激光雷达及其测距方法与流程

本发明涉及调频连续波激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光雷达及其测距方法。

背景技术

激光雷达指采用发射激光束的方式来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是：首先，向目标发射探测信号(激光束)；然后，将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，即可获得目标的有关信息，如目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。

传统的激光雷达通过机械转动的方式带动出射的光学透镜系统进行角度变换，使雷达能够进行360°的扫描和一定的竖直平面的俯仰角变换。然而，这种激光雷达不仅需配备多组激光收发机，还需配备精密的光调校准系统及精密设计的微机械系统，从而使其造价高昂；同时，机械系统和光学系统的稳定性差，使用寿命较短。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种激光雷达及其测距方法。该激光雷达的造价成本低，测距效果好，使用寿命长；该激光雷达的测距方法提供前述激光雷达的测距使用方式，解决如何获得测距结果的问题。

其技术方案如下：

一方面，提供了一种激光雷达的测距方法，包括以下步骤：

激光器发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波，获取锯齿波的激光信号、并获取锯齿波的斜率；

光隔离器接收激光信号进行处理、并得到实时输出信号；

第一耦合器将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号；

信号发射模块将第一路实时信号朝被测目标发射、并形成第一信号；

获取第一耦合器和信号发射模块之间的光纤距离；

被测目标反射第一信号至信号接收模块、并形成第二信号；

信号接收模块接收第二信号、并输出为回波信号；

第二耦合器接收回波信号；同时，第二耦合器接收当前的第二路实时信号、并得到本振信号；

获取回波信号的第一信号频率，获取本振信号的第二信号频率；

根据预设要求获取第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值；

基于第一方程进行计算、并得到被测目标和信号发射模块之间的间距；

其中，第一方程为：

r＝(δf*c/(2*k))-(l/2)；

r为被测目标和信号发射模块之间的间距，δf为第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值，c为光速值，k为锯齿波的斜率，l为第一耦合器和信号发射模块之间的光纤距离。

上述激光雷达的测距方法，通过对激光形成的实时输出信号进行分路、发射、反射、获取及计算等一系列过程，最终得到被测目标和信号发射模块之间的距离，从而获得所需的距离，测距方法简单，激光频率稳定，发出功率小，不仅造价成本及使用成本低，而且测试结果可靠。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，在根据预设要求获取第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值的步骤之后，还包括：

根据预设要求获取下一时刻的当前第一差频值、并得到当前第二差频值；

根据预设要求并基于第一差频值和第二差频值进行计算、并得到多普勒频移值；

获取激光器的当前发射频率；

获取被测目标的当前目标径向角；

基于第二方程进行计算、并得到被测目标相对信号发射模块的移动速度；

其中，第二方程为：

v＝(fdopp*c)/(f0*(cosα))；

fdopp为多普勒频移值，f0为激光器的当前发射频率，v为被测目标相对信号发射模块的移动速度，c为光速值，α为被测目标的当前目标径向角。

在其中一个实施例中，基于第一方程进行计算、并得到被测目标和信号发射模块之间的间距的步骤还包括：

第二耦合器将接收到的回波信号和本振信号进行合路、并重新进行分路、形成两个均等的第一输出光信号；

将第一输出光信号转换为第一输出电信号；

获取时钟信号；

根据预设要求并基于时钟信号、第一输出电信号和第一方程进行处理、并得到被测目标和信号发射模块之间的间距。

在其中一个实施例中，在激光器发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波，获取锯齿波的实时输出信号及锯齿波的斜率的步骤之后，在第一耦合器将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤之前，还包括：

第三耦合器将实时输出信号进行分路、并形成第三路实时信号和第四路实时信号；

在第一耦合器将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤之后，还包括：

时钟生成模块接收第四路实时信号、并生成时钟信号；

第一耦合器将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤中，第一耦合器进行分路的实时输出信号为第三路实时信号。

