【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本说明书涉及一种用于执行速度测量的激光雷达(lidar)系统以及相应的测量方法。
技术介绍
1、激光雷达(lidar)系统代表“光检测和测距”，其用于测量与目标的距离以及目标的速度。他们使用指向目标的激光束，并分析该光束的被目标反向反射或后向散射的部分。距离测量结果来自对辐射从激光雷达系统到目标并返回所经过的距离的传播时间的直接或间接估计，而目标的速度是从影响被目标反向反射或后向散射的部分辐射的多普勒频率偏移的测量中推导出的。
2、在某些情况下以及针对某些应用，向目标发射的辐射束由一系列连续的脉冲组成是特别有利的。事实上，每个脉冲因此可以具有比连续辐射高得多的瞬时功率值，使得被目标后向散射后收集到的那部分辐射的功率可以相应提高。这第一个优点对于被设计用来测量空速的激光雷达系统特别重要，因为被收集到的那部分辐射的功率非常低。使用脉冲激光雷达系统的第二个优点是，集成在这种系统中的连续激光源的功率不会对操作者的眼睛造成伤害。
3、这种脉冲激光雷达系统可以用于测量形成目标的固体物体的距离和速度。
4、但是一些脉冲激光雷达系统专用于空速测量。此时，目标由位于大气的一部分中的粒子组成，激光雷达系统的发射通道朝向该大气部分发射脉冲，并且该激光雷达系统的检测通道适于收集所述脉冲的被位于大气部分中的粒子后向散射的那部分脉冲。这些专用于空速测量的激光雷达系统的特殊性在于，它们适于检测具有非常低功率值的发射脉冲的后向散射部分。根据用于空速测量的激光雷达系统的可行设计，如wo 2021/053290 a1中所述，测量
5、但是对于最容易实现的激光雷达系统，其中发射通道和检测通道使用相同的输出光学器件，此输出光学器件在它的一些光学部件上产生发射辐射的部分反射。这种内反射在检测信号中产生一个或更多个与目标无关的分量。这些分量源自激光雷达系统与辐射自由传播空间之间的光学界面，通常被称为那喀索斯信号(narcisse信号，即narcissus信号)，可以具有高强度甚至极高的强度。然后，这种那喀索斯信号可以叠加在检测信号的、由距激光雷达系统较短距离处的目标生成的有用分量上，导致这种有用分量无法被有效地检测到。特别地，在风速测量应用的情况下，那喀索斯信号比检测信号的有用分量强的多。
6、技术问题
7、基于这种情况，本专利技术的一个目的是提供一种激光雷达系统，该系统可以将检测信号的与位于近距离的目标相关的有用分量与那喀索斯信号区分开，并且可以用于提供此目标的距离和/或速度的估计。
8、本专利技术的次要目的是提供这样一种激光雷达系统，其在短测量距离内有效，并且能够进行空速测量。
技术实现思路
1、为了实现这些目的或其它目的中的至少一个目的，本专利技术的第一方面提出了一种适于测量至少一个目标的速度的激光雷达系统，并且其包括：
2、-发射通道，适于通过该激光雷达系统的输出光学器件向目标发射辐射脉冲；
3、-包括光电检测器的检测通道，并且其也适于通过该输出光学器件收集所述脉冲的、被该目标反向反射或后向散射的部分脉冲，并将该部分脉冲引导到光电检测器上以产生检测信号；以及
4、-信号处理单元，被配置为根据检测信号输出目标相关的速度测量结果。
5、本专利技术的这种激光雷达系统还具有以下特征：
6、-发射通道还适于改变每个脉冲内辐射的调制频率，使得所述检测信号的、对测量速度有用的分量——称为有用分量，根据所述目标与所述激光雷达系统的距离发生频谱偏移；并且
7、-信号处理单元还配置为从检测信号的频谱中提取有用分量，以便将该有用分量与检测信号中至少一个其它分量隔离开并且根据所提取的有用分量获取速度测量结果，其中检测信号的至少一个其它分量是由所发射的脉冲在激光雷达系统的输出光学器件中发生的反向反射或部分后向散射得到的。
8、在本专利技术的激光雷达系统中，通过取决于目标与激光雷达系统的距离的表观频率偏移来将检测信号的有用分量与那喀索斯信号区分开。这种频率偏移使得可以从那喀索斯信号中分离有用分量，例如，通过相对于那喀索斯信号有选择地对检测信号的有用分量进行数字滤波。这使得本专利技术的激光雷达系统可以提供速度测量结果，甚至可能还提供遥测测量结果，即使对于位于输出光学器件前方短距离处的目标也是如此。然后，这种遥测测量可以通过确定在接收时刻影响脉冲的反向反射或后向散射部分的频率偏移来进行。
9、在这种激光雷达系统中，在每个脉冲内变化的调制频率可以直接是该脉冲辐射的光频率。换句话说，激光雷达系统可以实现光频率调制。
10、或者，应用于向目标发射的脉冲的调制可以是幅度调制，特别是正弦幅度调制，其正弦频率在每个脉冲内随时间变化。那么，这种幅度调制正弦频率就是根据本专利技术变化的调制频率。
11、检测通道可以设置为对脉冲的反向反射或后向散射部分执行外差检测。在这种情况下，除了每个脉冲内的调制频率变化之外，发射通道还可以适于向发射脉冲施加恒定的附加频率偏移，并且通过将不具有该恒定的附加频率偏移的参考信号与脉冲的反向反射或后向散射部分混合来有利地执行外差检测。
12、然而，根据本专利技术的激光雷达系统可以可选地实现非外差检测模式。例如，可以调整检测通道以直接检测脉冲的被目标反向反射或后向散射的脉冲部分。特别地，当在每个脉冲内应用的调制是幅度调制类型时，可以使用这种直接检测。
13、特别地，根据本专利技术的激光雷达系统可以适于测量空速。如上所述，对于该应用，目标由位于大气部分中的粒子组成，脉冲由发射通道朝向该大气部分发射，并且检测通道适于适于收集和检测所述脉冲的、被位于所述大气部分中的粒子后向散射的部分脉冲。特别地，还是针对这种空速测量应用，输出光学器件可以适于以会聚辐射束的形式将脉冲发送到激光雷达系统的外部，该辐射束的会聚决定了空速测量所涉及的大气部分。然后，可以根据施加到发射脉冲束的会聚来确定测量距离，即距离空速测量所涉及的大气部分的距离。
