CN211698206U

CN211698206U - 一种激光雷达

Info

Publication number: CN211698206U
Application number: CN201921930647.9U
Authority: CN
Inventors: 梁炳寅; 疏达; 李�远
Original assignee: Benewake Beijing Co Ltd
Current assignee: Benewake Beijing Co Ltd
Priority date: 2019-11-09
Filing date: 2019-11-09
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2029-11-09

Abstract

本说明书实施例提供了一种激光雷达，至少包括：调制模块、分路处理模块、以及信号处理模块；其中，调制模块包括：调制信号产生电路和光源调制器；调制信号产生电路用于将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号；光源调制器用于利用调制信号对光源进行调制，并加载于激光，得到激光信号；分路处理模块，用于对激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；信号处理模块包括：合束器和信号处理机；合束器用于将回波信号与接收本振信号进行混频处理，得到差频信号；信号处理机，用于基于差频信号计算得到目标物体的特征信息。

Description

一种激光雷达

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达探测领域，尤其涉及一种激光雷达及基于激光雷达的探测方法、存储介质。

背景技术

现有激光雷达，如激光雷达是通过发射光束来探测目标物体的特征信息的雷达系统；其工作原理是发射激光信号，然后将接收到的从目标物体反射回来的回波信号做适当处理后获得目标物体的特征信息，如目标物体的距离、目标物体的运动速度等。

但现有激光雷达对应的雷达系统不能对信号进行有效调制，抗干扰能力差；而且，现有利用激光雷达进行探测时，信号不具有相差性，对背景光的抑制能力较差。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种激光雷达及基于激光雷达的探测方法、存储介质，能够利用信号的相参性进行相干积累，对信号进行有效调制，如此，提高了抗干扰能力，以及提高了激光雷达的灵敏度。

本实用新型实施例提供一种激光雷达，至少包括：调制模块、分路处理模块、以及信号处理模块；其中，

所述调制模块至少包括：调制信号产生电路和光源调制器；所述调制信号产生电路用于将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号；所述光源调制器用于利用调制信号对光源进行调制，并加载于激光，得到激光信号；

所述分路处理模块，用于对所述激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；所述发射信号用于发射至所述激光雷达所能辐射到的目标区域；

所述信号处理模块至少包括：合束器和信号处理机；所述合束器用于将获取到的所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号与所述接收本振信号进行混频处理，得到差频信号；所述信号处理机，用于基于差频信号计算得到所述目标物体的特征信息。

本实用新型实施例中，所述激光雷达为线性调频连续波LFMCW固态面阵激光雷达。

本实用新型实施例中，所述信号处理模块还包括：面阵光电传感器；所述面阵光电传感器，用于对从所述合束器获取到的差频信号进行数字转换处理，以将数字转换处理后的差频信号传输至所述信号处理机。

本实用新型实施例中，所述信号处理机，还用于对差频信号进行时频域转换处理，并至少基于转换处理后的差频信号的频谱信息，计算得到所述目标物体的特征信息。

本实用新型实施例中，所述调制信号产生电路，包括：直接数字合成DDS电路、本振电路、以及变频电路；其中，

所述直接数字合成DDS电路，用于产生基带信号；所述本振电路，用于产生本振信号；所述变频电路，用于将所述基带信号与所述本振信号进行混频，产生调制信号。

本实用新型实施例中，所述直接数字合成DDS电路，还用于生成线性调制连续波，并将所述线性调制连续波作为基带信号。

本实用新型实施例中，所述直接数字合成DDS电路，还用于生成三角波基带信号或者锯齿波基带信号。

本实用新型实施例中，所述激光雷达还包括接收模块，用于接收所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号，以将所述回波信号传输至所述合束器。

