CN117724078A - 一种调频连续波调频连续波激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光探测技术领域，公开一种调频连续波激光雷达，包括：光收发芯片，将光源输入的光信号耦合输出，并接收经待测目标返回的、包含两个不同偏振模式的光信号输入，对光信号输入中的不同偏振模式进行双偏振模式检测和混频处理，将基于两个方向的偏振光汇总为拍频信号进行混频输出；信号处理装置，接收光收发芯片输出的拍频信号，将拍频信号转换成电流信号；将电流信号转换为拍频模拟电压信号；将拍频模拟电压信号转换为数字信号；检测数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到拍频信号的频率，从而实现激光雷达的偏振相关噪声抑制，能够提高激光雷达系统信噪比，在成本、体积和功耗方面都大幅降低，更利于多路扩展。
Description
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，具体涉及一种调频连续波激光雷达。
背景技术
激光雷达探测技术通常使用ToF(Time of Flight，脉冲飞行时间)，通过发射脉冲激光束并测量接收物体反射光束所需的时间来测算物体的距离。但是，这种激光雷达抗互扰能力差，距离探测存在很大误差，于是近年来引入了调频连续波(FMCW，FrequencyModulated Continuous Wave)，以实现距离探测。与ToF探测技术不同，调频连续波通过发送和接收连续激光束，把回光(反射光束，Rx)和本征信号(LO)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，能够以更高的精度和速度检测移动物体。
然而，在激光雷达系统中由于偏振不稳定造成的信号波动所产生了噪声，这部分噪声的混入给后续信号处理带来了一定不良影响，尤其在实现多路FMCW时，或当目标信号较弱、而噪声较多时，目标信号被噪声掩盖而识别困难，因此需要抑制噪声使得目标信号容易被提取或识别。相关技术中，在探测物体距离过程中，调频连续波激光雷达系统通过偏振分离的方式来实现激光雷达信号的收发，其实现方式为：发射端发射TE模式信号、接收端接收TM模式信号，此时只有TM信号能够被接收端接收，而无法接收到TE信号，无法被接收到的TE信号会返回到发射端，导致偏振不稳定，进而持续造成系统噪声。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种调频连续波激光雷达，以解决调频连续波激光雷达系统的偏振不稳定的问题。
本发明实施例提供一种调频连续波激光雷达，包括：光收发芯片，将光源输入的光信号耦合输出，并接收经待测目标返回的、包含两个不同偏振模式的光信号输入，对光信号输入中的不同偏振模式进行双偏振模式检测和混频处理，将基于两个方向的偏振光汇总为拍频信号进行混频输出；信号处理装置，接收光收发芯片输出的拍频信号，将拍频信号转换成电流信号；将电流信号转换为拍频模拟电压信号；将拍频模拟电压信号转换为数字信号；检测数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到拍频信号的频率。
通过执行上述实施方式，本发明提供的调频连续波激光雷达基于拍频信号的高低电平变化状态计算拍频信号的频率，便于直接测量速度信息，可见本发明可以在不使用多路ADC采集芯片的前提上，完成拍频信号的并行测量；在此基础上，本发明提供的调频连续波激光雷达还能够通过先进行偏振分束、再进行合束的方式，实现激光雷达光路部分的偏振相关噪声抑制，能够提高激光雷达系统信噪比，在成本、体积和功耗方面都大幅降低，更利于多路扩展，另外本发明采用光混频方式，比射频电混频方案带宽高、噪声小、成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1是本发明提供的一种调频连续波激光雷达的系统架构示意图；
图2是本发明实施例一提供的基于收发异轴偏振复用芯片架构设计的光收发芯片的结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的混频器的处理示意图；
图4是本发明实施例二提供的基于收发异轴偏振复用芯片架构设计的光收发芯片的结构示意图；
图5是本发明实施例三提供的基于收发异轴偏振复用芯片架构设计的光收发芯片的结构示意图；
图6是本发明实施例四提供的基于收发异轴偏振复用芯片架构设计的光收发芯片的结构示意图；
图7是本发明实施例五提供的基于收发异轴偏振无关芯片架构设计的光收发芯片的结构示意图；
图8是本发明实施例六提供的基于收发异轴芯片架构设计并包含信号增益功能的光收发芯片的结构示意图；
图9是本发明实施例七提供的基于收发同轴芯片架构设计并包含信号增益功能的光收发芯片的结构示意图；
图10-1是本发明实施例八提供的一种信号处理装置的结构示意图；
图10-2是本发明实施例八提供的另一种信号处理装置的结构示意图；
