CN114415201A - 基于频移干涉的激光雷达测距测速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，包括连续波激光器、光纤环形器、频移干涉仪、收发单元、平衡探测器、数据采集单元和数字信号处理单元；频移干涉仪由第一光纤耦合器、频移器和第二光纤耦合器组成；连续波激光器发出的连续光依次经光纤环形器、频移干涉仪、收发单元发射出去；目标反射的反射光依次经收发单元、频移干涉仪于第一光纤耦合器处汇合；平衡探测器用来对反射光进行差分探测，获得频移干涉差分信号；数字信号处理单元根据频移干涉差分信号进行测距测速。本发明无需线性调频激光器，故消除了光源的非线性调频影响；而且本发明可实现高精度的测距测速，在无人驾驶、车载激光雷达测距测速领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达测距测速技术领域，特别涉及基于频移干涉的激光雷达测距测速装置。
背景技术
调频连续波(FMCW)激光雷达技术因具有测距测速精度高、测量范围大、极高的距离和速度分辨率、抗干扰能力强等优点，已被广泛应用于无人驾驶、大气测量、远距离成像等领域。但是FMCW激光雷达技术依然面临着激光器的调频非线性、微光探测、色散补偿、偏振衰落等技术难题，其中，线性调频激光器是制约其发展的主要瓶颈。
针对激光器调频的非线性问题，学者们提出了许多解决方法，主要包括重采样技术[1-2]、外调制技术[3-4]、激光外调制与注入锁定相结合技术[5]等方法。尽管上述方法均在一定程度上改善了激光器调频的非线性问题，但仍存在一定的局限性。比如重采样技术增加了采样点数，而导致无法实时获得目标的距离与速度信息；直接调制技术占据的资源空间大并恶化激光器线宽，外调制技术需要额外的滤波器来获取单频调谐光；激光外调制与注入锁定相结合技术需要主从式注入锁定，而使系统的成本与复杂度增加。总之，调频的非线性问题依然是一个未有效解决的难题。
文中涉及如下参考文献：
[1]X.S.Zhang,J.Pouls,M.Wu.Laser frequency sweep linearization byiterative learning pre-distortion for FMCW LiDAR[J].Optics Express.27(7):9965-9974,2019.
[2]包为政,张福民,曲兴华.基于等光频细分重采样的调频干涉测距方法[J].激光技术.44(1):1-6,2020.
[3]黄锦熙,巩少斌,陈一帆,潘汉球,白云峰.一种调频连续波激光测距非线性校正装置及方法.中国.202010448228.2[P].2020.
[4]董永康,朱宗达.一种基于可调频连续波的激光雷达系统及其成像方法.发明专利.中国.202010059300.2[P].2020.
[5]张洪英,田晓宁,雷艳阳,朱宗达,董永康.同时测距和测速的注入锁定调频连续波激光雷达.光学学报.40(15):1528001,2020.