本实用新型实施例所述的激光雷达，所述激光雷达至少包括：调制模块、分路处理模块、以及信号处理模块；其中，所述调制模块至少包括：调制信号产生电路和光源调制器；所述调制信号产生电路用于将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号；所述光源调制器用于利用调制信号对光源进行调制，并加载于激光，得到激光信号；所述分路处理模块，用于对所述激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；所述发射信号用于发射至所述激光雷达所能辐射到的目标区域；所述信号处理模块至少包括：合束器和信号处理机；所述合束器用于将获取到的所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号与所述接收本振信号进行混频处理，得到差频信号；所述信号处理机，用于基于差频信号计算得到所述目标物体的特征信息。如此，能够利用信号的相参性进行相干积累，对信号进行有效调制，提高了抗干扰能力，以及提高了激光雷达的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的探测方法的实现流程示意图一。

图2为本实用新型实施例提供的激光雷达的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的探测方法的实现流程示意图二。

图4为本实用新型实施例在一具体应用场景中的组件结构示意图。

图5为本实用新型实施例LFMCW工作原理示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本说明书实施例的技术方案做详细的说明，应当理解本说明书实施例以及实施例中的具体特征是对本说明书实施例技术方案的详细的说明，而不是对本说明书技术方案的限定，在不冲突的情况下，本说明书实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本实用新型实施例提供一种基于激光雷达的探测方法，具体地，实际应用中，所述激光雷达为线性调频连续波(LFMCW，frequency modulated continues wave)激光雷达，或者，所述激光雷达为LFMCW固态面阵激光雷达。

这里，本实用新型实施例所述的探测方法能够在线性扫频周期内发射频率变化的连续波，发射信号被目标物体反射后的回波信号与所述发射信号之间存在一定的频率差，如此，通过测量频率差即可获得目标物体与激光雷达之间的特征信息，如距离信息和径向速度信息等。

本实用新型实施例所述的探测方法采用线性调频连续波机制，接收通道能够利用信号的相参性进行相干积累，如此，提高了信号处理增益，提高了接收通道的灵敏度，降低了发射功率。同时，本实用新型实施例所述的方法利用回波信号的相参性，还可对太阳光等背景噪声进行抑制，进而提升对背景光的抑制能力，提高了激光雷达的户外探测能力。

而且，本实用新型实施例所述方法能够产生带宽线性调制扫频信号，如利用直接数字合成(DDS，Direct Digital Synthesizer)电路产生三角波或者锯齿波基带信号，如此，保证了调频线性度调频线性度，灵活实现变频和调频，提升了系统的抗干扰能力，提高了多台实施本实用新型实施例所述方法的激光雷达使用时的并发处理能力。

进一步地，本实用新型实施例所述的方法应用于LFMCW固态面阵激光雷达后，发射信号的平均功率等于峰值功率，而且只需采用小功率的器件即可实现，因此，具有结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点。

具体地，图1为本实用新型实施例提供的基于激光雷达的探测方法的实现流程示意图，如图1所示，所述探测方法包括：

步骤101：将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号。

在一具体示例中，所述步骤101可以具体为：利用DDS电路生成线性调制连续波，并将所述线性调制连续波作为基带信号。进一步地，所述步骤101利用DDS电路产生三角波基带信号或者锯齿波基带信号。

实际应用中，所述本振信号可由本振电路产生。

步骤102：对所述调制信号进行调制并加载于激光，得到激光信号。

步骤103：对所述激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；所述发射信号用于发射至所述激光雷达所能辐射到的目标区域。

比如，DDS电路产生的基带信号与本振信号进行混频后，产生调制信号，对光源进行调制，并将调制信号加载于激光，完成光源的调制，并得到激光信号；随后，对激光信号进行分路，一路作为发射信号，向所覆盖的空域进行辐射，另一路作为接收信号的接收本振信号。

步骤104：将获取到的所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号与所述接收本振信号进行混频处理，以至少基于混频处理后得到的差频信号计算得到所述目标物体的特征信息。