图10-3是本发明实施例八提供的信号处理方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
【发明原理】
在现有技术中，FMCW激光雷达采用离散傅里叶变换(Discrete FourierTransform，DFT)或快速傅里叶变换(Fast Fourier Transformation，FFT)来计算拍频信号频率，该方法需要高速模数转换器(ADC)来采集数据，成本较高，而且由于ADC采集的数据量巨大，进而DFT(或FFT)的计算量也非常大，尤其在实现多路FMCW时，导致并行采集和计算困难。
为了解决现有技术中的并行采集和计算困难的问题，本发明提供一种不使用多路ADC采集芯片即可实现调频连续波激光雷达多路并行测量的方案，本发明同时对调频连续波激光雷达的电路部分和光路部分进行改进，解决多路FMCW场景下的并行采集和计算困难的问题，并进一步解决调频连续波激光雷达系统的偏振不稳定的问题。
电路部分：
参见图1，本发明提供一种用于调频连续波激光雷达的信号处理装置(PIC_3)，用于处理光路部分输出的拍频信号，具体可以将拍频信号(output_2)转换成电流信号；将电流信号转换为拍频模拟电压信号；将拍频模拟电压信号转换为数字信号；检测数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到拍频信号的频率。
本发明可以将每一路简化成高低电平，仅采用通用输入输出即可实现一路信号的测量，使多路并行测量成为可能，避免使用多路ADC采集所带来的复杂电路和高功耗高成本，在进行多路扩展时无需新增额外的ADC采集芯片，成本、体积和功耗都大幅降低。
光路部分：
继续参见图1，本发明提供一种用于调频连续波激光雷达的光收发芯片(PIC_2)，用于将光源输入的光信号耦合输出(output_1)，并接收经待测目标返回的、包含两个不同偏振模式的光信号输入(input_2)，对所述光信号输入中的不同偏振模式进行双偏振模式检测和混频处理，将两个方向的偏振光汇总为拍频信号进行混频输出(output_2)。
本发明可以对光信号中的不同偏振模式进行双偏振模式检测和混频处理，能够实现偏振相关噪声抑制，同时降低系统功耗。
具体来说，本发明提供的光收发芯片用于向待测目标发射光信号输出，还用于接收经待测目标返回的光信号输入；该光收发芯片可以基于收发异轴芯片架构设计，即光收发芯片通过不同光路发射光信号输出和接收光信号输入。在本发明中，光收发芯片向待测目标发射的光信号包含TE模式，光收发芯片接收到的光信号输入中既包含TE模式也包含TM模式，光收发芯片可以采用偏振复用或偏振无关的方式对光信号输入进行双偏振模式检测处理，和/或对本振信号进行偏振模式处理，进而实现光路部分的偏振相关噪声抑制。
进一步的，本发明还可以在光收发芯片的返回光路和/或发射光路中设置一个或多个光放大器，用于对返回光和/或发射光进行单向或双向放大；本发明通过上述方式实现信号增益，可以应用于收发同轴芯片架构或收发异轴芯片架构，还可以与偏振相关噪声抑制方案相结合，进一步优化激光雷达系统信噪比。
在本发明中，用于进行双偏振模式检测处理或偏振模式处理的器件可以包括但不限于：偏振旋转器、偏振分束器、偏振分束旋转器、偏振无关器件等器件中的一种或多种的组合，还可以包括可以基于相同发明实现相同或相似功能的各类光学器件，本发明不作限定。
需要说明的是，本发明提供的光收发芯片中还可以包括光源部分，或者与提供光源的芯片集成于同芯片(PIC_1)上，光收发芯片所发射的光信号输出可以由上述光源部分提供或由其它芯片提供；本发明提供的光收发芯片中还可以包括一种或多种耦合器件，用于将光信号耦合输入或耦合输出，各种耦合器件可以为同一类型或不同类型，具体架构可以根据实际需求设计，本发明均不作限定。
综上，本发明采用光混频方式，提供了一种噪声抑制的多路FMCW并行采集和计算方案，激光雷达系统硬件的成本、体积整体可控，系统功耗更低，系统性能更优。
基于上述发明原理，可设计出多种不同结构的调频连续波激光雷达，下面仅以举例的方式通过若干实施例对光路部分的改进进行重点描述。
【实施例一】
本实施例提供一种基于收发异轴偏振复用芯片架构的光收发芯片，如图2所示，该光收发芯片可以包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及偏振分束旋转器801；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计，本发明不做限定；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
偏振分束旋转器801用于将包含TE和TM模式的光信号输入(input_2)偏振分离，并将其中TM模式旋转为TE模式输出(图中及下文中标记为TM->TE)，使得偏振分束旋转器801的2个输出波导中分别包含TE模式；
