基于循环移频环的固态激光雷达探测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于循环移频环的固态激光雷达探测方法，将窄带扫频光信号送入循环移频环得到宽带扫频光信号并分为两路，一路作为参考光信号，另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制宽带扫频信号不同频率扫频子信号在自由空间中依次指向不同方向，得到一系列指向不同方向的探测光信号；探测光信号遇到目标后反射回色散单元，并经光准直镜接收后，与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号完成光电转换及信号采集后，基于信号处理算法即可得到目标空间分布信息。本发明专利技术还公开了一种基于循环移频环的固态激光雷达探测系统，通过光循环移频与光波长色散技术，可同时实现目标角度及距离信息的高精度测量。实现目标角度及距离信息的高精度测量。实现目标角度及距离信息的高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
基于循环移频环的固态激光雷达探测方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种固态激光雷达探测方法，尤其涉及一种采用循环移频环及波长(频率)色散技术的固态激光雷达探测方法及系统。

技术介绍

[0002]激光雷达广泛应用于自动驾驶、智能机器人、三维传感等领域。为了获取探测场景/目标的三维/二维空间分布信息，目前激光雷达系统多采用机械扫描方式实现激光波束的空间二维/一维扫描，从而获取目标角度信息，并基于脉冲时间到达技术获取目标距离信息(参见[J.Liu,Q.Sun,Z.Fan,Y.Jia,,"TOF Lidar Development in Autonomous Vehicle,"IEEE 3rd Optoelectro-nics Global Conference,2018.])。但由于机械部件结构复杂、易磨损、稳定性及寿命受限，导致基于机械扫描方式的方案其在高精度、高稳定、长寿命应用受限。与此同时，硅光相控阵、液晶波导、光晶体波导等固态波束控制技术的方案也在快速发展，这些技术采用电控实现激光波束的快速扫描，与机械扫描相比具有更好的稳定性及鲁棒性(参见[C.Poulton,A.Yaacobi,D.Cole,etc,"Coherent solid-state LIDAR with silicon photonic optical phased arrays,"Optics Letters,vol.42,no.20,pp.4091-4094,2017.])，然而相关技术综合性能及系统成熟度目前有限。但固态波束控制技术因其潜在的优势特性，仍吸引着广大科研工作者推动其向实用化方向发展。对于距离信息，因调频连续波外差法相比脉冲到达时间法具有更高的动态范围及探测灵敏度，以及对自然光干扰有一定抵抗作用，从而被广泛研究。综上，将固态波束控制技术及调频连续波外差法两个优势技术结合起来，将有可能推动高性能激光雷达的进一步发展。论文(参见[M.Okano,C.Chong,"Swept Source Lidar:simultaneous FMCW ranging and nonme-chanical beam steering with a wideband swept source,"Optics Express,vol.28,no.16,pp.23898-23915,2020.])提出了一种基于垂直腔体激光器(VCSEL)宽带扫频源的激光雷达方案，通过将宽带连续扫频源分段并利用波长色散机理实现目标距离、角度二维信息的同时获取，系统结构简单，效率高。但因为基于VCSEL的扫频源存在非线性且相干长度有限，导致该方案需要较复杂的非线性校正电路及非线性校正算法补偿非线性，此外，探测距离也受到一定限制。
[0003]针对以上问题，本专利技术提出了一种新的解决思路。基于光循环移频技术将高线性度、高相干长度的窄带扫频光信号扩展到宽带扫频，基于波长色散实现一维光波束扫描，无需非线性校正电路及算法。并基于去调频技术获取目标距离信息，因信号源较高的相干长度，使得系统可以实现远距离目标探测。此外，因为循环移频环参数灵活可调，使激光雷达系统具有较高的灵活性，面对不同探测场景可快速灵活切换。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于光循环移频技术实现宽带激光雷达探测信号的产生，基于波长色散技术实现激光波束的空间扫描，基于光域调
频技术实现高分辨率目标距离信息的获取。系统产生线性扫频信号线性度高、相干性好，可同时实现角度、距离二维信息的同时获取，大大提高雷达系统的工作效率。
[0005]本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
[0006]一种基于循环移频环的固态激光雷达探测方法，该方法具体为：
[0007]将窄带扫频光信号f
L_1
送入循环移频环得到包含N个扫频子带f
L_i
(i＝1,2,
…
,N)的宽带扫频光信号，将宽带扫频光信号分为两路，其中一路作为参考光信号，而另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制宽带扫频光信号不同频率扫频子带信号在自由空间中依次指向不同方向，得到一系列指向不同方向的探测光信号；探测光信号遇到目标后反射回色散单元得到接收光信号，经光准直镜接收后与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号完成光电转换，得到携带目标信息的中频电信号，对该中频电信号进行采集及信号处理即可得到目标的高精度二维空间分布信息。
