一种低成本高分辨率的激光雷达

1.本发明涉及激光雷达技术领域，特别地涉及一种低成本高分辨率的激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达通常发射905nm或1050nm波长的激光，利用雪崩光电二极管或cmos进行接收，通过计算其时间(tof)判断探测物体的距离。激光雷达因其突出的角度，速度，距离分辨率在自动驾驶以及空间建模领域都得到了广泛的研究与应用。
3.然而，当使用光电二极管阵列作为接收感知时，现有方案往往使用单个发射器作为信号发射部分，使得最终系统分辨率等于接收器阵列分别率，而只能通过增加接收器感知阵列个数来提高系统分辨率。但雪崩二极管阵列探测器往往成本较高，且分辨率提高十分有限，还会大大增加接收信号数量，增大信号处理难度。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种低成本高分辨率的激光雷达，包括:发射阵列、形成透镜的多个超材料元件，所述阵列被配置为发射雷达距离频率电磁波；激励器，被配置为激励超材料元件，以便产生用亚波长尺寸的照明照射目标的电磁波；以及控制部件，其被配置为控制透镜的焦点。
5.优选地，控制透镜的焦点的控制部件还被配置为使用时间延迟来控制透镜的焦点。
6.优选地，所述刺激器选自近场探头，端口，天线或其组合。
7.优选地，控制部件选自可调谐谐振部件和可调谐谐振子电路。
8.优选地，电磁波的频率小于约1mhz。
9.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
10.本发明提供的一种低成本高分辨率的激光雷达，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：
11.1.动态控制探测分辨率，提高雷达探测效率。雷达信号处理复杂度与信号分辨率成正相关，如果雷达分辨率远高于场景需求，则容易造成处理复杂度较高，从而造成浪费，相反，如果雷达分辨率无法达到场景需求，也无法使用。而本方案通过动态控制雷达分辨率能够提高雷达系统计算效率，减少计算浪费，同时满足不同场景的分辨率要求。
12.2.降低系统成本，最大化分辨率。在激光雷达系统中，接收器价格往往高于vcsel价格，为了达到需要的分辨率，通常采用较为昂贵的接收器。而此方案在发射端完成了分辨率的提升，大幅降低了雷达系统的成本。此外，基于技术方案中的最终分辨率计算公式，可以根据vcsel与接收器的成本，合理选择其数量，从而最大化系统分辨率，提升性价比。
附图说明
13.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
14.图1显示了本发明的激光雷达基本原理示意图；
15.图2显示了本发明的垂直腔面发射激光器示意图；
16.图3显示了本发明的雷达系统分辨率计算示意图。
具体实施方式
17.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
18.如图1所示，本发明可以包括至少一个执行以下操作的部件或电路。远场调节用于优化天线阵列和rf前端之间的功率传递，控制天线阵列的方向，波束宽度，带宽，中心频率，调制，斜视，极化，前后比等特征以优化远场的接收和发射。
19.如上所述，前端级用于将接收到的rf频率组合，同步和转换为能够更容易地由数字信号处理器(dsp)和/或其它模拟和数字电路处理的较低频率的信号。
20.近场和远场处理指的是本领域技术人员众所周知的模拟或数字信号处理。
21.因为当远场和近场都用于产生物体的图像时分辨率被最大化，所以必须产生合成信号。复合信号是近场和远场特征的组合，导致最大分辨率。
22.在一个实施例中，复合信号是从多个信号样本中产生的。最可能的是，与传统的雷达成像器(例如，snom应用)一样，需要一个扫描系统，或者经由两个或多个天线的等效扫描系统。
23.获得改进的雷达分辨率的另一种方法是部分地重叠发射和接收阵列的天线方向图，如图1所示，以这种方式，提高了分辨率，但是以功率为代价。相对于发射阵列焦点扫描接收阵列焦点(或峰值增益)类似于在某些类型的光学传感器中用于提高图像分辨率的技术。该方法的附加好处是以闭环方式优化阵列的焦点。
24.在另一个实施例中，可以使用“超透镜”样的系统，其中仅从一个样品而不是通过扫描产生复合信号。通过使用所提出的新技术，可以创建不受标准超透镜几何形状要求的超透镜(例如，通过近场探头或端口进行感测，并通过软件生成合成图像)。
25.由于操作和环境因素(例如温度，湿度等)导致的温度，振动和电路变化，可能希望实现控制环路以确保超材料和常规阵列都具有所需的特性。例如，控制环路可以确保超材料滤波器以发射信号为中心，并且滤波器拒绝返回的远场。
26.在一些实施例中，本发明还可以包括与超材料发射阵列通信的电路，并且在一些情况下与贴片天线通信或其它天线阵列。该电路设计为调节/组合/控制阵列级调节/组合/控制阵列级是用于检测来自近场探头，高阻抗探头或其它类型的接触探头的近场信号的电路。它也可用于使用近场探针来激励超材料元件。此外，调节/组合/控制阵列级可用于通过使用端口或探针或单独的贴片或其它天线阵列来操纵超材料阵列的主波束的角度，波束宽度，带宽，中心频率，调制，斜视，偏振，焦点以进行接收或发射。它可以向贴片或其它天线阵列提供适当的信号。它可以通过使用调谐元件来控制超材料滤波器的中心频率，带宽和/或可能的阶数，所述调谐元件例如是变容二极管，回转仪，pin二极管开关元件，负载/阻抗牵引，可饱和磁体，调制/频率控制，或其它可调谐谐振器部件或子电路，或它们的组合。并且，其可用于优化感测/刺激阵列与控制电路之间的功率传递。