混频器5用于使本振光信号等分为2路，分别与偏振分束旋转器801的2个输出信号混频，并输出4路混频信号至信号处理装置中的两组平衡光电探测器(BPD)，这4路信号分别为：(1)本振+TE，相位差0度；(2)本振+TE，相位差180度；(3)本振+TM->TE，相位差0度；(4)本振+TM->TE，相位差180度。
进一步的，如图3所示出的混频处理流程，平衡光电探测器(BPD)接收拍频信号，基于差分技术将进行光电转换，生成电流信号；其中，输出至同一组平衡光电探测器的两路拍频信号经设计为：直流分量相等、交流分量相差180度相位、频率相同。
【实施例二】
本实施例提供另一种基于收发异轴偏振复用芯片架构的光收发芯片，如图4所示，该光收发芯片可以包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及偏振分束器802、偏振旋转器803；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
偏振分束器802用于将包含TE和TM模式的光信号输入(input_2)偏振分离为2路，使得偏振分束器802的2个输出波导中分别包含TE模式和TM模式；
偏振旋转器803与偏振分束器802的包含TM模式的输出波导相连，用于将TM模式旋转为TE模式输出(图中及下文中标记为TM->TE)；
混频器5用于使本振光信号等分为2路，分别与偏振分束器802的包含TE模式的输出波导、及偏振旋转器803的输出波导相连，并输出4路混频信号至信号处理装置中的两组平衡光电探测器(BPD)，BPD所执行的处理流程与上文相同或相似，此处不再赘述。
【实施例三】
本实施例提供又一种基于收发异轴偏振复用芯片架构的光收发芯片，如图5所示，该光收发芯片可以包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及偏振分束器802；其中，混频器5包括分束器7、偏振旋转器803；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
偏振分束器802用于将包含TE和TM模式的光信号输入(input_2)偏振分离为2路分别输出至混频器5，使得偏振分束器802的2个输出波导中分别包含TE模式和TM模式；
混频器5用于使本振光TE信号等分为2路，并利用偏振旋转器803将其中1路TE信号旋转为TM信号，用来与偏振分束器802的1路输出进行TM混频，并输出4路混频信号至信号处理装置中的两组平衡光电探测器(BPD)，BPD所执行的处理流程与上文相同或相似，此处不再赘述。
【实施例四】
本实施例提供再一种基于收发异轴偏振复用芯片架构的光收发芯片，如图6所示，该光收发芯片可以包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及偏振分束器802、偏振旋转器803；其中，混频器5包括另一偏振分束器802；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
偏振分束器802用于将包含TE和TM模式的光信号输入(input_2)偏振分离为2路，使得偏振分束器802的2个输出波导中分别包含TE模式和TM模式；
偏振旋转器803与本振/信号分束器2相连，用于将本振TE信号旋转为一路包含TE模式和TM模式的本振信号，并输出至混频器5；
混频器5中的偏振分束器802与偏振旋转器803相连，用于将包含TE模式和TM模式的本振信号分束为2路，使得偏振分束器802的2个输出波导中分别包含TE模式和TM模式，并分别与偏振分束器802偏振分离的两路信号混频，并输出4路混频信号至信号处理装置中的两组平衡光电探测器(BPD)，BPD所执行的处理流程与上文相同或相似，此处不再赘述。
【实施例五】
本实施例提供一种基于收发异轴偏振无关芯片架构的光收发芯片，如图7所示，该光收发芯片可以包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及偏振旋转器803；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
偏振旋转器803与本振/信号分束器2和混频器5相连，用于将本振信号的偏振方向旋转45度，使得输出波导中包含等功率的TE和TM模式，以便分别与光信号输入(input_2)中的TE和TM模式干涉。
混频器5具有偏振无关特性，可分别对TE和TM模式实现相对相位180度的混频。
作为另一种优选实施方式，当本振/信号分束器2也为偏振无关器件，则偏振旋转器803可以设置于输入耦合器1与本振/信号分束器2之间。
【实施例六】
本实施例提供一种包含信号增益功能的收发异轴芯片，如图8所示，该光收发芯片至少包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出耦合器3、信号输入耦合器4、混频器5、以及光放大器6；除此之外，该光收发芯片还可以包含基于上述相同原理设计的用于实现双偏振模式检测功能的各偏振相关器件或偏振无关器件，因此图8中以虚线标注、此处不再重复描述；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出耦合器3用于将光信号输出(output_1)耦合输出至三维目标或待测目标；
