一种超光谱激光雷达系统及其控制方法与流程

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种在自动驾驶中可输出多种频率激光光束且光束频率连续可调的超光谱激光雷达系统及其控制方法。

背景技术：

现有的激光雷达装置可以探测单频率的激光回波，通过测量激光脉冲的飞行时间可计算出目标物被测点与激光雷达系统之间的距离信息。但是传统激光雷达系统的不足之处在于：只能出射单一频率的激光并探测接收激光回波，探测谱段受到激光光源输出频率的限制，无法根据需求改变出射激光束的频率。

目前自动驾驶多使用传统的激光雷达系统。激光雷达应用在自动驾驶可以探测行驶前方是否存在障碍物并提供障碍物与激光雷达系统之间的距离信息，信息可以为自动驾驶决策提供必要信息。但是不足之处在于：当有一台以上的平台(车辆或飞行物)搭载相同型号的激光雷达进行自动驾驶时，激光雷达的出射光束的频率是相同的，会彼此产生干扰，激光雷达探测到的激光回波可能并非自身系统出射，由此得到的距离信息会产生错误，引起自动驾驶系统的误判。

有部分研究机构使用具有不同频率出射光束的激光雷达系统搭载于自动驾驶平台上，这样虽然可以解决激光雷达之间光束互相干扰的问题，但是当自动驾驶平台数量变多后，将需要更多不同频率输出光束的激光雷达。而常规的激光雷达的输出光束的频率一定且只具有几个特殊的固定值，无法输出任意频率的光束。因此不能满足多个自动驾驶平台搭载不同频率光束的激光雷达的需求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种超光谱激光雷达系统及其控制方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种超光谱激光雷达系统，包括：光源子系统，提供设定频率的激光作为探测光及激光雷达主波；光接收子系统，接收设定频率的回波；信号采集子系统，采集所述激光雷达主波和回波并采样；以及信号处理子系统，基于所述回波来确定是否改变所述设定频率，以及基于所述激光雷达主波及回波获取探测目标的信息。

根据本发明的另一个方面，提供了一种控制方法，用于控制所述的超光谱激光雷达系统，包括：步骤A，控制光源子系统输出设定频率的激光，同时控制接收子系统仅允许该设定频率的激光通过；步骤B：控制信号采集子系统，令其将接收到的激光雷达主波和回波转换为电信号并采样；步骤C：控制信号处理子系统，令其判断回波采样电信号是否为饱和信号，若是，则改变该设定频率，返回步骤A，否则执行步骤D；以及步骤D：控制信号处理子系统，令其基于主波采样电信号和回波采样电信号获取探测目标的信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

(1)采用光束频率可调的激光装置，选择设定频率的光束作为探测光并接收回波，获取探测结果，避免因频率相同而引起的激光雷达系统之间的干扰。

(2)在回波光路上设置激光频率选择器，仅允许与探测光频率相同的回波通过，避免其他频率的激光对探测结果造成干扰。

(3)在激光发射子系统中使用了激光频率选择器，通过调整激光频率选择器可以选择激光雷达输出光束的频率，激光频率选择器的通带频率调整精度高，可以在一定宽度的光谱范围内有多个频率设定，使激光雷达系统可输出多个频率的光束，使该超光谱激光雷达系统具有频分复用的能力，并且理论上复用的数量可达到上百台。

(4)在激光回波接收子系统中使用的光电探测器，具有宽频率响应范围，当超光谱激光雷达系统改变出射激光的频率后，只要激光频率在探测器频率响应范围内，仅需要同步地调整激光频率选择器的通带频率，即可实现对激光回波的接收，而不需要更换光电探测器，提高了超光谱激光雷达系统的适用性。

(5)同步调节光束频率可调的激光装置的探测光的频率和回波光路上激光频率选择器的带通频率，当遇到相同频率的激光雷达系统时改变探测光频率来实现探测。

附图说明

图1为本发明实施例1中超光谱激光雷达系统的结构示意图；

图2为本发明实施例2中超光谱激光雷达系统的结构示意图。

【主要元件】

11-超连续激光光源；12-出射激光频率选择器；13-光束准直器；14-光束分束器；15-第一光电传感器；16可调谐激光光源；21-接收镜头；22-入射激光频率选择器；23-第二光电传感器；24-数字采集卡；25-计算机。

具体实施方式

本发明提供了一种光束频率可调的超光谱激光雷达系统，其包括光源子系统、光接收子系统、信号采集子系统和信号处理子系统。

光源子系统提供设定频率的激光作为探测光及激光雷达主波，探测光束遇到探测目标后形成回波，激光雷达主波被光电探测器接收形成主波电信号。

光接收子系统接收探测目标反射的回波，只接收与光源子系统发射的探测光束频率相同的回波并生成回波电信号，对与光源子系统发射的探测光频率不同的回波进行截止。

信号采集子系统接收所述激光雷达主波和回波转换为电信号并采样。

信号处理子系统，其控制光源子系统发出设定频率的激光，并控制接收对应频率的回波电信号和主波电信号，进行分析处理得到探测目标的三维信息及距离。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

