合器；所述出射信号和所述本振信号通过由所述第二光纤的端口直接进入所述第五端口；所述第二收发耦合器置于所述第六端口，所述出射信号通过所述第二收发耦合器从所述第六端口向外出射，所述回波信号通过所述第二收发耦合器进入所述第六端口；所述第四光耦合器置于所述第七端口，所述中频信号通过所述第四光耦合器从所述第七端口向外出射。
所述第五端口和所述第六端口之间为双包层单模光纤，包括第三纤芯和第三内包层，所述第七端口通过多模光纤与所述第三内包层熔接，所述多模光纤包括第二多模包层。
所述所述出射信号由所述第五端口进入所述第三纤芯，并通过所述第三纤芯传递至所述第六端口，所述本振信号由所述第五端口进入所述第三内包层。
所述回波信号由所述第六端口进入所述第三内包层。
所述回波信号和所述本振信号在所述第三内包层和所述第二多模包层中相干得到所述中频信号。
具体的，光纤调频激光器输出线性调频的激光信号后从第一光纤的端口入射至up-taper光纤中，当该激光信号经过中心熔接区域时，有部分光从纤芯传递到包层，这部分光作为系统的本振信号，其余留在纤芯中传递的激光信号作为系统的出射信号。出射信号从第二光纤的端口出射并通过端口5进入光纤耦合器，沿光纤耦合器的第三纤芯传播直至从端口6出射，再由光学准直系统和扫描模块将其射向被探测目标，经被探测目标反射后沿相同光路返回回波信号，由端口6进入光纤耦合器的第三内包层。回波信号与本振信号在光纤包层中发生干涉，具体为在第三内包层和第二多模包层中干涉，生成中频信号。最终中频信号从端口7出射并由接收模块接收。尽管本振信号的传播会有部分损耗，但并不影响系统的测距能力。
与前述实施例相似，接收模块25采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。为了减小噪声的干扰以及提高测量的准确性，有必要滤除中频信号中的噪声(如杂散光)，具体可通过在光电探测器前端设置信号滤波器进行滤除。在本申请实施例中，还包括解调模块26，所述解调模块26包括数据采集卡和信号分析设备，所述平衡探测器将接收到的中频信号转化为电信号后，传输给所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述信号分析设备相连接，对接收到的电信号进行处理和解算。
在本申请一个或多个实施例中，采用up-taper光纤替代环形器，通过将线性调制的激光信号入射至up-taper光纤的纤芯中，部分激光信号经中心熔接区域时传输至所述up-taper光纤的包层作为本振信号，仍在纤芯中传输的激光信号为出射信号，本振信号进入光纤耦合器的包层，出射信号进入光纤耦合器的纤芯，出射信号经过光学准直系统和扫描系统射向被探测目标，并经被探测目标反射的回波信号同轴入射至光纤耦合器的包层，本振信号与回波信号在up-taper光纤的包层中干涉生成的中频信号，经接收模块模块接收后，进行解调。在此过程中，采用up-taper光纤实现本振信号和出射信号的分光，并使本振信号进入包层，为后续本振信号和回波信号相干提供基础；在光纤耦合器的包层完成本振信号与回波信号的干涉，而up-taper光纤和光纤耦合器内部插损和干扰较小，使得干涉生成的中频信号不会被噪声湮没，可以顺利解调，进而能够准确的测量目标物体的位置信息。此外，相干过程发生在光纤耦合器的包层内无需使用3db耦合器，简化了系统的复杂度，有利于降低系统外部引入插损，利于提高系统的信噪比。相干系统尺寸体积大幅减小，便于集成甚至芯片化，系统的总体积大幅减小，有利于降低系统总功耗。
请参见图6，为本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达系统的结构示意图。该FMCW激光雷达系统包括发射模块31、分束模块32、光纤耦合模块33、扫描模块34和接收模块35。
所述发射模块31，用于发射激光信号，并射向所述分束模块32；
所述分束模块32，用于将所述激光信号分为出射信号和本振信号，并射向所述光纤耦合模块的输入端口；
所述分束模块32为分束器，一端与所述发射模块21的输出端相连接，另一端与所述光纤耦合模块33的输入端相连接。
所述光纤耦合模块33包括环形器、第一光耦合器、第二光耦合器以及发射镜头，所述环形器包括输入端、第一输出端以及第二输出端，其中：
所述输入端与所述发射模块31的输出端通过所述第一光耦合器相连接，所述第一输出端与所述扫描模块34通过所述发射镜头相连接，所述第二输出端与所述接收模块35的输入端通过所述第二光耦合器相连接。
激光信号从环形器的端口1入射并从端口3出射作为雷达系统的出射信号。在环形器的出射端口1处可以熔接一个高透低反的微镜面结构，这样有一半的出射信号会被反射回来，此部分光作为系统的本振信号。目标物体的回波信号经同轴收发光路由环形器的端口3进入，此时回波信号与本振信号在环形器内部发生干涉，中频信号从端口2输出至接收模块。相干得到的中频信号远低于光频，经光滤波器过滤噪声后最终被平衡探测器探测。后端的数据采集和处理系统根据系统实际的性能要求设置，实时系统需要高速的数据采集卡。该实施例的优势是基于单模光纤的，但是充分利用了环形器的端面反射特性。
所述接收模块35和解调模块36与前述实施例相似，此处不再赘述。
