CN114879215A - Fmcw激光雷达系统及fmcw扫频方法 - Google Patents

Fmcw激光雷达系统及fmcw扫频方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种FMCW激光雷达系统及FMCW扫频方法，所述FMCW扫频方法包括：获取扫频光束；将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；发射所述发射光束使得所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；以及检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设扫频总带宽满足以下关系：
Figure 670315DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 343742DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 900625DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。

Description

FMCW激光雷达系统及FMCW扫频方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种FMCW激光雷达系统及FMCW扫频方法。
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。激光雷达现在广泛部署在包括自动车辆在内的不同的场景中。激光雷达可以在扫描场景时主动估计到环境特征的距离及速度，并生成指示环境场景的三维形状的点位置云。
发明内容
本发明一些实施例提供一种FMCW扫频方法，应用于激光雷达，其特征在于，所述FMCW扫频方法包括：
获取扫频光束；
将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；
发射所述发射光束使得所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；以及
检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，
其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设扫频总带宽满足以下关系：
Figure 927176DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 346656DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 432424DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
在一些实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内依次连续执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
在一些实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内连续交替执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
在一些实施例中，测定的所述障碍物的距离R满足以下关系：
Figure 738903DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 150293DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，
Figure 791489DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 664636DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 340468DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 922759DEST_PATH_IMAGE008
为光速。
在一些实施例中，测定的所述障碍物的速度v满足以下关系：
Figure 316832DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 492205DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 22543DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 775735DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 640792DEST_PATH_IMAGE010
为未调制光束的频率。
在一些实施例中，n满足以下关系：
Figure 872053DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 522478DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，𝑅𝑚𝑎𝑥为预设最大测量距离，
Figure 931724DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 300389DEST_PATH_IMAGE012
为预设最大测量距离对应的光束飞行时间。
本发明一些实施例提供一种FMCW激光雷达系统，包括：
激光光源，配置为产生扫频光束；
分光器，配置为将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；
光发射器，配置为将所述发射光束射出，所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；
光接收器，配置为接收反射光束；
检测器，配置为检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，
其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设总扫频带宽满足以下关系：
Figure 69762DEST_PATH_IMAGE001
其中,
Figure 840272DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 918955DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