信号输入耦合器4用于接收三维目标或待测目标返回的光信号输入(input_2)；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
混频器5及用于实现双偏振模式检测功能的各器件用于实现与上文相同或相似的功能，此处不再重复描述；
光放大器6与本振/信号分束器2和信号输出耦合器3相连接，用于对发射光路中光信号进行单向放大；其中光放大器6的具体形式可以是片上参量光放大器、或片上掺铒光放大器、或混合封装的SOA增益芯片(同MOSPA)；
作为另一种优选实施方式，光放大器6与信号输出耦合器3的顺序可以互换。
【实施例七】
本实施例提供另一种包含信号增益功能的收发同轴芯片，如图9所示，该光收发芯片至少包括：
输入耦合器1、本振/信号分束器2、信号输出/输入耦合器300、混频器5、以及光放大器6、分束器7；除此之外，该光收发芯片还可以包含基于上述相同原理设计的用于实现双偏振模式检测功能的各偏振相关器件或偏振无关器件，因此图9中以虚线标注、此处不再重复描述；
其中，输入耦合器1用于将光源信号耦合输入至光收发芯片；
本振/信号分束器2用于将耦合输入至光收发芯片的光源信号分束为本振信号和光信号输出(output_1)，其分光比可以根据实际需求进行设计；
信号输出/输入耦合器300用于光信号输出(output_1)和光信号输入(input_2)的同轴收发；
在本实施例中，光信号输入(input_2)包含TE模式和TM模式；
混频器5及用于实现双偏振模式检测功能的各器件用于实现与上文相同或相似的功能，此处不再重复描述；
在与本振/信号分束器2与信号输出/输入耦合器300之间顺次增加分束器7和光放大器6；
分束器7的具体形式可以是1x2或2x2等分束比功率分束器、或偏振分束旋转器(PSR)；
光放大器6的具体形式可以是片上参量光放大器、或片上掺铒光放大器、或混合封装的SOA增益芯片(同MOSPA)；
作为一种优选实施方式，光放大器6与信号输出/输入耦合器300的顺序可以互换；
作为另一种优选实施方式，光放大器6与分束器7的顺序可以互换。
在本实施例中，光放大器6可对输出与输入信号进行双向放大，且收发光路损耗具有低损耗(相对于功率分束器方案)，使得进入混频器的光信号增益最大化且损耗最小化。
【实施例八】
本实施例提供一种包含电路部分和光路部分的调频连续波激光雷达系统，如图10-1所示，该电路部分，即信号处理装置30可以包括：
光电探测器301(BP)，用于获取由调频连续波激光雷达的光路部分输出的拍频信号，并将拍频信号转换成电流信号；
跨阻放大器302(TIA)，用于将电流信号转换为拍频模拟电压信号；
预处理单元303，用于将拍频模拟电压信号转换为数字信号；
计算单元304，用于检测数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到拍频信号的频率。
该系统还包括如上文记载的任意光收发芯片，用于执行光路部分相应操作，此处不再重复赘述。
本实施例提供另一种用于调频连续波激光雷达的信号处理装置，该信号处理装置可以包括：
平衡光电探测器，接收同一光路的第一拍频信号和第二拍频信号，基于第一拍频信号和第二拍频信号，生成电流信号；其中，第一拍频信号和第二拍频信号经设计为：直流分量相等、交流分量相差180度相位、频率相同；
跨阻放大器(TIA)，用于将电流信号转换为拍频模拟电压信号；
放大电路，用于对拍频模拟电压信号进行信号放大；
滤波电路，用于对放大后的拍频模拟电压信号进行滤波处理；
峰值检测电路，用于检测得到滤波处理后的拍频模拟电压信号的峰值包络；
高速比较电路，用于基于拍频模拟电压信号的峰值包络，提取得到数字信号；
计算单元，用于检测数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到拍频信号的频率。
具体的，高速比较电路可以基于拍频模拟电压信号的峰值包络，提取数字信号，比如高于包络的90％，比较出1，否则为0。
具体的，计算单元可以基于数字信号预设周期内的高低电平变化状态，利用傅里叶算法,计算得到拍频信号的频率，还可以基于直方图计算得到拍频信号的频率。
优选的，该信号处理装置30还可以包括：点云处理单元310，用于对拍频信号的频率、激光雷达转镜角度x及y个拍频信号进行匹配，并生成点云信息；在生成点云信息之后，点云处理单元310还可以根据点云帧同步信号开始下一帧点云处理。
该系统还包括如上文记载的任意光收发芯片，用于执行光路部分相应操作，此处不再重复赘述。
经申请人测试，在本实施例中，利用高低电平的数据流通过FFT计算，可以提供接近ADC+傅立叶变换的性能，但硬件成本、体积、功耗却大幅度降低。
为了进一步降低计算量和系统功耗，本发明优选采用直方图方案计算拍频信号的频率，如图10-2所示，该多路FMCW激光雷达系统包括