在本申请一个或多个实施例中，在环形器的出射端口处熔接一个高透低反的微镜面结构，这样入射至环形器内的线性调制光信号有一半的出射光会被反射回来，此部分光作为系统的本振信号。而出射光经被探测目标反射后同轴入射至所述包层的回波信号，所述本振信号与所述回波信号在环形器内中干涉生成的中频信号，经解调模块进行解调。在此过程中，充分利用了环形器的端面反射特性，使得干涉生成的中频信号不会被噪声湮没，可以顺利解调，进而能够准确的测量目标物体的位置信息。此外，相干系统尺寸体积大幅减小，便于集成甚至芯片化，系统的总体积大幅减小，有利于降低系统总功耗。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种FMCW激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括发射模块、分束模块、光纤耦合模块、扫描模块和接收模块，其中：
所述发射模块，用于发射激光信号，并射向所述分束模块；
所述分束模块，用于将所述激光信号分为出射信号和本振信号，并射向所述光纤耦合模块的输入端口；
所述光纤耦合模块，用于使所述输入端口接收到的所述出射信号通过收发端口出射；
所述扫描模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述收发端口出射的所述出射信号，并向外出射后扫描，还用于接收回波信号并射向所述光纤耦合模块的所述收发端口；
所述光纤耦合模块，还用于使所述输入端口接收到的所述本振信号和所述收发端口接收到的所述回波信号相干后得到中频信号，并通过输出端口出射；
所述接收模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述输出端口出射的所述中频信号，并根据所述中频信号解算得到探测信息；
其中，所述光纤耦合模块包括双包层耦合器，所述双包层耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，所述第一端口和所述第三端口之间为双包层单模光纤，包括第一纤芯和第一内包层，所述第二端口和所述第四端口之间为多模光纤，包括第一多模包层，所述第一内包层和所述第一多模包层熔接形成熔接段，所述出射信号由所述第一端口进入所述第一纤芯，并通过所述第一纤芯传递至所述第三端口，所述回波信号由所述第三端口进入所述第一内包层，所述本振信号通过所述第二端口进入所述第一多模包层，所述回波信号和所述本振信号在所述熔接段内相干得到中频信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述分束模块为分束器，用于将接收到的所述激光信号分为所述出射信号和所述本振信号，所述出射信号的能量大于所述本振信号。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一端口和所述第二端口为所述输入端口，所述第三端口为所述收发端口，所述第四端口为所述输出端口。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述光纤耦合模块还包括第一光耦合器、第二光耦合器、第三光耦合器以及第一收发耦合器；
所述第一光耦合器置于所述第一端口，所述出射信号通过所述第一光耦合器进入所述第一端口；
所述第二光耦合器置于所述第二端口，所述本振信号通过所述第二光耦合器进入所述第二端口；
所述第一收发耦合器置于所述第三端口，所述出射信号通过所述第一收发耦合器从所述第三端口向外出射，所述回波信号通过所述第一收发耦合器进入所述第三端口；
所述第三光耦合器置于所述第四端口，所述中频信号通过所述第三光耦合器从所述第四端口向外出射。
5.一种FMCW激光雷达系统，其特征在于，所述系统包括发射模块、分束模块、光纤耦合模块、扫描模块和接收模块，其中：
所述发射模块，用于发射激光信号，并射向所述分束模块；
所述分束模块，用于将所述激光信号分为出射信号和本振信号，并射向所述光纤耦合模块的输入端口；
所述光纤耦合模块，用于使所述输入端口接收到的所述出射信号通过收发端口出射；
所述扫描模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述收发端口出射的所述出射信号，并向外出射后扫描，还用于接收回波信号并射向所述光纤耦合模块的所述收发端口；
所述光纤耦合模块，还用于使所述输入端口接收到的所述本振信号和所述收发端口接收到的所述回波信号相干后得到中频信号，并通过输出端口出射；
所述接收模块，用于接收所述光纤耦合模块的所述输出端口出射的所述中频信号，并根据所述中频信号解算得到探测信息；
其中，所述分束模块为偏心熔接光纤，所述偏心熔接光纤包括第一光纤、第二光纤及所述第一光纤和所述第二光纤之间的熔接区，所述偏心熔接光纤包括第二纤芯和第二包层，所述激光信号由所述第一光纤的端口进入所述第二纤芯，所述激光信号传递至所述熔接区时，部分所述激光信号由所述第二纤芯进入所述第二包层并传输至所述第二光纤的端口，其余所述激光信号通过所述第二纤芯传输至所述第二光纤的端口；由所述第二包层出射的信号为所述本振信号，由所述第二纤芯出射的信号为所述出射信号；