在一些实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内依次连续执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
在一些实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内连续交替执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
在一些实施例中，所述FMCW激光雷达系统还包括：
光束引导装置，配置为随着时间调整自所述光发射器射出的发射光束的出射方向以实现光束扫描。
本发明实施例的上述方案与相关技术相比，至少具有以下有益效果：
FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave，调频连续波）激光雷达系统产生的扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，扫频光束的扫频带宽明显小于预设总扫频带宽，通过小范围扫频的FMCW测距方式替代大范围扫频，实现同等的测量效果同时，降低扫频带宽需求，使得FMCW激光雷达系统简单、系统功耗低、成本降低。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。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。在附图中：
图1为本发明一些实施例提供的FMCW激光雷达系统的结构示意图；
图2为发射光束与接收光束的波形图；
图3为发射光束与接收光束的拍频的波形图；以及
图4为本发明一些实施里提供FMCW扫频方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种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。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
在相关技术中，现有的激光雷达以测距方式为依据主要包括以下两个技术路线：ToF（Time of Flight，飞行时间法）与FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave，调频连续波）。
ToF的测距原理是，用光脉冲在目标物与激光雷达间的飞行时间乘以光速来测算距离，ToF激光雷达采用了脉冲振幅调制技术。与ToF路线不同，FMCW主要通过发送和接收连续激光束，把回光和本地光做干涉，并利用混频探测技术来测量发送和接收的频率差异，再通过频率差换算出目标物的距离。简言之，ToF使用时间来测量距离，而FMCW使用频率来测量距离。
FMCW相较于ToF具有以下优势：ToF的光波容易受环境光干扰，而FMCW的光波抗干扰能力很强；ToF的信噪比过低，而FMCW的信噪比很高，ToF的速度维数据质量低，而FMCW可获取每个像素点的速度维数据。
采用FMCW这一技术路线的激光雷达具有很好的技术优势，但其实际应用中存在以下问题：
对于FMCW激光雷达系统而言，距离分辨率和调频带宽成反比。为了提高距离分辨率，通常需要很大的调频带宽，例如3GHz以上的调频带宽，比如1cm的距离分辨率需要15GHz的调频带宽。对于直接调制光源，比如窄线宽DFB（Distributed Feedback Laser分布式反馈激光器）激光器、或外腔激光器，在短时间内产生如此宽的线性扫频比较困难；对于外调制激光系统，更加难以产生大范围连续调频的射频信号，同时造成系统带宽要求高，系统复杂度高，成本高。
本发明提供一种FMCW扫频方法，应用于激光雷达，所述FMCW扫频方法包括：获取扫频光束；将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；发射所述发射光束使得所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；以及检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设扫频总带宽满足以下关系：
Figure 774916DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 613559DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 972996DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
本发明提供的FMCW扫频方法中的扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设斜率执行n次升频和n次降频，扫频光束的扫频带宽明显小于预设总扫频带宽，通过小范围扫频的FMCW测距方式替代大范围扫频，实现同等的测量效果同时，降低扫频带宽需求，使得FMCW激光雷达系统简单、系统功耗低、成本降低。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
图1为本发明一些实施例提供的FMCW激光雷达系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种FMCW激光雷达系统100，FMCW激光雷达系统100包括激光光源110、分光器120、光发射器130、光接收器140以及检测器150。
FMCW激光雷达系统100配置为生成和接收一个或多个光束。在一些示例中，FMCW激光雷达系统100的至少一些组件可以集成在半导体芯片上以减小FMCW激光雷达系统100的尺寸。FMCW激光雷达系统100的组件可以以芯片上的半导体模块的形式实现。
激光光源110可以集成在半导体芯片上，可以通过啁啾驱动直接调制。也就是说，控制激光光源110的驱动信号可以以随时间变化的强度输入到激光光源110，使得激光光源110产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。在一些实施例中，激光光源100还可以包括接收调制信号的调制器。调制器可以配置为基于调制信号调制光束，以产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。在一些实施例中，激光光源110还可以包括外部激光光源，通过光路（例如光纤）引入至半导体芯片中，激光光源110在未调制时输出的激光光束的频率是基本上恒定的，称为未调制光束的频率，例如为100~300THz，激光光源110可以在调制后实现扫频光束的输出，扫频光束的频率范围与未调制光束的频率相关。
