基于FDML的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法与流程

本发明涉及激光雷达测距技术领域，尤其涉及一种基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法。

背景技术：

激光雷达是一种非接触主动光学测距系统，具有测距精度高、实时性好、分辨率高、指向性明确、抗干扰能力强的特点，能够稳定可靠地对目标物体在空间内的距离、大小以及强度等信息进行测量。在汽车无人驾驶、机器人三维视觉等领域中，激光雷达可以提供高分辨的点云数据和三维场景重建的功能，并不会受到外界因素(如昼夜、温度、环境、天气等)的干扰。

在种类众多的激光雷达中，调频连续波激光雷达具有处理电路简单、功率小、结构紧凑、重量轻及功耗小等特点，能同时测量目标的速度、距离两种参数，其在高精度大尺寸空间测量领域占有重要地位，发展空间和前景十分广阔。

虽然调频连续波激光测距具有诸多优势，但一直以来受激光器调制范围和调制线性度的限制，影响了激光测量的分辨率和精度。另外，现有激光雷达测试结果单一，不能同时实现距离和速度的测量。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法，其解决了调频连续波激光测距分辨率和测量精度低、测量结果单一的技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明实施例提供一种基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统，包括：

三维转台单元，用于获取待测目标的方向信息；

扫描光源单元，用于根据待测目标的方向信息，基于fdml技术向待测目标的方向发射激光，锁定待测目标的位置；

光纤干涉单元，用于接收目标反射的激光信号并得到电信号；

信号采集与处理单元，用于基于电信号得到待测目标的距离和速度。

本发明实施例提出的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统，首先利用三维转台单元获取待测目标的方向信息，再基于fdml技术和相干探测方式，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量。

可选地，三维转台单元包括水平中空旋转平台和竖直中空旋转平台，其中，水平中空旋转平台的旋转角度为180°，竖直中空旋转平台的旋转角度为360°；

水平中空旋转平台和竖直中空旋转平台均与信号采集与处理单元连接。

可选地，三维转台单元上设置有相机和液体透镜，相机和液体透镜跟随水平中空旋转平台和竖直中空旋转平台作旋转运动；

相机和液体透镜均与信号采集与处理单元连接。

可选地，扫描光源单元选用fdml激光器作为调频连续波激光雷达捕获系统的光源，fdml激光器包括依次连接的驱动电路、滤波器、第一光隔离器、半导体放大器、第二光隔离器、色散补偿光纤和第一光纤耦合器；

驱动电路用于发出扫频激光，扫频激光依次通过滤波器、第一光隔离器、半导体放大器、第二光隔离器、色散补偿光纤和第一光纤耦合器；

第一光纤耦合器用于将扫频激光分为a路扫频激光和b路扫频激光，第一光纤耦合器的分光比为20：80；

其中，a路扫频激光作为fdml激光器的输出，输出20％的扫频激光能量；b路扫频激光返回到fdml激光器的环形谐振腔内，输出80％的扫频激光能量。

可选地，光纤干涉单元包括第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、环形器、收发设备、待测目标、第四光纤耦合器、第一光电探测器、第五光纤耦合器、第六光纤耦合器和第二光电探测器；

第二光纤耦合器与第三光纤耦合器、环形器、收发设备、待测目标依次连接；

第四光纤耦合器和第一光电探测器依次连接；

第二光纤耦合器还与第六光纤耦合器、第二光电探测器依次连接；

第二光纤耦合器用于将a路扫频激光分为c路扫频激光和d路扫频激光，第二光纤耦合器的分光比为50：50；

其中，c路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第三光纤耦合器；d路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第五光纤耦合器。

可选地，第三光纤耦合器用于将c路扫频激光分为c1路扫频激光和c2路扫频激光，第三光纤耦合器的分光比为50：50；

其中，c1路扫频激光通过延时光纤进入第四光纤耦合器；c2路扫频激光依次通过环形器、收发设备发射到待测目标上，收发设备接收从待测目标反射回来的反射激光，反射激光通过环形器后进入第四光纤耦合器，与c1路扫频激光发生差频干涉，产生出射光信号；