所述光纤耦合模块包括光纤耦合器，所述光纤耦合器包括第五端口、第六端口和第七端口，所述第五端口为所述输入端口，所述第六端口为所述收发端口，所述第七端口为所述输出端口，所述第五端口和所述第六端口之间为双包层单模光纤，包括第三纤芯和第三内包层，所述第七端口通过多模光纤与所述第三内包层熔接，所述多模光纤包括第二多模包层，所述出射信号由所述第五端口进入所述第三纤芯，并通过所述第三纤芯传递至所述第六端口，所述本振信号由所述第五端口进入所述第三内包层，所述回波信号由所述第六端口进入所述第三内包层，所述回波信号和所述本振信号在所述第三内包层和所述第二多模包层中相干得到所述中频信号。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第五端口与所述第二光纤的端口熔接或通过光纤连接器连接，所述光纤耦合模块还包括第四光耦合器和第二收发耦合器；
所述出射信号和所述本振信号通过由所述第二光纤的端口直接进入所述第五端口；
所述第二收发耦合器置于所述第六端口，所述出射信号通过所述第二收发耦合器从所述第六端口向外出射，所述回波信号通过所述第二收发耦合器进入所述第六端口；
所述第四光耦合器置于所述第七端口，所述中频信号通过所述第四光耦合器从所述第七端口向外出射。
CN201980051040.XA 2019-12-24 2019-12-24 一种fmcw激光雷达系统 Active CN113383246B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CN2019/127767 WO2021051696A1 (zh) 2019-12-24 2019-12-24 一种fmcw激光雷达系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113383246A CN113383246A (zh) 2021-09-10
CN113383246B true CN113383246B (zh) 2024-02-27

Family

ID=74883331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980051040.XA Active CN113383246B (zh) 2019-12-24 2019-12-24 一种fmcw激光雷达系统

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113383246B (zh)
WO (1) WO2021051696A1 (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113721226A (zh) * 2021-08-31 2021-11-30 深圳市镭神智能系统有限公司 一种调频连续波激光雷达
WO2023065149A1 (zh) * 2021-10-20 2023-04-27 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达及激光雷达控制方法
CN113671464B (zh) * 2021-10-22 2022-02-18 杭州视光半导体科技有限公司 一种片上相干检测的扫描同轴面阵收发机
CN114994710B (zh) * 2022-08-03 2022-10-28 南京信息工程大学 一种动态范围分段控制的激光雷达
CN116106862B (zh) * 2023-04-10 2023-08-04 深圳市速腾聚创科技有限公司 光芯片、激光雷达、自动驾驶系统及可移动设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101034161A (zh) * 2007-02-02 2007-09-12 北京航空航天大学 连续波调频相干光纤激光雷达
CN106707291A (zh) * 2016-12-09 2017-05-24 中国科学技术大学 一种激光雷达系统
CN108490597A (zh) * 2018-06-05 2018-09-04 张红明 一种基于光纤耦合器的共聚焦显微系统
CN108508535A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 东北大学 一种基于凸锥熔接的1x2光纤分束器的制作方法
CN109073755A (zh) * 2016-01-27 2018-12-21 三菱电机株式会社 相干激光雷达装置
CN110261844A (zh) * 2019-07-22 2019-09-20 北京因泰立科技有限公司 一种收发同轴的多线激光雷达
WO2019183838A1 (zh) * 2018-03-28 2019-10-03 深圳市太赫兹科技创新研究院 光学相干断层成像系统

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8946637B2 (en) * 2010-11-23 2015-02-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Compact fiber-based scanning laser detection and ranging system