平衡光电探测器(BPD)，接收同一光路的第一拍频信号和第二拍频信号，基于第一拍频信号和第二拍频信号，生成电流信号；其中，第一拍频信号和第二拍频信号经设计为：直流分量相等、交流分量相差180度相位、频率相同；
跨阻放大器(TIA)，用于将电流信号转换为拍频模拟电压信号；
放大电路，用于对拍频模拟电压信号进行信号放大；
滤波电路，用于对放大后的拍频模拟电压信号进行滤波处理；
峰值检测电路，用于检测得到滤波处理后的拍频模拟电压信号的峰值包络；
高速比较电路，用于基于拍频模拟电压信号的峰值包络，提取得到数字信号；
FPGA，用于基于数字信号预设周期内的高低电平变化状态，生成直方图，基于直方图计算得到拍频信号的频率。
具体的，FPGA具体用于执行以下步骤：
参见图10-3，步骤S1：在初始化之后开始检测扫描同步点信号，当检测到本轮扫描同步点信号开始时刻，继续执行步骤S2，否则，继续检测扫描同步点信号；
步骤S2：对FPGA内部的N个存储单元(例如随机存取存储器，RAM)进行初始化；
步骤S3：FPGA以预设周期(如2ns)检测IO的0/1状态；
步骤S4：统计相邻两上升沿间隔周期个数K，并记录到第K个RAM中(值+1)，其中N≥K、且N和K均为大于0的整数；
步骤S5：检测扫描同步点信号是否结束，若未结束，则返回执行步骤S3，若结束，则继续执行步骤S6。
步骤S6：提取N个RAM中存储的数值，形成直方图；例如可以基于滑动平均，质心运算等方式；
步骤S7：计算直方图中心位置值，得到信号频率f；
步骤S8：基于信号频率f与拍频信号(拍频模拟信号)，将拍频信号的频率和转镜角度x及第y个拍频模拟信号作对应，以便PC端在该方向上绘制点云。
综上所述，本发明同时对调频连续波激光雷达的电路部分和光路部分进行改进，解决多路FMCW场景下的并行采集和计算困难的问题，并进一步解决调频连续波激光雷达系统的偏振不稳定的问题。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (11)
1.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：
光收发芯片，将光源输入的光信号耦合输出，并接收经待测目标返回的、包含两个不同偏振模式的光信号输入，对所述光信号输入中的不同偏振模式进行双偏振模式检测和混频处理，基于两个方向的偏振光进行混频输出；
信号处理装置，接收所述光收发芯片输出的拍频信号，将所述拍频信号转换成电流信号；将所述电流信号转换为拍频模拟电压信号；将所述拍频模拟电压信号转换为数字信号；检测所述数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到所述拍频信号的频率。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，
所述光收发芯片通过不同光路分别向待测目标发射光信号输出和接收返回的光信号输入；
所述光收发芯片具体用于，对返回光路中的光信号输入进行TE模式和TM模式的双偏振模式检测处理，并将处理后的光信号与对应模式的本振信号进行混频输出至所述信号处理装置。
3.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光收发芯片具体用于：
将返回光路中的光信号输入中包含的两个不同偏振模式处理为仅包含单一偏振模式的多路光信号，并分别与对应模式的本振信号进行混频输出至所述信号处理装置；
或者，将本振信号处理为包含有两个不同偏振模式的本振信号，并与返回光路中的光信号输入进行混频输出至所述信号处理装置。
4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光收发芯片至少包括以下的任意一个或多个的组合：偏振旋转器、偏振分束器、偏振分束旋转器、偏振无关器件，用于对返回光路中的光信号输入进行双偏振模式检测处理、和/或对本振信号进行偏振模式处理。
5.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光收发芯片还包括混频器；
所述光收发芯片，具体用于将返回光路中的光信号输入进行偏振分离为两路光信号，并将其中一路的TM模式转换为TE模式输出至混频器，所述混频器将两路包含TE模式的光信号与等分为两路的本振信号进行混频并输出四路混频信号；
或者，所述光收发芯片，具体用于将返回光路中的光信号输入进行分束为一路包含TE模式的光信号和另一路包含TM模式的光信号，并将分束后的两路光信号输出至混频器，所述混频器将本振信号处理为一路包含TE模式的本振信号和另一路包含TM模式的本振信号，混频并输出四路混频信号；
或者，所述光收发芯片，具体用于将返回光路中的光信号输入耦合输入至具有偏振无关特性的混频器，所述偏振无关混频器将处理为包含有等功率TE模式和TM模式的本振信号与所述光信号输入进行混频输出两路混频信号，以使TE模式和TM模式分别实现相对相位180度的混频。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光收发芯片通过相同或不同光路分别向待测目标发射光信号输出和接收返回的光信号输入；