发明内容
针对现有激光器调频存在的非线性问题，本发明提供了基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，本发明无需使用线性调频激光器，可消除激光器非线性调频的影响。
本发明提供的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，包括连续波激光器1、光纤环形器2、频移干涉仪3、收发单元7、平衡探测器9、数据采集单元10和数字信号处理单元11；频移干涉仪3由第一光纤耦合器4、不对称插入的频移器5和第二光纤耦合器6组成；光纤环形器2的三个端口分别与连续波激光器1、第一光纤耦合器4、平衡探测器9连接；第一光纤耦合器4还连接平衡探测器9、第二光纤耦合器6和频移器5；第二光纤耦合器6还连接频移器5和收发单元7；平衡探测器9、数据采集单元10、数字信号处理单元11顺次相连；
连续波激光器1发出的连续光依次经光纤环形器2、频移干涉仪3、收发单元7，由收发单元7发射出去；目标反射的反射光依次经收发单元7、频移干涉仪3于第一光纤耦合器4处汇合发生频移干涉；平衡探测器9用来对第一光纤耦合器4处干涉光进行差分探测，获得频移干涉差分信号；数据采集单元10用来采集频移干涉差分信号；
数字信号处理单元11用来将频移干涉差分信号变换为空间域频谱信号，提取频谱信号峰位置，根据相邻扫描周期的峰位置计算速度ui＝(LP(i+1)-LPi)/2tsw，以及计算位置
其中，ui、Li分别表示第i个扫描周期内的速度、位置，LPi和LP(i+1)分别表示第i个、第i+1个扫描周期的峰位置，tsw表示扫描周期，f0和Δf分别是频移器的初始频率和扫频范围。
在一些具体实施方式中，在频移干涉仪3中，第一光纤耦合器4的输入臂、背散射臂、直通臂、耦合臂分别连接光纤环形器2的一端口、平衡探测器9、第二光纤耦合器6、频移器5的输入端；第二光纤耦合器6的输入臂、背散射臂、直通臂、耦合臂分别连接第一光纤耦合器4、频移器5的输出端、收发单元7的输入端口、收发单元7的输出端口。
在一些具体实施方式中，连续波激光器1发出的连续光经光纤环形器2进入第一光纤耦合器4；第一光纤耦合器4将连续光分成两束，分别通过频移干涉仪3的上臂和下臂进入第二光纤耦合器6、频移器5，经频移器5移频后的连续光也进入第二光纤耦合器6；第二光纤耦合器6将两束连续光传输至收发单元7，由收发单元7发射出去；
当收发单元7接收到目标的两束反射光，将反射光传输至第二光纤耦合器6，第二光纤耦合器6将反射光各分两束，分别经频移干涉仪3的上臂和下臂返回至第一光纤耦合器4处；在第一光纤耦合器4处汇合4束反射光，第一束反射光没发生频移，第二束反射光频移两次，第三和第四束反射光均只频移一次，第三和第四束反射光在第一光纤耦合器4处发生频移干涉；平衡探测器9用来进行差分探测，获得频移干涉差分信号。
在一些具体实施方式中，将频移干涉差分信号变换为空间域的频谱信号采用快速傅里叶变换法。
在一些具体实施方式中，频移器采用声光调制器。
在一些具体实施方式中，数据采集单元采用采集卡。
在一些具体实施方式中，数字信号处理单元采用基于Labview的实时信号处理系统。
和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
(1)本发明基于频移干涉技术实现激光雷达测距测速，无需线性调频激光器，故从原理上消除了光源的非线性调频影响，从而可降低对激光光源和探测器等硬件的要求。
(2)本发明所利用的频移干涉技术属于共路干涉，且采用差分探测，可大大降低背景噪声影响，因而具有信噪比高、灵敏度高、发射功率低的优点，在空间域可实现高精度的测距和测速；
(3)本发明在无人驾驶、车载激光雷达测距测速领域均具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明激光雷达测距测速装置的结构框图；图中，1-连续波激光器，2-光纤环形器，3-频移干涉仪，4-第一光纤耦合器，5-频移器，6-第二光纤耦合器，7-收发单元，8-目标，9-平衡探测器，10-数据采集单元，11-数字信号处理单元；
图2是本发明中数字信号处理单元测距测速的流程图；
