【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及激光雷达，尤其涉及一种调频连续波激光雷达测距测速系统及方法。
技术介绍
1、调频连续波（frequency-modulated continuous-wave，fmcw）激光雷达能够同时实现测距与测速，被广泛应用于自动驾驶或辅助驾驶系统中。相比于其他探测方案如飞行时间法（time of flight，tof），具有所需的发射功率小、信噪比高等优势。
2、fmcw雷达系统一般将经线性频率调制的信号分成两路，一路作为本振信号，另一路作为探测信号，然后发射的探测信号经目标物（被探测物）反射形成回波信号，该回波信号与本振信号混频产生拍频信号。在探测的过程中，目标物的距离能够使得回波信号与本振信号产生频移，称为距离频移fr，目标物的径向速度也能导致上述两个信号产生频移，称为多普勒频移fd。对于三角波调频信号，当目标物以一定速度移动时，探测到的回波信号与本振拍频在频率上升沿和下降沿将产生两个频域信号δf1和δf2，同时混杂了fr和fd的信息。基于以下讨论的不同情况，fr和fd有不同的表达：
3、1）当目标物静止时：δf1= δf2= fr，fd=0；
4、2）正常情况下（fr>fd），当目标物接近时，δf1<δf2，此时：
5、fr=（δf1+ δf2）/2，fd=（δf2- δf1）/2；
6、3）正常情况下（fr>fd），当目标物远离时，δf1>δf2，此时：
7、fr=（δf1+ δf2）/2，fd=（δf1- δf2）/2；
8、4）特殊情况下，如近距离高速运动下（fr<fd），当目标物接近时，δf1<δf2，此时：
9、fr=（δf2- δf1）/2，fd=（δf2+ δf1）/2；
10、5）特殊情况下，如近距离高速运动下（fr<fd），当目标物远离时，δf1>δf2，此时：
11、fr=（δf1- δf2）/2，fd=（δf1+ δf2）/2；
12、因此，基于以上多种复杂的情况，传统三角波内调方案无法解决特殊情况下的距离频移和多普勒频移的混杂问题，一般的fmcw激光雷达系统难以将fr和fd完全区分开，且一个三角波周期只能在点云中产生一个点，导致点频较低。
13、现有双边带调制方法中，利用马赫曾德尔调制器实现双边带调频连续波信号，从而实现距离和速度信息的解耦和获取。但是基于相位调制器方案的双边带调制有效能量比较低，因此需要在调制后额外加入滤波和放大模块，使得系统架构较为复杂，且造成了调频带宽在一定程度上受限的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种调频连续波激光雷达测距测速系统及方法。
2、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
3、本专利技术提供一种调频连续波激光雷达测距测速系统，包括：
4、信号产生模块，用于提供由具有不同频率的一个第一激光信号、一个第二激光信号、一个第三激光信号和一个第四激光信号组成的第一偏振态的输入激光信号，其中，所述第一激光信号具有固定频率，所述第二激光信号经频率调制，所述第三激光信号和所述第四激光信号基于所述第一激光信号和所述第二激光信号产生，且所述第三激光信号的频率和所述第四激光信号的频率分别与所述第一激光信号的频率和所述第二激光信号的频率具有对应关系，所述第一激光信号的光功率与所述第二激光信号的光功率不同；
5、硅光芯片，用于将所述输入激光信号分成探测信号和本振信号，并发射所述探测信号，将目标物的反射信号中与第一偏振态正交的第二偏振态的反射信号分量作为回波信号接收，以及将所述回波信号的第二偏振态转为第一偏振态后，与所述本振信号进行混频，产生拍频信号；
6、信号处理模块，用于根据所述拍频信号进行解耦，得到目标物的距离信息以及瞬时速度信息。
7、进一步地，所述信号产生模块包括光源模块、光放大模块和非线性介质模块，所述光源模块用于发射频率不同的所述第一激光信号和所述第二激光信号，所述第一激光信号具有与第一初始频率相固定且未经调制的第一频率，所述第二激光信号具有对第二初始频率进行频率线性锯齿波调制后形成的第二频率，所述光放大模块用于对所述第一激光信号和所述第二激光信号进行放大并输入所述非线性介质模块，且使放大后的所述第一激光信号的光功率小于所述第二激光信号的光功率，所述非线性介质模块用于使所述第一激光信号和所述第二激光信号发生相互作用，并基于四波混频效应产生具有第三频率的所述第三激光信号和具有第四频率的所述第四激光信号，以形成所述输入激光信号并耦合至所述硅光芯片；其中，所述第三频率与所述第一频率和所述第二频率具有第一对应关系，所述第四频率与所述第一频率和所述第二频率具有第二对应关系。
8、进一步地，还包括：跨阻放大模块；所述硅光芯片包括分光单元、收发天线单元、偏振分离单元、偏振旋转单元、光混频单元、光电探测单元，所述分光单元用于将耦合至所述硅光芯片的所述输入激光信号分成所述探测信号和所述本振信号，分别输入至所述偏振分离单元和所述光混频单元，并使对所述探测信号的分束比例大于对所述本振信号的分束比例，所述收发天线单元用于将来自所述偏振分离单元的所述探测信号发射至自由空间，并接收从目标物反射的所述回波信号，所述偏振分离单元用于将所述探测信号与所述回波信号分离以各自通过，所述偏振旋转单元用于将来自所述偏振分离单元的所述回波信号的第二偏振态转为第一偏振态，使所述回波信号与所述本振信号具有相同的第一偏振态，所述光混频单元用于将来自所述偏振旋转单元的所述回波信号与所述本振信号混频，将产生的四个所述拍频信号输入至所述光电探测单元以进一步得到拍频电流信号，所述跨阻放大模块用于将输入的所述拍频电流信号进一步转为放大的拍频电压信号输入所述信号处理模块进行解耦，得到目标物的距离信息以及瞬时速度信息。
