CN113702993A - 多波长多调制调频连续波激光测距雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多波长多调制调频连续波激光测距雷达，包括：调频激光发生器组、发射侧分束器组、合成发射模块、接收分束模块、混频处理模块、数字处理模块。解决了最大探测距离受到调频周期限制的问题，即本发明可以在较短的调频周期前提下实现长距离测距；实现大幅提高测距范围的前提下，本发明可以同时降低单次测距时间，且可以同时提高重复测量频率；由于缩短了激光的调频周期，相同的频率测量精度对应于更高的时间精度，进而对应于更好的距离精度，因此本发明提高了调频连续波雷达的测距精度；基于光学集成芯片的多波长多调制调频连续波激光测距雷达可以降低成本，提高系统稳定性和可靠性。

Description

多波长多调制调频连续波激光测距雷达

技术领域

本发明属于测距设备技术领域，尤其涉及一种多波长多调制调频连续波激光测距雷达。

背景技术

调频连续波(FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave)激光雷达是一种常用的测距手段，其基本原理为发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化，通过对一个完整调频周期的检测，可以测得待测物体相对于雷达的距离，同时可以获得待测物体相对于雷达的径向速度。FMCW接收的回波频率与发射的频率变化规律相同，都是三角波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离。

如图1所示，由于激光受到周期性调频，只有在反射光与本振光的波形时间差在一个周期以内，才能获得唯一的距离，图1中实线为反射光，点划线为本振光。若反射光与本振光相差了多个调频周期，无法判断所相差调频周期的个数。因此，传统FMCW激光雷达的最大探测距离受到调频周期的限制，即调频周期越短，探测距离越近，调频周期越长，探测距离越远。同时，由于单次测量需要检测完整的调频周期，单次测量时间也受到调频周期限制，即调频周期越短，单次测量时间越短，调频周期越长，单次测量时间越长。

在很多应用场景中，往往需要在较长的距离上进行快速的距离测量，然而传统的FMCW激光雷达无法同时实现长距离且快速的测量。以自动驾驶为例，若实现最大300m距离的测距，则调频周期需要大于2微秒，因而单次测量时间也需要大于2微秒，那么重复测量频率将低于500KHz。在自动驾驶中，为了扫描环境状态并实时反应环境变化，往往需要高于1MHz的重复测量频率，因此，目前的FMCW激光雷达重复测量频率达不到测量要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种多波长多调制调频连续波激光测距雷达。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种多波长多调制调频连续波激光测距雷达，包括：发射侧分束器组，用于将各束周期性调频激光分成探测光与本振光，其中，所述各束周期性调频激光的波长以及调频周期均互不相同；混频处理模块，用于将各个探测光射向待测物体后反射回来的各个反射光与所述发射侧分束器组分出的本振光进行混频，转换为模拟信号，并进一步转换为数字信号；数字处理模块，根据所述混频处理模块转换出的所述数字信号计算出各个对应于所述各束周期性调频激光的频率值以及对应于所述频率值的时间解组，并筛选出各个所述时间解组内相同的时间点以作为探测时间，依据所述探测时间计算得到所述待测物体的距离，其中，处于所述时间解组内的各个时间点时间隔周期等于调频周期。

进一步的，所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，还包括：合成发射模块，用于将所述发射侧分束器组分出来的各个探测光合并，发射向所述待测物体；接收分束模块，用于接收所述待测物体反射回来的光束并将所述反射回来的光束分成对应于各个探测光的反射光。

进一步的，所述合成发射模块包括：合束器，用于将所述发射侧分束器组分出来的各个探测光合成为一束；发射侧耦合器，用于将所述合束器合成的光束发射并射向所述待测物体。

进一步的，所述接收分束模块包括：接收侧耦合器，用于接收所述待测物体反射回来的光束；接收侧分束器，用于将所述接收侧耦合器接收的光束分成对应于各个探测光的反射光。

进一步的，所述混频处理模块包括：混频器组，用于将所述接收侧分束器分出的各个反射光与所述发射侧分束器组分出的各个本振光进行混频；光电探测器组，用于接收所述混频器组输出的各个混频光束，并将所述各个混频光束转换为电信号。

