CN116908875A - 一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统，该方法包括如下步骤：通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；将脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号；通过光电探测器阵列接收探测回波信号；获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数；结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离；结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。本发明具有在远距离激光探测时具有较高的成像速率和成像精度。
Description
技术领域
本发明属于遥感测距技术领域，具体是涉及到一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统。
背景技术
激光雷达(LiDAR,light detection and ranging)因其分辨率高、精度高、检测范围长等特点，被广泛用于智能机械、自动驾驶汽车、增强现实/虚拟现实(AR/VR)以及同步定位等领域。大多数激光雷达使用脉冲激光作为光源，以获得更好的信噪比(SNR)和检测范围。其工作原理是发射重复的光脉冲，并随后测量从目标反射回来的每个光脉冲的飞行时间，判断目标在延迟时间段相对应距离段内是否存在目标，并按照延迟时间的先后获得不同距离的目标的回波信号，从而获取目标的3D成像信息。
但是，由于常规脉冲激光雷达发出的是不特定的重复脉冲，因此，脉冲的周期性和规律性通常会导致距离模糊，并且容易受到堵塞和干扰。为了提高距离选通激光成像雷达的距离分辨率，通常需要缩短激光脉冲宽度和采样间隔，以及提高激光发射峰值功率，这将对激光器和接收系统提出苛刻要求，具体实行存在很多困难。并且在成像激光雷达对远距离目标进行成像时，由于激光器发射信号的峰值功率的限制，系统需要将脉冲宽度加宽以加大信号能量，这将近一步降低激光雷达系统的距离分辨率。同时由于采用的是单脉冲体制，目标距离限制了激光脉冲信号的重复频率，从而限制了激光雷达系统的成像速率，且成像精度较低。
发明内容
本发明提供一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统，以解决对远距离探测目标进行探测时成像速率和成像精度较低的问题。
第一方面，本发明提供一种面向远距离高并行性的激光成像方法，该方法包括如下步骤：
通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；
将所述脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；
将所述探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；
通过扫描镜向探测目标发射所有所述探测脉冲信号；
通过光电探测器阵列接收探测回波信号，所述探测回波信号为所述探测脉冲信号被所述探测目标反射的回波信号；
获取所述脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和所述扫描镜的设备参数；
结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离；
结合所述梳齿波长、所述设备参数和所述目标距离绘制所述探测目标的三维点云图。
可选的，所述通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号包括如下步骤：
通过半导体激光器输出初始泵浦光；
将所述初始泵浦光放大为放大泵浦光；
调整所述放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的所述放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
将所述原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
可选的，所述预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号包括如下步骤：
抑制所述混沌微梳齿中的泵浦光；
滤除所述混沌微梳齿中的噪声信号；
生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
结合所述晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的所述混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
可选的，所述结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离包括如下步骤：
结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述参考信号和所述探测回波信号之间的峰值延时；
获取所述探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
结合所述峰值延时和所述光纤长度计算得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离。
可选的，所述目标距离的计算公式如下：
式中：D表示所述目标距离，Δt表示所述峰值延时，L表示所述光纤长度。
第二方面，本发明还提供一种面向远距离高并行性的激光成像系统，所述系统包括半导体激光器、扫描镜和光电探测器阵列，所述系统还包括：
信号生成子系统，用于控制所述半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；
信号分束子系统，用于将所述脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；
信号分解子系统，将所述探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；
信号发射子系统，用于通过所述扫描镜向探测目标发射所有所述探测脉冲信号；
信号接收子系统，用于通过所述光电探测器阵列接收探测回波信号，所述探测回波信号为所述探测脉冲信号被所述探测目标反射的回波信号；