图3是实施例中激光雷达测距测速装置采集的频移干涉差分信号；
图4为对频移干涉差分信号做快速傅里叶变换所得的空间域频谱信号；
图5为实施例中目标的速度信息；
图6为实施例中目标的位置信息。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1，所示为本发明激光雷达测距测速装置的结构框图，包括连续波激光器1、光纤环形器2、频移干涉仪3、收发单元7、平衡探测器9、数据采集单元10和数字信号处理单元11。其中，频移干涉仪3进一步由第一光纤耦合器4、不对称插入的频移器5、第二光纤耦合器6组成。本发明中光纤环形器2起到非可逆传输光的作用，光信号从光纤环形器2的端口①输入，则只能从端口②输出；光信号从端口②输入，则只能从端口③输出。
连续波激光器1与光纤环形器2的端口①相连，光纤环形器2的端口②与第一光纤耦合器4的输入臂相连，第一光纤耦合器4的直通臂与第二光纤耦合器6的输入臂相连构成频移干涉仪3的上臂。第二光纤耦合器6的背散射臂与频移器5的输出端连接之后，频移器5的输入端与第一光纤耦合器4的耦合臂连接，共同构成频移干涉仪3的下臂。第一光纤耦合器4的背散射臂与平衡探测器9的一个端口相连，平衡探测器9的另一端口与光纤环形器2的端口③相连，从而形成差分探测。第二光纤耦合器6的直通臂与收发单元7的输入端口④相连，第二光纤耦合器6的耦合臂与收发单元7的输出端口⑤相连。
本具体实施方式中，连续波激光器采用Santac TSL-550激光器；光纤环形器采用MC Fiber Optics公司的光纤环形器；第一光纤耦合器和第二光纤耦合器均采用MC FiberOptics公司的光纤耦合器；频移器采用声光调制器，型号为Brimrose AMM-100-20-25-1550-2FP；收发单元为距离300m的收发激光测距测速模块，型号为YXOC-T/C-1550-300-APC；平衡探测器采用10MHz的光电平衡探测器，型号为New Focus Model 2117；数据采集单元采用2MS/s的采集卡，型号为NI USB-6361；数字信号处理单元采用基于Labview的实时信号处理系统。
本发明激光雷达测距测速装置工作时，连续波激光器1发出频率为v的连续光，连续光经光纤环形器2后进入第一光纤耦合器4，在第一光纤耦合器4处被分成两束。一束连续光从第一光纤耦合器4的直通臂顺时针进入第二光纤耦合器6，另一束连续光从第一光纤耦合器4的耦合臂逆时针进入，经频移器5移频后再次进入第二光纤耦合器6。在第二光纤耦合器6处两束连续光向前传输，通过收发单元7发射出去，经目标8的反射后再次回到第二光纤耦合器6。目标8为运动物体，例如运动小车。
两束反射光在第二光纤耦合器6分别又被分成两束光，这些光又分别经过频移干涉仪3的上臂和下臂返回至第一光纤耦合器4处汇合，即在第一光纤耦合器4处有四束反射光汇合。一束反射光两次经过频移干涉仪3的上臂，没发生频移，频率仍然为v；一束反射光两次经过频移干涉仪3的下臂，频移两次，其频率变为v+2f，f为频移器的频移量。剩下的两束反射光都只有一次经过频移器5，故频率为v+f，由于这两束反射光频率相同、相位差恒定，因此在第一光纤耦合器4处发生频移干涉。经过平衡探测器9的差分探测，获得的频移干涉差分信号ΔI可表示为：
式(1)中：
A为一个常量，表示差分信号最大值，
K表示第二光纤耦合器和目标间的传输系数，kA和kB分别表示频移干涉仪上臂和下臂的传输系数，r1和r2分别表示第一光纤耦合器和第二光纤耦合器的耦合比，R表示目标的反射率，E0表示第一光纤耦合器的输入臂处入射光场的振幅；
lo是由La、Lb、Lc所决定的距离常数，
其中，La为第一光纤耦合器与第二光纤耦合器间的光纤长度，Lb为频移器与第二光纤耦合器间的光纤长度，Lc为频移器与第一光纤耦合器间的光纤长度；
f表示频移器的频移量，
其中，f0是频移器的初始频率，Δf是扫频范围，tsw是扫描周期；
n0是光纤纤芯的有效折射率；L0表示目标与第二光纤耦合器间的初始距离；u表示目标移动的速度；t表示时间；c表示真空中的光速。
对频移干涉差分信号ΔI做快速傅里叶变换，便可获得空间域的频谱信号，采用峰值提取法从频谱信号中提取傅里叶峰并获得傅里叶峰对应的位置LP，其与目标移动的速度u间满足如下关系式：
