CN116413704A - 调频连续波激光非线性校正补偿装置和激光雷达设备 - Google Patents

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CN116413704A CN202111668458.0A CN202111668458A CN116413704A CN 116413704 A CN116413704 A CN 116413704A CN 202111668458 A CN202111668458 A CN 202111668458A CN 116413704 A CN116413704 A CN 116413704A
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Abstract

本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光非线性校正补偿装置和激光雷达设备，其中，调频连续波激光非线性校正补偿装置包括激光器、激光器驱动电路、光电转换电路、倍频电路、信号比较电路和调制电路，通过采用光电转换电路、倍频电路、信号比较电路和调制电路实现对激光器驱动电路的输出电流控制，从而实现对激光器的驱动电流的负反馈调节，改善激光器输出频率的线性度，测距装置根据负反馈调节后的光信号实现测距和测速，提高测距精度和准确度。

Description

调频连续波激光非线性校正补偿装置和激光雷达设备
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光非线性校正补偿装置和激光雷达设备。
背景技术
调频连续波激光测距可实现高精度测距测量，其在激光雷达测距和测速中具有非常好的前景。一般的调频连续波都采用线性调频，比如三角波调频，由于激光器为非线性器件，在线性驱动信号的驱动下，频率变化呈现非线性响应，很难用于测距，因此业界普遍使用预校正信号对激光器进行驱动，所谓预校正信号是在线性驱动信号(例如三角波信号)的基础上通过多次的试验得到的非线性驱动信号，能够使得激光器的输出的光信号的频率接近线性。
虽然使用预校正信号能够极大改善激光器的非线性输出，但由于预校正信号是通过多次实验拟合而来的固定的调制信号，一方面，拟合方法和次数对精度有很大的影响，另一方面，预校正信号无法实时变化适应不同的环境，例如，在环境温度发生变化时，激光器和电路的响应特性会有所变化，会导致激光器输出的光信号的线性度恶化；且同一种预校正信号也无法适应不同激光器之间的差异，然而对所有激光器单独定制预校正信号显然不现实。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调频连续波激光非线性校正补偿装置，旨在实现自适应调节激光器的驱动电流的大小，从而改善激光器输出的线性度，提高激光测距的精度和准确度。
本发明实施例的第一方面提出了一种调频连续波激光非线性校正补偿装置，包括：
激光器，所述激光器受驱动电流触发发出光信号；
驱动电路，用于受三角波调制信号触发输出对应大小的驱动电流至所述激光器；
光电转换电路，用于对所述激光器发出的光信号进行光电转换，并输出频率与所述光信号的频率呈正相关的第一电信号；
倍频电路，用于对所述光电转换电路输出的电信号的频率进行倍频处理，输出第二电信号，所述第二电信号的频率大于所述第一电信号的频率；
信号比较电路，用于将所述倍频电路输出的第二电信号与预设参考电信号进行信号比较，并输出大小与所述第二电信号的频率大小呈负相关的缩放比例信号；
调制电路，用于根据所述信号比较电路输出的缩放比例信号对预校正信号进行调制，输出三角波调制信号至所述激光器驱动电路，以对所述激光器驱动电路输出的驱动电流进行负反馈调节，以调节所述激光器输出的光信号的线性度。
在一种可能的实现方式中，所述倍频电路包括：
第一鉴频鉴相器、第一环路滤波器和压控振荡器；所述第一鉴频鉴相器的输入端与所述光电转换电路的输出连接，所述第一鉴频鉴相器的输出端与所述第一环路滤波器的输入端连接，所述第一环路滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端连接，所述压控振荡器的输出端与所述第一鉴频鉴相器和所述信号比较电路的输入端连接。
在一种可能的实现方式中，所述调制电路包括：
预校正信号发生电路，用于输出所述预校正信号；
乘法电路，用于将所述预校正信号发生电路输出的所述预校正信号和所述信号比较电路输出的缩放比例信号进行乘法处理，输出所述三角波调制信号至所述激光器驱动电路。
