CN116755099A - 测速测距系统及方法 - Google Patents
测速测距系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116755099A CN116755099A CN202310697244.9A CN202310697244A CN116755099A CN 116755099 A CN116755099 A CN 116755099A CN 202310697244 A CN202310697244 A CN 202310697244A CN 116755099 A CN116755099 A CN 116755099A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- speed
- distance
- modulated
- light beam
- 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.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 80
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 48
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims abstract description 8
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 54
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 claims description 29
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 6
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 5
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 29
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 9
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 4
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000002366 time-of-flight method Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013135 deep learning Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
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
- G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
-
- 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
- G01S7/4802—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
Abstract
本申请涉及一种测速测距系统及方法。该系统包括激光器；与马赫曾德尔调制器、速度处理装置、距离处理装置电连接，用于输出调制电信号的信号源；基于调制电信号调制出射光束，获得调制光束的马赫曾德尔调制器；用于使调制光束入射到待测目标上，并接收回波光束的光通路器件；用于基于出射光束、调制光束、回波光束生成第一电信号和第二电信号的光电组件；用于通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度的速度处理装置；用于通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离的距离处理装置。该系统通过采用速度处理装置和距离处理装置分别测算速度与距离，摈弃传统的测算测距方式，减少了FMCW激光雷达单点测量的时间，提高了点频，丰富了扫描方式。
Description
技术领域
本申请涉及激光技术领域，特别是涉及一种测速测距系统及方法。
背景技术
激光雷达已广泛应用于汽车自动驾驶领域。传统ToF(Time of Flight，飞行时间法)激光雷达只能测量目标的距离，无法直接获取目标的运动速度，因此FMCW(FrequencyModulated Continuous Wave，调频连续波)激光雷达更显优势，不仅能测量目标的距离，而且能从物理端获得移动目标的速度，从而减少对深度学习的依赖，减轻对计算平台的算力需求。
传统方法中，多采用外调制方案或内调制方案。但这两种方案都存在着单点探测时间长和点云出点数难以提高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够一种测速测距系统及方法。
第一方面，本申请提供了一种测速测距系统，该系统包括：
激光器，用于发出出射光束；
信号源，与马赫曾德尔调制器、速度处理装置、距离处理装置电连接，用于输出调制电信号；
马赫曾德尔调制器，基于调制电信号调制出射光束，输出调制光束；
光通路器件，用于使调制光束入射到待测目标上，并接收回波光束；回波光束由待测目标返回；
光电组件，用于基于出射光束、调制光束和回波光束生成第一电信号和第二电信号；
速度处理装置，用于通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度；
距离处理装置，用于通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离。