信息获取子系统，用于获取所述脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和所述扫描镜的设备参数；
数据处理子系统，用于结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离；
目标成像子系统，用于结合所述梳齿波长、所述设备参数和所述目标距离绘制所述探测目标的三维点云图。
可选的，所述信号生成子系统包括：
激光输出模块，用于控制所述半导体激光器输出初始泵浦光；
泵浦光放大模块，用于将所述初始泵浦光放大为放大泵浦光；
混沌微梳生成模块，用于调整所述放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的所述放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
混沌微梳分解模块，用于将所述原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
信号生成模块，用于预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
可选的，所述信号生成模块包括：
激光抑制单元，用于抑制所述混沌微梳齿中的泵浦光；
噪声过滤单元，用于滤除所述混沌微梳齿中的噪声信号；
标准电平生成单元，用于生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
信号生成单元，用于结合所述晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的所述混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
可选的，所述数据处理子系统包括：
延时计算模块，用于结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述参考信号和所述探测回波信号之间的峰值延时；
光纤长度获取模块，用于获取所述探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
距离计算模块，用于结合所述峰值延时和所述光纤长度计算得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离。
可选的，所述目标距离的计算公式如下：
式中：D表示所述目标距离，Δt表示所述峰值延时，L表示所述光纤长度。
本发明的有益效果是：
本发明通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号。将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号；通过光电探测器阵列接收探测回波信号，探测回波信号为探测脉冲信号被探测目标反射的回波信号；获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数；结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离；结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。由于将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号的过程中使得信号能量更加集中，因此有利于提高远距离探测的成像精度。并且将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号，通过扫描镜向探测目标同时发射所有探测脉冲信号，相较于重复发射单束脉冲激光的测量方式，即使在远距离探测时也具有更高的测量和成像效率。
附图说明
图1为本发明中种面向远距离高并行性的激光成像方法的流程示意图。
图2为本发明中原始混沌微梳的光谱示意图。
图3为本发明中脉冲混沌微梳信号的时序示意图。
图4为本发明中脉冲调制前后混沌信号的互相关比对示意图。
图4(a)为本发明中未进行脉冲调制的混沌雷达信号的互相关性示意图。
图4(b)为本发明中进行脉冲调制后的脉冲混沌微梳信号的互相关性示意图。
图5为本发明中脉冲调制前后混沌信号扫描探测目标的对比点云图。
图5(a)为本发明中未进行脉冲调制的混沌雷达信号在发射功率为-6dbm时扫描出的目标点云图。
图5(b)为本发明中进行脉冲调制后的脉冲混沌微梳信号在发射功率为-6dbm时扫描出的目标点云图。
图6为本发明中脉冲调制前后混沌信号的性能比对示意图。
图6(a)为本发明中脉冲调制前后混沌信号的信噪比对比示意图。
图6(b)为本发明中脉冲调制前后混沌信号的准确度对比示意图。
图6(c)为本发明中脉冲调制前后混沌信号的精确度对比示意图。
图7为本发明中种面向远距离高并行性的激光成像系统的系统结构图。
具体实施方式
本发明公开一种面向远距离高并行性的激光成像方法。
参照图1，面向远距离高并行性的激光成像方法具体包括如下步骤：
S101.通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号。
其中，在本实施方式中，半导体激光器的型号为TSL-710，输出功率为10dBm，所输出的初始泵浦光波长为1550nm。对初始泵浦光的处理调制步骤主要包括能量放大、偏振调整、分解、调制等步骤。经过处理调制步骤后可以将初始泵浦光处理为具有高带宽、非周期性、不可预测性、高抗干扰性的脉冲混沌微梳信号。
S102.将脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号。
其中，可以通过分束器将脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号，参考信号用于后续接收回波信号后与回波信号进行互相干计算，探测信号用于向探测目标发射以获取探测目标反射的回波信号。
S103.将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号。
其中，将探测信号输入至光栅，使探测信号在光栅内发生色散，依据探测信号的波长分解为多路平行的探测脉冲信号。
S104.通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号。
其中，扫描镜为电控扫描镜，可以通过控制扫描镜以调整扫描镜的发射角度和发射方向，调整完毕后再通过扫描镜向探测目标同时发射所有探测脉冲信号。
S105.通过光电探测器阵列接收探测回波信号。
其中，探测回波信号为探测脉冲信号被探测目标反射的回波信号。
S106.获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数。
其中，扫描镜的设备参数包括反射率、带宽、扫描速度、扫描范围、线性度等参数。
S107.结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离。
其中，互相关计算中的傅里叶变换和傅里叶逆变换过程需要使用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现，以提高计算效率。
S108.结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。
其中，具体而言，根据梳齿波长和扫描镜的设备参数，可以计算出激光的中心波长，即激光在无目标情况下的波长。根据扫描镜的设备参数，可以计算出激光的频率扫描范围，即激光在扫描镜作用下的频率变化范围。根据目标距离和激光在介质中传播的速度，可以计算出激光从发射点到目标点的单程时间。根据激光的中心波长和频率扫描范围，以及激光在目标处的相位信息，可以计算出激光在目标处的频率。根据激光发射和接收的时间信息，可以计算出激光回波的时间差。根据目标距离和激光的扫描角度，可以计算出目标在三维空间中的坐标。重复上述步骤，可以获得多个目标的坐标信息。将目标的坐标信息转换为三维点云数据，可以使用三维可视化软件将点云数据绘制成三维点云图。需要注意的是，实际的数据处理过程可能会更加复杂，需要进行误差校正和数据滤波等处理，以获得更高精度和更稳定的三维点云数据。
本实施方式的实施原理为：
通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号。将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号；通过光电探测器阵列接收探测回波信号，探测回波信号为探测脉冲信号被探测目标反射的回波信号；获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数；结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离；结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。由于将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号的过程中使得信号能量更加集中，因此有利于提高远距离探测的成像精度。并且将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号，通过扫描镜向探测目标同时发射所有探测脉冲信号，相较于重复发射单束脉冲激光的测量方式，即使在远距离探测时也具有更高的测量和成像效率。
在其中一种实施方式中，步骤S101即通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号具体包括如下步骤：
通过半导体激光器输出初始泵浦光；
将初始泵浦光放大为放大泵浦光；
调整放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
将原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
预处理所有混沌微梳齿，再将预处理后的所有混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
在本实施方式中，半导体激光器TSL-710输出功率10dBm，波长1550nm的初始泵浦光。该初始泵浦光经光放大器放大至30dbm，在光放大器和微谐振腔之间设置有反射镜、准直镜和偏振控制器，其中偏振控制器设置于三维调节架上。放大后的初始泵浦光依次经过偏振控制器、反射镜、准直镜耦合进微谐振腔。通过适当调节偏振控制器和三维调节架，可以产生原始混沌微梳。参照图2，图2为原始混沌微梳的光谱示意图，原始混沌微梳在光谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率成分组成，因此可以实现并行快速成像。再由解复用器将原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿，此时的混沌微梳梳齿具有高带宽、非周期性、不可预测性等，因此具有良好的抗干扰性。最后将混沌微梳梳齿进行预处理并输出至声光调制器，将混沌梳齿信号调制成脉冲混沌微梳信号。
在其中一种实施方式中，预处理所有混沌微梳齿，再将预处理后的所有混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号具体包括如下步骤：
抑制混沌微梳齿中的泵浦光；
滤除混沌微梳齿中的噪声信号；
生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
结合晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
在本实施方式中，首先通过光纤布拉格光栅抑制混沌微梳齿中的泵浦光，再由滤波器滤除混沌微梳齿中的噪声信号，将混沌微梳齿输出至声光调制器。由波形发生器产生标准的晶体管-晶体管逻辑电平信号(TTL信号)，并将TTL信号同样输出至声光调制器中，最后通过声光调制器结合晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。参照图3，图3为脉冲混沌微梳信号的时序示意图。
在其中一种实施方式中，步骤S107即结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离具体包括如下步骤：
结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到参考信号和探测回波信号之间的峰值延时；
获取探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
结合峰值延时和光纤长度计算得到探测目标与扫描镜之间的目标距离。
在本实施方式中，首先对参考信号和探测回波信号进行时域零延迟补偿，即将它们的直流分量移动到时间轴的中心位置。对参考信号进行傅里叶变换，得到频域参考信号，对探测回波信号进行傅里叶变换，得到频域探测回波信号。对频域探测回波信号进行复共轭操作，得到共轭频域探测回波信号。将共轭频域探测回波信号与频域参考信号相乘，得到互相关函数。对互相关函数进行傅里叶逆变换，得到时域互相关函数。对时域互相关函数进行归一化处理，以消除信号能量大小的影响，得到归一化互相关函数。从而完成互相关计算过程。
在其中一种实施方式中，目标距离的计算公式如下：
式中：D表示目标距离，Δt表示峰值延时，L表示光纤长度。
在其中一种实施方式中，通过实验比对未进行脉冲调制的混沌雷达信号与本发明中经过脉冲调制的脉冲混沌微梳信号。采用相同的将混沌雷达信号与脉冲混沌微梳信号分别向同一个探测目标发射，并利用相同的信号接收模块接收回波信号。通过Matlab对接收到的两种回波信号进行分析计算，参照图4，图4(a)为未进行脉冲调制的混沌雷达信号的互相关性，图4(b)为本发明中脉冲混沌微梳信号的互相关性，可以看出脉冲混沌微梳信号的互相关性要优于为未进行脉冲调制的混沌雷达信号。
将脉冲混沌微梳的占空比调整为25％，用更弱的出射功率来等效替代更远的目标距离，分别使用混沌雷达信号与脉冲混沌微梳信号作为信号源对探测目标“字母U”进行探测，参照图5，图5(a)为混沌雷达信号在发射功率为-6dbm时扫描出的目标点云图，图5(b)为脉冲混沌微梳信号在发射功率为-6dbm时扫描出的目标点云图，可以明显看出脉冲混沌微梳信号所扫描的点云图更加精确。
参照图6，图6中“*”表示脉冲混沌微梳信号，“·”表示混沌雷达信号，图6(a)体现了脉冲混沌微梳信号和混沌雷达信号的信噪比对比，图6(b)体现了脉冲混沌微梳信号和混沌雷达信号的准确度对比，图6(c)体现了脉冲混沌微梳信号和混沌雷达信号的精确度对比。可以看出脉冲调制后，脉冲混沌微梳信号在信噪比、准度、精度方面都有了提升，特别是当出射功率低于-1dBm时，混沌雷达信号的精准度已经无法准确工作，而脉冲混沌微梳信号此时的精准度依旧能够达到1cm以内，足以说明脉冲混沌微梳信号能够实现更远的测试距离。
本发明还公开一种面向远距离高并行性的激光成像系统。
参照图7，面向远距离高并行性的激光成像系统包括半导体激光器、扫描镜和光电探测器阵列，系统还包括：
信号生成子系统，用于控制半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；
信号分束子系统，用于将脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；
信号分解子系统，将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；
信号发射子系统，用于通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号；
信号接收子系统，用于通过光电探测器阵列接收探测回波信号，探测回波信号为探测脉冲信号被探测目标反射的回波信号；
信息获取子系统，用于获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数；
数据处理子系统，用于结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离；
目标成像子系统，用于结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。
在本实施方式中，半导体激光器的型号为TSL-710，输出功率为10dBm，所输出的初始泵浦光波长为1550nm。信号生成子系统对初始泵浦光的处理调制步骤主要包括能量放大、偏振调整、分解、调制等步骤。经过处理调制步骤后可以将初始泵浦光处理为具有高带宽、非周期性、不可预测性、高抗干扰性的脉冲混沌微梳信号。
信号分束子系统为分束器，通过信号分束子系统将脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号，参考信号用于后续接收回波信号后与回波信号进行互相干计算，探测信号用于向探测目标发射以获取探测目标反射的回波信号。信号分解子系统为光栅，将探测信号输入至信号分解子系统，使探测信号在信号分解子系统内发生色散，依据探测信号的波长分解为多路平行的探测脉冲信号。
扫描镜为电控扫描镜，可以通过控制扫描镜以调整扫描镜的发射角度和发射方向，调整完毕后再通过扫描镜向探测目标同时发射所有探测脉冲信号。信息获取子系统所获取的扫描镜的设备参数包括反射率、带宽、扫描速度、扫描范围、线性度等参数。数据处理子系统在互相关计算中的傅里叶变换和傅里叶逆变换过程需要使用快速傅里叶变换(FFT)算法来实现，以提高计算效率。
目标成像子系统的具体成像步骤如下：根据梳齿波长和扫描镜的设备参数，可以计算出激光的中心波长，即激光在无目标情况下的波长。根据扫描镜的设备参数，可以计算出激光的频率扫描范围，即激光在扫描镜作用下的频率变化范围。根据目标距离和激光在介质中传播的速度，可以计算出激光从发射点到目标点的单程时间。根据激光的中心波长和频率扫描范围，以及激光在目标处的相位信息，可以计算出激光在目标处的频率。根据激光发射和接收的时间信息，可以计算出激光回波的时间差。根据目标距离和激光的扫描角度，可以计算出目标在三维空间中的坐标。重复上述步骤，可以获得多个目标的坐标信息。将目标的坐标信息转换为三维点云数据，可以使用三维可视化软件将点云数据绘制成三维点云图。需要注意的是，实际的数据处理过程可能会更加复杂，需要进行误差校正和数据滤波等处理，以获得更高精度和更稳定的三维点云数据。
本实施方式的实施原理为：
信号生成子系统通过控制半导体激光器输出初始泵浦光，并将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号。信号分解子系统将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；信号发射子系统通过扫描镜向探测目标发射所有探测脉冲信号；信号接收子系统通过光电探测器阵列接收探测回波信号，探测回波信号为探测脉冲信号被探测目标反射的回波信号；信息获取子系统获取脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和扫描镜的设备参数；数据处理子系统结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到探测目标与扫描镜之间的目标距离；目标成像子系统结合梳齿波长、设备参数和目标距离绘制探测目标的三维点云图。由于将初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号的过程中使得信号能量更加集中，因此有利于提高远距离探测的成像精度。并且将探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号，通过扫描镜向探测目标同时发射所有探测脉冲信号，相较于重复发射单束脉冲激光的测量方式，即使在远距离探测时也具有更高的测量和成像效率。
在其中一种实施方式中，信号生成子系统包括：
激光输出模块，用于控制半导体激光器输出初始泵浦光；
泵浦光放大模块，用于将初始泵浦光放大为放大泵浦光；
混沌微梳生成模块，用于调整放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
混沌微梳分解模块，用于将原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
信号生成模块，用于预处理所有混沌微梳齿，再将预处理后的所有混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
在本实施方式中，泵浦光放大模块为光放大器，可以将初始泵浦光放大至30dbm。混沌微梳生成模块具体包括偏振控制器、三维调节架、反射镜和准直镜。其中，反射镜、准直镜和偏振控制器设置于光放大器和微谐振腔之间，偏振控制器设置于三维调节架上。放大后的初始泵浦光依次经过偏振控制器、反射镜、准直镜耦合进微谐振腔。通过适当调节偏振控制器和三维调节架，可以产生原始混沌微梳。原始混沌微梳在光谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率成分组成，因此可以实现并行快速成像。再由解复用器将原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿，此时的混沌微梳梳齿具有高带宽、非周期性、不可预测性等，因此具有良好的抗干扰性。最后通过信号生成模块将混沌微梳梳齿进行预处理并输出至声光调制器，将混沌梳齿信号调制成脉冲混沌信号。
在其中一种实施方式中，信号生成模块包括：
激光抑制单元，用于抑制混沌微梳齿中的泵浦光；
噪声过滤单元，用于滤除混沌微梳齿中的噪声信号；
标准电平生成单元，用于生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
信号生成单元，用于结合晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
在本实施方式中，激光抑制单元为光纤布拉格光栅，噪声过滤单元为滤波器，标准电平生成单元为波形发生器，信号生成单元为声光调制器。通过激光抑制单元抑制混沌微梳齿中的泵浦光，再由噪声过滤单元滤除混沌微梳齿中的噪声信号。将混沌微梳齿输出至信号生成单元。由标准电平生成单元产生标准的晶体管-晶体管逻辑电平信号(TTL信号)，并将TTL信号同样输出至信号生成单元中，最后通过信号生成单元结合晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
在其中一种实施方式中，数据处理子系统包括：
延时计算模块，用于结合参考信号和探测回波信号进行互相关计算，得到参考信号和探测回波信号之间的峰值延时；
光纤长度获取模块，用于获取探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
距离计算模块，用于结合峰值延时和光纤长度计算得到探测目标与扫描镜之间的目标距离。
在本实施方式中，延时计算模块的计算过程具体为：首先对参考信号和探测回波信号进行时域零延迟补偿，即将它们的直流分量移动到时间轴的中心位置。对参考信号进行傅里叶变换，得到频域参考信号，对探测回波信号进行傅里叶变换，得到频域探测回波信号。对频域探测回波信号进行复共轭操作，得到共轭频域探测回波信号。将共轭频域探测回波信号与频域参考信号相乘，得到互相关函数。对互相关函数进行傅里叶逆变换，得到时域互相关函数。对时域互相关函数进行归一化处理，以消除信号能量大小的影响，得到归一化互相关函数。
在其中一种实施方式中，目标距离的计算公式如下：
式中：D表示目标距离，Δt表示峰值延时，L表示光纤长度。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本申请的保护范围限于这些例子；在本申请的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上的本申请中一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本申请中一个或多个实施例旨在涵盖落入本申请的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本申请中一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种面向远距离高并行性的激光成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；
将所述脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；
将所述探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；
通过扫描镜向探测目标发射所有所述探测脉冲信号；
通过光电探测器阵列接收探测回波信号，所述探测回波信号为所述探测脉冲信号被所述探测目标反射的回波信号；
获取所述脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和所述扫描镜的设备参数；
结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离；
结合所述梳齿波长、所述设备参数和所述目标距离绘制所述探测目标的三维点云图。
2.根据权利要求1所述的面向远距离高并行性的激光成像方法，其特征在于，所述通过半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号包括如下步骤：
通过半导体激光器输出初始泵浦光；
将所述初始泵浦光放大为放大泵浦光；
调整所述放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的所述放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
将所述原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
3.根据权利要求2所述的面向远距离高并行性的激光成像方法，其特征在于，所述预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号包括如下步骤：
抑制所述混沌微梳齿中的泵浦光；
滤除所述混沌微梳齿中的噪声信号；
生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