分光器120例如集成在半导体芯片上，配置为接收从激光光源110输出的扫频光束，并且进一步将所述扫频光束分束为两部分、即发射光束和本振光束。发射光束可以被传输到光发射器130，本振光束可以被传输到检测器150，发射光束和本振光束在任何时间点都具有相同的频率，即所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同。
光发射器130例如集成在半导体芯片上，可以配置为以预定角度所述发射光束射出。当发射光束在传播过程中遇到障碍物，可以在障碍物表面反射产生反射光束。反射光束可以由光接收器140接收。光接收器140例如集成在半导体芯片上，可以将接收到的反射光束传输至检测器150。
检测器150例如集成在半导体芯片上，配置为检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的速度和距离，所述拍频指的是所述本振光束和所述反射光束之间的频率差，检测器150例如为平衡检测器。
在一些实施例中，FMCW激光雷达系统100还可以包括处理器，其亦可以集成在半导体芯片上，处理器可以根据检测器150检测到的拍频计算所述障碍物的距离，即障碍物与FMCW激光雷达系统100之间距离，当障碍物为运动物体时，处理器还可以根据检测器150检测到的拍频计算所述障碍物的速度。
在一些实施例中，FMCW激光雷达系统100还可以包括耦合器，例如为混频器，位于检测器150之前，将本振光束以及反射光束进行耦合，例如混频。耦合器例如亦可以集成在半导体芯片上。
在一些实施例中，光发射器130、光接收器140可以集成为一个部件，例如为光发射/接收器，来实现同轴收发，例如可以通过偏振分光装置或者三端口环形器等装置来区分或分离同轴的发射光束和反射光束，使得反射光束可以进入检测器150与本振光束进行拍频。
图2为发射光束与接收光束的波形图，其中，（a）为相关技术中采用大范围扫频带宽的发射光束与接收光束的波形图，（b）为本发明一些实施例中提供的小范围扫描带宽的发射光束与接收光束的波形图，（c）为本发明另一些实施例中提供的小范围扫描带宽的发射光束与接收光束的波形图。图3为发射光束与接收光束的拍频的波形图，其中，（a）为相关技术中采用大范围扫频带宽的发射光束与接收光束的拍频的波形图，（b）为本发明一些实施例中提供的小范围扫描带宽的发射光束与接收光束的拍频的波形图，（c）为本发明另一些实施例中提供的小范围扫描带宽的发射光束与接收光束的拍频的波形图。为了表述方便，本发明中将图2中的（a）、（b）、（c）分别称为图2（a）、图2（b）以及图2（c），将图3中的（a）、（b）、（c）分别称为图3（a）、图3（b）以及图3（c）。
诚如前文所述，对于FMCW激光雷达系统而言，通常需要激光频率在几十微秒内达到较大扫频带宽，例如为3GHz以上的扫频带宽，其对激光雷达系统硬件要求很高，导致系统复杂，成本昂贵。图2（a）示出了该种复杂的系统中生成的大范围扫频带宽的发射光束与接收光束的波形图。
如图2（a）所示，横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示频率，单位为GHz。实线表示发射光束的频率随时间变化的曲线，发射光束的频率例如随着时间的增长由0增加至3GHz，随后由3GHz降至0，如此周期变化。图2（a）中仅示出了一个周期，即预设扫描测距周期，例如为40μs。虚线表示反射光束的频率随时间变化的曲线，发射光束经障碍物反射后形成反射光束，反射光束被光接收器接收，反射光束保持发射光束的频率波形，时间上会有延后。例如，反射光束的频率亦例如随着时间的增长由0增加至3GHz，随后由3GHz降至0，如此周期变化。图2（a）中仅示出了一个周期，亦为预设扫描测量周期。在该种情况下，在一个预设扫描测量周期，发射光束包括一个升频阶段和一个降频阶段，相应地，接收到的反射光束亦包括一个升频阶段和一个降频阶段。
图2（a）中示出的扫频带宽为3GHz，称为预设扫频总带宽。采用上述的相关技术中复杂的FMCW激光雷达系统，例如，预设扫频总带宽可以3GHz或更多，扫频的区间并不一定从0开始，只要保证扫频带宽为大范围的扫描带宽即可。
图3（a）与图2（a）对应，图3（a）中横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示拍频单位为GHz。在一个预设扫描测量周期中，对于升频阶段，其升频拍频
Figure 986695DEST_PATH_IMAGE006
为正，对于降频阶段，其降频拍频
Figure 64372DEST_PATH_IMAGE007
为负。
结合图2（a）和图3（a）所示，采用上述复杂的FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的距离R满足以下关系：
Figure 706706DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 186229DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，
Figure 872294DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 906109DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 86555DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 436896DEST_PATH_IMAGE008
为光速。
相应地，采用上述复杂的FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的速度v满足以下关系：
Figure 44595DEST_PATH_IMAGE013
其中，
Figure 96864DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 815422DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 518804DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 297404DEST_PATH_IMAGE014
为未调制光束的频率。
Figure 571391DEST_PATH_IMAGE015
表示
Figure 93639DEST_PATH_IMAGE006
的绝对值，
Figure 150063DEST_PATH_IMAGE016
表示
Figure 99565DEST_PATH_IMAGE007
的绝对值。
本发明一些实施例提供一种结构简单、成本低的FMCW激光雷达系统，采用小范围扫频带宽扫频光束，来获取与图2（a）中所示的大范围扫频带宽的扫频光束基本相同的测量效果。小范围扫频带宽的扫频信号易于实现，例如DDS（Direct Digital frequencySynthesis，直接数字频率合成器）可以产生0~1GHz扫频信号，从而使得FMCW激光雷达系统结构简单，降低成本。