在一个实施例中，信号源输出的调制电信号为锯齿波，马赫曾德尔调制器输出的调制光束为载波抑制双边带光信号。
在一个实施例中，光电组件包括：
第一耦合器，用于将回波光束与出射光束混合，得到第一相干拍频信号；
第一探测器，用于将第一相干拍频信号转换成第一电信号；
第二耦合器，用于将回波光束与调制光束混合，得到第二相干拍频信号；
第二探测器，用于将第二相干拍频信号转换成第二电信号。
在一个实施例中，速度处理装置第一混频器和低通滤波器。
在一个实施例中，距离处理装置第二混频器和带通滤波器。
第二方面，本申请还提供了一种测速测距方法。该方法包括：
激光器发出出射光束，信号源输出锯齿波；
出射光束经由加载了锯齿波的马赫曾德尔调制器调制，从而生成载波抑制双边带光信号；马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小传输点处；
载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束；
基于回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号；
基于第一电信号和锯齿波得到待测目标的速度，基于第二电信号和锯齿波得到待测目标的距离。
在一个实施例中，载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束包括：
载波抑制双边带光信号经环形器和二维扫描装置后发射至待测目标上，待测目标反射的光束再次通过二维扫描装置和环形器，得到回波光束。
在一个实施例中，基于回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号，包括：
回波光光束与出射光束进行耦合，获得第一相干拍频信号；
第一相干拍频信号通过第一探测器器转换为第一电信号；
回波光束与载波抑制双边带光信号进行耦合，获得第二相干拍频信号；
第二相干拍频信号通过第二探测器转换为第二电信号。
在一个实施例中，基于第一电信号和锯齿波得到待测目标的速度包括：
第一电信号与锯齿波经混频得到第一差频信号；
对第一差频信号进行低通滤波，得到自混频差频信号；
将自混频差频信号经低速模拟数字转换器采集后，在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换，从而获得待测目标的速度。
在一个实施例中，基于第二电信号和锯齿波得到待测目标的距离包括：
第二电信号与锯齿波混频，得到第二差频信号；
对第二差频信号进行带通滤波，得到待测目标的距离。
上述测速测距系统，包括用于发出出射光束的激光器；与马赫曾德尔调制器、速度处理装置、距离处理装置电连接，用于输出锯齿波的信号源；基于锯齿波调制出射光束的马赫曾德尔调制器，从而获得载波抑制双边带光信号；用于使载波抑制双边带光信号入射到待测目标上，并接收回波光束的光通路器件；其中回波光束由待测目标返回；基于出射光束、载波抑制双边带光信号、回波光束生成第一电信号和第二电信号的光电组件；用于通过锯齿波、第一电信号获取待测目标的速度的速度处理装置；用于通过锯齿波、第二电信号获取待测目标的距离的距离处理装置。该测速测距系统通过使用锯齿波调制的光作为出射光束，并采用速度处理装置和距离处理装置分别测算速度与距离，减少了FMCW激光雷达单点测量的时间，提高了点频，丰富了扫描方式，从而提高系统的测量精度、探测速度和动态响应能力。
附图说明
图1为一个实施例中测距测速系统示意图；
图2为一个实施例中锯齿波LFM信号时频关系图；
图3为一个实施例中马赫曾德尔调制器根据出射光束、调制电信号生成载波抑制双边带信号示意图；
图4为一个实施例中马赫曾德尔调制器载波抑制双边带调制LFM光信号时频关系图；
图5为一个实施例中马赫曾德尔调制器载波抑制双边带调制光信号频率谱图；
图6为一个实施例中测距测速系统详细示意图；
图7为一个实施例中双边带FMCW激光雷达测距测速静止目标的原理图；
图8为一个实施例中双边带FMCW激光雷达测距测速移动目标的原理图；
图9为一个实施例中测速测距方法流程示意图；
图10为另一个实施例中测速测距方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
目前，FMCW激光雷达的基本工作原理是发射LFM(Linear Frequency Modulation，线性调频)激光，检测本振光和反射光拍频信号的频率值来解算被测目标的距离与速度。
FMCW雷达目前常用的测速测距的方法有两种：
第一种，调制方式为内调制，LFM波形为三角波，信号处理采用ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)采集和FFT(Fast Fourier Fransform，快速傅里叶变换)运算。该方法中内调制的调制过程与激光振荡建立同时进行，窄线宽和高调谐速率无法同时满足。在激光线宽小于500KHz前提下，完成5GHz的调制带宽，至少需要几百微秒的时间，再加上ADC采集和FFT运算时间，单点探测时间较长，激光点频较低。
若采用内调制方案，LFM波形必须为三角波，若要提高点频，只有减小调制带宽来缩短调制时间，但这样会牺牲距离分辨率。并且内调制是波长线性变化，则频率非线性变化，即调频非线性，造成测量准确度和分辨率降低，需增加复杂的校正算法，这进一步加大了单点探测时间。既要缩短单点探测时间来提高角分辨率，又要保证距离分辨率，内调制方案无法做到。
第二种，调制方式为外调制，LFM波形为三角波，信号处理端采用ADC采集与FFT运算。外调制不破坏激光振荡建立过程，不存在窄线宽和高调谐速率的固有矛盾，利用电/硅光调制器可完成载波抑制单边带调制。
本振光与反射光拍频信号频率在10MHz-1GHz范围，采用高速ADC采集和FFT运算，需要数十微秒的时间，单点探测时间依然居高不下。若要提高点频，可像内调制那样增加激光发射通道，考虑到技术复杂度与成熟度，目前业内无此方案。