本实用新型实施例中，目标物体是指出现在激光雷达的测量范围内的物体。

这里，所述回波信号为所述发射信号经由目标物体后被反射回的信号。

本实用新型实施例中，混频产生的差频信号的频率与探测距离线性相关，如此，通过后端处理进行时频域转换，即可计算出目标物体的特征信息，如距离和速度等。

实际应用中，所述激光雷达将所述回波信号与所述接收本振信号进行外差处理产生差频信号，对差频信号进行数字化处理，如进行数字转换处理，以及进行时频域转换处理，进而至少基于转换处理后的差频信号的频谱信息，计算得到所述目标物体的特征信息。比如，在一具体示例中，混频处理得到差频信号后，进行低通滤波，将滤波后的差频信号经过模数转换器(ADC，Analog-to-Digital converter)转换成数字信号，并经快速傅氏算法(FFT，Fast Fourier Transformation)进行时频域转换，进而基于转换后信号的频谱信息，计算出差频信号的频点和多普勒频移，从而求出目标物体的距离和速度。

这样，本实用新型实施例所述的探测方法能够在线性扫频周期内发射频率变化的连续波，发射信号被目标物体反射后的回波信号与所述发射信号之间存在一定的频率差，如此，通过测量频率差即可获得目标物体与激光雷达之间的特征信息，如距离信息和径向速度信息等。

而且，本实用新型实施例所述的探测方法采用线性调频连续波机制，接收通道能够利用信号的相参性进行相干积累，如此，提高了信号处理增益，提高了接收通道的灵敏度，降低了发射功率。同时，利用回波信号的相参性，还可对太阳光等背景噪声进行抑制，进而提升对背景光的抑制能力，提高了激光雷达的户外探测能力。

进一步地，本实用新型实施例所述方法能够产生带宽线性调制扫频信号，如利用DDS电路产生三角波或者锯齿波基带信号，如此，保证了调频线性度调频线性度，灵活实现变频和调频，提升了系统的抗干扰能力，提高了多台实施本实用新型实施例所述方法的激光雷达使用时的并发处理能力。

基于与上述方法实施例同样的实用新型构思，本实用新型实施例提供一种激光雷达，如图2所示，所述激光雷达至少包括：调制模块21、分路处理模块22、以及信号处理模块23；其中，

所述调制模块21至少包括：调制信号产生电路和光源调制器；所述调制信号产生电路用于将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号；所述光源调制器用于利用调制信号对光源进行调制，并加载于激光，得到激光信号；

所述分路处理模块22，用于对所述激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；所述发射信号用于发射至所述激光雷达所能辐射到的目标区域；所述分路处理模块可通过分束器实现。

所述信号处理模块23至少包括：合束器和信号处理机；所述合束器用于将获取到的所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号与所述接收本振信号进行混频处理，得到差频信号；所述信号处理机，用于基于差频信号计算得到所述目标物体的特征信息。

在一具体示例中，所述激光雷达为线性调频连续波LFMCW固态面阵激光雷达。这样，本实用新型实施例采用LFMCW固态面阵激光雷达后，发射信号的平均功率等于峰值功率，而且只需采用小功率的器件即可实现，因此，具有结构相对简单、尺寸小、重量轻以及成本低等优点。而且，还具有抗干扰能力强和高分辨率的特点，且不具有任何机械转动部件，稳定性强，适用于量产。

实际应用中，本实施例中，所述激光雷达还包括发射模块，用于将发射信号向所覆盖的空域进行辐射。具体地，所述发射模块可由发射天线来实现。

进一步地，所述激光雷达还包括接收模块，用于接收所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号，以将所述回波信号传输至所述合束器。这里，所述回波信号为所述发射信号经由目标物体后被反射回的信号；所述目标物体是指出现在激光雷达的测量范围内的物体。

具体地，所述接收模块可由接收天线来实现。

在一具体示例中，所述信号处理模块23还包括：面阵光电传感器；所述面阵光电传感器，用于对从所述合束器获取到的差频信号进行数字转换处理，以将数字转换处理后的差频信号传输至所述信号处理机。

