CN118311545A - 一种激光雷达 - Google Patents

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陈海明
徐洋
代西明
尚雪辉
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Abstract

本申请提供一种激光雷达，激光雷达包括测量光路系统、校正光路系统以及信号处理器。测量光路系统包括测量光路以及第一探测器，校正光路系统包括校正光路以及第二探测器；光源用于输出调频连续波，调频连续波分为第一光信号和第二光信号；第一光信号用于经过测量光路以及探测区域后形成回波信号，第一探测器用于探测回波信号；第二光信号用于经过校正光路后形成校正信号，第二探测器用于探测校正信号；信号处理器用于根据校正信号确定调频带宽，从而确定准确的调频带宽，再根据调频带宽以及回波信号，确定探测区域的目标物的距离，进而提高了测距精度。

Description

一种激光雷达
技术领域
本申请属于激光应用领域，尤其涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达能够实现目标探测、跟踪和成像识别能功能，可应用于智能交通、自动驾驶、大气环境监测、地理测绘、无人机等领域。采用调频连续波(Frequency ModulatedContinuous Wave，FMCW)技术的激光雷达在计算目标物的距离时，需要确定FMCW的调频带宽。
激光器输出的FMCW通过驱动电流控制，由于激光器对电流变化比较敏感，在激光器的驱动电路受到其他因素影响时，FMCW的调制带宽会发生改变，进而影响激光雷达的测距精度。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种激光雷达，用于解决现有技术中激光雷达测距精度不高的问题。
本申请实施例提供了一种激光雷达，包括：光源、测量光路系统、校正光路系统以及信号处理器；所述测量光路系统包括测量光路以及第一探测器，所述校正光路系统包括校正光路以及第二探测器；所述光源用于输出调频连续波，所述调频连续波分为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号用于经过所述测量光路以及探测区域后形成回波信号，所述第一探测器用于探测所述回波信号；所述第二光信号用于经过所述校正光路后形成校正信号，所述第二探测器用于探测所述校正信号；所述信号处理器用于根据所述校正信号确定调频带宽，再根据所述调频带宽以及所述回波信号，确定所述探测区域的目标物的距离。
在一实施例中，所述激光雷达还包括光开关，所述光开关用于将所述调频连续波分为所述第一光信号和所述第二光信号；所述光开关还用于在所述信号处理器确定所述调频带宽后，断开与所述校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，所述光开关还用于在检测到温度变化量大于第一阈值时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，所述光开关还用于在检测所述光源的输出功率的功率变化量大于第二阈值时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，所述光开关还用于在检测到所述光源的运行时长大于预设时长时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，所述光开关还用于在检测到所述激光雷达启动的情况下，接通与所述校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，所述测量光路系统还包括参考光路，所述第一光信号分为测量光信号以及参考光信号，所述测量光信号经过所述测量光路以及所述探测区域后形成所述回波信号，所述回波信号与所述参考光信号在所述第一探测器的光敏面发生干涉。
在一实施例中，所述测量光路包括第一耦合器以及环形器，所述第一耦合器用于将所述第一光信号分为所述测量光信号以及所述参考光信号，所述测量光信号经过所述环形器后射向所述探测区域，经所述探测区域反射后得到所述回波信号，所述回波信号经过所述环形器后与所述参考光信号发生干涉。
在一实施例中，所述校正光路包括干涉仪，所述校正信号为所述干涉仪输出的第二干涉信号。
在一实施例中，所述干涉仪用于根据测量范围的变化信息调整臂长差。
本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：激光雷达包括测量光路系统、校正光路系统以及信号处理器。测量光路系统包括测量光路以及第一探测器，校正光路系统包括校正光路以及第二探测器；光源用于输出调频连续波，调频连续波分为第一光信号和第二光信号；第一光信号用于经过测量光路以及探测区域后形成回波信号，第一探测器用于探测回波信号；第二光信号用于经过校正光路后形成校正信号，第二探测器用于探测校正信号；信号处理器用于根据校正信号确定调频带宽，从而确定准确的调频带宽，再根据调频带宽以及回波信号，确定探测区域的目标物的距离，进而提高了测距精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本申请一实施例提供的激光雷达进行测距的原理图；
图2是本申请一实施例提供的激光雷达的结构图；
图3是本申请一实施例提供的激光雷达的示意图；