其中，针对“单点测量时间长”这一问题，只能在垂直方向上物理排布多个激光发射通道，用多面体转镜的一维扫描方式。当单点测量时间小于10微秒时，可采用MEMS(MicroElectromechanical System，微机电系统)振镜等二维扫描方式，若在垂直方向上物理排布多个激光发射通道，将极大地提高点云出点数。
LFM波形为三角波的单边带调制虽然能够实现同时测距和测速，但这两个差频属于不同时间的扫频段，这增加了获得快速加速目标实时距离和速度的难度。
因此，本申请实施例提供的一种测速测距系统，可以应用于汽车雷达系统中。本实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种测速测距系统，包括：
激光器102，用于发出出射光束；信号源104，与马赫曾德尔调制器106、速度处理装置112、距离处理装置114电连接，用于输出调制电信号；马赫曾德尔调制器106，基于调制电信号调制出射光束，输出调制光束；光通路器件108，用于使调制光束入射到待测目标上，并接收回波光束；回波光束由待测目标返回；光电组件110，用于基于出射光束、调制光束和回波光束生成第一电信号和第二电信号；速度处理装置112，用于通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度；距离处理装置114，用于通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离。
其中信号源104可以为射频(Radio Frequency，RF)信号源，是一种能产生无线电频率信号(射频信号)的信号发生器。信号源104发出调制电信号，可选的，该调制电信号可以为电压信号。
马赫曾德尔调制器106(Mach-Zehnder Modulator，MZM)是一种利用光学干涉原理来实现光信号调制的设备。它通常是由两个分支的光导纤维或波导构成的，其中一个光导纤维或波导作为参考路径，另一个光导纤维或波导用于传输待调制的信号光。通过控制参考路径和信号光路径之间的相位差变化，可以实现对光信号的幅度调制。
示例性的，将信号源104与马赫曾德尔调制器106电连接，在信号源104输出调制电信号后，该调制电信号成为马赫曾德尔调制器106中的电极驱动信号。基于前述马赫曾德尔调制器106的光信号调制原理，在激光器102发出的出射光束入射到马赫曾德尔调制器106中后，马赫曾德尔调制器106会将该调制电信号的射频信号转换为对入射光束的光强度的调制信号，使得传输光波的相位和振幅随着射频信号的时间演变而变化，从而形成了频率发生变化的光波。
待测目标一般为车辆、行人、障碍物、建筑物等物体。回波光束，指出射光束入射到待测目标后，反射回该测速测距系统的光束，该回波光束中携带着待测目标的位置、距离、速度、反射率等信息。
具体地，参照图1，激光器102发出出射光束，信号源104输出调制电信号，马赫曾德尔调制器106基于调制电信号调制该出射光束，从而获得调制光束。调制光束经过光通路器件108入射至待测目标并接收回波光束。光电组件110基于出射光束、调制光束和回波光束生成第一电信号和第二电信号，速度处理装置112通过调制电信号、第一电信号快速获取待测目标的速度，距离处理装置114通过调制电信号、第二电信号快速获取待测目标的距离。
上述测速测距系统，基于马赫曾德尔调制器对激光器发出的出射光束进行调制，可以利用马赫曾德尔调制器的对光信号的调制特点，从而能够实现对待测目标的速度和距离的同时测量，速度处理装置通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度，距离处理装置，用于通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离，通过使速度处理装置和距离处理装置分别测算速度与距离，摈弃传统的测算测距方式，减少了FMCW激光雷达单点测量的时间，提高了点频，丰富了扫描方式。
在一个实施例中，信号源输出的调制电信号为锯齿波，马赫曾德尔调制器输出的调制光束为载波抑制双边带光信号。
示例性的，信号源104发出如图2所示的锯齿波信号，可选的，该锯齿波信号可以为电压信号。参照图2，由锯齿波LFM信号时频关系图可得出信号源产生的锯齿波频率为fM。B＝f2-f1,fM＝(Bt)/T，其中T为锯齿波周期，B为带宽，f2为结束频率，f1为起始频率，t为时间。
将信号源104与马赫曾德尔调制器106电连接，在信号源104输出锯齿波波形的射频信号电压后，该射频信号电压成为马赫曾德尔调制器106中的电极驱动信号。基于前述马赫曾德尔调制器106的光信号调制原理，在激光器102发出的出射光束入射到马赫曾德尔调制器106中后，马赫曾德尔调制器106会将该锯齿波波形射频信号电压转换为对入射光束的光强度的调制信号，使得传输光波的相位和振幅随着射频信号的时间演变而变化，从而形成了频率发生变化的光波。
如图3所示，为一个实施例中马赫曾德尔调制器106根据出射光束、锯齿波生成载波抑制双边带信号示意图。
参照图3，图3左侧附图为激光器与马赫曾德尔调制器的模块图，可以看到，激光器102的出射光束入射到马赫曾德尔调制器106上，其中出射激光的频率为fc。在本实施例中，将马赫曾德尔调制器106的偏置电压设置在最小传输点处，信号源104产生的锯齿波LFM信号作为调制电信号加载到马赫曾德尔调制器106上，具体地，信号源产生的锯齿波频率为fM，生成载波抑制双边带光信号。参照图3右侧，图3右侧的上方为双边带调制光信号，图3右侧的下方为载波抑制双边带光信号，fC-fM为-1阶边带的光频率，fC+fM为+1阶边带的光频率。通过载波抑制双边带光信号中与双边带调制光信号对比可以看到，fc对应的光功率比±1阶边带的光功率低。
如图4所示，为马赫曾德尔调制器106的载波抑制双边带调制LFM光信号时间与频率的关系。在图4中，fc-f1为-1阶边带光频率最大值，fc-f2为-1阶边带光频率最小值，fc+f1为+1阶边带光频率最小值，fc+f2为+1阶边带光频率最大值。