在一种可能的实现方式中，所述调制电路还包括：
分别与所述信号比较电路和所述乘法电路连接的滤波电路，所述滤波电路用于对所述缩放比例信号进行滤波处理。
在一种可能的实现方式中，所述光电转换电路包括：
用于分光输出的第一分光器，所述第一分光器用于接收所述激光器发出的光信号并通过两个输出端分光输出；
用于信号延时输出的延时光纤，所述延时光纤的第一端与所述第一分光器的第一输出端连接；
用于光电转换的平衡探测器，所述平衡探测器的第一输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述平衡探测器的第二输入端与所述延时光纤的第二端连接，所述平衡探测器的输出端构成所述光电转换电路的信号输出端。
在一种可能的实现方式中，所述光电转换电路还包括：
用于混频的光混频器，所述光混频器的第一输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述光混频器的第二输入端与所述延时光纤的第二端连接，所述光混频器的输出端与所述平衡探测器的输入端连接，所述平衡探测器的输出端构成所述光电转换电路的信号输出端。
在一种可能的实现方式中，所述调频连续波激光非线性校正补偿装置还包括：
分别与所述激光器和所述光电转换电路连接的第二分光器，所述第二分光器对所述激光器发出的光信号分光输出，并分别发送至所述光电转换电路和测距装置。
在一种可能的实现方式中，所述信号比较电路包括：
有源晶振；
分别与所述倍频电路、所述有源晶振和所述调制电路连接的第二鉴频鉴相器。
第二方便，本申请提供一种激光雷达设备，包括第一方面或第一方面的任一可选方式所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置。
在一种可能的实现方式中，所述激光雷达设备还包括测距装置，所述测距装置与所述调频连续波激光非线性校正补偿装置对应连接。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：上述的调频连续波激光非线性校正补偿装置通过采用光电转换电路、信号比较电路、倍频电路和调制电路实现对激光器驱动电路的输出电流控制，从而实现对激光器的驱动电流的负反馈调节，以调节激光器输出的光信号的频率的线性度，使得激光器输出的光信号具有更优的线性度。从而使得测距装置能够根据负反馈调节后的光信号进行测距和测速，以提高激光测距精度和准确度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第一种结构示意图；
图2为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第二种结构示意图；
图3为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第三种结构示意图；
图4为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第四种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第五种结构示意图；
图6为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第六种结构示意图；
图7为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第七种结构示意图；
图8为本发明实施例提供的调频连续波激光非线性校正补偿装置的第八种结构示意图；
图9为本发明实施例提供的激光雷达设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
本发明实施例的第一方面提出了一种调频连续波激光非线性校正补偿装置100。
如图1所示，本实施例中，调频连续波激光非线性校正补偿装置100包括：
激光器10，激光器10受驱动电流触发发出光信号；
激光器驱动电路20，用于受三角波调制信号触发输出对应大小的驱动电流至激光器10；
光电转换电路30，用于对激光器10发出的光信号进行光电转换，并输出频率与该光信号的频率呈正相关的第一电信号；
倍频电路40，用于对所述光电转换电路30输出的第一电信号的频率进行倍频处理，输出第二电信号，第二电信号的频率大于第一电信号的频率；
信号比较电路50，用于将倍频电路40输出的第二电信号与预设参考电信号进行信号比较，并输出大小与第二电信号的频率大小呈负相关的缩放比例信号；
