一种激光雷达目标模拟器的制作方法

1.本实用新型涉及激光雷达测试技术领域，尤其涉及一种激光雷达目标模拟器。


背景技术：

2.目前激光雷达的性能测试主要通过真实目标测试和回波模拟测试两种方式进行。其中，真实目标测试主要在室内静场环境或室外开阔场地摆放真实目标进行测试；回波模拟测试主要在室内静场环境下通过激光回波模拟器接收激光束并进行延迟处理后发射回波信号，来模拟一个远距离目标完成测试。
3.以上两种测试方法都有相应的缺陷。对于真实目标测试，在室内静场环境下由于受到场地大小的限制，无法对数百米外目标的探测性能进行测试；而在室外开阔场地进行测试时，由于雨雾、灰尘等多变的大气环境使激光雷达发出的激光束产生不同程度的大气衰减，测量结果不准确且测试重复性差。


技术实现要素：

4.针对现有技术的上述问题，本实用新型提出了一种激光雷达目标模拟器，能模拟不同大气衰减下的不同距离的单个或多个目标激光回波信号，测试结果准确且重复性高。
5.具体地，本实用新型提出了一种激光雷达目标模拟器，包括，
6.望远镜接收镜头，用于接收被测激光雷达发出的激光信号；
7.光纤延迟衰减系统，用于接收所述激光信号并模拟成激光回波信号，包括第一光纤网络，所述第一光纤网络包括串联的第一光延迟装置和第一光衰减装置，所述第一光延迟装置用于形成所述激光信号的延迟，所述第一光衰减装置用于形成所述激光信号的衰减；
8.模拟器控制系统，用于控制所述光纤延迟衰减系统，包括光纤延迟衰减管控单元，与所述第一光延迟装置和第一光衰减装置电连接；
9.准直发射镜头，用于接收所述光纤延迟衰减系统输出的激光回波信号，并发射至所述被测激光雷达。
10.根据本实用新型的一个实施例，还包括测试光纤，所述望远镜接收镜头、光纤延迟衰减系统和准直发射镜头之间采用所述测试光纤连接，在所述第一光延迟装置和第一光衰减装置之间及其内部采用所述测试光纤连接。
11.根据本实用新型的一个实施例，所述测试光纤为低色散多模光纤。
12.根据本实用新型的一个实施例，所述第一光延迟装置包括由所述测试光纤串联的多个光开关，所述第一光衰减装置包括由所述测试光纤串联的多个激光衰减器件。
13.根据本实用新型的一个实施例，所述模拟器控制系统还包括供电单元，所述供电单元向所述光纤延迟衰减管控单元、第一光延迟装置和第一光衰减装置供电。
14.根据本实用新型的一个实施例，所述模拟器控制系统还包括与所述光纤延迟衰减管控单元连接的显示处理单元，所述显示处理单元用于显示或由操作人员输入所述第一光
延迟装置对所述激光信号执行的延迟量，及所述第一光衰减装置对所述激光信号执行的衰减量。
15.根据本实用新型的一个实施例，所述显示处理单元包括液晶触摸显示屏和模拟器面板，所述液晶触摸显示屏用于显示所述延迟量和衰减量，所述模拟器面板具有按键装置，操作人员通过所述按键装置输入所述衰减量及延迟量。
16.根据本实用新型的一个实施例，所述模拟器控制系统还包括通信单元，所述光纤延迟衰减管控单元通过所述通信单元与外部的上位机连通。
17.根据本实用新型的一个实施例，所述光纤延迟衰减系统还包括第二光纤网络，所述第二光纤网络包括串联的第二光延迟装置和第二光衰减装置；
18.所述激光雷达目标模拟器还包括光纤分束合束器，所述光纤分束合束器包括光纤分束装置和光纤合束装置，所述光纤分束装置接收所述激光信号并分配形成第一激光信号和第二激光信号；
19.所述第一光纤网络接收所述第一激光信号并模拟成第一激光回波信号，所述第一光延迟装置用于形成所述第一激光信号的延迟，所述第一光衰减装置用于形成所述第一激光信号的衰减；所述第二光纤网络接收所述第二激光信号并模拟成第二激光回波信号，所述第二光延迟装置用于形成所述第二激光信号的延迟，所述第二光衰减装置用于形成所述第二激光信号的衰减；
20.所述光纤合束装置用于耦合所述第一激光回波信号和第二激光回波信号，并发送至所述准直发射镜头。
21.根据本实用新型的一个实施例，所述光纤分束合束器包括一个光纤分束输入接口和二个光纤分束输出接口，所述光纤分束装置通过所述光纤分束输入接口接收所述望远镜接收镜头发出的激光信号并分配形成所述第一激光信号和第二激光信号，所述第一激光信号和第二激光信号通过所述二个光纤分束输出接口分别发送至所述第一光纤网络和第二光纤网络；
22.所述光纤分束合束器还包括二个光纤合束输入接口和一个光纤分束输出接口，所述光纤分束装置通过所述二个光纤合束输入接口分别接收所述第一激光回波信号和第二激光回波信号，所述光纤分束装置的输出信号通过所述光纤分束输出接口发送至所述准直发射镜头。
23.本实用新型提供的一种激光雷达目标模拟器通过光纤延迟衰减系统以模拟不同大气衰减下的不同距离的单个或多个目标激光回波信号，测试结果准确且重复性高。
24.应当理解，本实用新型以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本实用新型提供进一步的解释。
附图说明
25.包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本技术的一部分，附图示出了本实用新型的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：
26.图1示出了本实用新型一个实施例的激光雷达目标模拟器的结构示意图。