实施例1

本实施例提供了一种光束频率可调的超光谱激光雷达系统，其包括光源子系统、光接收子系统和信号采集处理子系统。

如图1所示，光源子系统包括超连续激光光源11、出射激光频率选择器12光束准直器13和光束分束器14。该超连续激光光源11产生激光，该激光为包含可见光、近红外和短波红外三种波段的超连续光谱激光。出射激光频率选择器12、光束准直器13、光束分束器14依次位于超连续激光光源11的激光出射光路前方，出射激光频率选择器12选通设定频率的激光，超连续光谱激光中仅设定频率激光通过出射激光频率选择器12，设定频率的激光经光束准直器13准直后，入射至光束分束器14，光束分束器14与激光光源的光轴呈45度角设置，光束分束器14透射部分设定频率的激光作为探测光，反射部分设定频率的激光作为激光雷达主波，其中设定频率优选为单一频率。

优选地，该超连续激光光源11为窄脉冲超连续激光光源，其波长范围为400nm-2400nm，输出功率大于等于150mW，重复频率为25KHz-30KHz，脉冲宽度1ns，进一步地，该超连续激光光源11为SCM-30-450型号的超连续激光光源。

优选地，该出射激光频率选择器12为可调谐法珀滤波器，法珀腔长可调节以选择通带频率，法珀滤波器的波长变化精度为10nm。

优选地，该光束分束器14为高透射率低反射率的光束采样镜，绝大部分设定频率的激光由高透射率低反射率的光束采样镜透射，剩余部分激光被高透射率低反射率的光束采样镜反射，其中，透射率可以为99％，反射率为1％；透射率可以为99.9％，反射率为0.1％；高透射率低反射率镜的透射率可以更高，反射率可以更低，只要反射光能够被后述的第一光电传感器15探测到并产生电信号即可。

光接收子系统包括接收镜头21、入射激光频率选择器22。入射激光频率选择器22位于接收镜头21的回波光路后方，入射激光频率选择器22选通设定频率的激光，激光回波中仅设定频率激光通过入射激光频率选择器22，且入射激光频率选择器22选通的设定频率与出射激光频率选择器12选通的设定频率相同。

优选地，该入射激光频率选择器为可调谐法珀滤波器，法珀腔长可调节以选择通带频率，法珀滤波器的波长变化精度为10nm。

信号采集子系统包括第一光电传感器15、第二光电传感器23、高速数字采集卡24和计算机25。第一光电传感器15探测光束分束器14反射的激光雷达主波的信号，第二光电传感器23位于入射激光频率选择器22的光路后方，探测设定频率的激光回波的信号，高速数字采集卡24的信号输入端连接第一光电传感器15和第二光电传感器23的信号输出端，接收第一光电传感器15产生的激光雷达主波电信号和第二光电传感器23产生的激光回波电信号并对它们进行采样，并发送至信号处理子系统。

优选地，第一光电传感器15为Si探测器阵列，例如PIN或APD探测器，或者为InGaAs探测器阵列。

优选地，第二光电传感器23为Si探测器阵列，例如PIN或APD探测器，或者为InGaAs探测器阵列。

信号处理子系统包括计算机25，计算机25基于接收到的主波采样信号和回波采样信号，进行分析和处理，得到探测目标的距离信息、光谱信息及三维信息。计算机25的输出端连接超连续激光光源11、出射激光频率选择器12和入射激光频率选择器22，对它们进行控制，即控制超连续激光光源11的激光发射，控制出射激光频率选择器12和入射激光频率选择器22的带通频率。

具体的计算机25包括控制模块、阈值判断模块和计算处理模块，控制模块控制激光光源装置的输出激光的设定频率及所述入射激光频率选择器(22)允许通过激光的设定频率，阈值判断模块基于预设阈值，判断回波采样信号是否饱和，如果回波采样信号饱和，则控制装置改变所述设定频率，计算处理模块在回波采样信号未饱和的情况下，对所述主波采样信号和回波采样信号其进行分析及处理，获得探测目标的信息。

本实施例光束频率可调的超光谱激光雷达系统优选用于自动驾驶平台上，其工作原理如下：

计算机25产生触发信号，在触发信号的控制下，超连续激光光源11发出包含可见光、近红外和短波红外三种波段的超连续光谱激光，该超连续光谱激光入射至出射激光频率选择器12，计算机25也产生控制信号控制出射激光频率选择器12和入射激光频率选择器22调谐通带频率至需要的设定值，出射激光频率选择器输出的设定频率的激光经光束准直器13准直后入射至光束分束器14，部分设定频率的激光从光束分束器14透射，作为探测光向探测目标发射，部分设定频率的激光被光束分束器14反射，反射光作为主波由第一光电传感器15接收，第一光电传感器15生成激光雷达主波电信号，并将该主波电信号发送至高速数字采集卡24，高速数字采集卡24对激光雷达主波电信号进行数字采样，并将采样信号发送至计算机25。