调制电路60，用于根据信号比较电路50输出的缩放比例信号对预校正信号进行调制，输出三角波调制信号至激光器驱动电路20，以对激光器驱动电路20输出的驱动电流进行负反馈调节，以调节激光器输出的光信号的频率的线性度。
本实施例中，调频连续波激光非线性校正补偿装置100初始上电工作后快速进入初始稳态，激光器驱动电路20对应输出一初始驱动电流以驱动激光器10工作，激光器10发射光信号。光信号通过光纤输入至光电转换电路30，进行正向比例的光电转换，即转换输出的第一电信号的频率与当前激光器10发出的光信号的频率正相关。然后利用倍频电路40对第一电信号进行倍频处理，得到频率放大的第二电信号。例如，光信号经过光电转换得到的第一电信号的频率为20MHz，经过倍频电路40的处理后，得到100MHz的第二电信号。
之后，将第二电信号输出至信号比较电路50进行信号比较，其中，信号比较电路50中的预设参考电信号是一个固定频率的电信号，预设参考信号的频率大小对应于理想的线性调频光经过固定延时后的拍频频率，该固定延时可以通过时延光纤的长度确定。信号比较电路50通过将第二电信号与参考信号进行比较，输出一个和第二电信号频率呈负相关的缩放比例信号，在由调制电路60将该所述比例信号与预校正信号相乘，以实时的对预校正信号进行反馈调节，从而使得激光器驱动电路20接收到的三角波调制信号为负反馈调节后的三角波调制信号，并输出对应于负反馈调节后的驱动电流至激光器10，使得激光器10输出的光信号更加线性。
同时，当面对不同激光器10，或者同一激光器10处于不同环境下的频率呈现不同非线性响应时，通过负反馈调节，自适应性的计算缩放比例信号，从而实时调节激光器驱动电路20的驱动电路的大小，以使得激光器输出的光信号更加线性。从而利用测距装置200根据调制后的光信号实现激光测距和测速，提高了激光测距的精度和准确度。
其中，预设参考电信号可由信号比较电路50内部产生，或者从外部对应的信号源获取，具体获取方式不限。
激光器10可为不同类型的激光器10，例如FP(Fabry-perot，法布里-珀罗)激光器10、DFB(Distributed Feedback Laser，分布反馈激光器)激光器10等，可选地，激光器10为DFB激光器10，DFB激光器10在高速调制时也能保持单模特性，可用于远距离传输。
激光器驱动电路20可采用对应的电流源电路，具体结构不限。
光电转换电路30可采用对应的光路结构构成，例如平衡探测器33、光混频器等结构，具体结构不限。
在一个示例中，如图2所示，可选地，光电转换电路30可以包括：
用于分光输出的第一分光器31，第一分光器31用于接收激光器10输出的光信号并通过两个输出端分光输出；
用于信号延时输出的延时光纤32，延时光纤32的第一端与第一分光器31的第一输出端连接；
用于光电转换的平衡探测器33，平衡探测器33的第一输入端与第一分光器31的第二输出端连接，平衡探测器33的第二输入端与延时光纤32的第二端连接，平衡探测器33的输出端构成光电转换电路30的信号输出端。
本实施例中，激光器10输出的光信号经过第一分光器31后，一路经延时光纤32延时输入至平衡探测器33的第一输入端，另一路直接输入至平衡探测器33的第二输入端，平衡探测器33将输入的两路光信号形成相干光，并输出差分电流信号至倍频电路40，平衡探测器33的输出电流随着激光器10的频率的改变而改变，即其输出电流与激光器10的频率有着对应的曲线光系。平衡探测器33为非平衡马赫曾德干涉器。
在另一个示例中，基于图2，如图3所示，可选地，光电转换电路30还可以包括：
用于混频的光混频器34，光混频器34的第一输入端与第一分光器31的第二输出端连接，光混频器34的第二输入端与延时光纤32的第二端连接，光混频器34的输出端与平衡探测器33的输入端连接，平衡探测器33的输出端构成光电转换电路30的信号输出端。
本实施例中，光混频器34用于实现两路光信号的叠加，产生两路相位相差180度的拍频信号，拍频信号的低频分量被平衡探测器33转换为电信号，实现共模噪声的抑制。
在本申请实施例中，倍频电路40可以采用锁相环路(Phase Locked Loop，PLL)电路，也可以采用延迟锁相环路(Delay LockedLoop，DLL)。
例如，如图4所示，以PLL电路为例，倍频电路40可以包括第一鉴频鉴相器41、第一环路滤波器42和压控振荡器43。
第一鉴频鉴相器41的输入端与光电转换电路30的输出连接，第一鉴频鉴相器41的输出端与第一环路滤波器42的输入端连接，第一环路滤波器42的输出端与压控振荡器(VCO)43的输入端连接，压控振荡器43的输出端与第一鉴频鉴相器41和信号比较电路50的输入端连接。