具体地，本发明一些实施例中，扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设总扫频带宽满足以下关系：
Figure 860848DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 452366DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 864762DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
也就是说，将采用大范围扫频带宽的、包括一个升频阶段和一降频阶段预设扫频测距周期分分割成采用小范围扫频带宽的多个升频阶段和多个降频阶段。采用小范围扫频带宽的升频阶段的斜率与采用大范围扫频带宽的升频阶段的斜率相同，采用小范围扫频带宽的降频阶段的斜率与采用大范围扫频带宽的降频频阶段的斜率相同。如此，采用小范围扫频带宽扫频光束可以实现采用大范围扫频带宽的扫频光束基本相同的测量效果。
具体地，如图2（b）所示，横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示频率，单位为GHz。实线表示发射光束的频率随时间变化的曲线，发射光束相当于将图2（a）所示的采用大范围扫频带宽的发射光束的预设扫描测距周期中的升频阶段划分采用小范围扫频带宽的多个升频阶段，例如将带宽为3GHz的升频阶段划分为三个带宽为1GHz的升频阶段，同时，将图2（a）所示的采用大范围扫频带宽的发射光束的预设扫描测距周期中的降频阶段划分采用小范围扫频带宽的多个降频阶段。例如将带宽为3GHz的降频频阶段划分为三个带宽为1GHz的降频阶段。
如图2（b）所示，所述扫频光束在预定扫频测距周期内依次连续执行3次升频和3次降频。且图2（b）中的升频阶段的斜率与图2（a）中的升频阶段的斜率相同，图2（b）中的降频阶段的斜率与图2（a）中的降频频阶段的斜率相同。图2（a）中的升频阶段的斜率可以作为预设升频斜率，图2（a）中的降频阶段的斜率可以作为为预设降频斜率，两者可以相同或者不同。
图3（b）与图2（b）相对应，如图3（b）横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示拍频单位为GHz。在一个预设扫描测量周期中，第1次升频阶段的第1子升频拍频
Figure 985164DEST_PATH_IMAGE017
、第2次升频阶段的第2子升频拍频
Figure 499322DEST_PATH_IMAGE018
以及第3次升频阶段的第3子升频拍频
Figure 97794DEST_PATH_IMAGE019
均为正值，统称为本实施例中的升频拍频
Figure 866161DEST_PATH_IMAGE006
。如图3（b）和图3（a）所示，图3（b）升频拍频
Figure 423044DEST_PATH_IMAGE006
的有效长度（即第1子升频拍频
Figure 158919DEST_PATH_IMAGE017
、第2子升频拍频
Figure 826661DEST_PATH_IMAGE018
以及第3子升频拍频
Figure 948069DEST_PATH_IMAGE019
的有效长度之和）小于图3（a）升频拍频
Figure 941433DEST_PATH_IMAGE006
的有效长度。本发明中拍频的有效长度指的是拍频信号为稳定值时持续的时间。第1次降频阶段的第1子降频拍频
Figure 164604DEST_PATH_IMAGE020
、第2次降频阶段的第2子降频拍频
Figure 370457DEST_PATH_IMAGE021
以及第3次降频阶段的第3子降频拍频
Figure 110487DEST_PATH_IMAGE022
均为负值，统称为本实施例中的降频拍频
Figure 9173DEST_PATH_IMAGE007
。如图3（b）和图3（a）所示，图3（b）降频拍频
Figure 454061DEST_PATH_IMAGE007
的有效长度（即第1子降频拍频
Figure 463605DEST_PATH_IMAGE020
、第2子降频拍频
Figure 825185DEST_PATH_IMAGE021
以及第3子降频拍频
Figure 894772DEST_PATH_IMAGE022
的有效长度之和）小于图3（a）降频拍频
Figure 826956DEST_PATH_IMAGE007
的有效长度。
结合图2（b）和图3（b）所示，采用本实施例中FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的距离R满足以下关系：
Figure 640191DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 92164DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，
Figure 67073DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 752132DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 103479DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 190384DEST_PATH_IMAGE008
为光速。
相应地，采用本实施例中的FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的速度v满足以下关系：
Figure 585462DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 492238DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 381696DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 70910DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 387622DEST_PATH_IMAGE014
为未调制光束的频率。
即，采用小范围扫频带宽的FMCW激光雷达系统与采用大范围扫频带宽的FMCW激光雷达系统的测距公式及测量公式均相同，可以获得相似的测量效果。