第一光电探测器用于通过光电转换将出射光信号转为第一电信号。

可选地，第五光纤耦合器用于将d路扫频激光分为d1路扫频激光和d2路扫频激光，第五光纤耦合器的分光比为50：50；

其中，d1路扫频激光通过延时光纤进入第六光纤耦合器；d2路扫频激光通过单模光纤进入第六光纤耦合器，与d1路扫频激光发生差频干涉，产生回波信号；

第二光电探测器用于通过光电转换将回波信号转为第二电信号。

可选地，信号采集与处理单元包括fpga和计算机，fpga用于接收第一电信号和第二电信号，将第一电信号和第二电信号做差得到差频信号主频，根据所述差频信号主频，并结合fdml激光器的参数信息，得到待测目标的距离和速度，将距离和速度存入计算机。

可选地，fpga上设置有六个接口，分别为用于与相机连接相机信息接口、用于与光纤干涉单元连接的测距接口、用于与液体透镜连接的液体透镜控制接口、用于与水平转台连接的水平转台控制接口、用于与竖直转台连接的竖直转台控制接口和用于与计算机连接的通讯接口。

第二方面，本发明实施例提供一种基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获方法，该方法基于上述任一方案所述的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统，包括以下步骤：

s1、获取待测目标的方向信息；

s2、根据待测目标的方向信息，基于fdml技术向待测目标的方向发射激光，锁定待测目标的位置；

s3、采用相干探测方式接收目标反射的激光信号并得到电信号；

s4、基于电信号得到待测目标的距离和速度。

本发明实施例提出的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获方法，获取待测目标的方向信息，基于fdml技术和相干探测方式，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了高精度的距离和速度测量。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：本发明的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法，由于采用fdml激光器作为激光雷达捕获系统的扫频光源，激光器工作在拟稳定态，该fdml技术克服了现有扫频光源在输出功率、扫频速度和光谱线宽等方面的限制，实现了扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好，实现了待测目标的三维捕获，进行高精度的距离和速度测量，同时系统结构简单紧凑，节约空间，抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明中基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统的结构框图；

图2为本发明中扫描光源单元的结构示意图；

图3为本发明中光纤干涉单元的结构示意图；

图4为本发明中信号采集与处理单元的结构示意图；

图5为本发明中基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统的原理图；

图6为本发明中基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获方法的流程图。

【附图标记说明】

1：驱动电路；2：滤波器；3：第一光隔离器；4：半导体放大器5：第二光隔离器；6：色散补偿光纤；7：第一光纤耦合器；8：第二光纤耦合器；9：第三光纤耦合器；10：环形器；11：收发设备；12：待测目标；13：第四光纤耦合器；14：第一光电探测器；15：第五光纤耦合器；16：第六光纤耦合器；17：第二光电探测器；18：fpga；19：计算机。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明实施例提出的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法，将fdml锁模扫频激光源与调频连续波测距法相结合，用于实现三维高精度可捕捉目标物体，进行距离和速度的同步测量。该系统具有可捕获目标物体，结构简单、测量速度快、精度高、抗干扰能力强等特点。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

实施例1

本实施例提供一种基于fdml技术的调频连续波三维激光雷达捕获系统，如图1所示，包括三维转台单元、扫描光源单元、光纤干涉单元和信号采集与处理单元。其中，三维转台单元用于获取待测目标的方向信息，扫描光源单元用于根据待测目标的方向信息，基于fdml技术向待测目标的方向发射激光，锁定待测目标的位置；光纤干涉单元用于接收目标反射的激光信号并得到电信号，信号采集与处理单元用于基于电信号得到待测目标的距离和速度。