采用PLL电路作为倍频电路40具备更加灵活的调整范围，例如，可以将第一电信号的频率倍频3～5倍频等。可以将20MHz的第一电信号被倍频至60MHz～100MHz。
信号比较电路50可采用对应的频率比较电路以及信号发生电路，例如，包括第二鉴频鉴相器52、鉴频器等结构，可选地，如图5所示，信号比较电路50可以包括：
有参考信号发生电路51；
分别与倍频电路40、参考信号发生电路51和所述调制电路60连接的第二鉴频鉴相器42。
其中，参考信号发生电路51具体可以是有源晶振，也可以是PLL电路等。
示例性的，以有源晶振为例，晶振频率的计算如下：
假设晶振频率为Fc，延时光纤的延时时长为t，调频带宽为B，调频周期为T，则有
B＝(Fc*T)/2t。
理想的线性度条件下，激光器输出的拍频信号(即光信号)频率在调制周期内保持不变，即为晶振频率，因此拍频信号与晶振信号(即预设参考信号)的频率差反应了激光器调频线性度和理想线性度之间的偏差。
本实施例中，参考信号发生电路51产生一个预设频率的预设参考电信号，第二鉴频鉴相器52产生一个与预设参考电信号和倍频电路40输出的第二电信号频率差成比例的缩放比例信号，第二鉴频鉴相器52在环路中矫正两个输入信号的差值，实现频率锁定。
在一个示例中，如图6所示，调制电路60可以包括：
预校正信号发生电路61，用于输出预校正信号；
乘法电路62，用于将预校正信号发生电路61输出的预校正信号和信号比较电路50输出的缩放比例信号进行乘法处理，输出三角波调制信号至激光器驱动电路。
其中，预校正信号发生电路61可采用对应的信号源电路。乘法电路62可是乘法器、晶体管等结构，具体结构不限。
可选的，如图7所示，调制电路60还包括：
分别与信号比较电路50和乘法电路62连接的滤波电路63，滤波电路63用于对缩放比例信号进行滤波处理，以对其中产生的杂波进行滤波，从而输出一滤波后的缩放比例信号至乘法电路62，从而保证乘法电路62获取一准确的缩放比例信号，减少电路震荡，以提高反馈调节的准确性。
示例性的，滤波电路63可采用不同的滤波结构，例如，滤波电路63可以是无源滤波器或者有源滤波器。
值得说明的是，滤波电路63的滤波带宽设置与信号比较电路50中的第二鉴频鉴相器52相关。若滤波带宽设置较小，使得滤波电路63通低频阻高频，这样只有很低频的电信号才能通过，导致调节能力比较慢。因此，在本申请实施例中，通过倍频电路40放大第一电信号的频率，使得信号比较电路50中接收第二电信号的第二鉴频鉴相器52可以设置较大的频率，从而可以设置较大的滤波带宽，使得滤波电路63可以在固定的时间内，调节更多个点的光信号，极大的提升了负反馈调节速度。
在本申请实施例中，通过设置倍频电路40放大第一电信号的频率，
本实施例中，通过采用光电转换电路30、倍频电路40、信号比较电路50、调制电路60实现对激光器驱动电路20的输出电流控制，从而实现对激光器10的驱动电流的负反馈调节，将激光器10的输出频率线性化，以保证测距装置200能够根据负反馈调节后的光信号实现测距和测速，并提高测距精度和准确度。
在一个实施例中，如图8所示，可选地，调频连续波激光非线性校正补偿装置100还包括：
分别与激光器10和光电转换电路30连接的第二分光器70，第二分光器70对激光器10当前发出的线性调频光信号分光输出，并分别发送至光电转换电路30和测距装置200。
本实施例中，测距装置200通过第二分光器70获取激光器10输出的光信号，并根据负反馈调节后的光信号确定待测物的距离和速度，实现精准测距。例如，激光器10输出的光信号会打在待测物表面，产生反射光信号。测距装置200通过激光接收组件获取待测物反射的反射光信号，并根据光信号的发射和接收的频差确定待测物的距离和速度，实现激光雷达测距功能，其中，测距装置200的类型不限，可由光学接收元件、光电转换器、功率放大器、控制器等组件组成。
其中，激光器10、第一分光器31、第二分光器70、延时光纤32、光混频器34以及平衡探测器33之间的光路使用光纤连接。
基于上述调频连续波激光非线性校正补偿装置100，本申请还提供一种激光雷达设备，激光雷达设备包括如上任一项实施例的调频连续波激光非线性校正补偿装置100。
本实施例中，激光雷达设备通过采用调频连续波激光非线性校正补偿装置100实现对激光器10的驱动电流的负反馈调节，将激光器10的输出频率线性化，使得测距装置200能够根据负反馈调节后的光信号实现测距和测速，并提高测距精度和准确度。
其中，测距装置200可设置于激光雷达设备内，或者分离设置，可选地，如图9所示，激光雷达设备还包括测距装置200，测距装置200与调频连续波激光非线性校正补偿装置100对应连接，测距装置200根据调频连续波激光非线性校正补偿装置100分光输出的光信号进行激光测距和测速，实现精准测距。
