用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统及方法与流程

1.本发明涉及激光传感和激光雷达领域，更具体地，涉及一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统及系统。


背景技术：

2.视觉成像、射频雷达和激光雷达是当前广泛应用于地面、飞行器自动测距和成像的三种探测技术。激光雷达是射频雷达的光学版本，通过光回波的编码信息生成点云进行精确的定位和形貌分析。地面测高等领域对高分辨率测距和成像的新兴需求激发了人们对激光雷达系统的关注。激光雷达通过测量从激光源到目标并返回光电探测器的激光脉冲的飞行时间，或者通过频率调制产生射频拍频实现距离测量。参考光和来自目标的反射光通过使用连续激光和相干检测系统。传统的时间飞行法激光雷达通过使用高峰值功率激光脉冲提供了更远的测量距离。运动中目标的速度信息只能通过连续多帧的比较来计算，这在实际应用中容易因为干扰和目标的移动导致计算误差较大。
3.利用相干检测的替代脉冲激光雷达能够通过利用多普勒效应实现同时测距和测速。连续调幅和调频激光雷达结合相干检测技术，使用线性啁啾、频率扫描或相位扫描的方式，探测背向反射信号与参考光束的干涉，并在光电探测器处产生射频拍频，拍频的相位或频率用于提取距离信息。而干涉产生的混合频率中的多普勒频移同时提供速度信息。然而，相干激光雷达的最大可测量距离不仅受光源功率的限制，还受激光线宽的影响。激光雷达测量距离超出激光的相干长度时，由于随机相位噪声将导致信号质量下降，并在测量中产生误差。使用具有较低相位噪声的单频窄线宽激光器是相干探测的理想解决方案，但此类激光器的成本是相干激光雷达大规模使用面临的一个无法回避的问题。同样，快速和线性频率扫描要求激光器具有良好的稳定性，同时保持频率稳定性和时间相干也是当前面临的另一个挑战。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统及方法。
5.根据本发明的第一方面，提供了一种用于提高相干探测距离的频率调制激光雷达，包括顺次通过光纤连接的单频连续激光器、相位调制器、光纤放大器、光纤环形器和收发单元、多外差探测单元、梳妆滤波器、数据处理单元、以及系统时钟和多频率微波频率合成器；所述单频连续激光器用于产生探测所需的相干光，其输出分为两部分，一部分相干光耦合进入所述相位调制器，另一部分相干光进入所述多外差探测单元；所述相位调制器，用于对进入的一部分相干光进行边带和相位调制，产生具有调制频率边带的连续激光，作为探测光信号；所述光纤放大器，用于对所述探测光信号进行调制和放大；
所述光纤环形器，用于通过所述收发单元向待测目标发射探测光信号和接收待测目标回返的回波信号；所述系统时钟，用于产生参考时钟信号；所述多频率微波频率合成器，与所述系统时钟连接，用于产生多个相位稳定的频率信号，作为驱动信号驱动所述相位调制器；所述多外差探测单元，分别与所述单频连续激光器和所述光纤环形器连接，用于根据所述单频连续激光器输入的另一部分相干光，产生相干探测的参考光信号，以及根据所述参考光信号和所述回波信号，产生射频混合信号，输入所述梳妆滤波器；所述梳妆滤波器，用于对所述射频混合信号进行滤波，分别获得多个射频外差信号；所述数据处理单元，用于根据多个射频外差信号，反演计算相位和频率信息，计算待测目标的距离信息和速度信息。
6.在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
7.可选的，所述单频连续激光器的特征为其输出的激光在频域上表现出单纵模特性，所述单频连续激光器为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
8.可选的，所述相位调制器为光纤耦合马赫曾德干涉型电光调制器或级联的电光调制单波导调制器。
9.可选的，所述光纤放大器为根据探测信号光的波长选择而定，所述光纤放大器，包括但不限于掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、掺铥光纤放大器或拉曼光纤放大器。
10.可选的，所述收发单元为定焦准直器或任意光纤耦合望远镜系统。
11.可选的，所述多外差探测单元为任意形式的光电探测器，包括但不限于光电倍增管、雪崩探测器或平衡探测器。
12.可选的，所述系统时钟为任意形式的压控振荡器，包括但不限于温补压控振荡器、锁相压控振荡器或恒温压控振荡器。