在一些实施例中，如图2（c）所示，横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示频率，单位为GHz。实线表示发射光束的频率随时间变化的曲线，发射光束相当于将图2（a）所示的采用大范围扫频带宽的发射光束的预设扫描测距周期中的升频阶段划分采用小范围扫频带宽的多个升频阶段，例如将带宽为3GHz的升频阶段划分为三个带宽为1GHz的升频阶段，同时，将图2（a）所示的采用大范围扫频带宽的发射光束的预设扫描测距周期中的降频阶段划分采用小范围扫频带宽的多个降频阶段。例如将带宽为3GHz的降频频阶段划分为三个带宽为1GHz的降频阶段。
如图2（c）所示，所述扫频光束在预定扫频测距周期内依次连续执行交替执行3个周期的升频和降频。且图2（c）中的升频阶段的斜率与图2（a）中的升频阶段的斜率相同，图2（c）中的降频阶段的斜率与图2（a）中的降频频阶段的斜率相同。
图3（c）与图2（c）相对应，如图3（c）横坐标表示时间，单位为μs，纵坐标表示拍频单位为GHz。在一个预设扫描测量周期中，第1次升频阶段的第1子升频拍频
Figure 781694DEST_PATH_IMAGE017
、第2次升频阶段的第2子升频拍频
Figure 474844DEST_PATH_IMAGE018
以及第3次升频阶段的第3子升频拍频
Figure 536341DEST_PATH_IMAGE019
均为正值，统称为本实施例中的升频拍频
Figure 538801DEST_PATH_IMAGE006
。图3（c）升频拍频
Figure 154590DEST_PATH_IMAGE006
的有效长度小于图3（a）升频拍频
Figure 385851DEST_PATH_IMAGE006
的有效长度。第1次降频阶段的第1子降频拍频
Figure 301855DEST_PATH_IMAGE020
、第2次降频阶段的第2子降频拍频
Figure 976681DEST_PATH_IMAGE021
以及第3次降频阶段的第3子降频拍频
Figure 79766DEST_PATH_IMAGE022
均为负值，统称为本实施例中的降频拍频
Figure 114718DEST_PATH_IMAGE007
。图3（c）降频拍频
Figure 885228DEST_PATH_IMAGE007
的有效长度小于图3（a）降频拍频
Figure 229490DEST_PATH_IMAGE007
的有效长度。
结合图2（c）和图3（c）所示，采用本实施例中FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的距离R满足以下关系：
Figure 819872DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 658515DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，
Figure 283531DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 320668DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 398345DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 40679DEST_PATH_IMAGE008
为光速。
相应地，采用本实施例中的FMCW激光雷达系统测定的所述障碍物的速度v满足以下关系：
Figure 520202DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 206267DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 771241DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 686107DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 285716DEST_PATH_IMAGE014
为未调制光束的频率。
即，采用小范围扫频带宽的FMCW激光雷达系统与采用大范围扫频带宽的FMCW激光雷达系统的测距公式及测量公式均相同，可以获得相似的测量效果。
上述实施例，以n=3进行举例说明，扫频带宽
Figure 644147DEST_PATH_IMAGE003
为预设扫频总带宽
Figure 696416DEST_PATH_IMAGE002
的1/3，采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的升频阶段和降频阶段刚好分别分为了三个升频阶段和三个降频阶段。
在其他实施例中，n还可以为其他值，例如n为正数且n≥2。n可以为整数还可以为小数。当n为整数时，采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的升频阶段和降频阶段刚好分别划分为了n个升频阶段和n个降频阶段。即采用小范围扫频带宽时，在预设扫描测距周期中包括n次完整周期升频和n次完整周期降频。各完整周期升频均采用预设升频斜率，各完整周期降频均采用预设降频斜率。本发明中，预设升频斜率为采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的升频阶段的升频斜率，预设降频斜率为采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的降频阶段的降频斜率。完整周期升频或完整周期降频占据的时间
Figure 414974DEST_PATH_IMAGE024
。
例如如图2（a）所示，采用大范围扫频带宽时，预设扫频总带宽fc为3GHz，预设扫描测距周期为40μs，在一个预设扫描测距周期中，升频阶段和降频阶段均占据20μs。采用小范围扫频带宽时，例如如图2（b）和2（c）所示，扫频带宽
Figure 869089DEST_PATH_IMAGE025
，在一个预设扫描测距周期中包括3次完整周期升频和3次完整周期降频，每次完整周期升频占据(20/3) μs，每次完整周期降频亦占据(20/3) μs。
当n为小数时，采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的升频阶段可以被划分为⌊n⌋个升频阶段，即⌊n⌋个完整的升频阶段以及至少1个非完整升频阶段，相应地，采用大范围扫频带宽的预设扫描测距周期中的降频阶段可以被划分为⌊n⌋个升频阶段，即⌊n⌋个完整的升频阶段以及至少1个非完整降频阶段，⌊n⌋表示n向下取整。即采用小范围扫频带宽时，在预设扫描测距周期中包括⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频以及至少1次非完整周期升频和至少1次非完整周期降频。至少1次非完整周期升频和至少1次非完整周期降频例如可以作为冗余阶段。