式(2)中：L1代表目标的位置，
L2无物理含义，
由式(2)可知，当采集时间(即扫描周期tsw)很短时，近似认为目标移动的速度保持不变，根据相邻两次采集到的傅里叶峰位置，计算相邻两扫描周期内的平均速度，将该平均速度作为相邻两扫描周期中前一扫描周期的速度，即目标的速度。假设LP1和LP2分别为第1个、第2个扫描周期采集的傅里叶峰位置，则目标在第1个扫描周期内的速度u1＝(LP2-LP1)/2tsw。LP1和LP2的公式见下式：
则目标的位置
位置即目标的距离。同理可求出目标在其它扫描周期内的移动速度和位置。
基于上述激光雷达测距测速装置，本发明激光雷达测距测速方法为：先通过对平衡探测器差分探测所得频移干涉差分信号作快速傅里叶变换，获得空间域的频谱信息，通过峰值提取法提取频谱信息的傅里叶峰位置，通过相邻两扫描周期的傅里叶峰位置计算目标的速度和位置。
下面将结合图2，对本发明激光雷达测距测速方法的具体实施过程做详细描述。
启动连续波激光器1，连续波光器1发出的连续光依次经光纤环形器2、频移干涉仪3、收发单元7，由收发单元7发射出去。由目标8反射的反射光依次经收发单元7、频移干涉仪3于第一光纤耦合器4处汇合，第一光纤耦合器4汇合四束反射光，第一束反射光没发生频移，第二束反射光频移两次，第三和第四束反射光均只频移一次，第三和第四束反射光在第一光纤耦合器4处发生频移干涉；平衡探测器9用来进行差分探测，获得频移干涉差分信号并将频移干涉差分信号转换为电信号，频移干涉差分信号的表达式见公式(1)，由式(1)可知，当频移器5进行线性扫频时，就可得频移干涉差分信号ΔI随频移量f变化的函数。数据采集单元10对频移干涉差分信号ΔI进行采样，并送到数字信号处理单元11进行处理。
本发明激光雷达测距测速方法通过对频移干涉差分信号进行处理，实现测速测距，具体步骤如下：
S100：对频移干涉差分信号ΔI进行快速傅里叶变换，获得空间域频谱信号。
快速傅里叶变换的表达式如下：
式(5)中，F{ΔI}表示对ΔI作快速傅里叶变换；exp表示自然常数e为底的指数函数；j表示复数中的虚数单位，
表示振幅响应；
ω表示频谱信号峰的位置，当峰值位于ω＝at+b处时，对应的位置
S200：对频谱信号提取傅里叶峰，并得到傅里叶峰对应的位置。
S300：根据相邻两扫描周期的位置求各扫描周期内目标的速度。
当扫描周期很短时，可将相邻两扫描周期看成相邻两时刻，则近似认为目标在扫描周期内的速度保持不变，因此，计算相邻两扫描周期内的平均速度，将该平均速度作为相邻两扫描周期中前一扫描周期内目标的速度，即ui＝(LP(i+1)-LPi)/2tsw。
S400：根据步骤S300计算的速度获取扫描周期内目标的位置
实施例
本实施例中，连续波激光器的功率为10mW，产生光信号的中心波长为1550nm，大气损耗为5dB/km，目标的反射率为20％，频移器的扫频范围为90MHz～110MHz，扫描周期为1s。在上述条件下，采用本发明装置获得5个扫描周期的频移干涉差分信号，见图3所示。对图3所示频移干涉差分信号进行快速傅里叶变换，获得空间域的频谱信号，见图4。对频谱信号进行峰值提取，得到各扫描周期内的傅里叶峰位置；由相邻扫描周期的傅里叶峰位置计算各扫描周期内目标的速度信息，见图5所示。最后由速度信息计算各扫描周期内目标的距离信息，见图6所示。
上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。
Claims (7)
1.基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
包括连续波激光器(1)、光纤环形器(2)、频移干涉仪(3)、收发单元(7)、平衡探测器(9)、数据采集单元(10)和数字信号处理单元(11)；频移干涉仪(3)由第一光纤耦合器(4)、不对称插入的频移器(5)和第二光纤耦合器(6)组成；光纤环形器(2)的三个端口分别与连续波激光器(1)、第一光纤耦合器(4)、平衡探测器(9)连接；第一光纤耦合器(4)还连接平衡探测器(9)、第二光纤耦合器(6)和频移器(5)；第二光纤耦合器(6)还连接频移器(5)和收发单元(7)；平衡探测器(9)、数据采集单元(10)、数字信号处理单元(11)顺次相连；