27.图2示出了本实用新型另一个实施例的激光雷达目标模拟器的结构示意图。
28.其中，上述附图包括以下附图标记：
29.望远镜接收镜头
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101 光纤延迟衰减系统
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102
30.模拟器控制系统
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103 准直发射镜头
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104
31.第一光纤网络
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105 第一光延迟装置
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106
32.第一光衰减装置
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107 光纤延迟衰减管控单元
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108
33.测试光纤
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109 光开关
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110
34.供电单元
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111 显示处理单元
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112
35.通信单元
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113 上位机
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114
36.第二光纤网络
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115 第二光延迟装置
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116
37.第二光衰减装
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117 光纤分束合束器
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118
38.光纤分束装置
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119 光纤合束装置
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120
39.光纤分束输入接口
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121 光纤分束输出接口
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122
40.光纤合束输入接口
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123 光纤分束输出接口
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124
具体实施方式
41.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
42.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
43.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
44.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
45.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
46.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
47.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
48.图1示出了本实用新型一个实施例的激光雷达目标模拟器的结构示意图。如图所示，一种激光雷达目标模拟器主要包括望远镜接收镜头101、光纤延迟衰减系统102、模拟器控制系统103和准直发射镜头104。
49.其中，望远镜接收镜头101用于接收被测激光雷达发出的激光信号。目前，市场上常用的激光雷达包括905nm及1550nm等波段。容易理解的，由于望远镜接收镜头101的不同镜片材料、镀膜及透过率的差异，导致不同波段的激光信号的衰减不同，可以更换不同的望远镜接收镜头101分别对应不同波段的激光雷达测试。