以上所述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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，包括：
激光器，所述激光器受驱动电流触发发出光信号；
驱动电路，用于受三角波调制信号触发输出对应大小的驱动电流至所述激光器；
光电转换电路，用于对所述激光器发出的光信号进行光电转换，并输出频率与所述光信号的频率呈正相关的第一电信号；
倍频电路，用于对所述光电转换电路输出的电信号的频率进行倍频处理，输出第二电信号，所述第二电信号的频率大于所述第一电信号的频率；
信号比较电路，用于将所述倍频电路输出的第二电信号与预设参考电信号进行信号比较，并输出大小与所述第二电信号的频率大小呈负相关的缩放比例信号；
调制电路，用于根据所述信号比较电路输出的缩放比例信号对预校正信号进行调制，输出三角波调制信号至所述激光器驱动电路，以对所述激光器驱动电路输出的驱动电流进行负反馈调节，以调节所述激光器输出光信号的频率的线性度。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述倍频电路包括：
第一鉴频鉴相器、第一环路滤波器和压控振荡器；所述第一鉴频鉴相器的输入端与所述光电转换电路的输出连接，所述第一鉴频鉴相器的输出端与所述第一环路滤波器的输入端连接，所述第一环路滤波器的输出端与所述压控振荡器的输入端连接，所述压控振荡器的输出端与所述第一鉴频鉴相器和所述信号比较电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述调制电路包括：
预校正信号发生电路，用于输出所述预校正信号；
乘法电路，用于将所述预校正信号发生电路输出的所述预校正信号和所述信号比较电路输出的缩放比例信号进行乘法处理，输出所述三角波调制信号至所述激光器驱动电路。
4.根据权利要求3所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述调制电路还包括：
分别与所述信号比较电路和所述乘法电路连接的滤波电路，所述滤波电路用于对所述缩放比例信号进行滤波处理。
5.根据权利要求1所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述光电转换电路包括：
用于分光输出的第一分光器，所述第一分光器用于接收所述激光器发出的光信号并通过两个输出端分光输出；
用于信号延时输出的延时光纤，所述延时光纤的第一端与所述第一分光器的第一输出端连接；
用于光电转换的平衡探测器，所述平衡探测器的第一输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述平衡探测器的第二输入端与所述延时光纤的第二端连接，所述平衡探测器的输出端构成所述光电转换电路的信号输出端。
6.根据权利要求5所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述光电转换电路还包括：
用于混频的光混频器，所述光混频器的第一输入端与所述第一分光器的第二输出端连接，所述光混频器的第二输入端与所述延时光纤的第二端连接，所述光混频器的输出端与所述平衡探测器的输入端连接，所述平衡探测器的输出端构成所述光电转换电路的信号输出端。
7.根据权利要求1所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述调频连续波激光非线性校正补偿装置还包括：
分别与所述激光器和所述光电转换电路连接的第二分光器，所述第二分光器对所述激光器发出的光信号分光输出，并分别发送至所述光电转换电路和测距装置。
8.根据权利要求1所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置，其特征在于，所述信号比较电路包括：
有源晶振；
分别与所述倍频电路、所述有源晶振和所述调制电路连接的第二鉴频鉴相器。
9.一种激光雷达设备，其特征在于，包括如权利要求1～8任一项所述的调频连续波激光非线性校正补偿装置。
10.根据权利要求9所述的激光雷达设备，其特征在于，所述激光雷达设备还包括测距装置，所述测距装置与所述调频连续波激光非线性校正补偿装置对应连接。
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