三维转台单元包括水平中空旋转平台和竖直中空旋转平台，其中，水平中空旋转平台的旋转角度为180°，竖直中空旋转平台的旋转角度为360°。在三维转台单元上设置有相机和液体透镜，相机和液体透镜跟随水平中空旋转平台和竖直中空旋转平台作旋转运动。水平中空旋转平台、竖直中空旋转平台、相机和液体透镜的接口均与fpga连接。

进一步地，假设转台处于基准位姿时矩形反射镜的平面法向量为：

为明确描述变化关系，转台水平轴绕自身旋转角度为俯仰角，逆时针为正，角度设为γ；转台垂直绕自身轴旋转角度为偏摆角，逆时针为正，角度设为则任意角度坐标为：

假设ol、oc分别为扫描激光光源激光光轴、三维转台单元相机光轴在矩形反射镜平面上的交点，gl为当前扫描光源发射引导光光点位置，基于空间向量平面镜反射定律可得gl的空间点定位向量为：

式中，l为交点ol到引导光光点gl的距离。

假设当前矩形反射镜的镜面上有一点m(x,y,z)，可得当前转台处于基准位姿下的矩形反射镜的平面方程为：

根据gl的空间点定位向量，可得待测目标的空间点定位向量为：

式中，p为待测目标，l'为交点ol到待测目标的距离，γ'、分别为完成对待测目标的捕获时矩形反射镜的俯仰角和偏摆角，l'、γ'和均为未知量。

假设oc'为相机镜头关于当前位姿下的矩形反射镜的反射点，gc为相机光轴经反射镜反射后与目标成像面的交点，可得等效相机光轴向量为：

式中，d为扫描激光光源激光光轴与三维转台单元相机光轴的距离，d为引导光光点gl的出射点与交点ol的距离。

假设待测目标的坐标为(xp,yp)，交点gc的坐标为(xgc,ygc)，由于前述已经得到了等效相机光轴向量，那么便可将相机拍摄的待测目标在反射镜中所成的像的图像坐标等效为待测目标在相机镜头关于当前反射镜的对称点中所成的像的图像坐标，得到待测目标相对于等效相机光轴在x轴上的投影角αh和在y轴上的投影角αv：

式中，h为拍摄图像的水平分辨率，w为拍摄图像的垂直分辨率，α为相机的水平视角，β为相机的垂直视角。

由于投影角αh和αv的正负不定，需要分情况讨论，得到投影角αh和αv的正弦，通过正弦定理得到待测目标的空间点定位向量

基于待测目标p的空间点定位向量得到捕获待测目标时转台的俯仰角γ'和偏摆角

式中，xolp为待测目标的空间点沿x轴的坐标，yolp为待测目标的空间点沿y轴的坐标，zolp为待测目标的空间点沿z轴的坐标。

基于上述俯仰角γ'和偏摆角三维转台单元可实现将引导光光点转动到待测目标的控制。

相机用于捕捉到待测目标的位置，将待测目标的位置反馈给fpga，同时利用相机捕捉引导激光在待测目标位置的聚焦光斑，通过分析聚焦光斑大小调整液体透镜的驱动电流值，当聚焦光斑大小达到最小值时，驱动电流停止变化。

液体透镜用于聚焦待测目标的位置，液体透镜选用引导激光为可见光波长，测量激光波长为1550nm。测量过程中先利用引导激光寻找待测目标的位置，引导激光定位目标点后，目标点定位准确后再对目标点距离进行测量。即在引导阶段，引导激光定位目标点，利用相机辅助反馈调节液体透镜驱动电流值以保证引导激光达到最佳聚焦状态，聚焦光斑最小。第二步测量激光聚焦，由引导阶段进入测量阶段。通过计算，将引导激光最佳聚焦时液体透镜的驱动电流编码值，转化为测量激光1550nm达到最佳聚焦状态所需驱动电流编码值，将转换后的电流编码输出到液体透镜，可实现测距激光一步快速聚焦。