进一步的，所述混频处理模块还包括：跨组放大器组，用于将所述光电探测器组转换的电信号进行放大；模数转换器，用于将所述跨组放大器组放大后的模拟信号转换为数字信号。

进一步的，所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，还包括：调频激光发生器组，用于产生波长不同且调频周期不同的若干激光束。

进一步的，所述发射侧分束器组、合成发射模块、接收分束模块、混频器组集成在光学集成芯片上。

进一步的，所述调频激光发生器组集成在所述光学集成芯片上，或者，所述调频激光发生器组置于所述光学集成芯片之外通过封装实现，通过所述光学集成芯片上的光学耦合器将激光引入芯片，或者，所述调频激光发生器组部分置于所述光学集成芯片上，另一部分置于所述光学集成芯片之外通过封装实现。

进一步的，所述光电探测器组集成在所述光学集成芯片上，或者，置于所述光学集成芯片之外通过封装实现。

本发明所带来的有益效果：

1.解决了最大探测距离受到调频周期限制的问题，即本发明可以在较短的调频周期前提下实现长距离测距；

2.实现大幅提高测距范围的前提下，本发明可以同时降低单次测距时间，且可以同时提高重复测量频率；

3.由于缩短了激光的调频周期，相同的频率测量精度对应于更高的时间精度，进而对应于更好的距离精度，因此本发明提高了调频连续波雷达的测距精度；

4.基于光学集成芯片的多波长多调制调频连续波激光测距雷达可以降低成本，提高系统稳定性和可靠性。

附图说明

图1是现有技术中线性三角波调频波形图；

图2是本发明多波长多调制调频连续波激光测距雷达的测量原理图；

图3是本发明多波长多调制调频连续波激光测距雷达的模块结构示意图；

图4是本发明线性三角波调频波形图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

如图2-3所示，在一些说明性的实施例中，提供一种多波长多调制调频连续波激光测距雷达，包括：调频激光发生器组、发射侧分束器组、合成发射模块、接收分束模块、混频处理模块、数字处理模块。

调频激光发生器组，用于产生波长不同且调频周期不同的若干激光束。激光发生器是指能发射激光的装置，进一步的，调频激光发生器是指可以调整发射出的激光的频率的装置，调节激光频率的方法为现有技术，本发明不再赘述。本发明的调频激光发生器组内的各个调频激光发生器发出的周期性调频激光的波长互不相同，且调频周期也互不相同。

发射侧分束器组，用于对调频激光发生器组产生的各束周期性调频激光进行分束，分别定义为探测光及本振光，即将各束周期性调频激光分成探测光与本振光。发射侧分束器组内具有若干分束器，每一个分束器对应一个调频激光发生器，即调频激光发生器射出的周期性调频激光通过分束器进行分束。

合成发射模块，用于将发射侧分束器组分出来的各个探测光合并，一同发射向待测物体。具体的，合成发射模块包括：合束器及发射侧耦合器；合束器，用于将发射侧分束器组分出来的各个探测光合成为一束；发射侧耦合器，用于将合束器合成的光束发射并射向待测物体。

接收分束模块，用于接收待测物体反射回来的光束并将反射回来的光束分成对应于各个探测光的反射光。每一个射向待测物体的探测光均会被反射，并作为反射光被接收分束模块接收，再进行分束操作。具体的，接收分束模块包括：接收侧耦合器及接收侧分束器；接收侧耦合器用于接收待测物体反射回来的光束；接收侧分束器用于将接收侧耦合器接收的光束分成对应于各个探测光的反射光。

当接收侧分束器具备滤波功能时，根据光波长对反射光进行分束，分束后的反射光分别与对应波长的本振光进行混频接收，使用带滤波功能的分束器设计会提高系统的响应度。在拓展到多通道的情况下，带有滤波功能的分束器还可以滤除其他通道的光串扰，起到提高通道间隔离度的作用。