14、在本专利技术的优选实施例中，发射通道可以适于根据恒定斜率的频率调制斜坡来改变每个脉冲内的调制频率。此外，发射通道还可以适于改变连续发射的两个脉冲之间的调制频率变化斜坡的斜率的符号。特别地，连续发射的两个脉冲之间的调制频率变化斜坡的斜率的绝对值可以相等，但符号相反。在这种情况下，信号处理单元可以配置为根据与第一提取有用分量和第二提取有用分量相关的两个相应频率偏移之和来获取速度测量结果，第一提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为正的那些发射脉冲，第二提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为负的那些发射脉冲。同时，信号处理单元还可以配置为根据与第一提取有用分量和第二提取有用分量相关的相应频率偏移之差来获取目标距激光雷达系统的距离的评估，第一提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为正的那些发射脉冲，第二提取有用分量对应本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种激光雷达系统，其适于测量至少一个目标的速度，所述激光雷达系统包括：
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其适于测量空速，所述目标为位于大气部分中的粒子，所述脉冲由所述发射通道(10)朝向所述大气部分发射，并且所述检测通道(20)适于收集和检测所述脉冲的、被位于所述大气部分中的粒子后向散射的部分脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其适于使得在每个脉冲内变化的调制频率是所述脉冲的辐射的光频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于根据恒定斜率的频率调制斜坡改变每个脉冲内的调制频率。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于以相同的频率调制斜坡发射所有辐射脉冲，并且其中，所述信号处理单元(30)配置为根据相对于所提取的有用分量的频率偏移的第二贡献量来获取所述速度测量结果，所述第二贡献量通过从所述频率偏移中减去由所述频率调制斜坡结合距目标的距离产生的第一贡献量来计算。
6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于
7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于使得连续发射的两个脉冲之间的所述调制频率变化斜坡的斜率绝对值相等但符号相反。
8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其中，所述信号处理单元(30)配置为根据与第一提取有用分量和第二提取有用分量相关的两个相应频率偏移之和来获取所述速度测量结果，所述第一提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为正的那些发射脉冲，所述第二提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为负的那些发射脉冲。
9.根据权利要求8所述的激光雷达系统，其中，所述信号处理单元(30)还配置为根据与所述第一提取有用分量和所述第二提取有用分量相关的相应频率偏移之差来获取所述目标距所述激光雷达系统的距离的估计，所述第一提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为正的那些发射脉冲，所述第二提取有用分量对应于调制频率变化斜坡的斜率为负的那些发射脉冲。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述检测通道(20)设置为对所述脉冲的反向反射或后向散射部分执行外差检测。
11.一种使用激光雷达系统测量至少一个目标的速度的方法，所述方法包括以下步骤：
12.根据权利要求11所述的方法，其用于测量空速，由此所述目标由位于大气部分中的粒子组成，朝所述大气部分的方向发射所述脉冲，并且收集和检测所述脉冲的被位于所述大气部分中的粒子后向散射的部分脉冲。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述激光雷达系统承载在航空器(100)上，并且在所述航空器飞行期间执行所述方法。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种激光雷达系统，其适于测量至少一个目标的速度，所述激光雷达系统包括：
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其适于测量空速，所述目标为位于大气部分中的粒子，所述脉冲由所述发射通道(10)朝向所述大气部分发射，并且所述检测通道(20)适于收集和检测所述脉冲的、被位于所述大气部分中的粒子后向散射的部分脉冲。
3.根据权利要求1或2所述的激光雷达系统，其适于使得在每个脉冲内变化的调制频率是所述脉冲的辐射的光频率。
4.根据前述权利要求中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于根据恒定斜率的频率调制斜坡改变每个脉冲内的调制频率。
5.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于以相同的频率调制斜坡发射所有辐射脉冲，并且其中，所述信号处理单元(30)配置为根据相对于所提取的有用分量的频率偏移的第二贡献量来获取所述速度测量结果，所述第二贡献量通过从所述频率偏移中减去由所述频率调制斜坡结合距目标的距离产生的第一贡献量来计算。
6.根据权利要求4所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于改变连续发射的两个脉冲之间的调制频率变化斜坡的斜率的符号。
7.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其中，所述发射通道(10)适于使得连续发射的两个脉冲之间的所述调制频率变化斜坡的斜率绝对值相等但符号相反。
8...
【专利技术属性】
技术研发人员：戴维德·托姆林·米切尔，劳伦·隆巴德，马西厄·瓦拉，
申请(专利权)人：国家航空航天研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。