扫描光源单元选用fdml激光器作为调频连续波三维激光雷达捕获系统的光源，如图2所示，fdml激光器包括依次连接的驱动电路1、滤波器2、第一光隔离器3、半导体放大器4、第二光隔离器5、色散补偿光纤6和第一光纤耦合器7。滤波器2由驱动电路1控制开启与闭关，滤波器2的典型工作波长为1550nm，调谐电压范围为-20～50v，自由光谱范围为50～60nm。具体地，扫频激光在驱动电路1的控制下发出，依次通过滤波器2、第一光隔离器3、半导体放大器4、第二光隔离器5、色散补偿光纤6和第一光纤耦合器7，在通过第一光纤耦合器7后被分为a路扫频激光和b路扫频激光，第一光纤耦合器7的分光比为20：80，其中，a路扫频激光作为fdml激光器的输出，输出20％的扫频激光能量；b路扫频激光返回到fdml激光器的环形谐振腔内，一路循环，输出80％的扫频激光能量。

进一步地，fdml激光器与传统激光器的不同之处在于采用色散补偿光纤6来进行色散管理，且窄带光学的滤波器2的驱动电压的周期与扫频激光在环形谐振腔内传播一周的时间相匹配的，即为前后两个时间相等或后者是前者的整数倍。这样就产生了一个似稳态模式，滤波器2的驱动电压的周期等于扫频激光绕环形谐振腔传播一周的时间，这样一定频率或波长的扫频激光经过滤波器2在环形谐振腔内传播一周后再次回到滤波器2时，正好滤波器2的腔长被调谐到该扫频激光可以通过，这样，前一个环路周期的扫频激光耦合回到增益介质，扫频激光的建立不再需要仅依赖于增益介质的自发辐射，从而将各纵模精确锁定，实现连续的扫频激光输出。

如图3所示，光纤干涉单元包括第二光纤耦合器8、第三光纤耦合器9、环形器10、收发设备11、待测目标12、第四光纤耦合器13、第一光电探测器14、第五光纤耦合器15、第六光纤耦合器16和第二光电探测器17。a路扫频激光通过第二光纤耦合器8后被分为c路扫频激光和d路扫频激光，第二光纤耦合器8的分光比为50：50，其中，c路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第三光纤耦合器9，d路扫频激光输出50％的扫频激光能量，输出给第五光纤耦合器15。

c路扫频激光通过第三光纤耦合器9后被分为c1路扫频激光和c2路扫频激光，第三光纤耦合器9的分光比为50：50，其中，c1路扫频激光通过延时光纤进入第四光纤耦合器13，c2路扫频激光依次通过环形器10、收发设备11发射到待测目标12上，收发设备11接收从待测目标12反射回来的反射激光，反射激光通过环形器10后进入第四光纤耦合器13，与c1路扫频激光发生差频干涉，产生出射光信号，出射光信号被第一光电探测器14接收，第一光电探测器14通过光电转换将出射光信号转为第一电信号。

d路扫频激光通过第五光纤耦合器15后被分为d1路扫频激光和d2路扫频激光，第五光纤耦合器15的分光比为50：50，其中，d1路扫频激光通过延时光纤进入第六光纤耦合器16，d2路扫频激光通过普通单模光纤进入第六光纤耦合器16，与d1路扫频激光发生差频干涉，产生回波信号，回波信号被第二光电探测器17接收，第二光电探测器17通过光电转换将回波信号转为第二电信号。

进一步地，c路扫频激光和d路扫频激光形成双干涉光路，两束激光由同一光源发出，其中c路扫频激光作为测量干涉光路，d路扫频激光为马赫-曾德尔干涉光路，作为辅助干涉光路，其中延时光纤用于增加光程，对回波信号进行等频率重采样，能够有效地消除fdml激光器调制非线性的影响，起到降噪的作用。