连续波激光器(1)发出的连续光依次经光纤环形器(2)、频移干涉仪(3)、收发单元(7)，由收发单元(7)发射出去；目标反射的反射光依次经收发单元(7)、频移干涉仪(3)于第一光纤耦合器(4)处汇合发生频移干涉；平衡探测器(9)用来对第一光纤耦合器(4)处干涉光进行差分探测，获得频移干涉差分信号；数据采集单元(10)用来采集频移干涉差分信号；
数字信号处理单元(11)用来将频移干涉差分信号变换为空间域频谱信号，提取频谱信号峰对应的位置，根据相邻扫描周期的峰位置计算速度ui＝(LP(i+1)-LPi)/2tsw，以及计算位置
其中，ui、Li分别表示第i个扫描周期内的速度、位置，LPi和LP(i+1)分别表示第i个、第i+1个扫描周期的峰位置，tsw表示扫描周期，f0和Δf分别是频移器的初始频率和扫频范围。
2.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
在频移干涉仪(3)中，第一光纤耦合器(4)的输入臂、背散射臂、直通臂、耦合臂分别连接光纤环形器(2)的一端口、平衡探测器(9)、第二光纤耦合器(6)、频移器(5)的输入端；第二光纤耦合器(6)的输入臂、背散射臂、直通臂、耦合臂分别连接第一光纤耦合器(4)、频移器(5)的输出端、收发单元(7)的输入端口、收发单元(7)的输出端口。
3.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
所述第一光纤耦合器(4)处汇合4束反射光，第一束反射光没发生频移，第二束反射光频移两次，第三和第四束反射光均只频移一次，第三和第四束反射光在第一光纤耦合器(4)处发生频移干涉。
4.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
所述将频移干涉差分信号变换为空间域的频谱信号采用快速傅里叶变换法。
5.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
所述频移器采用声光调制器。
6.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
所述数据采集单元采用采集卡。
7.如权利要求1所述的基于频移干涉的激光雷达测距测速装置，其特征是：
所述数字信号处理单元采用基于Labview的实时信号处理系统。
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|---|---|---|---|
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| GB201411206D0 (en) * | 2014-06-24 | 2014-08-06 | Sec Dep For Business Innovation & Skills The And Usw Commercial Services Ltd | Dual laser frequency sweep interferometry system and method |
| CN111948662A (zh) * | 2020-08-13 | 2020-11-17 | 重庆大学 | 一种基于最优化方法的抗频率漂移扫频干涉动态测距方法 |
| CN112526538A (zh) * | 2020-11-30 | 2021-03-19 | 南方科技大学 | 基于fdml的调频连续波激光雷达捕获系统及方法 |
-
2022
- 2022-01-24 CN CN202210078745.4A patent/CN114415201B/zh active Active
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张海洋;赵长明;蒋奇君;杨苏辉;苏必达;: "基于相干激光雷达的激光微多普勒探测", 中国激光, no. 12, 10 December 2008 (2008-12-10) * |
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