在一具体示例中，所述信号处理机，还用于对差频信号进行时频域转换处理，并至少基于转换处理后的差频信号的频谱信息，计算得到所述目标物体的特征信息。

在一具体示例中，所述调制信号产生电路，包括：直接数字合成DDS电路、本振电路、以及变频电路；其中，所述直接数字合成DDS电路，用于产生基带信号；所述本振电路，用于产生本振信号；所述变频电路，用于将所述基带信号与所述本振信号进行混频，产生调制信号。实际应用中，所述变频电路为上变频电路，比如，用于将DDS电路产生三角波基带信号或者锯齿波基带信号与本振信号进行上变频处理。

在另一具体示例中，所述直接数字合成DDS电路，还用于生成线性调制连续波，并将所述线性调制连续波作为基带信号；具体地，所述直接数字合成DDS电路，还用于生成三角波基带信号或者锯齿波基带信号。

这样，本实用新型实施例所述的激光雷达能够在线性扫频周期内发射频率变化的连续波，发射信号被目标物体反射后的回波信号与所述发射信号之间存在一定的频率差，如此，通过测量频率差即可获得目标物体与激光雷达之间的特征信息，如距离信息和径向速度信息等。

而且，本实用新型实施例所述的激光雷达采用线性调频连续波机制，接收通道能够利用信号的相参性进行相干积累，如此，提高了信号处理增益，提高了接收通道的灵敏度，降低了发射功率。同时，利用回波信号的相参性，还可对太阳光等背景噪声进行抑制，进而提升对背景光的抑制能力，提高了激光雷达的户外探测能力。

进一步地，本实用新型实施例所述激光雷达能够产生带宽线性调制扫频信号，如利用DDS电路产生三角波或者锯齿波基带信号，如此，保证了调频线性度调频线性度，灵活实现变频和调频，提升了系统的抗干扰能力，提高了多台实施本实用新型实施例所述方法的激光雷达使用时的并发处理能力。

这里需要指出的是：以上装置实施例项的描述，与上述方法描述是类似的，具有同方法实施例相同的有益效果，因此不做赘述。对于本实用新型装置实施例中未披露的技术细节，本领域的技术人员请参照本实用新型方法实施例的描述而理解，为节约篇幅，这里不再赘述。

以下结合对本实用新型实施例做进一步详细说明。如图3和图4所示，本实用新型实施例所述的探测方法包括：

步骤301：DDS电路11生成三角波或者锯齿波基带信号。

实际应用中，DDS电路生成的三角波或者锯齿波基带信号还同步发送至信号处理机13，以便于信号处理机13根据同步的基带信号对差频信号进行时频域转换处理。

步骤302：DDS电路11产生的基带信号与本振电路10产生的本振信号进行混频，比如，利用上变频电路9进行上变频处理，产生调制信号。

步骤303：基于光源调制器2，采用调制信号对光源1进行调制，并将调制信号加载于光源1，完成光源1的调制，得到激光信号。

步骤304：所述激光信号通过分束器3进行分路处理，得到两路信号，分别为发射信号，以及作为接收信号的接收本振信号。

具体地，作为发射信号的一路通过扩束器4处理后传输至发射天线5，以辐射到激光雷达所覆盖的空域。另一路，作为接收本振信号，送往接收通道的合束器7。具体地，实际应用中，在作为接收本振信号的一路信号送往合束器7之前，还可以经由扩束器8处理后，进而将扩束器8处理后的信号发送至合束器7。

这里，需要说明的是，图4中给出的组件示意图并非用于限制本实用新型实施例，实际应用中，还可以根据实际场景需求，以及信号处理需求，或者组件处理能力而增减。

步骤305：发射信号遇到目标物体后反射回回拨信号，接收天线6接收到所述回波信号。

步骤306：所述回波信号通过合束器7与步骤304分路后得到的接收本振信号进行混频，如进行下变频，产生差频信号，该差频信号经由面阵光电传感器12进行数字化转换，转换后送入信号处理机12。