当接收侧分束器不具备滤波功能时，分束后的反射光与本振光混频并被电光探测器接收。只有与本振光波长相同的部分被本振光放大，实现对反射光中与本振光同波长分量的探测。

混频处理模块，用于将各个探测光射向待测物体后反射回来的各个反射光与发射侧分束器组分出的本振光进行混频，将混频光束转换为模拟信号，并进一步转换为数字信号。

其中，混频处理模块包括：混频器组、光电探测器组、跨组放大器组、模数转换器。

混频器组，用于将接收侧分束器分出的各个反射光与发射侧分束器组分出的各个本振光进行混频。混频器组内具有若干混频器，每一个混频器对应于一个周期性调频激光，混频器的作用是将分束器分出的本振光与分出的探测光反射回来的反射光进行混频。

光电探测器组，用于接收混频器组输出的各个混频光束，并将各个混频光束转换为电信号。

跨组放大器组，用于将光电探测器组转换的电信号进行放大。

模数转换器，用于将跨组放大器组放大后的模拟信号转换为数字信号。

本发明的数字处理模块，用于根据混频处理模块转换出的数字信号计算出各个对应于各束周期性调频激光的频率值，进一步计算出频率值对应的的时间解组，并筛选出各个时间解组内相同的时间点以作为探测时间，依据探测时间计算得到待测物体的距离，其中，处于时间解组内的各个时间点时间隔周期等于调频周期。

如图2-3所示，出于简化说明，本发明仅以单通道双波长双调制架构为例进行说明，实际应用时可以拓展至任意多通道任意多波长任意多调制的方式。

第一调频激光发生器501和第二调频激光发生器502产生波长不同且调频周期不同的两束周期性调频激光，分别记为第一周期性调频激光302和第二周期性调频激光312。

第一调频激光发生器501和第二调频激光发生器502组成上文所述的调频激光发生器组，且记第一周期性调频激光302的调频周期为T1，记第二周期性调频激光312的调频周期为T2。

第一分束器503对第一周期性调频激光302进行分束后，获得第一探测光 303与第一本振光304。第二分束器504对第二周期性调频激光312进行分束后，获得第二探测光313与第二本振光314。分束操作由分束器完成，第一分束器 503与第二分束器504组成上文所述的发射侧分束器组。

第一探测光303和第二探测光313经合束器505进行合束，合束后经发射侧耦合器516发射向待测物体305并被反射，形成反射光。合束器505与发射侧耦合器516组成上文所述的合成发射模块。反射光由接收侧耦合器517进行接收，进一步经接收侧分束器506分束后分为第一反射光310和第二反射光320。接收侧耦合器517和接收侧分束器506组成上文所述的接收分束模块。

第一反射光310和第二反射光320分别与第一本振光304和第二本振光314 进行混频，其中，第一反射光310与第一本振光304的混频由第一混频器507 完成，第二反射光320与第二本振光314的混频由第二混频器508完成。第一混频器507与第二混频器508组成上文所述的混频器组。

混频后被四个光电探测器接收，转化为电信号。第一混频器507输出的混频光束由第一光电探测器509及第二光电探测器510接收。第二混频器508输出的混频光束由第三光电探测器511及第四光电探测器512接收。第一光电探测器509、第二光电探测器510、第三光电探测器511及第四光电探测器512组成上文所述的光电探测器组。

光电探测器组输出的电信号经过第一跨组放大器513和第二跨组放大器514 进行电信号放大，第一跨组放大器513和第二跨组放大器514组成上文所述的跨组放大器组。第一数模转换器309和第二数模转换器319将放大后的模拟信号转换为数字信号。

数字处理模块用于完成频率的计算和时间的计算。根据转换而出的数字信号计算出对应于第一周期性调频激光302和第二周期性调频激光312的频率值，其中，所获得的频率值即为反射光与本振光之间的频率差。两个周期性调频激光最终得到两个混频光束，每一个混频光束均包含两束光束，分别为反射光与本振光，且这两束光束频率不一致，也就是具备频率差，光电探测器组与数模转换器对混频光束进行处理最终输出的数字信号可以利用单片机进行数据的计算，两束光束的频率做减法即可计算出频率差以作为频率值。