13.可选的，所述多频率微波频率合成器包括压控振荡器、多通道dds、三个相移器和射频功率合成器；所述压控振荡器，为系统总时钟，用于提供整个系统的参考时钟信号；所述多通道dds，为具有多个信号输出端口的相位同步的直接数字频率综合器，用于根据参考时钟信号，输出三个驱动频率信号，且通过三个信号输出端口将三个驱动频率信号分别输出至对应的相移器；每一个所述相移器，为射频元件，用于提供可调谐的相位量；所述射频功率合成器，用于将多个相位调节后的频率驱动信号进行功率叠加，并不改变每个频率成分的频率和相位，输入所述相位调制器。
14.根据本发明的第二方面，提供一种基于调频激光雷达系统的相干探测距离提高方法，包括：通过系统时钟和多频率微波频率合成器产生多个相位稳定的频率信号，作为驱动信号驱动相位调制器；单频连续激光器产生探测所需的相干光，其输出分为两部分，一部分耦合进入相位调制器，进行边带和相位调制，产生探测光信号，另一部分则进入多外差探测单元，为相
干探测提供参考光信号；光纤放大器分别对探测光信号进行放大，通过光纤环形器向待测目标发射探测光信号以及接收接收待测目标回返的回波信号，所述回波信号和参考光信号在多外差探测单元中产生射频混合信号；射频混合信号耦合进入梳状滤波器滤波，分别获得多个射频外差信号经过数据处理单元，获得待测目标的距离信息和速度信息。
15.本发明提供的一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统及方法，基于相位调制技术的多频连续波激光雷达的技术，利用多个微波频率调节电光调制器产生相应的多个频率边带的方式取代任何形式的频率、相位或幅度扫描，在特定的几个频率范围内进行线性调制，调制后的信号分别携带距离和速度信息，通过分别反演相位和频率变化获得距离和速度信息，由于信号是调制边带产生，不受系统噪声影响，因此在远超相干距离的情况下依然可以获得相位和频率变化量，从而获得速度和距离信息，提高激光雷达的工作距离。
附图说明
16.图1为本发明提供的一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统的结构示意图；图2为多频率微波频率合成器的结构示意图；图3为本发明的一种基于调频激光雷达系统的相干探测距离提高方法的流程示意图。
17.附图中，各标号所代表的元器件名称如下：101、单频连续激光器，102、相位调制器，103、光纤放大器，104、光纤环形器，105、收发单元，106、多外差探测单元，107、系统时钟，108、多频率微波频率合成器，109、梳妆滤波器，110、数据处理单元；201、压控振荡器，202、多通道dds，203、第一相移器，204、第二相移器，205、第三相移器，206、射频功率合成器。
具体实施方式
18.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
19.为了消除激光器噪声项和相干长度的限制，本发明提出了基于相位调制技术的多频连续波激光雷达的技术，利用多个微波频率调节电光调制器产生相应的多个频率边带的方式取代任何形式的频率、相位或幅度扫描，在特定的几个频率范围内进行线性调制。然后，利用再与未调制的激光进行多外差拍频探测，反演各个特定频率的相位变化量，尽管参
考信号和回波信号之间的相位差的绝对值由于超出了激光的相干长度而受干扰，无法直接反映距离和速度信息，基于多个调制边带的相位差，可以有效的避免射频直接的串扰通过反演各个边带的相位计算目标距离，同时还可以通过调制边带的变化计算多普勒频移进而获取目标速度。
20.图1为本发明提供的一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统，包括顺次通过光纤连接的单频连续激光器101、相位调制器102、光纤放大器103、光纤环形器104和收发单元105、多外差探测单元106、梳妆滤波器109、数据处理单元110、以及系统时钟107和多频率微波频率合成器108。
21.单频连续激光器101用于产生探测所需的相干光，其输出分为两部分，一部分相干光耦合进入所述相位调制器102，另一部分相干光进入所述多外差探测单元106。单频连续激光器101的特征为其输出的激光在频域上表现出单纵模特性，所述单频连续激光器101为半导体激光器、光纤激光器或固体激光器。
22.相位调制器102，用于对进入的一部分相干光进行边带和相位调制，产生具有调制频率边带的连续激光，作为探测光信号。相位调制器102为光纤耦合马赫曾德干涉型电光调制器或级联的电光调制单波导调制器。
23.光纤放大器103，用于对所述探测光信号进行调制和放大。根据探测信号光的波长选择合适的光纤放大器103，光纤放大器103，包括但不限于掺铒光纤放大器、铒镱共掺光纤放大器、掺铥光纤放大器或拉曼光纤放大器。