例如如图2（a）所示，采用大范围扫频带宽时，预设扫频总带宽fc为3GHz，预设扫描测距周期为40μs，在一个预设扫描测距周期中，升频阶段和降频阶段均占据20μs。采用小范围扫频带宽时，扫频带宽
Figure 896957DEST_PATH_IMAGE026
，在一个预设扫描测距周期中包括2次完整周期升频和2次完整周期降频以及1次非完整周期升频和1次非完整周期降频，每次完整周期升频占据的时间8μs，每次完整周期降频亦占据8μs，1次非完整周期升频占据4μs，1次非完整周期升频占据4μs。
如上所述，上述实施例提供的FMCW激光雷达系统产生的扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次完整周期升频以及基于预设降频斜率执行n次完整周期降频，扫频光束的扫频带宽明显小于预设总扫频带宽，通过小范围扫频的FMCW测距方式替代大范围扫频。扫频斜率一致均为
Figure 436522DEST_PATH_IMAGE027
，在实现同等的测量效果的同时，降低了扫频带宽需求，使得FMCW激光雷达系统简单、系统功耗低、成本降低。
在一些实施例中，n的取值存在一定的限制，其中，n满足以下关系：
Figure 693191DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 749616DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，𝑅𝑚𝑎𝑥为预设最大测量距离，
Figure 699117DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 460400DEST_PATH_IMAGE012
为预设最大测量距离对应的光束飞行时间 。𝑅𝑚𝑎𝑥为预设最大测量距离是由FMCW激光雷达系统设计参数决定的。
在一些实施例中，如图1所示，所述FMCW激光雷达系统100还包括光束引导装置160，配置为随着时间调整自所述光发射器射出的发射光束的出射方向以实现光束扫描。光束引导装置例如为光学相控阵列(OPA)，通过在微观尺度上动态控制表面的光学特性，可以引导光束的方向。其他实施例中，光束引导装置还可以包括光栅、镜式检流计、多面镜、MEMS镜或者光学相控阵列(OPA)与上述装置的组合。
在本发明中的采用小范围扫描带宽的方案中，结合图2（b）、2（c）、3（b）及3（c）所示，所述升频拍频
Figure 786339DEST_PATH_IMAGE006
满足以下关系：
Figure 198734DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 319137DEST_PATH_IMAGE017
为第1子升频拍频，在第1次升频阶段确定；
Figure 833295DEST_PATH_IMAGE018
为第2子升频拍频，在第2次升频阶段确定；
Figure 697346DEST_PATH_IMAGE029
为第n子升频拍频，在第n次升频阶段确定。
所述降频拍频
Figure 465713DEST_PATH_IMAGE006
满足以下关系：
Figure 22596DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 758471DEST_PATH_IMAGE020
为第1子降频拍频，在第1次降频阶段确定；
Figure 160634DEST_PATH_IMAGE020
为第2子降频拍频，在第2次降频阶段确定；
Figure 563933DEST_PATH_IMAGE031
为第n子降频拍频，在第n次降频阶段确定。
图4为本发明一些实施里提供FMCW扫频方法的流程图。如图4所示，本发明一些实施例还提供一种FMCW扫频方法，应用于激光雷达，其可以采用前述实施例中所述的FMCW激光雷达系统100，所述FMCW扫频方法包括以下步骤S401至S407。
S401:获取扫频光束；
通过激光光源110生成扫频光束，激光光源110可以通过啁啾驱动直接调制。例如，控制激光光源110的驱动信号可以以随时间变化的强度输入到激光光源110，使得激光光源110产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。在一些实施例中，激光光源202还可以包括接收调制信号的调制器。调制器可以配置为基于调制信号调制光束，以产生并输出扫频光束，即频率在预定范围变化的光束。
该FMCW扫频方法中扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次完整周期升频和n次完整周期降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设扫频总带宽满足以下关系：
Figure 540985DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 498577DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 970010DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
在一些实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内依次连续执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整，参见附图2（b）及图3（b）。
在一些时实施例中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内连续交替执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整，参见附图2（c）及图3（c）。
S403：将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；
利用分光器120将接收到的扫频光束分束为发射光束和本振光束，发射光束和本振光束在任何时间点都具有相同的频率，即所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同。
S405：发射所述发射光束使得所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；
采用光发射器130以预定角度所述发射光束射出，并利用光接收器140接收遭遇障碍物后由障碍物反射的反射光束。
S407：检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离。
利用检测器检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频，进而由处理器计算障碍物与FMCW激光雷达系统100之间的距离，当障碍物为运动物体时，处理器还可以根据检测器150检测到的拍频计算所述障碍物的速度。