在一个实施例中，马赫曾德尔调制器载波抑制双边带调制光信号频率谱如图6所示，fc-f0为-1阶边带光频率，fc+f0为+1阶边带光频率。
在本实施例中，通过马赫曾德尔调制器106调制锯齿波信号，相当于又产生了另外一个与原来锯齿波对称的锯齿波，斜率相反。这样可以在自混频中抵消，无需算法校正调频非线性引起的测速误差，从而能够提高计算速度和距离的速度，更高效地实现测速测距的目的，以及采用锯齿波作为马赫曾德尔调制器的调制电信号能够获取载波抑制双边带光信号的调制光束，不仅可以完成距离与速度的同时测量，也使得提取的信号更加精确；结合模拟与数字混合信号处理方式还可以解决单点探测时间长、点云出点数难以提高的行业痛点。
在一个实施例中，如图6所示，光电组件110包括：第一耦合器602，用于将回波光束与出射光束混合，得到第一相干拍频信号；第一探测器604，用于将第一相干拍频信号转换成第一电信号；第二耦合器606，用于将回波光束与调制光束混合，得到第二相干拍频信号；第二探测器608，用于将第二相干拍频信号转换成第二电信号。
激光器102可以为窄线宽激光器，出射的激光经第一分束器分成两部分，第一部分进入马赫曾德尔调制器106用于获得调制光束，第二部分作为参考光进入第一耦合器602用于相干拍频。调制光束经过第二分束器，第一部分进入光通路器件108入射到待测目标上，并由待测目标返回，第二部分进入第二耦合器606与回波光束进行相干拍频。回波光束经光通路器件108后经第三分束器分成两部分，第一部分进入第一耦合器602与出射光束混合进行相干拍频后，得到第一相干拍频信号，再经过第一探测器604转换成第一电信号；第二部分进入第二耦合器606与调制光束进行相干拍频，再经过第二探测器608转换成第二电信号。
其中，相干拍频是一种基于干涉原理的光学测量方法，利用两束相干光的干涉效应来实现物理量的测量，可用于测量非常小的距离或位移变化；第一探测器和第二探测器可以为光电探测器，用于将接收到的光信号转换为电信号。
本实施例中，通过第一耦合器和第一探测器将回波光束与出射光束混合，获得第一相干拍频信号后进一步转换为第一电信号，为进一步测算距离做铺垫；通过第二耦合器和第二探测器将回波光束与调制光束混合，获得第二相干拍频信号后进一步转换为第二电信号，为进一步测算速度做铺垫。即通过相干拍频信号的引入，使得接收到的信号包含着干涉后的光的相位信息，从而使得接收到的待测物理量的值可以具有高精度、高分辨率的测量结果。
在一个实施例中，如图6所示，速度处理装置112包括第一混频器610和低通滤波器612。
第一探测器604输出的第一电信号与信号源104输出的调制电信号经第一混频器610混频后得到第一差频信号，第一差频信号中包含±1阶边带的中频信号以及在第一混频器610中产生的自混频信号。经低通滤波器612滤波得到±1阶边带中频信号的自混频差频信号，该自混频差频信号只与速度有关，与距离无关，而且是一个几兆赫兹量级的低频信号。经低速ADC采集后，在FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)中进行FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)运算即可解算出速度信息。
本实施例中，速度处理装置包括了第一混频器和低通滤波器，由第一混频器将第一电信号与调制电信号混频获得第一差频信号，由低通滤波器从第一差频信号中获取自混频差频信号，根据自混频差频信号获得速度信息，实现测速目的。基于自混频差频信号的特点：只与速度有关、与距离无关、只有几兆赫兹量级，选择低通滤波器，从而能够将速度信号更准确的提取出来，能够更好地实现测速目的，使得得到的速度探测结果具有高精度。
如图6所示，距离处理装置114包括第二混频器614和带通滤波器616。
第二探测器608输出的第二电信号与信号源104输出的调制电信号经第二混频器614混频得到第二差频信号，再经带通滤波器616滤波得到+1阶边带的差频信号，此信号的频率随时间线性变化，而非是固定值。锯齿波LFM信号起始时刻t1，检测到该信号的时刻t2，计算出时间差，根据公式即可计算出距离。
距离处理装置114的公式如下：
R＝1/2×c×Δt
其中，R为待测目标距离，Δt为时间差Δt＝t2-t1，c为真空中的光速。
本实施例中，距离处理装置包括了第二混频器和带通滤波器，由第二混频器将第二电信号与调制电信号混频获得第二差频信号，由带通滤波器从第二差频信号中获取+1阶边带的差频信号，基于+1阶边带的差频信号频率随时间线性变化而非是固定值的特点选择带通滤波器，从而能够将距离信号更准确的提取出来，能够更好地实现测距目的，使得得到的距离探测结果具有高精度。
在一个实施例中，光通路器件包括环形器。
在一个实施例中，双边带FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)激光雷达测距测速静止目标的原理如图7所示，其中，实线为出射至待测目标的调制光束，虚线为回波光束，fR为目标静止时中频信号频率值，τ为回波信号与发射信号的延迟时间，R为雷达到目标的距离，T为一个完整锯齿波的周期，τ＝2R/c，fR由调制光束与回波光束混频得到。
在一个实施例中，双边带FMCW激光雷达测距测速移动目标的原理如图8所示。其中，实线为出射至待测目标的调制光束，虚线为回波光束，fR为目标静止时中频信号频率值，fd为目标运动产生的多普勒频移，τ为回波信号与发射信号的延迟时间，R为雷达到目标的距离，T为一个完整锯齿波的周期，τ＝2R/c，fR-fd、fR+fd由调制光束与回波光束混频得到。
在一个实施例中，如图6所示，激光器102出射激光频率为fc，经第一分束器分成两部分，第一部分进入马赫曾德尔调制器106用于获得调制光束，第二部分作为参考光进入第一耦合器602用于相干拍频。
信号源104输出的调制电信号频率为fM，fM＝f1+(f2-f1)t/T，其中T为一个完整锯齿波的周期，f1为起始频率，f2为结束频率，T为一个完整锯齿波的周期，t为时间。