在其中一个实施例中，时钟生成模块包括第四耦合器、干涉仪和第五耦合器，时钟生成模块接收第四路实时信号、并生成时钟信号的步骤还包括：

第四耦合器接收第四路实时信号、并将第四路实时信号进行分路、并形成第五路实时信号和第六路实时信号；

干涉仪接收第五路实时信号和第六路实时信号、并对第五路实时信号和第六路实时信号进行处理、并形成第五信号和第六信号，第五信号相对第六信号存在延迟；

第五耦合器接收第五信号和第六信号、并将第五信号和第六信号进行合路、并重新进行分路、形成两个均等的第二输出光信号；

根据预设要求将第二输出光信号转换为第二输出电信号、并形成时钟信号。

在其中一个实施例中，根据预设要求并基于时钟信号、第一输出电信号和第一方程进行处理、并得到被测目标和信号发射模块之间的间距的步骤包括：

采集卡对第一输出电信号进行采样、并基于时钟信号进行处理、得到输出模拟信号；

将输出模拟信号进行模数转换、并得到数字输出信号；

根据预设要求并基于第一方程对数字输出信号进行处理、并得到被测目标和信号发射模块之间的间距。

在其中一个实施例中，激光器发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波的步骤中，还包括：

相位调制器控制激光器的激光发射、并使激光器输出满足预设要求的激光。

另一方面，还提供了一种激光雷达，能够采用如上述任一个技术方案所述的激光雷达的测距方法进行测距，包括激光器，激光器用于发射激光；光隔离器，光隔离器与激光器连接；耦合组件，耦合组件包括第一耦合器和第二耦合器；信号收发组件，信号收发组件包括信号发射模块和信号接收模块；及控制组件，控制组件包括数据获取模块和数据处理模块，数据获取模块用于获取数据，数据处理模块用于处理数据获取模块获取的数据、并执行如上述任一个技术方案所述的激光雷达的测距方法进行测距。

上述激光雷达，提供前述的激光雷达测距方法实施的硬件基础，造价成本低，测距效果好，且使用寿命更长。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，耦合组件还包括第三耦合器，控制组件还包括时钟生成模块。

在其中一个实施例中，时钟生成模块包括第四耦合器、干涉仪和第五耦合器。

附图说明

图1为实施例中激光雷达的模块架构设置示意图；

图2为图1实施例中被测目标与激光雷达相对静止时的回波信号及本振信号及当前第一差频值关于时间的曲线图；

图3为图1实施例中第一差频值关于时间的曲线图；

图4为图1实施例中时钟信号与差分波形关于时间的曲线图；

图5为图1实施例中多普勒频移值与时间的曲线图；

图6为图1实施例的一种激光雷达的具体设置模块图；

图7为图1实施例的另一种激光雷达的具体设置模块图。

附图标注说明：

110、激光器，120、相位调制器，130、光隔离器，210、第一耦合器，220、第二耦合器，230、第三耦合器，240、第四耦合器，250、第五耦合器，310、信号发射模块，320、信号接收模块，400、被测目标，500、干涉仪，600、采集卡，710、第一平衡探测器，720、第二平衡探测器，800、信号分析模块，900、校正电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图7所示的实施例，提供了一种激光雷达的测距方法，包括以下步骤：

激光器110发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波，获取锯齿波的激光信号、并获取锯齿波的斜率；

光隔离器130接收激光信号进行处理、并得到实时输出信号；

第一耦合器210将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号；

信号发射模块310将第一路实时信号朝被测目标400发射、并形成第一信号；

获取第一耦合器210和信号发射模块310之间的光纤距离；

被测目标400反射第一信号至信号接收模块320、并形成第二信号；

信号接收模块320接收第二信号、并输出为回波信号；

第二耦合器220接收回波信号；同时，第二耦合器220接收当前的第二路实时信号、并得到本振信号(也即：该第二路实时信号即为系统中的本振信号)；

获取回波信号的第一信号频率，获取本振信号的第二信号频率；

根据预设要求获取第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值；

基于第一方程进行计算、并得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距；

其中，第一方程为：

r＝(δf*c/(2*k))-(l/2)；

r为被测目标400和信号发射模块310之间的间距，δf为第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值，c为光速值，k为锯齿波的斜率，l为第一耦合器210和信号发射模块310之间的光纤距离。

通过对激光形成的实时输出信号进行分路、发射、反射、获取及计算等一系列过程，最终得到被测目标400和信号发射模块310之间的距离，从而获得所需的距离，测距方法简单，激光频率稳定，发出功率小，不仅造价成本及使用成本低，而且测试结果可靠。