图4是本申请一实施例提供的激光雷达的工作流程图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
采用FMCW技术的激光雷达，一般是激光雷达发射调频连续波，调频连续波被目标物反射得到回波信号，通过测量目标物的回波信号与参考光信号的拍频信号的频率，进而确定目标物的距离与速度。
示例性地，如图1所示，波形11和波形12分别表示回波信号和参考光信号，波形13表示拍频信号，通过确定回波信号和参考光信号的频率差(即拍频信号的频率)，再根据公式计算目标物的距离，其中，R表示距离，c表示光速，T表示调频信号的周期，B表示调频带宽，fa表示上升沿区间的回波信号和参考光信号的频率差，fb表示下降沿区间的回波信号和参考光信号的频率差。
在理想情况下，回波信号和参考光信号的频率差被准确识别的情况下，激光雷达就可以达到很高的测距精度。但是实际应用中，激光雷达的激光器输出的调频信号是通过驱动电流控制的，调频信号的调频带宽是通过激光驱动电流或者信号发生器(DirectDigital Synthesis，DDS)电路控制的，对电路以及环境的变化比较敏感。
对上述计算距离的公式求导得到可以看出，随着距离的增加，频率差f增加，调频带宽B偏移会导致测距准度降低。
为此，本申请提供一种激光雷达，通过引入校正电路确定调频带宽，从而可以得到准确的调频带宽，之后再根据调频带宽以及回波信确定探测区域的目标物的距离，提高了测距精度。
下面对本申请提供的激光雷达进行示例性说明。
请参阅附图2，本申请提供的激光雷达包括光源21、测量光路系统22、校正光路系统23以及信号处理器24。测量光路系统22包括测量光路221以及第一探测器222，校正光路系统23包括校正光路231以及第二探测器232。光源21用于输出调频连续波，调频连续波分为第一光信号和第二光信号。第一光信号用于经过测量光路221以及探测区域后形成回波信号，第一探测器222用于探测回波信号。第二光信号用于经过校正光路231后形成校正信号，第二探测器232用于探测校正信号。信号处理器24用于根据校正信号确定调频带宽，再根据调频带宽以及回波信号，确定探测区域的目标物的距离。
具体地，校正信号可以是拍频信号，信号处理器根据公式确定调频带宽，其中，B表示调频带宽，L表示校正信号对应的测量距离(例如干涉仪的臂长差)，fb1表示拍频信号的频率。在确定调频带宽后，即可根据调频带宽确定目标物的距离，同时，也可以确定目标物的速度。
上述实施例中，通过将部分调频连续波输入校正光路得到校正信号，根据校正信号确定调频带宽，从而可以得到准确的调频带宽，再根据调频带宽以及回波信号确定目标物的距离，提高了测距精度。
在一实施例中，测量光路系统还包括参考光路，第一光信号分为测量光信号以及参考光信号，测量光信号经过测量光路以及探测区域后形成回波信号，回波信号与参考光信号在第一探测器的光敏面发生干涉。第一探测器接收回波信号与参考光信号的干涉信号，将干涉信号发送至信号处理器，信号处理器再根据干涉信号的频率以及调频带宽确定目标物的距离，通过测量参考光信号与回波信号的干涉信号来确定目标物的距离，提高了得到的距离的准确度。
在一实施例中，如图3所示，测量光路包括第一耦合器以及环形器，第一耦合器用于将第一光信号分为测量光信号以及参考光信号，测量光信号经过环形器后射向探测区域，经探测区域反射后得到回波信号，回波信号经镜头收集后进入环形器，经过环形器后与参考光信号发生干涉，第一探测器再接收干涉信号。
在一实施例中，测量光路还包括第二耦合器，回波信号与参考光信号先经过第二耦合器合并后，再在第一探测器的光敏面发生干涉。其中，第一探测器可以为平衡探测器。
在一实施例中，校正光路包括干涉仪(例如MZI干涉仪)，校正信号为干涉仪输出的干涉信号，干涉仪的臂长差已经经过精确标定，且在进行校正过程中臂长差保持不变，根据校正信号可以得到准确的调频带宽。
在一实施例中，干涉仪的臂长差可以改变，干涉仪用于根据测量范围的变化信息调整臂长差。例如，干涉仪根据激光雷达的应用场景、当前的环境信息或者信号处理器得到的距离信息调整臂长差，从而使得臂长差与调频带宽相适应，进一步提高得到的调频带宽的准确度。
在一实施例中，如图3所示，校正光路还包括第三耦合器和第四耦合器，第二光信号被第三耦合器分为两路光信号，其中一路光信号经过干涉仪后与另一路光信号在第四耦合器内合并，之后在第二探测器的光敏面发生干涉，第二探测器接收干涉信号。其中，第二探测器可以为平衡探测器。
在一实施例中，激光雷达还包括光开关，光开关用于将光源输出的调频连续波分为第一光信号和第二光信号，第一光信号和第二光信号分别进入测量光路以及校正光路，完成目标物的距离的测量。
其中，光开关还用于在信号处理器确定调频带宽后，断开与校正光路系统的光路连接，从而可以在准确确定调频带宽的同时，避免测量光路的光信号损失，进而提高目标探测精度。
在一实施例中，光开关还用于在检测到温度变化量大于第一阈值时，接通与校正光路系统的光路连接，从而使信号处理器根据校正光路的校正信号确定调频带宽，再根据调频带宽确定目标物的距离，从而可以降低温度变化所引起的调频带宽的偏移对测距精度的影响。
在一实施例中，光开关还用于在检测到光源的输出功率的功率变化量大于第二阈值时，接通与校正光路系统的光路连接，从而使信号处理器根据校正光路的校正信号确定调频带宽，再根据调频带宽确定目标物的距离。光源的输出功率的功率变化量大于第二阈值时，说明激光器发生老化，调频带宽发生的偏移，因此，此时接通校正光路，得到准确的调频带宽，可以提高激光雷达的测距精度。