出射光束与调制电信号加载至马赫曾德尔调制器106生成调制光束，fC-fM为-1阶边带的光频率，fC+fM为+1阶边带的光频率。生成的调制光束由掺铒光纤放大器EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier，掺铒光纤放大器)放大后经第二分束器分成两部分，第一部分经由环形器和二维扫描装置后发射到待测目标上并由待测目标返回，得到回波光束，第二部分作为参考光进入第二耦合器606用于相干拍频。回波光束的光频率分别为(fC+fM)-(fR-fd)、(fC-fM)+(fR+fd)，其中fR为目标静止时中频信号频率值，fd为目标运动产生的多普勒频移。
回波光束经经第三分束器分成两部分，第一部分进入第一耦合器602与出射光束混合进行相干拍频后，得到第一相干拍频信号，再经过第一探测器604转换成第一电信号；第二部分进入第二耦合器606与调制光束进行相干拍频，再经过第二探测器608转换成第二电信号。其中，第一电信号的频率为fM-(fR-fd)、fM-(fR+fd)，第二电信号的频率为fR-fd、fR+fd。
第一探测器604输出的第一电信号与信号源104输出的调制电信号经第一混频器610混频后得到第一差频信号，第一混频器内fup、fdown混频，其中fup为上扫频段的中频信号频率值，fdown为下扫频段的中频信号频率值，fup＝fR-fd，fdown＝fR+fd，输出第一差频信号频率为fR、fd，其中fR＝(fup+fdown)/2，fd＝(fdown-fup)/2。经低通滤波器612滤波得到±1阶边带中频信号的自混频差频信号，频率为fd，经低速ADC采集后，在现场可编程门阵列中进行FFT运算即可解算出速度信息。
第二探测器208输出的第二电信号与信号源104输出的调制电信号经第二混频器614混频得到第二差频信号，第二差频信号频率为fM-(fR-fd)、fM-(fR+fd)，再经带通滤波器616滤波得到+1阶边带的差频信号fM-(fR-fd)，经信号放大器、包络检波器、TDC(TimeDigtal Converter，时间数字转换电路)处理，锯齿波LFM信号起始时刻t1，检测到该信号的时刻t2，计算出时间差Δt＝t2-t1，根据公式R＝1/2*c*Δt即可计算出距离。
在另一个实施例中，激光器102发出出射光束，出射光束的频率为fc；信号源104输出锯齿波，锯齿波频率为fM，fM＝f1+(f2-f1)t/T；马赫曾德尔调制器106基于锯齿波调制该出射光束，从而获得载波抑制双边带光信号，此时-1阶边带的光频率为fC-fM，+1阶边带的光频率为fC+fM。生成的载波抑制双边带光信号由掺铒光纤放大器EDFA放大后经第二分束器分成两部分，第一部分经过光通路器件108具体为环形器和二维扫描装置后发射到待测目标上并由待测目标返回，得到回波光束，回波光束的光频率分别为(fC+fM)-(fR-fd)、(fC-fM)+(fR+fd)，其中fR为目标静止时中频信号频率值，fd为目标运动产生的多普勒频移；第二部分作为参考光进入第二耦合器206用于相干拍频。频率为(fC+fM)-(fR-fd)、(fC-fM)+(fR+fd)的回波光束经第三分束器分成两部分，第一部分进入第一耦合器602与频率为fC的出射光束混合进行相干拍频，得到第一相干拍频信号，再经过第一探测器604转换成第一电信号，第一电信号的频率为fM-(fR-fd)、fM-(fR+fd)；第二部分进入第二耦合器606与频率为fC-fM和fC+fM调制光束进行相干拍频，再经过第二探测器608转换成第二电信号，第二电信号的频率为fR-fd、fR+fd。第一探测器604输出的第一电信号与信号源104输出的频率为fM的调制电信号经第一混频器610混频后得到第一差频信号，第一混频器内fup、fdown混频，fup＝fR-fd，fdown＝fR+fd，输出第一差频信号频率为fR、fd，其中fR＝(fup+fdown)/2，fd＝(fdown-fup)/2，经低通滤波器612滤波得到±1阶边带中频信号的自混频差频信号，频率为fd，经低速ADC采集后，在现场可编程门阵列中进行FFT运算解算出速度信息。第二探测器608输出的第二电信号与信号源104输出的频率为fM的调制电信号经第二混频器614混频得到第二差频信号，第二差频信号频率为fM-(fR-fd)、fM-(fR+fd)，再经带通滤波器616滤波得到+1阶边带的差频信号fM-(fR-fd)，经信号放大器、包络检波器、TDC(Time Digtal Converter，时间数字转换电路)处理，锯齿波LFM信号起始时刻t1，检测到该信号的时刻t2，计算出时间差Δt＝t2-t1，根据公式R＝1/2*c*Δt即可计算出距离。
上述测速测距系统，将速度测算与距离测算分开处理，通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度，通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离，摈弃传统的测算测距方式，减少了FMCW激光雷达单点测量的时间，提高了点频，丰富了扫描方式。在距离测量中完全摒弃高速ADC采集与FFT运算的方式，采用类似ToF激光雷达中飞行时间法，经过改进后测距方法更为优越。速度测量则采用混频器对回波信号进行降频处理，采用低速ADC采集和FFT运算，节省了大量的采集与运算时间。