9、进一步地，所述信号处理模块根据所述拍频电压信号，对应产生包含至多四个信号峰的频谱信号，通过对所述信号峰的个数和各所述信号峰的信号强度之间对应关系进行分析判断处理，实现任意情况下的目标物距离与速度的解耦。
10、进一步地，所述信号处理模块在所述信号峰的个数为两个时，判断目标物处于静止状态，在所述信号峰的个数为四个时，判断目标物处于运动状态，并根据各所述信号峰的信号强度之间对应关系，进一步判断目标物处于靠近的运动状态或远离的运动状态，从而根据目标物处于不同状态时的各所述信号峰的频率与所述拍频信号之间对应关系，得到与多普勒频移和实现测距测速所用的飞行时间之间关系，据此计算得到任意情况下的目标物距离与速度。
11、进一步地，所述光源模块包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于产生具有第一初始频率的第一偏振态的第一初始激光信号，以形成与所述第一初始激光信号具有相同的固定频率的第一频率的所述第一激光信号，所述第二激光器用于产生具有第二初始频率的第一偏振态的第二初始本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号产生模块包括光源模块、光放大模块和非线性介质模块，所述光源模块用于发射频率不同的所述第一激光信号和所述第二激光信号，所述第一激光信号具有与第一初始频率相固定且未经调制的第一频率，所述第二激光信号具有对第二初始频率进行频率线性锯齿波调制后形成的第二频率，所述光放大模块用于对所述第一激光信号和所述第二激光信号进行放大并输入所述非线性介质模块，且使放大后的所述第一激光信号的光功率小于所述第二激光信号的光功率，所述非线性介质模块用于使所述第一激光信号和所述第二激光信号发生相互作用，并基于四波混频效应产生具有第三频率的所述第三激光信号和具有第四频率的所述第四激光信号，以形成所述输入激光信号并耦合至所述硅光芯片；其中，所述第三频率与所述第一频率和所述第二频率具有第一对应关系，所述第四频率与所述第一频率和所述第二频率具有第二对应关系。
3.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，还包括：跨阻放大模块；所述硅光芯片
4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号处理模块根据所述拍频电压信号，对应产生包含至多四个信号峰的频谱信号，通过对所述信号峰的个数和各所述信号峰的信号强度之间对应关系进行分析判断处理，实现任意情况下的目标物距离与速度的解耦。
5.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号处理模块在所述信号峰的个数为两个时，判断目标物处于静止状态，在所述信号峰的个数为四个时，判断目标物处于运动状态，并根据各所述信号峰的信号强度之间对应关系，进一步判断目标物处于靠近的运动状态或远离的运动状态，从而根据目标物处于不同状态时的各所述信号峰的频率与所述拍频信号之间对应关系，得到与多普勒频移和实现测距测速所用的飞行时间之间关系，据此计算得到任意情况下的目标物距离与速度。
6.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述光源模块包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于产生具有第一初始频率的第一偏振态的第一初始激光信号，以形成与所述第一初始激光信号具有相同的固定频率的第一频率的所述第一激光信号，所述第二激光器用于产生具有第二初始频率的第一偏振态的第二初始激光信号，并通过对所述第二初始激光信号进行频率线性锯齿波调制，以形成与所述第二初始激光信号具有不同的调制频率的第二频率的所述第二激光信号；所述光放大模块包括光纤放大器，用于对来自所述第一激光器的所述第一激光信号和来自所述第二激光器的所述第二激光信号进行放大并同时输入所述非线性介质模块；所述非线性介质模块包括非线性光纤，所述非线性光纤通过边缘耦合器或透镜与所述硅光芯片耦合，将所述输入激光信号耦合至所述硅光芯片。
7.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述分光单元包括分光器；所述收发天线单元包括收发天线和准直透镜，所述收发天线包括光栅天线或光波导端射天线，或者，所述收发天线单元包括光学相控阵；所述偏振分离单元包括偏振分离器；所述偏振旋转单元包括偏振旋转器；所述光混频单元包括光混频器；所述光电探测单元包括平衡光电探测器；所述跨阻放大模块包括跨阻放大器。
8.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述第二激光信号的光功率与所述第一激光信号的光功率之间差值大于3dB；和/或，所述输入激光信号按90：10的分束比例分成所述探测信号和所述本振信号；和/或，所述第二初始频率与所述第一初始频率...