测量干涉光路(c路扫频激光)的出射光信号stx(t)为：

式中，a为振幅，j为虚数单位，f0为调频初始频率，t为调制时间，t∈[0,tm]，tm为三角波调制周期，α0为调频斜率，b为扫描光源工作带宽。

辅助干涉光路(d路扫频激光)的回波信号srx(t)为：

式中，t'为回波信号传输时间，t'∈[τ,tm+τ]，τ为待测物体传送回波信号所需时间，d为待测目标的距离，c为光速。

出射光信号stx(t)与回波信号srx(t)相遇所产生的光拍频信号slb(t)在拍频稳定时为：

式中，t"为光拍频信号产生的时间差，t"∈[τ,tm]。

若用fb表示光拍频信号的稳定频率，则有：

fb＝α0τ(4)。

如图4所示，信号采集与处理单元包括fpga18和计算机19。fpga18接收第一光电探测器14的第一电信号和第二光电探测器17的第二电信号，对第一电信号和第二电信号进行处理后得到待测目标12的距离和速度，并将待测目标12的距离和速度存入计算机19。其中，fpga18上设置有六个接口，分别为用于与相机连接的相机信息接口、用于与光纤干涉单元连接的测距接口、用于与液体透镜连接的液体透镜控制接口、用于与水平转台连接的水平转台控制接口、用于与竖直转台连接的竖直转台控制接口和用于与计算机19连接的通讯接口。另外，通过扫描光源单元中的驱动电路1给fpga18供电。通信接口与usb接口连接，用于网络提供物理层支持。

进一步地，fpga18用于将第一电信号和第二电信号做差得到差频信号主频，根据差频信号主频，并结合fdml激光器的参数信息，得到待测目标12的距离r和速度v：

待测目标12的距离d和待测目标的速度v分别为：

式中，λ为测量激光波长。

如图5所示，为本实施例提供的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统的原理图，包括以下步骤：

101、三维转台平台旋转，通过水平转台控制接口、竖直转台控制接口控制转动角度，开始进行待测目标捕捉；

102、相机捕捉到待测目标的位置，将待测目标的位置反馈给fpga，同时利用相机捕捉引导激光在待测目标位置的聚焦光斑；

103、液体透镜聚焦，测量过程中利用引导激光和测量激光聚焦待测目标，获取待测目标的方向信息；

104、fdml激光器根据待测目标的方向信息，向待测目标的方向发射激光；

105、接收目标反射的激光信号并得到电信号；

106、基于电信号得到待测目标的距离和速度。

实施例2

本实施例提供一种基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获方法，如图6所示，为该方法的流程图。该方法基于实施例1提供的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统，包括以下步骤：

s1、三维转台平台旋转，获取待测目标的方向信息；

s2、根据待测目标的方向信息，基于fdml技术向待测目标的方向发射激光，锁定待测目标的位置；

s3、采用相干探测方式接收待测目标反射的激光并得到电信号；

s4、基于电信号得到待测目标的距离和速度。

综合上述，本发明提供的基于fdml的调频连续波三维激光雷达捕获系统及方法，该系统首次将fdml锁模扫频激光源与调频连续波测距法相结合，用于实现三维高精度可捕捉目标物体，进行距离和速度的同步测量。本发明特别适用于近距离、高精度的物体距离和速度测试，可捕获待测目标，结构简单、测量速度快、精度高、抗干扰能力强等特点，十分有利于商业化，应用前景广泛。

通过相机与三维旋转平台搭配，可实现待测目标的初步捕捉。采用液体透镜聚焦，快速、精准将焦点锁定在目标物体上，从而有效提升系统精度。采用fdml激光器作为扫频光源，能够克服现有扫频光源在输出功率、扫频速度和光谱线宽等方面的限制，实现扫描速度高，扫描范围宽、瞬时线宽窄和相位稳定性高的扫频激光输出，能使激光雷达的测距精度更高、响应时间更快、稳定性更好。光线干涉单元采用信号差频处理，干涉降噪。该方法的成本低，效果好，能够减少数据计算量，从而提升系统运算速度。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”，可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”，可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”，可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度低于第二特征。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行改动、修改、替换和变型。