上述测速测距系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个装置按照箭头的指示依次显示，但是这些装置并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些装置的执行并没有严格的顺序限制，这些装置可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分装置可以包括多个装置或者多个阶段，这些装置或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些装置或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它装置或者其它装置中的装置或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种基于上述一种测速测距系统实现的一种测速测距方法。本实施例以该方法应用于终端进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于服务器，还可以应用于包括终端和服务器的系统，并通过终端和服务器的交互实现。
如图9所示，在一个实施例中，该方法包括以下步骤：
步骤902，控制激光器发出出射光束，控制信号源输出锯齿波。
在一个实施例中，激光器出射激光经第一分束器分成两部分，第一部分进入马赫曾德尔调制器用于信号产生，第二部分作为参考光进入第一耦合器用于相干拍频。信号源输出的调制电信号包括线性调频锯齿波，其中线性调频波形为锯齿波的双边带调制，在同一时间段内有两个差频信号，±1阶边带的频率相反，LFM信号的非线性引起的偏差是相反的，并且可以在自混频中抵消。
步骤904，出射光束经由加载了锯齿波的马赫曾德尔调制器调制，从而生成载波抑制双边带光信号；马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小传输点处。
在一个实施例中，将马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小传输点处，射频信号源产生的锯齿波线性调频信号作为调制电信号加载到马赫曾德尔调制器上，生成载波抑制双边带光信号。
步骤906，载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束。
在一个实施例中，生成的双边带光信号由掺铒光纤放大器放大后经第二分束器分成两部分，第一部分经环形器和二维扫描装置后发射到待测目标上，第二部分作为参考光进入第二耦合器用于相干拍频。
步骤908，基于回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号。
在一个实施例中，回波光束经二维扫描装置和环形器后经第三分束器分成两部分，第一部分进入第一耦合器与出射光束进行相干拍频后，由第一探测器转换成第一电信号，第二部分进入第二耦合器与调制光束进行相干拍频，由第二探测器转换成第二电信号。
步骤910，基于第一电信号和锯齿波得到待测目标的速度，基于第二电信号和锯齿波得到待测目标的距离。
在一个实施例中，第一探测器输出的第一电信号与射频信号源输出的信号经第一混频器混频后得到第一差频信号，第一差频信号中包含±1阶边带的中频信号以及在第一混频器中产生的自混频信号。经低通滤波器滤波得到±1阶边带中频信号的自混频差频信号，该自混频差频信号只与速度有关，与距离无关，而且是一个几兆赫兹量级的低频信号，经低速模拟数字转换器采集后，在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换，即可解算出速度信息。第二探测器输出的第二电信号与射频信号源信号经第二混频器混频得到第二差频信号，再经带通滤波器滤波得到+1阶边带的差频信号，此信号的频率随时间线性变化，而非是固定值。锯齿波线性调频信号起始时刻t1，检测到该信号的时刻t2，时间差Δt＝t2-t1，根据公式R＝1/2*c*Δt即可计算出距离R。
上述测速测距方法，由于引入了锯齿波作为LFM信号，该LFM信号非线性引起的偏差是相反的，并且可以在自混频中抵消，因此无需算法校正调频非线性引起的测速误差；以及采用锯齿波不仅可以完成距离与速度的同时测量，结合模拟与数字混合信号处理方式还可以解决单点探测时间长、点云出点数难以提高的行业痛点；通过马赫曾德尔调制器调制锯齿波信号生成载波抑制双边带光信号，能提高计算速度距离的速度，更高效地实现测速测距的目的；最后通过将速度测算与距离测算分开处理，通过调制电信号、第一电信号获取待测目标的速度，通过调制电信号、第二电信号获取待测目标的距离，摈弃传统的测算测距方式，减少了FMCW激光雷达单点测量的时间，提高了点频，丰富了扫描方式。
在一个实施例中，载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束包括：
载波抑制双边带光信号经环形器和二维扫描装置后发射至待测目标上，待测目标反射的光束再次通过二维扫描装置和环形器，得到回波光束。
本实施例中，载波抑制双边带光信号经环形器和二维扫描装置后发射至待测目标上从而获取回波光束，从而将测速测距装置与待测目标联系起来。
在一个实施例中，基于回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号，包括：
回波光光束与出射光束进行耦合，获得第一相干拍频信号；第一相干拍频信号通过第一探测器器转换为第一电信号；回波光束与载波抑制双边带光信号进行耦合，获得第二相干拍频信号；第二相干拍频信号通过第二探测器转换为第二电信号。
本实施例中，通过回波光光束与出射光束获得第一相干拍频信号，再由第一相干拍频信号获得第一电信号，为计算速度做铺垫。本实施例中，通过回波光束与调制光束获得第二相干拍频信号，再由第二相干拍频信号获得第二电信号，为计算距离做铺垫。通过相干拍频信号的引入，使得接收到的信号包含着干涉后的光的相位信息，从而使得接收到的待测物理量的值可以具有高精度、高分辨率的测量结果。
在一个实施例中，基于第一电信号和锯齿波得到待测目标的速度包括：
第一电信号与锯齿波经混频得到第一差频信号；对第一差频信号进行低通滤波，得到自混频差频信号；将自混频差频信号经低速模拟数字转换器采集后，在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换，从而获得待测目标的速度。