本发明提供的扫频方法中的扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频频率执行n次降频，扫频光束的扫频带宽明显小于预设总扫频带宽，通过小范围扫频的FMCW测距方式替代大范围扫频，实现同等的测量效果同时，降低扫频带宽需求，使得FMCW激光雷达系统简单、系统功耗低、成本降低。
本说明书中各个部分采用并列和递进相结合的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用举例的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统或装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上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精神和范围。

Claims (10)

1.一种FMCW扫频方法，应用于激光雷达，其特征在于，所述FMCW扫频方法包括：
获取扫频光束；
将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；
发射所述发射光束使得所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；以及
检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，
其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设扫频总带宽满足以下关系：
Figure 198055DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 69191DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 583349DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
2.根据权利要求1所述的FMCW扫频方法，其特征在于，所述扫频光束在预设扫频测距周期内依次连续执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
3.根据权利要求1所述的FMCW扫频方法，其特征在于，所述扫频光束在预设扫频测距周期内连续交替执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的FMCW扫频方法，其特征在于，测定的所述障碍物的距离R满足以下关系：
Figure 447399DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 730613DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，
Figure 271185DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 7060DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 674801DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 812522DEST_PATH_IMAGE008
为光速。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的FMCW扫频方法，其特征在于，测定的所述障碍物的速度v满足以下关系：
Figure 45967DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 269138DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 474992DEST_PATH_IMAGE006
为升频阶段的升频拍频，
Figure 732798DEST_PATH_IMAGE007
为降频阶段的降频拍频，
Figure 631483DEST_PATH_IMAGE010
为未调制光束的频率。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的FMCW扫频方法，其中，n满足以下关系：
Figure 591218DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 335183DEST_PATH_IMAGE005
为预设扫频测距周期的二分之一，𝑅𝑚𝑎𝑥为预设最大测量距离，
Figure 181916DEST_PATH_IMAGE008
为光速，
Figure 251504DEST_PATH_IMAGE012
为预设最大测量距离对应的光束飞行时间。
7.一种FMCW激光雷达系统，其特征在于，包括：
激光光源，配置为产生扫频光束；
分光器，配置为将所述扫频光束分束为发射光束和本振光束，所述发射光束和本振光束的频率调制波形完全相同；
光发射器，配置为将所述发射光束射出，所述发射光束遇到障碍物后反射产生反射光束；
光接收器，配置为接收反射光束；
检测器，配置为检测所述本振光束和所述反射光束之间的拍频以测定所述障碍物的距离，
其中，所述扫频光束在预设扫频测距周期内基于预设升频斜率执行n次升频以及基于预设降频斜率执行n次降频，n为正数且n≥2，所述扫频光束的扫频带宽与预设总扫频带宽满足以下关系：
Figure 934420DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 216497DEST_PATH_IMAGE002
为所述预设扫频总带宽，
Figure 183316DEST_PATH_IMAGE003
为所述扫频带宽。
8.根据权利要求7所述的FMCW激光雷达系统，其特征在于，所述扫频光束在预设扫频测距周期内依次连续执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
9.根据权利要求7所述的FMCW激光雷达系统，其特征在于，所述扫频光束在预设扫频测距周期内连续交替执行⌊n⌋次完整周期升频和⌊n⌋次完整周期降频，其中，⌊n⌋表示n向下取整。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的FMCW激光雷达系统，其特征在于，所述FMCW激光雷达系统还包括：
光束引导装置，配置为随着时间调整自所述光发射器射出的发射光束的出射方向以实现光束扫描。
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