50.光纤延迟衰减系统102用于接收激光信号并模拟成激光回波信号。光纤延迟衰减系统102包括第一光纤网络105。该第一光纤网络105包括串联的第一光延迟装置106和第一光衰减装置107。第一光延迟装置106用于形成所接收的激光信号的延迟，即模拟激光信号的传输距离。第一光衰减装置107用于形成激光信号的衰减，即模拟不同大气衰减。在激光信号的传送路线上，第一光延迟装置106可以位于第一光衰减装置107之前或之后。
51.模拟器控制系统103用于控制光纤延迟衰减系统102。模拟器控制系统103包括光纤延迟衰减管控单元108。光纤延迟衰减管控单元108与第一光延迟装置106和第一光衰减装置107电连接，用于实现对第一光延迟装置106和第一光衰减装置107的控制。
52.准直发射镜头104接收光纤延迟衰减系统102输出的激光回波信号，并发射至被测激光雷达。
53.较佳地，激光雷达目标模拟器还包括测试光纤109。望远镜接收镜头101、光纤延迟衰减系统102和准直发射镜头104之间采用该测试光纤109连接。在第一光延迟装置106和第一光衰减装置107之间及其内部同样采用测试光纤109连接。更佳地，该测试光纤109为低色散多模光纤。低色散多模光纤用于连接激光雷达目标模拟器中的各个组件以实现激光信号的传输。多模光纤存在阶跃折射率、渐变折射率等不同折射类型，可以承载不同波长的多路激光信号的传输，并且成本较低，对最远探测距离在百米至千米级的绝大多数激光雷达的信号传输具有很好的适用性。与此同时，不同波长的激光信号在测试光纤109中的传播速度不同，会出现不同展宽的色散现象，尤其在多模光纤中模态色散、模内色散等成为了影响带
宽的主要因素，对光纤传输的影响很大。为了适用于905nm及1550nm等各种波段的激光雷达测试，采用低色散多模光纤是兼具激光信号传输效率和低成本的选择。
54.较佳地，第一光延迟装置106包括由测试光纤109串联的多个光开关110，第一光衰减装置107包括由测试光纤109串联的多个激光衰减器件。参考图1，在本实施例中，第一光延迟装置106包含了第0-12阶共13个机械式2x2光开关110，以及包含输入输出端口的连接所有光开关110的14段不同长度的测试光纤109。通过光纤延迟衰减管控单元108下发不同的光开关110控制信号，使激光信号在相应长度的测试光纤109中传输，从而模拟不同距离下的激光回波信号。
55.光延迟系统对距离的模拟是基于飞行时间法即tof原理进行测算的，飞行时间法的原理如下公式所述：
[0056][0057]
其中，l为目标距离；n为空气折射率，取1.000278；c为光速，为保证测算精度取299792458m/s；t为回波相对于发射波束的延时。
[0058]
第一光延迟装置106模拟距离的步进量由两个光开关110之间最短的测试光纤109长度决定，根据上述公式，1cm传输距离对应的延时为66ps。本实施例中涉及的光开关110之间的测试光纤109最短长度为5cm，因此该第一光延迟装置106对应的最小延时为330ps，对应的最小步进量即模拟距离精度为5cm。
[0059]
第一光延迟装置106的最大模拟距离由光延迟系统中的光纤总长度决定，可以根据实际需要选择不同长度的测试光纤109来实现不同距离的模拟需要。本实施例可模拟的最大距离为(213-1)x5cm＝40955cm。
[0060]
第一光衰减装置107通过一组激光衰减连续可调的激光衰减器件进行激光功率的调节，实现不同环境下的不同大气衰减的模拟。本实施例的第一光衰减装置107具有激光衰减比与输入激光信号状态无关、衰减调节过程不改变激光信号偏振态与空间分布状态等特点，便于被测激光雷达接收并识别模拟的激光回波信号。
[0061]
较佳地，模拟器控制系统103还包括供电单元111。供电单元111向光纤延迟衰减管控单元108、第一光延迟装置106和第一光衰减装置107供电。
[0062]
较佳地，模拟器控制系统103还包括与光纤延迟衰减管控单元108连接的显示处理单元112。显示处理单元112用于显示或由操作人员输入第一光延迟装置106对激光信号执行的延迟量，及第一光衰减装置107对激光信号执行的衰减量。更佳地，显示处理单元112包括液晶触摸显示屏和模拟器面板。液晶触摸显示屏用于状态反馈，可以显示当前第一光延迟装置106正在执行的延迟量，和第一光衰减装置107正在执行的衰减量。模拟器面板用于执行控制，模拟器面板具有按键装置，操作人员通过按键装置输入衰减量及延迟量，以使所述第一光衰减装置107和第一光延迟装置106分别执行该衰减量及延迟量。可选的，操作人员也可以通过液晶触摸显示屏来输入衰减量及延迟量。
[0063]
较佳地，模拟器控制系统103还包括通信单元113。光纤延迟衰减管控单元108通过通信单元113与外部的上位机114连通，实现上位机114的管控通信。该通信单元113的通信接口为ethernet网络接口。具体来说，上位机114用于激光雷达目标模拟器的自动化控制，通过ethernet通信接口对激光雷达目标模拟器的延迟量、衰减量进行设置，并对延迟量、衰