本实施例中，通过第一电信号与调制电信号经混频得到第一差频信号，对第一差频信号低通滤波获得自混频差频信号，再经低速模拟数字转换器采集和在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换后获得待测目标的速度，从而实现测速的目的。其中速度测量采用混频器对回波信号进行降频处理，采用低速ADC采集和FFT运算，节省了大量的采集与运算时间。
在一个实施例中，基于第二电信号和锯齿波得到待测目标的距离包括：
第二电信号与锯齿波混频，得到第二差频信号；对第二差频信号进行带通滤波，得到待测目标的距离。
本实施例中，通过第二电信号与调制电信号混频和带通滤波，从而获得待测目标的距离，实现测距的目的。
在另一个实施例中，如图10所示，提供了一种测速测距方法。
步骤1002，控制激光器发出出射光束，控制信号源输出锯齿波。
步骤1004，出射光束经由加载了锯齿波的马赫曾德尔调制器调制，从而生成载波抑制双边带光信号；马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小传输点处。
步骤1006，载波抑制双边带光信号经环形器和二维扫描装置后发射至待测目标上，待测目标反射的光束再次通过二维扫描装置和环形器，得到回波光束。
步骤1008，回波光光束与出射光束进行耦合，获得第一相干拍频信号。
步骤1010，第一相干拍频信号通过第一探测器转换为第一电信号。
步骤1012，回波光束与载波抑制双边带光信号行耦合，获得第二相干拍频信号。
步骤1014，第二相干拍频信号通过第二探测器转换为第二电信号。
步骤1016，第一电信号与锯齿波经混频得到第一差频信号。
步骤1018，对第一差频信号进行低通滤波，得到自混频差频信号。
步骤1020，将自混频差频信号经低速模拟数字转换器采集后，在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换，从而获得待测目标的速度。
步骤1022，第二电信号与锯齿波混频，得到第二差频信号。
步骤1024，对第二差频信号进行带通滤波，得到待测目标的距离。
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，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种测速测距系统，其特征在于，包括：
激光器，用于发出出射光束；
信号源，与马赫曾德尔调制器、速度处理装置、距离处理装置电连接，用于输出调制电信号；
马赫曾德尔调制器，基于所述调制电信号调制所述出射光束，输出调制光束；
光通路器件，用于使所述调制光束入射到待测目标上，并接收回波光束；所述回波光束由所述待测目标返回；
光电组件，用于基于所述出射光束、调制光束和回波光束生成第一电信号和第二电信号；
速度处理装置，用于通过所述调制电信号、第一电信号获取所述待测目标的速度；
距离处理装置，用于通过所述调制电信号、第二电信号获取所述待测目标的距离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述信号源输出的所述调制电信号为锯齿波，所述马赫曾德尔调制器输出的调制光束为载波抑制双边带光信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电组件包括：
第一耦合器，用于将所述回波光束与所述出射光束混合，得到第一相干拍频信号；
第一探测器，用于将所述第一相干拍频信号转换成第一电信号；
第二耦合器，用于将所述回波光束与所述调制光束混合，得到第二相干拍频信号；
第二探测器，用于将所述第二相干拍频信号转换成第二电信号。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述速度处理装置包括第一混频器和低通滤波器。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述距离处理装置包括第二混频器和带通滤波器。
6.一种测速测距方法，其特征在于，包括：
控制激光器发出出射光束，控制信号源输出锯齿波；
所述出射光束经由加载了所述锯齿波的马赫曾德尔调制器调制，从而生成载波抑制双边带光信号；所述马赫曾德尔调制器的偏置电压设置在最小传输点处；
所述载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束；
基于所述回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号；
基于所述第一电信号和所述锯齿波得到所述待测目标的速度，基于所述第二电信号和所述锯齿波得到所述待测目标的距离。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述载波抑制双边带光信号入射至待测目标，获得回波光束包括：
所述载波抑制双边带光信号经环形器和二维扫描装置后发射至待测目标上，待测目标反射的光束再次通过所述二维扫描装置和环形器，得到回波光束。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述回波光束、出射光束、载波抑制双边带光信号获得第一电信号和第二电信号，包括：
所述回波光光束与所述出射光束进行耦合，获得第一相干拍频信号；
所述第一相干拍频信号通过第一探测器器转换为第一电信号；
所述回波光束与所述载波抑制双边带光信号进行耦合，获得第二相干拍频信号；
所述第二相干拍频信号通过第二探测器转换为第二电信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一电信号和所述锯齿波得到所述待测目标的速度包括：
所述第一电信号与所述锯齿波经混频得到第一差频信号；
对所述第一差频信号进行低通滤波，得到自混频差频信号；