【技术特征摘要】
1.一种调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号产生模块包括光源模块、光放大模块和非线性介质模块，所述光源模块用于发射频率不同的所述第一激光信号和所述第二激光信号，所述第一激光信号具有与第一初始频率相固定且未经调制的第一频率，所述第二激光信号具有对第二初始频率进行频率线性锯齿波调制后形成的第二频率，所述光放大模块用于对所述第一激光信号和所述第二激光信号进行放大并输入所述非线性介质模块，且使放大后的所述第一激光信号的光功率小于所述第二激光信号的光功率，所述非线性介质模块用于使所述第一激光信号和所述第二激光信号发生相互作用，并基于四波混频效应产生具有第三频率的所述第三激光信号和具有第四频率的所述第四激光信号，以形成所述输入激光信号并耦合至所述硅光芯片；其中，所述第三频率与所述第一频率和所述第二频率具有第一对应关系，所述第四频率与所述第一频率和所述第二频率具有第二对应关系。
3.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，还包括：跨阻放大模块；所述硅光芯片包括分光单元、收发天线单元、偏振分离单元、偏振旋转单元、光混频单元、光电探测单元，所述分光单元用于将耦合至所述硅光芯片的所述输入激光信号分成所述探测信号和所述本振信号，分别输入至所述偏振分离单元和所述光混频单元，并使对所述探测信号的分束比例大于对所述本振信号的分束比例，所述收发天线单元用于将来自所述偏振分离单元的所述探测信号发射至自由空间，并接收从目标物反射的所述回波信号，所述偏振分离单元用于将所述探测信号与所述回波信号分离以各自通过，所述偏振旋转单元用于将来自所述偏振分离单元的所述回波信号的第二偏振态转为第一偏振态，使所述回波信号与所述本振信号具有相同的第一偏振态，所述光混频单元用于将来自所述偏振旋转单元的所述回波信号与所述本振信号混频，将产生的四个所述拍频信号输入至所述光电探测单元以进一步得到拍频电流信号，所述跨阻放大模块用于将输入的所述拍频电流信号进一步转为放大的拍频电压信号输入所述信号处理模块进行解耦，得到目标物的距离信息以及瞬时速度信息。
4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号处理模块根据所述拍频电压信号，对应产生包含至多四个信号峰的频谱信号，通过对所述信号峰的个数和各所述信号峰的信号强度之间对应关系进行分析判断处理，实现任意情况下的目标物距离与速度的解耦。
5.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述信号处理模块在所述信号峰的个数为两个时，判断目标物处于静止状态，在所述信号峰的个数为四个时，判断目标物处于运动状态，并根据各所述信号峰的信号强度之间对应关系，进一步判断目标物处于靠近的运动状态或远离的运动状态，从而根据目标物处于不同状态时的各所述信号峰的频率与所述拍频信号之间对应关系，得到与多普勒频移和实现测距测速所用的飞行时间之间关系，据此计算得到任意情况下的目标物距离与速度。
6.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达测距测速系统，其特征在于，所述光源模块包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器用于产生具有第一初始频率的第一偏振态的第一初始激光信号，以形成与所述第一初始激光信号具有相同的固定频率的第一频率的所述第一激光信号，所述第二激光器用于产生具有第二初始频率的第一偏振态的第二初始激光信号，并通过对所述第二初始激光信号进行频率线性锯齿波调制，以形成与所述第二初始激光信号具有不同的调制频率的第二频率的所述第二激光信号；所述光放大模块包括光纤放大器，用于对来自所述第一激光器的所述第一激光信号和来自所述第二激光器的所述第二激光信号进行放大并同时输入所述非线性介质模块；所述非线性介质模块包括非线性光纤，所述非线性光纤通过边缘耦合器或透镜与所述硅光芯片耦合，将所述输入激光信号耦合至所述硅光芯片。
7.根据...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱瑞，周广柱，丁越峰，张轲，
申请(专利权)人：赛丽科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：
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