本实施例中，信号发射模块310和信号接收模块320均由许多相同的天线组成矩阵，所有天线的辐射波在远场通过干涉形成一束雷达波。电子系统实时控制每个天线的相位，从而控制远场的雷达波方向。电子系统改变某些天线的相位，就可以改变雷达波的方向，从而实现动态扫描。这样的电子扫描不需要机械转动装置、扫描速率快，而且即使有少量天线发生故障也不会影响信号收发组件的实际使用。

只需要一组激光发射接收机即可完成一个空间立体角度内的扫描；同时使用全自动、大规模的光子集成电路的制造、封装工艺而不需要机械式激光雷达那样复杂费时的安装校准过程，从而降低成本。同时，该采用该激光雷达的测距方法进行测距的激光雷达无需高速旋转的机械部件，其可靠性较传统激光雷达可以得到提高。

而传统的激光雷达中信号收发组件很难达到较高的发射功率，这是因为：光能量在信号收发组件的波导中是逐渐分散到很多个天线单元的，故在初始输入波导中，单位面积的光功率密度较大；同时采用脉冲测距的激光雷达要求较窄的脉宽以达到更高的峰值功率，进一步提高了对波导材料耐受较高光功率的要求。因此，在过去的激光脉冲发射的激光雷达系统中信号收发组件的使用受到了限制，在fmcw激光雷达系统中，由于所需要的激光信息是其频率改变量，因此可以降低激光的发射功率，从而解决信号收发组件的发射功率限制问题，使得采用本实施例提供的激光雷达的测距方法进行测距时，无需较高的发射功率即可完成测距，并且测距可靠性更高，测距成本低。

本实施例提供的激光雷达的测距方法尤其能够在200米及500米范围内进行测距，能够解决被测目标400移动范围较大时的测量；采用低功率的激光发射即可进行测距，测距成本低。

调频连续波雷达，也称fmcw(frequencymodulatedcontinuouswave)雷达，凭借自身的测量优势，在测距方面得到了广泛应用，调频连续波雷达是一种发射频率受特定信号调制的连续波雷达。与其他测距雷达相比，调频连续波雷达的结构更为简单。

另外，fmcw雷达的技术经验丰富，所需的发射功率峰值较低、容易调制、成本低、信号处理简单，本实施例提供的激光雷达的测距方法能够应用于汽车雷达中。

光隔离器130是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器130很好的隔离。光隔离器130主要利用磁光晶体的法拉第效应，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器130很好的隔离，提高光波传输效率

光隔离器130设在激光器110和第一耦合器210之间，以用于控制激光器(如可调谐激光器)发出的激光能够单向传导，减少激光器出射激光在光纤中传输发生反射的概率，并由此减少反射产生的噪声。

信号发射模块310和信号接收模块320分别用于发射信号指被测目标400和接收由被测目标400反射回的信号，本领域技术人员可根据需要进行具体设置，以满足实际的需要为准即可，如设置信号发射模块310和信号接收模块320均为光学相控阵。

需要说明的是，在满足实施要求的情况下，具体实施时可调整相应的实施顺序，这里只是为了说明的方便，本领域技术人员在实施时可以根据需要进行具体调整，不再赘述。

如图1至图7所示的实施例，在根据预设要求获取第一信号频率和第二信号频率之间的当前第一差频值的步骤之后，还包括：

根据预设要求获取下一时刻的当前第一差频值、并得到当前第二差频值；

根据预设要求并基于第一差频值和第二差频值进行计算、并得到多普勒频移值；

获取激光器110的当前发射频率；

获取被测目标400的当前目标径向角；

基于第二方程进行计算、并得到被测目标400相对信号发射模块310的移动速度；

其中，第二方程为：

v＝(fdopp*c)/(f0*(cosα))；

fdopp为多普勒频移值，f0为激光器110的当前发射频率，v为被测目标400相对信号发射模块310的移动速度，c为光速值，α为被测目标400的当前目标径向角。

根据该方法，还可以测得被测目标400相对信号发射模块310的移动速度，从而获得更为全面的被测目标400相关数据。

需要说明的是：根据预设要求并基于第一差频值和第二差频值进行计算、并得到多普勒频移值的步骤中，预设要求并基于第一差频值和第二差频值进行计算指第一差频值和第二差频值的差值。