由于激光受到周期性调频，反射光与本振光之间的频率差对应于其波前的时间差，进一步对应于探测光的传播距离。

对应于第一周期性调频激光302的频率值记为F1，对应于第二周期性调频激光312的频率值记为F2，F1与F2即为反射光与本振光的频率差。得到频率值后可以进一步计算出频率值对应的的时间解组：如图4所示，由于第一周期性调频激光302和第二周期性调频激光312受到周期性调频，对应于频率差F1 和频率差F2分别有一组间隔周期等于调频周期的时间解，在图中分别以柱状图形标出。其中，间隔周期指的是单个频率对应的时间解的间隔周期，例如第一周期性调频激光302受到的调频周期为T，真实的反射光与本振光时间差t对应于频率差F1；当测出频率差F1时，由于是周期性调制，实际上无法判断真实时间是t-T、t、t+T、t+2×T、t+3×T等等中的哪一个，因此这里的t-T、t、t+T、 t+2×T、t+3×T等等称为间隔周期为T的时间解。

激光发生器受到周期性调频，便于理解本文假设频率随时间的变化函数为 F(t)，当t0时间间隔时的调频频率差等于测得频率，便于理解，本文定义测得频率为F1，则F(t＝t0)-F(t＝0)＝F1，则t0是一个时间解。由于F(t)是一个周期性函数，无法找到唯一解，从F1会得到一组{t0}都满足F(t＝t0)-F(t＝0)＝F1。由于一般会测一个完整周期，所以测得的并不是单一的固定频率F1，而是周期性的随时间变化的频率值。

单独考虑F1或F2的对应的时间无法确定对应于哪个周期。但是若同时考虑频率差F1与频率差F2，由于探测了相同的距离，必然有相同的时间解，即对应于图4中上下波形图中柱状图形对齐的位置，对齐的位置所对应的时间点作为探测时间，依据探测时间计算得到待测物体的距离，时间乘以速度即可得到距离，从而可以准确得到目标的距离。

数字处理模块可以利用FPGA、DSP芯片、MCU芯片、上位机等进行数据的分析、计算、处理。

本发明同时提出一种基于光学集成芯片的多波长多调制的调频连续波激光雷达设计。使用光学集成芯片方式可以大幅降低多波长多调制的调频连续波激光雷达的封装难度，提高系统的稳定性与可靠性，降低成本。以单通道双波长双调制的设计为例，该设计可以轻松拓展至任意多通道任意多波长任意多调制设计。

光学集成芯片500包括了：第一分束器503、第二分束器504、接收侧分束器506、合束器505、第一混频器507、第二混频器508、第一光电探测器509、第二光电探测器510、第三光电探测器511、第四光电探测器512、发射侧耦合器516、接收侧耦合器517。

第一分束器503、第二分束器504可以使用常见的定向耦合器(DC， directionalcoupler)或多模干涉器(MMI，Multi-modeInferometer)结构实现。

接收侧分束器506可以使用常见的DC、MMI、微环、马赫曾德干涉器(MZI， Mach-Zehnder inter-ferometer)等结构实现。接收侧分束器506可以带有滤波功能也可以不带有滤波功能。当接收侧分束器506不带有滤波功能时，如部分DC 和部分MMI设计，分束后的反射光与本振光混频并被电光探测器接收，只有与本振光相同波长的部分被本振光放大，实现对反射光中与本振光同波长分量的探测。如果接收侧分束器506带有滤波设计，如微环、马赫曾德干涉器、部分 DC和部分MMI设计，会根据光波长对反射光分束，分别与对应波长的本振光进行混频接收。使用带滤波功能的分束器设计会提高系统的响应度。如果在拓展到多通道的情况下，带有滤波功能的分束器还可以起到提高通道间隔离度的作用。

合束器505可以使用常见的DC、MMI、微环MR、MZI等结构实现。

第一混频器507、第二混频器508可以使用常见的DC、MMI、MZI等结构。

第一光电探测器509、第二光电探测器510、第三光电探测器511、第四光电探测器512可以使用光电二极管或雪崩光电二极管等常见结构实现。

用于激光发射的发射侧耦合器516可以由边缘耦合器或光栅耦合器等常见结构实现。用于激光接收的接收侧耦合器517可以由边缘耦合器或光栅耦合器等常见结构实现。

调频激光发生器组集成在光学集成芯片500上，或者，调频激光发生器组置于光学集成芯片500之外通过封装实现，通过光学集成芯片500上的光学耦合器将激光引入芯片，或者，调频激光发生器组部分置于光学集成芯片500上，另一部分置于光学集成芯片500之外通过封装实现，即通过混合集成的方式。