步骤307：信号处理机12根据DDS电路11同步的三角波或者锯齿波基带信号，对步骤305处理后的差频信号进行时频域转换，得到差频信号的频谱信息，计算出差频信号的频点和多普勒频移，从而求出目标物体的距离和速度。

以下为详细介绍基于计算目标物体的距离的具体方法，如图5所示，具体计算方法包括：

对于远离激光雷达的目标物体，回波信号与接收本振信号混频之后的中频信号在t₁～t₂的频率值为f_b+＝f₀-f_d，以及在t₃～t₄的频率值为f_b-＝f₀+f_d，计算可得实际差频频率f₀和多普勒频率f_d，从而得出目标物体的距离和运动速度。

以计算距离为例，假设DDS产生的三角波基带信号的调频斜率为：(f_H-f_L)/T，则发射信号经目标物体反射之后被接收天线接收所需经过的时间△t为：

基于上述公式(1)可以计算得到目标物体的距离为：

其中，上述公式中，T表征调制周期，c表征光速。同理，可基于类似原理进一步计算出目标物体的速度，本实用新型实施例对此不再赘述。这里，值得说明的是，本实用新型实施例所述的目标物体既可以是相对于激光雷达的运动物体，也可以是相对于激光雷达的处于静止状态的物体，本实用新型实施例对此不作限制。

基于与上述方法实施例同样的实用新型构思，本实用新型实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：

将生成的基带信号与本振信号进行混频，产生调制信号；

对所述调制信号进行调制并加载于激光，得到激光信号，对所述激光信号进行分路处理，并至少得到发射信号和接收本振信号；所述发射信号用于发射至所述激光雷达所能辐射到的目标区域；

将获取到的所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号与所述接收本振信号进行混频处理，以至少基于混频处理后得到的差频信号计算得到所述目标物体的特征信息。

本实施例中，该计算机程序被处理器执行时还实现如下步骤：

生成线性调制连续波，并将所述线性调制连续波作为基带信号。

生成三角波基带信号或者锯齿波基带信号。

至少对差频信号进行数字转换处理及时频域转换处理；

至少基于转换处理后的差频信号的频谱信息，计算得到所述目标物体的特征信息。

本实用新型实施例提供的存储介质，上述计算机程序被处理器执行时所实现的上述步骤的具体实现方式或可实现的其他步骤请参照上述各实施例的描述，此处不再赘述。

这里，本实用新型实施例提供的激光雷达及其进行探测的方法、存储介质可广泛用于多种场景，例如无人交通工具、智能仓库、工业机器人、服务机器人等等。

本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的设备。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令设备的制造品，该指令设备实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本说明书的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本说明书范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本说明书进行各种改动和变型而不脱离本说明书的精神和范围。这样，倘若本说明书的这些修改和变型属于本说明书权利要求及其等同技术的范围之内，则本说明书也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种激光雷达，其特征在于，至少包括：调制模块、分路处理模块、以及信号处理模块；其中，

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达为线性调频连续波LFMCW固态面阵激光雷达。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述信号处理模块还包括：面阵光电传感器；所述面阵光电传感器，用于对从所述合束器获取到的差频信号进行数字转换处理，以将数字转换处理后的差频信号传输至所述信号处理机。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，

所述信号处理机，还用于对差频信号进行时频域转换处理，并至少基于转换处理后的差频信号的频谱信息，计算得到所述目标物体的特征信息。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述调制信号产生电路，包括：直接数字合成DDS电路、本振电路、以及变频电路；其中，

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，

所述直接数字合成DDS电路，还用于生成线性调制连续波，并将所述线性调制连续波作为基带信号。

7.根据权利要求5或6所述的激光雷达，其特征在于，所述直接数字合成DDS电路，还用于生成三角波基带信号或者锯齿波基带信号。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括接收模块，用于接收所述发射信号经由处于所述目标区域的目标物体后的回波信号，以将所述回波信号传输至所述合束器。