在一实施例中，光开关还用于在检测到光源的运行时长大于预设时长时，接通与校正光路系统的光路连接，从而使信号处理器根据校正光路的校正信号确定调频带宽，再根据调频带宽确定目标物的距离，从而可以在调频带宽发生变化时得到准确的调频带宽，进而提高测距精度。其中，预设时长可以根据具体的使用环境确定，例如在测距精度更高的场景下，预设时长更短。例如，预设时长为1小时，则光开关每隔一小时与校正光路系统接通，从而使信号处理器确定准确的调频带宽，在确定调频带宽后再断开与校正光路系统的光路连接。
在一实施例中，光开关还用于在检测到激光雷达启动的情况下，接通与校正光路系统的光路连接，从而可以在得到准确的调频带宽的情况下，再进行目标物的探测，进而提高了测距精度。
在一实施例中，光源是可调谐激光器，可以直接输出调频连续波。
在一实施例中，激光雷达还包括隔离器，光源输出的调频连续波经过隔离器后进入光开关，从而可以降低系统干扰。
在一实施例中，激光雷达的工作流程如图4所示。
激光雷达启动后，光开关接通校正光路系统，信号处理器根据校正信号确定调频带宽。之后，光开关断开与校正光路系统的光路连接，激光雷达根据调频带宽以及接收的回波信号确定目标物的距离。
在工作一段时间后，光开关确定是否满足接通条件，在确定满足接通条件时，光开关接通校正光路系统，信号处理器根据校正信号确定调频带宽。在确定调频带宽后，光开关断开与校正光路系统的光路连接。
具体地，光开关在确定温度变化量大于第一阈值，或者在确定光源的输出功率的功率变化量大于第二阈值，或者在确定光源的运行时长大于预设时长时，确定满足接通条件，接通校正光路系统。
上述实施例中，激光雷达包括测量光路系统、校正光路系统以及信号处理器。测量光路系统包括测量光路以及第一探测器，校正光路系统包括校正光路以及第二探测器；光源用于输出调频连续波，调频连续波分为第一光信号和第二光信号；第一光信号用于经过测量光路以及探测区域后形成回波信号，第一探测器用于探测回波信号；第二光信号用于经过校正光路后形成校正信号，第二探测器用于探测校正信号；信号处理器用于根据校正信号确定调频带宽，从而确定准确的调频带宽，再根据调频带宽以及回波信号，确定探测区域的目标物的距离，进而提高了测距精度。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：光源、测量光路系统、校正光路系统以及信号处理器；所述测量光路系统包括测量光路以及第一探测器，所述校正光路系统包括校正光路以及第二探测器；所述光源用于输出调频连续波，所述调频连续波分为第一光信号和第二光信号；所述第一光信号用于经过所述测量光路以及探测区域后形成回波信号，所述第一探测器用于探测所述回波信号；所述第二光信号用于经过所述校正光路后形成校正信号，所述第二探测器用于探测所述校正信号；所述信号处理器用于根据所述校正信号确定调频带宽，再根据所述调频带宽以及所述回波信号，确定所述探测区域的目标物的距离。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括光开关，所述光开关用于将所述调频连续波分为所述第一光信号和所述第二光信号；所述光开关还用于在所述信号处理器确定所述调频带宽后，断开与所述校正光路系统的光路连接。
3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述光开关还用于在检测到温度变化量大于第一阈值时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
4.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述光开关还用于在检测所述光源的输出功率的功率变化量大于第二阈值时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
5.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述光开关还用于在检测到所述光源的运行时长大于预设时长时，接通与所述校正光路系统的光路连接。
6.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述光开关还用于在检测到所述激光雷达启动的情况下，接通与所述校正光路系统的光路连接。
7.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述测量光路系统还包括参考光路，所述第一光信号分为测量光信号以及参考光信号，所述测量光信号经过所述测量光路以及所述探测区域后形成所述回波信号，所述回波信号与所述参考光信号在所述第一探测器的光敏面发生干涉。
8.如权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述测量光路包括第一耦合器以及环形器，所述第一耦合器用于将所述第一光信号分为所述测量光信号以及所述参考光信号，所述测量光信号经过所述环形器后射向所述探测区域，经所述探测区域反射后得到所述回波信号，所述回波信号经过所述环形器后与所述参考光信号发生干涉。
9.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述校正光路包括干涉仪，所述校正信号为所述干涉仪输出的干涉信号。
10.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述干涉仪用于根据测量范围的变化信息调整臂长差。
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