探测光经探测目标反射后形成的激光回波由接收镜头21接收，经接收镜头21的激光回波入射至入射激光频率选择器22，回波中频率与入射激光频率选择器22的通带频率相同的成分通过入射激光频率选择器22入射至第二光电传感器23，第二光电传感器23将光信号转换为激光回波电信号，并将激光回波电信号发送至高速数字采集卡24，高速数字采集卡24对激光回波电信号进行数字采样，并将采样信号发送至计算机25。

计算机25基于接收到的主波采样信号和回波采样信号，进行分析和处理，得到探测目标的距离信息、光谱信息及三维信息。

本实施例还提供一种超光谱激光雷达系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤A：控制光源子系统输出设定频率的激光，同时控制接收子系统仅允许该设定频率的激光通过；

具体的，计算机25同步控制本实施例超光谱激光雷达系统中的出射激光频率选择器12和入射激光频率选择器22，仅允许设定频率的激光通过，该设定频率为单一频率。

步骤B：将接收到的激光雷达主波和回波转换为电信号并采样。

步骤C：判断回波采样电信号是否为饱和信号，若是，则改变该设定频率，返回步骤A，否则执行步骤D；

具体的，饱和信号的最大幅值远大于常规回波采样信号的幅值，若计算机25接收到的回波采样信号大于阈值，则判定激光雷达系统接收到了其它激光雷达系统发射的相同频率激光脉冲的直射，即接收到了饱和信号，计算机25将发出控制信号改变出射激光频率选择器12和入射激光频率选择器22的通带频率。为了保证改变通带频率的有效性并避免再次出现相同频率激光的互扰，设定通带频率调整规则，例如规定当自动驾驶平台行驶方向为东或者北时，出射激光波长向长波长方向调整(通带频率减小)；当自动驾驶平台行驶方向为西或者南时，出射激光波长向短波长方向调整(通带频率增大)，其中可以采用在超光谱激光雷达系统设置陀螺仪来判断当前行驶。根据激光频率选择器允许通过的波长调整精度，可将激光波长的调整步长设定为10nm～20nm。通过计算机25判定激光直射、改变激光频率选择器通带频率的一系列动作，使得激光雷达系统具有了在出现相同频率激光干扰的情况时进行规避的能力，提高了自动驾驶平台的安全性。

步骤D：基于主波采样电信号和回波采样电信号获得探测结果；

具体的，计算机25基于接收到的主波采样电信号和回波采样电信号，进行分析和处理，得到探测目标的三维信息、光谱信息及距离信息等。

本实施例光束频率可调的超光谱激光雷达系统用于自动驾驶时，当在激光雷达系统的探测范围内出现多个自动驾驶平台均搭载激光雷达系统时，每个激光雷达系统可以设定一个激光频率并且频率与其它激光雷达频率不同。该激光雷达系统无需更换不同输出频率的激光光源，即可调谐激光雷达的输出激光频率和接收回波频率，避免激光雷达系统之间的互相干扰，并具有在相同频率激光干扰时进行规避的能力，保证激光雷达系统探测的准确性，保障自动驾驶的安全性；并且，激光频率选择器的频率调谐精度高，而超光谱激光的光谱范围宽，激光雷达系统可设定的输出激光频率数量多，因此可以支持多个(上百)激光雷达系统同时进行频分复用。

实施例2

为了达到简要说明的目的，本实施例与上述第一实施例中相同的描述皆并于此，无需再重复相同叙述。

本实施例提供了一种光束频率可调的超光谱激光雷达系统，如图2所示，其与实施例1中的区别仅在于，采用可调谐激光光源16代替超连续激光光源11与出射激光频率选择器12，可调谐激光光源16在计算机25的控制下输出设定频率的激光，激光的频率可在可见光-近红外-短波红外的宽光谱范围内连续变化，计算机25控制入射激光频率选择器22的通带频率与可调谐激光光源16输出设定频率的激光的频率相同，可调谐激光光源16优选为可调谐光纤激光器。

相应地，本实施例还提供一种超光谱激光雷达系统的控制方法，其与实施例1中的区别仅在于，步骤A的具备步骤为具体的，计算机25同步控制本实施例超光谱激光雷达系统中的可调谐激光光源16和入射激光频率选择器22，仅允许设定频率的激光输出和通过，该设定频率为单一频率。

本领域技术人员应当理解，本实施例中的参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)激光频率选择器为调制盘加窄带滤光片来代替；

(2)激光频率选择器为声光可调制滤波器(AOTF)来代替；

(3)高速数字采集卡还可以为其他类型的信号采集装置。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。