[0008]优选地，所述循环移频环的具体工作方式为：窄带扫频光信号f
L_1
进入2
×
2光耦合器的第一输入端并分为两路，2
×
2光耦合器的第一输出端输出信号作为宽带扫频光信号子周期内的扫频子带信号，2
×
2光耦合器的第二输出端输出信号通过电光移频器移频Δf，得到窄带扫频光信号f
L_2
；窄带扫频光信号通过光放大及光延时后进入2
×
2光耦合器的第二输入端与窄带扫频光信号f
L_1
进行相同的操作；当第N个窄带扫频光信号f
L_N
产生后，控制循环移频环中的光开关使环路断开，即完成周期为NT、带宽为(N-1)Δf+B的宽带扫频光信号产生，其中B与T分别为扫频子带信号的带宽与子周期。
[0009]进一步地，所述宽带扫频光信号的子带信号f
L_i
(i＝1,2,
…
,N)具有可调节的相同带宽B及周期T；扫频子带信号中心载频频率间隔Δf可调，且与其带宽B之间需满足Δf≥B；通过调节子带信号带宽B可实现探测距离分辨率的改变，通过调节频率间隔Δf可实现探测角度间隔的改变；窄带扫频光信号f
L_1
每隔NT时间开始输出信号，与所述光开关的开关周期NT同步。
[0010]进一步地，所述色散单元具体工作方式为：基于波长(频率)色散原理，扫频子带f
L_i
依次通过色散单元后，在空间中光波束方向依次分别指向θ
i
，实现空间中一维波束扫描，其中波束扫描范围为Δθ＝θ
N-θ1，通过增加宽带扫频光信号的带宽(N-1)Δf+B可以扩大Δθ。
[0011]优选地，所述色散单元为衍射光栅、棱镜、液晶；
[0012]优选地，所述窄带扫频光信号由线性调频电信号通过电光调制器调制单频激光信号所得；所述电光调制器为马赫-曾德尔调制器、相位调制器、双平行马赫-曾德尔调制器、强度调制器；根据所采用电光调制器的种类，可在调制器后选择性级联光滤波器；通过选择高阶调制边带，窄带扫频光信带宽相对于线性调频电信号带宽可实现倍频。
[0013]进一步地，还包括目标三维信息获取步骤：将二维空间分布信息与机械扫描技术获取的信息结合，实现目标三维信息获取，其中所述机械扫描技术为微机电扫描镜、检流计扫描仪、多面镜扫描器、伺服电机。
[0014]根据相同的专利技术思路还可以得到以下技术方案：
[0015]一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于循环移频环的固态激光雷达探测方法，其特征在于，该方法具体为：将窄带扫频光信号f
L_1
送入循环移频环得到包含N个扫频子带f
L_i
(i＝1,2,
…
,N)的宽带扫频光信号，将宽带扫频光信号分为两路，其中一路作为参考光信号，另一路通过光准直镜送入色散单元；色散单元控制宽带扫频光信号不同频率扫频子带信号在自由空间中依次指向不同方向，得到一系列指向不同方向的探测光信号。探测光信号遇到目标后反射回色散单元得到接收光信号，经光准直镜接收后与参考光信号合为一路待检测光信号；待检测光信号完成光电转换，得到携带目标信息的中频电信号，对该中频电信号进行采集及信号处理即可得到目标的高精度二维空间分布信息。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述循环移频环的具体工作方式为：窄带扫频光信号f
L_1
进入2
×
2光耦合器的第一输入端并分为两路，2
×
2光耦合器的第一输出端输出信号作为宽带扫频光信号子周期内的扫频子带信号，2
×
2光耦合器的第二输出端输出信号通过电光移频器移频Δf，得到窄带扫频光信号f
L_2
。窄带扫频光信号f
L_2
通过光放大及光延时后进入2
×
2光耦合器的第二输入端与窄带扫频光信号f
L_1
进行相同的操作；当第N个窄带扫频光信号f
L_N
产生后，控制循环移频环中的光开关使环路断开，即完成周期为NT、带宽为(N-1)Δf+B的宽带扫频光信号产生，其中B与T分别为扫频子带信号的带宽与子周期。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述宽带扫频光信号的子带信号f
L_i
(i＝1,2,
…
,N)具有可调节的相同带宽B及周期T；扫频子带信号中心载频频率间隔Δf可调，且与其带宽B之间需满足Δf≥B。通过调节子带信号带宽B实现探测距离分辨率的改变，通过调节频率间隔Δf实现探测角度间隔的改变。窄带扫频光信号f
L_1
每隔NT时间开始输出信号，与所述光开关的开关周期NT同步。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色散单元具体工作方式为：基于波长(频率)色散原理，扫频子带f
L_i
依次通过色散单元后，在空间中光波束方向依次分别指向θ
i
，实现空间中一维波束扫描，其中波束扫描范围为Δθ＝θ
N-θ1，通过增加宽带扫频光信号的带宽(N-1)Δf+B可以扩大Δθ；所述色散单元为衍射光栅、棱镜、液晶。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窄带扫频光信号由线性调频电信号通过电光调制器调制单频激光信号所得；所述电光调制器为马赫-曾德尔调制器、相位调制器、双平行马赫-曾德尔调制器或强度调制器。根据所采用电光调制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭清水，徐志伟，邓庆文，杨李杰，许桐恺，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：