将所述自混频差频信号经低速模拟数字转换器采集后，在现场可编程门阵列中进行快速傅里叶变换，从而获得所述待测目标的速度。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二电信号和所述锯齿波得到所述待测目标的距离包括：
所述第二电信号与所述锯齿波混频，得到第二差频信号；
对所述第二差频信号进行带通滤波，得到所述待测目标的距离。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310697244.9A CN116755099A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 测速测距系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310697244.9A CN116755099A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 测速测距系统及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116755099A true CN116755099A (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=87960192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310697244.9A Pending CN116755099A (zh) | 2023-06-12 | 2023-06-12 | 测速测距系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116755099A (zh) |
-
2023
- 2023-06-12 CN CN202310697244.9A patent/CN116755099A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6806347B2 (ja) | 光学的距離測定装置及び測定方法 | |
| US7961302B2 (en) | Physical quantity sensor and physical quantity measuring method | |
| WO2017210000A1 (en) | Coherent lidar system using tunable carrier-suppressed single-sideband modulation | |
| US20190331797A1 (en) | Alternating chirp frequency modulated continuous wave doppler lidar | |
| CN112764050B (zh) | 激光雷达测量方法及激光雷达系统 | |
| CN109031338B (zh) | 用于汽车的调频连续波激光雷达及其测距方法 | |
| JP2019045200A (ja) | 光学的距離測定装置および測定方法 | |
| CN112799090B (zh) | 一种频率复用固态激光雷达探测方法及系统 | |
| US20210382164A1 (en) | Multi-tone continuous wave detection and ranging | |
| US20200200903A1 (en) | Lidar system that is configured to compute ranges with differing range resolutions | |
| US11294040B1 (en) | Time-of-interference light detection and ranging apparatus | |
| CN115616595B (zh) | 激光探测装置的探测方法、激光探测装置及存储介质 | |
| CN116736319B (zh) | 激光雷达及测速测距的方法 | |
| US20220357437A1 (en) | High-Speed Time-of-Interference Light Detection and Ranging Apparatus | |
| US20210349213A1 (en) | Arbitrary optical waveform generation utilizing frequency discriminators | |
| CN113759345A (zh) | 基于偏振调制光注入激光器的激光雷达及其调控方法 | |
| CN115480263A (zh) | 激光探测装置的探测方法、激光探测装置及存储介质 | |
| US11630189B2 (en) | Multi-tone continuous wave detection and ranging | |
| CN112327319A (zh) | 基于循环移频环的固态激光雷达探测方法及系统 | |
| CN117907982A (zh) | 激光雷达测距测速的方法以及激光雷达 | |
| CN210155332U (zh) | 一种分布式激光雷达 | |
| CN112526538A (zh) | 基于fdml的调频连续波激光雷达捕获系统及方法 | |
| CN116755099A (zh) | 测速测距系统及方法 | |
| WO2022233238A1 (zh) | 探测装置、雷达以及终端 | |
| US11650318B2 (en) | Characterizing linearity of an optical frequency chirp output by an FMCW laser |
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 |