光电探测器组集成在光学集成芯片500上，或者，置于光学集成芯片500 之外通过封装实现。

跨组放大器组可以置于光学集成芯片500之外通过封装实现；也可集成在光学集成芯片500之上实现。

模数转换器515及后续电路可以置于光学集成芯片500之外通过封装实现；也可集成在光学集成芯片500之上实现。模数转换器515也可分为两个模数转换器，即第一数模转换器309与第二数模转换器319进行实现。

该设计可以轻松拓展为多通道，以及偏振复用的设计，此处不再赘述。本发明使用多个波长的激光，对多波长使用不同的调频周期，共同对同一目标进行测距，检测时不同波长分别与反射光进行混频接收，实现多波长多调制的调频连续波激光测距。同时提出了一种片上集成的多波长多调制调频连续波激光雷达设计本发明通过多波长多调制的方式提出新型调频连续波激光雷达设计，大幅提高测距范围，降低单次测距时间，提高重复测量频率，提高距离测量精度。提出的基于光学集成芯片的多波长多调制调频连续波激光雷达可以降低成本，提高系统稳定性和可靠性。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，包括：

发射侧分束器组，用于将各束周期性调频激光分成探测光与本振光，其中，所述各束周期性调频激光的波长以及调频周期均互不相同；

混频处理模块，用于将各个探测光射向待测物体后反射回来的各个反射光与所述发射侧分束器组分出的本振光进行混频，转换为模拟信号，并进一步转换为数字信号；

数字处理模块，根据所述混频处理模块转换出的所述数字信号计算出各个对应于所述各束周期性调频激光的频率值以及对应于所述频率值的时间解组，并筛选出各个所述时间解组内相同的时间点以作为探测时间，依据所述探测时间计算得到所述待测物体的距离，其中，处于所述时间解组内的各个时间点时间隔周期等于调频周期。

2.根据权利要求1所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，还包括：

合成发射模块，用于将所述发射侧分束器组分出来的各个探测光合并，发射向所述待测物体；

接收分束模块，用于接收所述待测物体反射回来的光束并将所述反射回来的光束分成对应于各个探测光的反射光。

3.根据权利要求2所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述合成发射模块包括：

合束器，用于将所述发射侧分束器组分出来的各个探测光合成为一束；

发射侧耦合器，用于将所述合束器合成的光束发射并射向所述待测物体。

4.根据权利要求3所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述接收分束模块包括：

接收侧耦合器，用于接收所述待测物体反射回来的光束；

接收侧分束器，用于将所述接收侧耦合器接收的光束分成对应于各个探测光的反射光。

5.根据权利要求4所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述混频处理模块包括：

混频器组，用于将所述接收侧分束器分出的各个反射光与所述发射侧分束器组分出的各个本振光进行混频；

光电探测器组，用于接收所述混频器组输出的各个混频光束，并将所述各个混频光束转换为电信号。

6.根据权利要求5所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述混频处理模块还包括：

跨组放大器组，用于将所述光电探测器组转换的电信号进行放大；

模数转换器，用于将所述跨组放大器组放大后的模拟信号转换为数字信号。

7.根据权利要求6所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，还包括：调频激光发生器组，用于产生波长不同且调频周期不同的若干激光束。

8.根据权利要求7所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述发射侧分束器组、合成发射模块、接收分束模块、混频器组集成在光学集成芯片上。

9.根据权利要求8所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述调频激光发生器组集成在所述光学集成芯片上，或者，所述调频激光发生器组置于所述光学集成芯片之外通过封装实现，通过所述光学集成芯片上的光学耦合器将激光引入芯片，或者，所述调频激光发生器组部分置于所述光学集成芯片上，另一部分置于所述光学集成芯片之外通过封装实现。

10.根据权利要求9所述的多波长多调制调频连续波激光测距雷达，其特征在于，所述光电探测器组集成在所述光学集成芯片上，或者，置于所述光学集成芯片之外通过封装实现。

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