27.在一些实施例中，本发明可用于改进的金属穿透雷达。从赫兹(hz)到几mhz的电磁频率有效地穿透金属。
28.而且，在一些实施例中，本发明可用于杂波抑制。远场返回在衍射时产生近场波和远场波。具有尺寸小于入射波波长的特征的岩石，土壤变化和其它掩埋物体位于所需感兴趣的物体(或区域)和雷达系统之间，将噪声添加到任何雷达回波中。这些远场分量对于常规的探地雷达(gpr)将表现为杂波噪声。
29.然而，远场返回的这些噪声分量类似于由超材料产生的返回。通过将具有已知电磁特性的超材料元件(例如谐振器)放置在要成像的物体附近，返回噪声被更好地定义，从而允许从远场返回中减去返回噪声的大部分。在减去噪声后，可以对远场返回进行处理，从而提高感兴趣物体的成像分辨率。这些远场分量对于常规的探地雷达(gpr)将表现为杂波噪声。
30.在一些实施例中，杂波噪声可以通过用用于控制衍射效应的亚波长大小的谐振器“种子”地来抑制。谐振器可分散在待成像物体上或其附近的地面中。谐振器优选地被优化以使得能够检测从物体反射的回波，其中回波包括小于入射波长的物体的尺寸信息。
31.通过在播种开始时确定种子位置并检测它们的位置变化，播种在检测地面中的位置变化方面也是有效的。通过测量紧接在种子放置之后的区域的雷达图像或特征来确定基线。通过重新测量图像或特征并将其与初始雷达图像或特征进行比较，可以确定种子区域中条件的任何干扰或变化。很明显，播种有许多重要的用途，包括探测埋藏的矿井，未爆炸的雷管(uxo)，隧道，公用线路和临时爆炸装置(ied)
32.在一些实施例中，种子亚波长谐振器用于执行近场到远场转换以增强gpr成像分辨率。
33.在其它实施例中，杂波抑制通过窄带，窄波束，调制技术和时域技术来实现。尽管已经证明了宽带超材料，但是大多数超材料是窄带的。由于其共振结构，超材料可被设计成在相对窄的带宽和相对窄的入射角上提供其独特的特性。
34.窄带雷达的好处是该雷达变得不容易受到干扰。窄带天线/透镜也不容易受到噪声拾取，天线-地弹跳引起的振铃的影响，产生更少的干扰，并且更好地匹配以优化发射和接收功率，从而提供比宽带系统可能提供的更宽的动态范围。产生用于窄带雷达的发射信号已经被证明是现有技术中的。然而，使用这里提出的近场技术来改进gpr和建筑物穿透雷达(bpr)以及金属穿透雷达(mpr)的分辨率是新颖的和创造性的。
35.希望获得厘米的gpr/bpr分辨率。为了用标准雷达达到厘米分辨率，需要许多千兆赫兹带宽。现有技术的亚波长技术已经实现了超过衍射极限的约3-700倍的亚波长分辨率改进。对于使用分辨率提高100倍的亚波长技术的窄带雷达，可以使用大约300mhz的工作频率。这是土壤衰减开始增加的频率，但是衰减足够低，使得在合理的发射功率电平下能够发生显著的土壤渗透。使用较低频率的另一个好处是减少了自由空间路径损耗，优化了近场和远场信号的返回功率。
36.减小gpr的有效波束宽度(即窄波束)还减小了接收到的人为和环境干扰信号和噪声，减小了杂波并有助于近场技术通常所需的扫描。
37.窄带调制技术(例如，未调制波，高斯衰减周期，单周期等)可以与焦点和超宽带样技术(例如，时间相关)的知识结合使用，以降低整个系统噪声，包括抑制杂波。
38.在本发明的一些实施例中，亚波长照明可用于金属穿透雷达。尽管金属穿透不需要亚波长照明，但是如前所述，亚波长照明确实提高了金属穿透雷达的分辨率。在金属穿透频率上实现最佳分辨率将需要诸如亚波长照明的技术与诸如扫描接收透镜焦点跨过发射透镜焦点以检测和微调亚波长的近场感测部件和反馈技术的组合调焦。
39.在本发明的一些实施例中，亚波长照明可以用作定向能量武器。使用亚波长照明技术的定向能量武器优于激光系统，因为其具有较低的路径损耗，抗云层覆盖性，抗由燃烧过程引起的模糊性，并且提供了定向电磁损伤的新能力。定向电磁损伤包括产生电磁脉冲(emp)以及简单地产生连续高的局部场强。使用emp或高场强，目标中的电子设备可以被损坏(包括目标被emi/emp屏蔽的情况)，而不会损坏附近电子系统的电子设备，并且不需要发射功率与烧透目标系统的壁所需的发射功率一样高。
40.在本发明的至少一个实施例中，亚波长照明可用于杂波抑制。通过将入射辐射的能量聚焦在亚波长大小的区域上，增加了来自亚波长区域的返回信号的信噪比。上述用于杂波抑制的技术可以与亚波长照明结合使用。
41.通过独立控制vcsel发射点阵，实现分辨率的动态控制，并降低对于接收器的要求，从而降低系统成本。
42.vcsel通常由数百甚至上千个发射点组成，并且较为先进的vcsel可以实现对于点阵的独立控制。基于此，vcsel可以根据需求，将整个发射阵面分为n1×
m1的发射单元，分时对探测目标进行照射，同时由探测器进行接收感知，每个独立的发射单元都可以得到分辨率为n2×
m2的感知结果，由此在所有发射单元完成感知之后最终得到分辨率为(n1×
n2)
×
(m1×
m2)的结果，从而大大提高分辨率。
43.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。