JP5753449B2 (ja) * 2011-06-30 2015-07-22 株式会社トプコン 光波距離測定方法及び光波距離装置
CN105470798B (zh) * 2016-01-29 2019-01-25 成都信息工程大学 一种线性调频单频脉冲光纤激光器
CN105572803A (zh) * 2016-03-28 2016-05-11 中国人民解放军国防科学技术大学 一种熔点拉锥型光纤功率合束器及其制作方法
CN106886031B (zh) * 2017-02-27 2019-07-26 南京红露麟激光雷达科技有限公司 基于宽谱选通相干探测的瑞利多普勒测风激光雷达
CN109350012A (zh) * 2018-11-28 2019-02-19 中国计量大学 一种基于双包层光纤的荧光物质检测系统
CN109946707A (zh) * 2019-03-15 2019-06-28 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达接收装置、发射装置、系统及距离的测量方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101034161A (zh) * 2007-02-02 2007-09-12 北京航空航天大学 连续波调频相干光纤激光雷达
CN109073755A (zh) * 2016-01-27 2018-12-21 三菱电机株式会社 相干激光雷达装置
CN106707291A (zh) * 2016-12-09 2017-05-24 中国科学技术大学 一种激光雷达系统
WO2019183838A1 (zh) * 2018-03-28 2019-10-03 深圳市太赫兹科技创新研究院 光学相干断层成像系统
CN108508535A (zh) * 2018-04-04 2018-09-07 东北大学 一种基于凸锥熔接的1x2光纤分束器的制作方法
CN108490597A (zh) * 2018-06-05 2018-09-04 张红明 一种基于光纤耦合器的共聚焦显微系统
CN110261844A (zh) * 2019-07-22 2019-09-20 北京因泰立科技有限公司 一种收发同轴的多线激光雷达

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021051696A1 (zh) 2021-03-25
CN113383246A (zh) 2021-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113383246B (zh) 一种fmcw激光雷达系统
EP2329218B1 (en) Compact fiber-optic geometry for a counter chirp fmcw coherent laser radar
US20020075472A1 (en) Optical fiber ceilometer for meteorological cloud altitude sensing
CN106226778A (zh) 一种高分辨率测量远程目标的相干激光雷达系统
CN106500823A (zh) 基于细径多模光纤实现高灵敏度分布式声波传感的装置
WO2011150242A1 (en) Method and apparatus for a pulsed coherent laser range finder
GB2272123A (en) Lidar
CN103576162A (zh) 激光雷达装置及利用该装置测量目标物距离的方法
CN115210603B (zh) 激光雷达及激光雷达控制方法
KR20210137567A (ko) 모드 필드 확장기를 갖는 lidar 시스템
CN114791611A (zh) 调频连续波激光雷达
CN108534686A (zh) 一种无零漂外差式激光多普勒测量光纤光路及测量方法
CN116990828A (zh) 激光雷达和可移动设备
CN112130130A (zh) 硅光芯片以及激光雷达系统
CN114895281B (zh) 一种本征信号与目标返回信号生成目标信息的方法及装置
CN113960631B (zh) 一种雷达系统
CN111812665A (zh) 一种集脉冲、相位一体式激光测距装置
CN109557557B (zh) 一种软件自定义多功能激光雷达
CN107064539A (zh) 一种大视场光子多普勒测速装置及方法
CN212675175U (zh) 一种激光相干测速系统
CN210690828U (zh) 激光雷达接收装置、发射装置及系统
CN204086538U (zh) 一种双波长激光器实现光路补偿的无源式激光测距装置
CN114899690B (zh) 一种用于相干激光雷达的双纤端口激光器
CN209590275U (zh) 脉冲式激光测距系统
CN219370000U (zh) 一种消除fmcw光纤激光雷达发射端面回波干扰的光路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant