CN117111079A - 一种可探测物体组分的激光雷达系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可探测物体组分的激光雷达系统及其控制方法，采用光栅外腔可调谐半导体激光器获得窄线宽激光，以扫描不同位置处待测物体的拉曼特征峰，通过照射待测物体产生的拉曼散射光，收集至探测器进行信号处理，通过非线性拟合并对比数据库，获得被测物体的表面距离和物体组分信息。本发明利用激光拉曼效应，其核心部件为光栅外腔可调谐激光器，利用拉曼散射效应和相应的控制方法，在传统激光雷达测量物体距离、几何外形等信息的同时，增加了对物体组分的探测，可从更多信息维度快速识别目标，有效提高激光雷达的应用范围。

Description

一种可探测物体组分的激光雷达系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是涉及一种基于外腔半导体激光器的可探测物体组分的激光雷达系统及其控制方法。

背景技术

近年来，激光雷达在无人驾驶、环境感知和安全监测等领域得到了广泛地应用。传统的激光雷达系统主要用于测量目标的距离和几何外形等信息，然而对于物体的组分信息探测能力相对较弱。激光雷达是以发射激光光束来探测物体的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是发射系统先向探测区域发射用于探测的出射激光，然后接收系统接收从探测区域内物体反射回来的反射激光，将反射激光与出射激光进行比较，处理后可获得物体的有关信息如距离、方位等参数。因此需要一种能够有效探测物体组分的激光雷达系统，以提供更多的信息维度，快速识别目标，并拓展激光雷达在不同领域的应用范围。现有的激光雷达系统主要以探测单频率的激光回波，通过激光脉冲的飞行时间可以计算机目标物被测点与激光雷达系统之间的距离信息，也有借鉴光通信技术的调频连续波激光雷达，通过激光混频探测技术来测量发射和接收的频率差异来计算出目标物的距离。但传统的激光雷达系统的不足之处在于，只能探测到物体的表面形貌，对物体的分类难以做出直接有效判断。

为了解决现有激光雷达检测不到物体组分问题，利用物质的拉曼散射效应在原有激光雷达基础上，解决激光雷达识别物体组分问题。拉曼散射效应是以此现象的发现者印度物理学家C.V.拉曼的名字命名的。光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称为拉曼散射。拉曼在1928年首先在苯液体中观察到这种现象，并记录了散射光谱。拉曼因这一重要发现而获得了1930年诺贝尔物理学奖。当光子被分子散射后，大部分的光子被弹性散射，即散射光与入射光有相同的频率，称为瑞利(Rayleigh)散射，一小部分散射光的波长与入射光不同，即为拉曼散射。拉曼散射的入射光与样品分子之间发生能量转移，最终反映为散射光频率的改变，而频率的变化量即拉曼频移与分子结构密切相关，在拉曼光谱中表现为拉曼特征峰，可用于分析和测定分子结构。拉曼光谱是特定分子或材料独有的化学指纹，能够用于快速确认材料种类或者区分不同的材料。在拉曼光谱数据库中包含着数千条光谱，通过快速搜索，找到与被分析物质相匹配的光谱数据，即可鉴别被分析物质。

激光器的问世，提供了优质高强度单色光，有力推动了拉曼散射的研究及其应用。将拉曼散射效应应用到激光雷达成像中，可以有效提高激光雷达的应用范围，但目前的拉曼激光雷达主要用于大气温度、水汽(相对湿度)和气溶胶的探测，其原理是用单一波长的激光射向大气，激光与大气分子发生非弹性散射,在散射过程中,大气分子和激光光子交换能量,使散射波长发生改变，再对收集的散射光谱进行分析辨别。传统拉曼激光雷达受限于单一激光光源，对普通物体的拉曼散射效应弱于大气分子。

因此本发明提出了基于外腔可调谐半导体激光器的FMCW(调频连续波)方法来弥补传统激光雷达的不足，以实现对物体表面形貌和物体组分的探测。可调谐半导体激光器具有单模性质稳定、能量转换效率高、易于封装集成和光谱可调谐范围广等诸多优势，在光纤通信传输、超精密测量、光学相干层析成像、激光雷达测距和生物环境监控等领域有着广泛的应用。外腔可调谐半导体激光器是一种基于半导体材料的激光器，它通过将半导体激光器与外部反射镜或光栅结合，形成一个光学腔体，从而实现对激光输出频率的精确调谐，具有窄线宽、高功率、频率可调谐和较低的相位噪声等优点，通过调节外部反射镜或光栅的位置，可以改变光腔的长度，从而改变激光输出的频率。

相较于传统的激光雷达系统，本发明的激光雷达系统在物体探测中增加了对物体组分的分析能力，通过利用激光拉曼效应实现对物体组分的探测。这样的系统能够从更多的信息维度识别目标，对于实现更精确的目标识别、环境感知和安全监测具有重要意义。例如，在无人驾驶领域，激光雷达系统可以准确识别道路上的障碍物，并分析其组分信息，从而提供更全面的环境感知能力。在安全监测领域，激光雷达系统可以快速检测和识别危险化学品等物质，提供及时的预警和应急响应。

发明内容

为解决目前激光雷达无法对物体组分探测的不足，本发明基于超宽光谱可调谐的外腔半导体激光器和拉曼散射效应，目的在于提供一种可探测物体组分的激光雷达系统及其控制方法。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种探测物体成分的激光雷达系统，其特点在于，包括：

激光发射单元，用于提供窄线宽激光光束；

分光单元，用于将所述窄线宽激光光束分为二路，一路作为探测光照射目标物体，另一路作为参考光，用于实时比对监测；

解调接收器，用于接收所述探测光照射目标物体后反射回来的回波光信号和照射目标物体后产生的拉曼散射光信号，并提取与所述探测光频率相同的回波光信号进行解调，以及用于接收所述参考光信号，作为激光雷达主波光信号传输至光谱分析仪；

光谱分析仪，用于接收所述回波光信号和激光雷达主波光信号，并转换为回波电信号和主波电信号，且从所述回波电信号中提取拉曼散射光谱数据；

目标探测单元，用于采集目标物体的图像信息，并输出至信号处理单元；

信号处理单元，用于对所述回波电信号和主波电信号进行采样与分析，获得探测目标物体的表面距离和物体成分信息，根据图像算法分析获得的场景中物体类别，控制信号发生器产生波形的频率；

信号发生器，用于接收所述信号处理单元传输的波形频率控制信号，产生所对应的信号波形；

调制驱动器，用于接收控制信号，驱动所述激光发射单元输出设定频率的激光。

进一步，所述激光发射单元为外腔可调谐半导体激光器，或者为外腔可调谐半导体激光器和准直装置。

进一步，所述外腔可调谐半导体激光器为光栅外腔半导体激光器，可提供线宽低至100kHz、功率高至300mW、调谐范围2nm量级到80nm量级、无跳模调谐大于20GHz范围的激光。

进一步，所述外腔可调谐半导体激光器为多种波长半导体激光器的并联，通过选通器选择所需波长激光输出。激光波长根据应用场景来设定，用于探测目标物体的物体组分。

进一步，所述调制驱动器产生周期性的电信号加载至激光器，使得激光器产生一个强度经过调制的光信号。

进一步，所述调制驱动器，包含电流源驱动器、温度控制器、压电陶瓷电压驱动器，用于控制外腔半导体激光器的各个部件，即控制激光输出的各个变量。

进一步，所述解调接收器包含光电探测器，对目标物体产生的拉曼散射光进行接收，同时对外界回波光做混频解调。

进一步，所述解调接收器包含望远装置，所述望远装置为施密特-卡塞格林或马克苏托夫-卡塞格林式折反射望远镜。

进一步，所述信号处理单元为计算机。

进一步，所述信号发生器，由计算机通过串口控制，根据相应算法设定函数并产生所对应的信号波形。

另一方面，本发明还提供一种可探测物体组分的激光雷达系统的控制方法，其特点在于，包括如下步骤：

①利用光谱分析仪构建物体成分数据库，包括物体成分和拉曼散射光谱数据，并存储在所述信号处理单元内；

②构建上述探测物体成分的激光雷达系统；

③控制激光发射单元输出设定频率的激光；

④控制光谱分析仪将接收的回波光信号和激光雷达主波光信号转换为电信号，并传输至信号处理单元；

⑤信号处理单元的处理过程如下：

-对接收的对应频率的回波电信号和主波电信号进行采样；

-对采样的回波电信号和主波电信行混频处理得到混频信号；

-对所述混频信号进行低通滤波得到中频信号；

-对所述中频信号进行傅里叶变换，提取中频信号的频率信息，获取目标物体的距离信息和三维信息；

-将所述解调接收器提取的与所述探测光频率相同的回波光信号与照射目标物体后产生的拉曼散射光信号进行对比，建立拉曼光谱特征峰数据库；

-将物体成分数据库中的数据与拉曼光谱特征峰数据库中的数据进行比对，得到物体成分信息；

-变换场景，根据摄像头提供的图像进行算法分析识别物体类别，根据物体类别控制信号发生器产生的信号频率进而控制外腔可调谐半导体激光器的发射激光频率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)采用外腔可调谐半导体激光器，可输出宽范围、窄线宽、高功率的激光，提高探测的灵敏度和识别种类范围；

2)通过调整可调谐外腔激光器可以选择激光雷达输出光束的频率，激光频率调整精度高，可以在较大宽度的光谱范围内实现无跳模调谐，使该激光雷达系统相比传统激光雷达具有更广泛的探测范围，在FMCW技术中提供更大的带宽。

3)通过数模转换将数据运行于计算机上，对接收到激光回波光谱，同步调整外腔可调谐半导体激光器频率，可实时对激光进行发射和接收。计算机的算法和控制程序可根据具体应用来升级和调试，提高了激光雷达系统的适用性和灵活性。

4)改变了以往激光雷达只能探测物体距离和三维信息的缺点，可在无需借助可见光图像识别的情况下，实现对物体成分和种类的探测，提高了激光雷达的探测能力。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了一种可探测物体材料组分的激光雷达系统，包括外腔可调谐半导体激光器、分光镜、调制驱动器、解调接收器、光谱分析仪、信号发生器和计算机等。

外腔可调谐半导体激光器输出设定频率的激光，作为激光雷达主波，激光雷达主波遇到探测目标后形成回波，激光雷达回波被光电探测器接收形成回波电信号。

分光镜将外腔可调谐半导体激光器输出设定频率的发射激光分成两路，一路用于探测光照射目标物体，另一路作为参考光用于实时比对监测。

解调接收器接收探测目标反射的回波，接收并提取与发射的探测光束频率相同的回波光即瑞利散射光以及激光照射物体后产生的拉曼光，用于探测物体的距离、三维信息和材料组分。

光谱分析仪接收所述参考光和激光雷达回波转换为电信号并采样。

摄像头捕获目标物体，并将图片信息传输至计算机，进行算法分析控制。

计算机，其控制外腔可调谐半导体激光器发出设定频率的激光，并控制接收对应频率的回波电信号和主波电信号，将主波信号和回波信号进行混频，通过低通滤波得到中频信号，然后将中频信号进行傅里叶变换运算提取中频信号的频率信息，利用差频信号频率公式计算得到目标的距离信息；采用基于波束形成原理的合成孔径三维成像算法法则，获得目标物体的三维信息；对解调接收器接收到的与发射探测光束频率相同的回波光即瑞利散射光和激光照射物体产生的拉曼光进行对比，利用数据库建立拉曼光谱特征峰数据库，使用程序将处理的数据和数据库中的数据进行对比，得到被照射物体的材料成分，同时使用YOLO算法对摄像头传输的图片进行算法分析实现物体识别，根据识别到的物体信息控制信号发生器传输至驱动器调谐外腔半导体激光器的发射光学频谱，从而更加准确获取物体组分。由此经过分析处理得到探测物体的距离、三维信息和材料成分。

信号发生器根据计算机物体识别结果命令产生需要探测目标的信号波形。

调制驱动器用于加载高频调制信号，并驱动外腔可调谐半导体激光器的各控制单元。

优选地，该外腔可调谐半导体激光器为窄脉冲超连续激光光源，其波长范围为632nm-1770nm，输出功率3-300mW，重复频率为100KHz-1MHz，占空比50％，进一步地，该外腔可调谐半导体激光器为TOPTICA DL 100型激光器。

优选地，该分光镜为高透射率低反射率的光束采样镜，出射激光分光镜为Thorlabs BS023，安装在笼式系统的立方体中，透射率为90％，反射率为10％。绝大部分设定频率的激光由高透射率低反射率的光束采样镜透射，剩余部分激光被高透射率低反射率的光束采样镜反射。高透射率低反射率镜的透射率可以更高，反射率可以更低，只要反射光能够被后述的第一光电传感器解调接收器探测到信号即可。

信号采集处理部分包括解调接收器、光谱分析仪、控制、信号发生器和调制驱动器，解调接收器探测分光镜反射的激光雷达主波的信号，光谱分析仪位于解调接收器的光路后方，探测设定频率的激光回波的信号，计算机通过高速数字采集卡连接光谱分析仪和信号发生器，接收光谱分析仪产生的激光雷达主波电信号和照射被测物体产生的激光回波电信号并对它们进行采样，并发送至信号处理子系统。

优选地，解调接收器的光电传感器为Ge探测器阵列，例如PIN或APD探测器，或者为InGaAs探测器阵列。

优选的，解调接收器为测量拉曼散射光，所包含的望远设备为马克苏托夫-卡塞格林式折反射望远镜，通过滤波器可有效地滤去瑞利光及其他波长的杂散光，提高对拉曼峰的识别度。

所包含装置：

外腔可调谐半导体激光器，一部分用于参照光，一部分用于照射待测物体以产生拉曼散射光；

解调接收器，通过内部的望远光学设备收集待测物体产生的回波并加以解调；

调制驱动器，用于生成所设定频率激光的控制信号，驱动外腔可调谐半导体激光器的相应设备；

光谱分析仪，用于对解调接收器输出的光谱作分析，与实验结果设定的探测数据进行比较，根据当前信号中的特征拉曼光谱判定物体成分；

信号发生器用于产生需要探测目标的信号波形。

调制驱动器用于加载高频调制信号，并驱动外腔可调谐半导体激光器的各控制单元。

摄像头，捕获目标物体，并将图片信息传输至计算机；

计算机，运行相应算法处理所接收的数据，根据反馈数据发送指令。

一种控制方法，用于控制所述的可探测物体成分的激光雷达系统，包括:

步骤A：控制外腔可调谐半导体激光器输出设定频率的激光，同时控制调制接收仅允许所设定频率的激光通过；

步骤B：控制光谱分析仪，令其将接收到的激光雷达主波和回波转换为电信号并采样；

步骤C：对主波和回波信号进行数据处理，获得待测物体的距离、三维图像、物体组分信息；

步骤D：切换场景，将摄像头捕获的图像信息进行算法分析进行物体类别识别，根据物体类别控制信号发生器产生信号的频率进而控制外腔可调谐半导体激光器的发射激光频率，最后回到步骤A。

综上所述，本发明了一种可探测物体材料组分的激光雷达系统，基于外腔可调谐半导体激光器的宽范围、窄线宽、无跳模调谐特性和拉曼散射效应，弥补了传统激光雷达不能探测物体材料组分的缺点，实现了物体探测距离、三维信息和材料组分的多维感知能力。本发明对激光雷达的发展应用具有十分重要的意义，具有高度的产业利用价值。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (11)

1.一种探测物体成分的激光雷达系统，包括：

激光发射单元，用于提供窄线宽激光光束；

分光单元，用于将所述窄线宽激光光束分为二路，一路作为探测光照射目标物体，另一路作为参考光，用于实时比对监测；

解调接收器，用于接收所述探测光照射目标物体后反射回来的回波光信号和照射目标物体后产生的拉曼散射光信号，并提取与所述探测光频率相同的回波光信号进行解调，以及用于接收所述参考光信号，作为激光雷达主波光信号传输至光谱分析仪；

光谱分析仪，用于接收所述回波光信号和激光雷达主波光信号，并转换为回波电信号和主波电信号，且从所述回波电信号中提取拉曼散射光谱数据；

目标探测单元，用于采集目标物体的图像信息，并输出至信号处理单元；

信号处理单元，用于对所述回波电信号和主波电信号进行采样与分析，获得探测目标物体的表面距离和物体成分信息，根据图像算法分析获得的场景中物体类别，控制信号发生器产生波形的频率；

信号发生器，用于接收所述信号处理单元传输的波形频率控制信号，产生所对应的信号波形；

调制驱动器，用于接收控制信号，驱动所述激光发射单元输出设定频率的激光。

2.根据权利要求1所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元为外腔可调谐半导体激光器，或者为外腔可调谐半导体激光器和准直装置。

3.根据权利要求2所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述外腔可调谐半导体激光器为光栅外腔半导体激光器，可提供线宽低至100kHz、功率高至300mW、调谐范围2nm量级到80nm量级、无跳模调谐大于20GHz范围的激光。

4.根据权利要求2所述的外腔半导体激光器，其特征在于，所述外腔可调谐半导体激光器为多种波长半导体激光器的并联，通过选通器选择所需波长激光输出。激光波长根据应用场景来设定，用于探测目标物体的物体组分。

5.根据权利要求1所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述调制驱动器产生周期性的电信号加载至激光器，使得激光器产生一个强度经过调制的光信号。

6.根据权利要求5所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述调制驱动器，包含电流源驱动器、温度控制器、压电陶瓷电压驱动器，用于控制外腔半导体激光器的各个部件，即控制激光输出的各个变量。

7.根据权利要求1所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述解调接收器包含光电探测器，对目标物体产生的拉曼散射光进行接收，同时对外界回波光做混频解调。

8.根据权利要求1或7所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述解调接收器包含望远装置，所述望远装置为施密特-卡塞格林或马克苏托夫-卡塞格林式折反射望远镜。

9.根据权利要求1所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述信号处理单元为计算机。

10.根据权利要求9所述的探测物体成分的激光雷达系统，其特征在于，所述信号发生器，由计算机通过串口控制，根据相应算法设定函数并产生所对应的信号波形。

11.一种可探测物体组分的激光雷达系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

①利用光谱分析仪构建物体成分数据库，包括物体成分和拉曼散射光谱数据，并存储在所述信号处理单元内；

②构建权利要求1-10任一所述的探测物体成分的激光雷达系统；

③控制激光发射单元输出设定频率的激光；

④控制光谱分析仪将接收的回波光信号和激光雷达主波光信号转换为电信号，并传输至信号处理单元；

⑤信号处理单元的处理过程如下：

-对接收的对应频率的回波电信号和主波电信号进行采样；

-对采样的回波电信号和主波电信行混频处理得到混频信号；

-对所述混频信号进行低通滤波得到中频信号；

-对所述中频信号进行傅里叶变换，提取中频信号的频率信息，获取目标物体的距离信息和三维信息；

-将所述解调接收器提取的与所述探测光频率相同的回波光信号与照射目标物体后产生的拉曼散射光信号进行对比，建立拉曼光谱特征峰数据库；

-将物体成分数据库中的数据与拉曼光谱特征峰数据库中的数据进行比对，得到物体成分信息；

-变换场景，根据摄像头提供的图像进行算法分析识别物体类别，根据物体类别控制信号发生器产生的信号频率进而控制外腔可调谐半导体激光器的发射激光频率。