结合所述晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的所述混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
4.根据权利要求1所述的面向远距离高并行性的激光成像方法，其特征在于，所述结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离包括如下步骤：
结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述参考信号和所述探测回波信号之间的峰值延时；
获取所述探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
结合所述峰值延时和所述光纤长度计算得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离。
5.根据权利要求4所述的面向远距离高并行性的激光成像方法，其特征在于，所述目标距离的计算公式如下：
式中：D表示所述目标距离，表示所述峰值延时，L表示所述光纤长度。
6.一种面向远距离高并行性的激光成像系统，其特征在于，所述系统包括半导体激光器、扫描镜和光电探测器阵列，所述系统还包括：
信号生成子系统，用于控制所述半导体激光器输出初始泵浦光，并将所述初始泵浦光处理调制为脉冲混沌微梳信号；
信号分束子系统，用于将所述脉冲混沌微梳信号分束为参考信号和探测信号；
信号分解子系统，将所述探测信号分解为多路水平的探测脉冲信号；
信号发射子系统，用于通过所述扫描镜向探测目标发射所有所述探测脉冲信号；
信号接收子系统，用于通过所述光电探测器阵列接收探测回波信号，所述探测回波信号为所述探测脉冲信号被所述探测目标反射的回波信号；
信息获取子系统，用于获取所述脉冲混沌微梳信号的梳齿波长和所述扫描镜的设备参数；
数据处理子系统，用于结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离；
目标成像子系统，用于结合所述梳齿波长、所述设备参数和所述目标距离绘制所述探测目标的三维点云图。
7.根据权利要求6所述的面向远距离高并行性的激光成像系统，其特征在于，所述信号生成子系统包括：
激光输出模块，用于控制所述半导体激光器输出初始泵浦光；
泵浦光放大模块，用于将所述初始泵浦光放大为放大泵浦光；
混沌微梳生成模块，用于调整所述放大泵浦光的偏振状态，并将调整后的所述放大泵浦光耦合进微谐振腔，产生原始混沌微梳；
混沌微梳分解模块，用于将所述原始混沌微梳分解为并行的多根混沌微梳齿；
信号生成模块，用于预处理所有所述混沌微梳齿，再将预处理后的所有所述混沌微梳齿脉冲调制为脉冲混沌微梳信号。
8.根据权利要求7所述的面向远距离高并行性的激光成像系统，其特征在于，所述信号生成模块包括：
激光抑制单元，用于抑制所述混沌微梳齿中的泵浦光；
噪声过滤单元，用于滤除所述混沌微梳齿中的噪声信号；
标准电平生成单元，用于生成晶体管-晶体管逻辑电平信号；
信号生成单元，用于结合所述晶体管-晶体管逻辑电平信号和滤除噪声后的所述混沌微梳齿进行脉冲调制，得到脉冲混沌微梳信号。
9.根据权利要求6所述的面向远距离高并行性的激光成像系统，其特征在于，所述数据处理子系统包括：
延时计算模块，用于结合所述参考信号和所述探测回波信号进行互相关计算，得到所述参考信号和所述探测回波信号之间的峰值延时；
光纤长度获取模块，用于获取所述探测脉冲信号发射前所经过的光纤长度；
距离计算模块，用于结合所述峰值延时和所述光纤长度计算得到所述探测目标与所述扫描镜之间的目标距离。
10.根据权利要求9所述的面向远距离高并行性的激光成像系统，其特征在于，所述目标距离的计算公式如下：
式中：D表示所述目标距离，表示所述峰值延时，L表示所述光纤长度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310889778.1A CN116908875A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310889778.1A CN116908875A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116908875A true CN116908875A (zh) | 2023-10-20 |
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ID=88356138
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310889778.1A Pending CN116908875A (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种面向远距离高并行性的激光成像方法及系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116908875A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117607884A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-02-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于互相关算法的激光雷达系统的测距方法及测距系统 |
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2023
- 2023-07-19 CN CN202310889778.1A patent/CN116908875A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117607884A (zh) * | 2024-01-24 | 2024-02-27 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于互相关算法的激光雷达系统的测距方法及测距系统 |
| CN117607884B (zh) * | 2024-01-24 | 2024-04-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于互相关算法的激光雷达系统的测距方法及测距系统 |
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