光放大器，设置于返回光路和/或发射光路中，用于对返回光和/或发射光进行单向或双向放大；
其中，所述光放大器为片上参量光放大器、片上掺铒光放大器或混合封装的SOA增益芯片中的任意一种或多种的组合。
7.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置至少包括：
一组或多组平衡光电探测器，接收所述光收发芯片输出的多路拍频信号，基于差分技术将所述多路拍频信号进行光电转换，生成电流信号；其中，输出至同一组平衡光电探测器的两路拍频信号为：直流分量相等、交流分量相差180度相位、频率相同；
跨阻放大器，用于将所述电流信号转换为拍频模拟电压信号；
预处理单元，用于将所述拍频模拟电压信号转换为数字信号；
计算单元，用于检测所述数字信号的高低电平状态，并基于高低电平变化状态，计算得到所述拍频信号的频率。
8.根据权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述预处理单元包括：
放大电路，用于对所述拍频模拟电压信号进行信号放大；
滤波电路，用于对放大后的拍频模拟电压信号进行滤波处理；
峰值检测电路，用于检测得到滤波处理后的拍频模拟电压信号的峰值包络；
高速比较电路，用于基于所述拍频模拟电压信号的峰值包络，提取得到所述数字信号。
9.根据权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述计算单元具体为傅里叶计算单元或者现场可编程门阵列；
所述傅里叶计算单元，具体用于基于所述数字信号在预设周期内的高低电平变化状态，利用傅里叶算法计算得到拍频信号的频率；
所述现场可编程门阵列，具体用于基于数字信号预设周期内的高低电平变化状态，生成直方图，基于直方图计算得到拍频信号的频率。
10.根据权利要求9所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述现场可编程门阵列具体用于：
检测到扫描点同步信号开始时刻，对所述现场可编程门阵列内部的N个存储单元进行初始化；
以预设周期检测数字信号的高低电平变化状态；
记录所述数字信号上次由0变1到本次由0变1所经历的周期数K，记录到第K个存储单元中；
检测到本轮扫描点同步信号结束时刻，获取所述现场可编程门阵列内部所有N个存储单元的取值，形成直方图；
计算所述直方图的中心位置值，作为信号周期，计算得到拍频信号的频率。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述信号处理装置还包括：
点云处理单元，用于对所述拍频信号的频率、激光雷达转镜角度x及y个拍频信号进行匹配，并生成点云信息；
所述计算单元还用于接收点云帧同步信号，在生成点云信息之后，根据所述点云帧同步信号开始下一帧点云处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311672814.5A CN117724078A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种调频连续波调频连续波激光雷达 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311672814.5A CN117724078A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种调频连续波调频连续波激光雷达 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN117724078A true CN117724078A (zh) | 2024-03-19 |
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ID=90199081
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202311672814.5A Pending CN117724078A (zh) | 2023-12-06 | 2023-12-06 | 一种调频连续波调频连续波激光雷达 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
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2023
- 2023-12-06 CN CN202311672814.5A patent/CN117724078A/zh active Pending
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