进一步地，在基于第二方程进行计算、并得到被测目标400相对信号发射模块310的移动速度的步骤之后，还包括：

获取激光雷达相对地平面的雷达绝对速度；

根据预设要求并基于雷达绝对速度和被测目标400相对信号发射模块310的移动速度进行计算、并得到被测目标400相对地平面的目标绝对速度。

如图2至图5所示，图中实线指第一路实时信号，图中虚线指回波信号，第一路实时信号在经历τ时间后，延迟产生了δf的第一差频值，则r(又称绝对距离)与τ的关系为：

τ＝(2*r+l)/c；

根据几何关系可知：

τ/δf＝t/(2*δf)；

而r又可表示为：

r＝((δf*t*c)/(4*δf))-(l/2)；

且：

k＝(2*δf)/t；

基于以上四个公式，即可得到第一方程，并能够计算得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距。

根据多普勒频移特性，δfdopp与移动速度v之间的关系即第二方程：

fdopp＝f0*(v/c)*(cosα)；

而：

fdopp＝δfdiff_down-δfdiff_up；

其中，δfdiff_down和δfdiff_up分别代表两个不同时间的信号。

由此，可计算并得到被测目标400相对信号发射模块310的移动速度。

如图1至图7所示的实施例，基于第一方程进行计算、并得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距的步骤还包括：

第二耦合器220将接收到的回波信号和本振信号进行合路、并重新进行分路、形成两个均等的第一输出光信号；

将第一输出光信号转换为第一输出电信号；

获取时钟信号；

根据预设要求并基于时钟信号、第一输出电信号和第一方程进行处理、并得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距。

由于第二耦合器220输出的两个信号为光信号，需要转换为电信号，并进一步处理，以满足实际的处理需要。

如图1至图7所示的实施例，在激光器110发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波，获取锯齿波的实时输出信号及锯齿波的斜率的步骤之后，在第一耦合器210将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤之前，还包括：

第三耦合器230将实时输出信号进行分路、并形成第三路实时信号和第四路实时信号；

在第一耦合器210将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤之后，还包括：

时钟生成模块接收第四路实时信号、并生成时钟信号；

第一耦合器210将实时输出信号进行分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号的步骤中，第一耦合器210进行分路的实时输出信号为第三路实时信号。

如图1所示，激光器110发出满足预设要求的激光后，第三耦合器230将实时输出信号进行分路、并形成两路信号，及第三路实时信号和第四路实时信号，第三路信号通过第一耦合器210进一步分路、并形成第一路实时信号和第二路实时信号；而第四路实时信号通过时钟生成模块的处理、并生成时钟信号，时钟信号用于后续的数据处理及计算，以得到更加精准的数据。

当然，时钟生成模块可以根据需要进行具体设置，如在不设置第三耦合器230时，可直接设置满足需要的时钟生成器或采用本机的时钟信号进行后续的数据处理及计算需要，本领域技术人员可根据需要进行具体设置，这里不再赘述。

如图1至图7所示的实施例，时钟生成模块包括第四耦合器240、干涉仪500和第五耦合器250，时钟生成模块接收第四路实时信号、并生成时钟信号的步骤还包括：

第四耦合器240接收第四路实时信号、并将第四路实时信号进行分路、并形成第五路实时信号和第六路实时信号；

干涉仪500接收第五路实时信号和第六路实时信号、并对第五路实时信号和第六路实时信号进行处理、并形成第五信号和第六信号，第五信号相对第六信号存在延迟；

第五耦合器250接收第五信号和第六信号、并将第五信号和第六信号进行合路、并重新进行分路、形成两个均等的第二输出光信号；

根据预设要求将第二输出光信号转换为第二输出电信号、并形成时钟信号。

第四路实时信号的通过如此设置的校正信号路，从而得到时钟信号，以满足后续的需要。

需要说明的是，根据需要，可以设置为：

第三耦合器230将实时输出信号分路为能量比为99:1的第三路实时信号和第四路实时信号；

第一耦合器210将第三路实时信号分路为能量比为99:1的第一路实时信号和第二路实时信号；

第二耦合器220将回波信号和本振信号进行合路、并重新分路为能量比为50:50的两个均等的第一输出光信号；

第四耦合器240将第四路实时信号分路为能量比为99:1的第五路实时信号和第六路实时信号；

第五耦合器250将第五信号和第六信号进行合路、并重新分路形成能量比为50:50的两个均等的第二输出光信号。

当然，本领域技术人员可根据需要进行具体设置，以满足实际的需要，这里不再赘述。

如图1至图7所示的实施例，根据预设要求并基于时钟信号、第一输出电信号和第一方程进行处理、并得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距的步骤包括：