减量当前状态进行监控，从而实现模拟器控制系统103的ethernet远程控制。上位机114为激光雷达测试时试验人员远程操作的主要设备。正是因为不同波段的激光信号的波长及色散程度均不同，激光信号在测试光纤109中的实际传输距离也会有所差异，所以需要通过针对不同波段的激光信号模拟距离进行标定和修正。
[0064]
在测试最远探测距离时，通过上位机114设置模拟距离至被测激光雷达无法探测到该模拟目标，则延迟量可以记录为被测激光雷达的最远探测距离。在测试距离精度时，通过上位机114设置一个模拟距离，将设置的延迟量与被测激光雷达显示的目标位置相比较，可以测得距离精度。
[0065]
图2示出了本实用新型另一个实施例的激光雷达目标模拟器的结构示意图。如图所示，激光雷达目标模拟器的光纤延迟衰减系统102除了包括第一光纤网络105外，还包括第二光纤网络115。第二光纤网络115包括串联的第二光延迟装置116和第二光衰减装置117。该第二光纤网络115包括串联的第二光延迟装置116和第二光衰减装置117。第二光延迟装置116用于形成所接收的激光信号的延迟，即模拟激光信号的传输距离。第二光衰减装置117用于形成激光信号的衰减，即模拟不同大气衰减。在激光信号的传送路线上，第二光延迟装置116可以位于第二光衰减装置117之前或之后。
[0066]
进一步的，第二光延迟装置116包括由测试光纤109串联的多个光开关110，第二光衰减装置117包括由测试光纤109串联的多个激光衰减器件。在本实施例中，第二光纤网络115和第一光纤网络105的结构完全一致。
[0067]
激光雷达目标模拟器还包括光纤分束合束器118。光纤分束合束器118包括光纤分束装置119和光纤合束装置120，光纤分束装置119接收望远镜接收镜头101的激光信号，并按照一定比例输入的激光信号功率来分配形成第一激光信号和第二激光信号。
[0068]
第一光纤网络105接收第一激光信号并模拟成第一激光回波信号。第一光延迟装置106用于形成第一激光信号的延迟，第一光衰减装置107用于形成第一激光信号的衰减。同理，第二光纤网络115接收第二激光信号并模拟成第二激光回波信号。第二光延迟装置116用于形成第二激光信号的延迟，第二光衰减装置117用于形成第二激光信号的衰减。
[0069]
光纤合束装置120用于耦合第一激光回波信号和第二激光回波信号，将不同延迟量和衰减量的第一激光信号和第二激光信号合束到一根测试光纤109中。并通过测试光纤109最终输出至准直发射镜头104。
[0070]
模拟器控制系统103用于控制光纤延迟衰减系统102。模拟器控制系统103包括光纤延迟衰减管控单元108。光纤延迟衰减管控单元108与第一光纤网络105的第一光延迟装置106和第一光衰减装置107电连接，用于实现对第一光延迟装置106和第一光衰减装置107的控制。光纤延迟衰减管控单元108还与第二光纤网络115的第二光延迟装置116和第二光衰减装置117电连接，用于实现对第二光延迟装置116和第二光衰减装置117的控制。具体来说，模拟器控制系统103光纤网路可以对第一光纤网络105和第二光纤网络115上的第一激光信号和第二激光信号分别进行不同延迟量和衰减量的模拟，以形成多回波激光信号。
[0071]
准直发射镜头104接收光纤延迟衰减系统102输出的激光回波信号，并发射至被测激光雷达。
[0072]
多回波目标模拟测试用于模拟当某束激光的光斑落在两个或多个物体上，形成不同距离的多回波信号时，被测激光雷达的多目标分辨能力。
[0073]
较佳地，光纤分束合束器118包括一个光纤分束输入接口121和二个光纤分束输出接口124122。光纤分束装置119通过光纤分束输入接口121接收望远镜接收镜头101发出的激光信号并分配形成第一激光信号和第二激光信号，第一激光信号和第二激光信号通过二个光纤分束输出接口124122分别发送至第一光纤网络105和第二光纤网络115。
[0074]
光纤分束合束器118还包括二个光纤合束输入接口123和一个光纤分束输出接口124122。光纤分束装置119通过二个光纤合束输入接口123分别接收第一激光回波信号和第二激光回波信号，光纤分束装置119的输出信号通过光纤分束输出接口124122发送至准直发射镜头104。
[0075]
较佳地，激光雷达目标模拟器的信号传输方式为光纤全光传输方式。相较于其他通过光/电及电/光转换并完成信号传输的方式，光纤全光传输方式对空间激光束的频率、功率、相位、偏振态等特性变化的影响较小，同时具有衰减小、抗扰度高等优点，在远距离激光信号传输中具有一定优势。与此同时，光纤全光传输方式也可以兼容脉冲和fmcw等多种体制的激光信号传输。
[0076]
本实用新型提供的激光雷达目标模拟器具有以下特点：
[0077]
1.通过光纤延迟和光纤衰减技术，实现远距离、复杂环境的激光目标模拟；
[0078]
2.通过光纤分束合束器模拟实现多目标激光回波模拟；
[0079]
3.兼容多种体制和波段的激光雷达测试。
[0080]
本领域技术人员可显见，可对本实用新型的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本实用新型的精神和范围。因此，旨在使本实用新型覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本实用新型的修改和变型。