采集卡600对第一输出电信号进行采样、并基于时钟信号进行处理、得到输出模拟信号；

将输出模拟信号进行模数转换、并得到数字输出信号；

根据预设要求并基于第一方程对数字输出信号进行处理、并得到被测目标400和信号发射模块310之间的间距。

通过上述过程，进行具体的信号处理及转换，以得到具体的数据。本领域技术人员可根据需要进行具体设置，这里不再赘述。

如图1至图7所示的实施例，激光器110发出频率连续变化的激光、并形成锯齿波的步骤中，还包括：

相位调制器120控制激光器110的激光发射、并使激光器110输出满足预设要求的激光。

通过相位调制器120控制激光器110的激光发射，从而能够得到满足要求的频率连续变化的激光。

进一步地，相位调制器120为双平行相位调制器，本领域技术人员可根据需要进行具体设置，这里不再赘述。

如图1、图4至图7所示的实施例，还提供了一种激光雷达，能够采用如上述任一个实施例所述的激光雷达的测距方法进行测距，包括激光器110，激光器110用于发射激光；光隔离器130，光隔离器130与激光器110连接；

耦合组件，耦合组件包括第一耦合器210和第二耦合器220；信号收发组件，信号收发组件包括信号发射模块310和信号接收模块320；及控制组件，控制组件包括数据获取模块和数据处理模块，数据获取模块用于获取数据，数据处理模块用于处理数据获取模块获取的数据、并执行如上述任一个实施例所述的激光雷达的测距方法进行测距。

该激光雷达用于提供前述的激光雷达测距方法实施的硬件基础，造价成本低，测距效果好，且使用寿命更长。

如图1所示的实施例，耦合组件还包括第三耦合器230，控制组件还包括时钟生成模块。

如图1所示的实施例，时钟生成模块包括第四耦合器240、干涉仪500和第五耦合器250。

进一步地，干涉仪500可以是马赫曾德尔干涉仪500，也可以是其他能够实现对两个信号进行给定延迟处理的干涉仪500，以满足实际的需要。

如图1所示的实施例，激光雷达还包括相位调制器120，以用于使激光器110发出满足需要的激光。

如图1所示的实施例，激光雷达还包括第一平衡探测器710和第二平衡探测器720，第一平衡探测器710用于将第一输出光信号转换为第一输出电信号；第二平衡探测器720用于将第二输出光信号转换为第二输出电信号。

如图6和图7所示，为两个具体的实施方式：

图6中，激光器110为dfb激光器110(dfblaser，即distributedfeedbacklaser)，此时，需配合相位调制器120、以控制dfb激光器110能够发出满足要求的频率连续变化的激光。

此实施方式中，dfb激光器110需要相位调制器120使激光器110输出的频率被电流调制，达到连续波输出的模式；采集卡600的抽样频率为10khz-100khz，采集卡600的频率可以降低以达到较低的采用频率；dfb激光器110的输出功率可以相应提高。

图7中，激光器110为ecl外腔可调激光器110(ecl，即externalcavitylaser)，该激光器110直接可发出频率连续变化的激光，无需设置相位调制器120。

另外，图6和图7中校正电路900相当于时钟生成模块，以用于配合采集卡600进行后续的处理过程；信号分析模块800用于进行最终处理、并输出测距和测速结果。

此实施方式中，ecl外腔激光器110可以灵敏调节输出信号，扫频精度较dfb激光器110更小，频率改变的速度更大；同时，也需要采集卡600的采集速率对应匹配，也即要求采集卡600的采集速率较高。校正电路900所产生的时钟信号也相应变窄，以进行匹配处理；信号分析模块800也应根据前述配置对应设置。

另外，根据需要，还在采集卡600与信号分析模块800之间设置模数转换器adc，以将输出模拟信号进行模数转换、并转换为数字输出信号。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。