24.光纤环形器104，用于通过所述收发单元105向待测目标发射探测光信号和接收待测目标回返的回波信号。收发单元105为定焦准直器或任意光纤耦合望远镜系统。
25.系统时钟107，用于产生参考时钟信号。系统时钟107为任意形式的压控振荡器201，包括但不限于温补压控振荡器、锁相压控振荡器或恒温压控振荡器。
26.多频率微波频率合成器108，与所述系统时钟107连接，用于产生多个相位稳定的频率信号，作为驱动信号驱动所述相位调制器102。
27.多外差探测单元106，分别与所述单频连续激光器101和所述光纤环形器104连接，用于根据所述单频连续激光器101输入的另一部分相干光，产生相干探测的参考光信号，以及根据所述参考光信号和所述回波信号，产生射频混合信号，输入所述梳妆滤波器109。多外差探测单元106为任意形式的光电探测器，包括但不限于光电倍增管、雪崩探测器或平衡探测器等。
28.梳妆滤波器109，用于对所述射频混合信号进行滤波，分别获得多个射频外差信号。
29.数据处理单元110，用于根据多个射频外差信号，反演计算相位和频率信息，计算待测目标的距离信息和速度信息。
30.本发明中系统时钟107和多频率微波频率合成器108是整个系统的核心部件之一，其主要功能是产生相位稳定的多个频率信号，从而驱动相位调制器102调制多个光频边带的目的。因此本发明对系统时钟107和多频率微波频率合成器108的工作原理进行详细描述，以更清楚地表达本发明的思想。如图2所示，图2是系统时钟107和多频率微波频率合成器108结构示意图，包括：100mhz压控振荡器201、多通道dds202、三个相位控制单元：第一相移器203、第二
相移器204和第三相移器205，以及射频功率合成器206，其中：100mhz压控振荡器201作为系统总时钟，为多通道dds202提供基准时间和频率信号。
31.多通道dds202为具有多个输出口的相位同步的直接数字频率综合器，相移器为射频元件用于提供可调谐的相位量，射频功率合成器206，用于将多个相位调节后的频率信号进行功率叠加，并不改变每个频率成分的频率和相位，以驱动相位调制器102。
32.梳状滤波器，其滤波通道数与dds输出数目一致，能够单独滤出单一频率通道的频率信息；数据处理单元110，具有反演计算相位和频率信息的能力，能够通过相位和频率值计算待测目标的距离信息和速度信息。
33.其中，如图2所示，100mhz压控振荡器201为系统总时钟，用于提供整个系统的参考电信号，其稳定度影响了测距和测速精度和准确度；100mhz压控振荡器201的输出提供给多通道dds202作为参考时钟，多通道dds202输出三个驱动频率700mhz、750mhz、800mhz，三个信号输出端口分别与第一相移器203、第二相移器204和第三相移器205连接，通过精确控制各个相移器的相位偏移量可以实现独立的相位扫描功能。最终三个驱动频率耦合进入射频功率合成器206，实现功率合成，驱动相位调制器102产生多频率边带。
34.可理解的是，本发明提供的一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统的工作原理为：单频连续激光器101用于产生探测所需的相干光；其输出分为两部分，一部分耦合进入相位调制器102，进行边带和相位调制，另一部分则进入多外差探测单元106，为相干探测提供参考光信号；相位调制器102和光纤放大器103分别对光信号进行调制和放大；光纤环形器104用于发射和接收待测目标回返的回波信号。回波信号和参考信号在多外差探测单元106中产生射频混合信号。
35.采用压控振荡器201为系统总时钟，其输出提供给多通道dds202作为参考时钟，其输出三个驱动频率f1，f2，f3，三个信号输出端口分别与三个并联的相移器连接，通过精确控制各个相移器的相位偏移量可以实现独立的相位扫描功能。多频率微波频率合成器108的输出作为驱动信号驱动相位调制器102；多外差探测单元106接收到的射频信号耦合进入梳状滤波器滤波，分别获得多个射频外差信号经过数据处理单元110，获得待测目标的距离信息和速度信息，最终三个驱动频率耦合进入射频功率合成器206，实现功率合成，驱动电光调制器产生多频率边带。
36.在本发明的图1中提供了一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统，图2中介绍了系统时钟和多频率微波频率合成器的工作方法和连接方式，上述部件的操作方式和控制顺序对实现本发明的技术方法，解决本发明所涉及的技术问题，获得本发明预期的效果都有极为重要的影响。因此，在图3中对上述部件的工作流程做详细说明。如图3所示，是本发明提供的一种频率调制激光雷达的相干探测距离提高方法的步骤流程图。所述方法可以由前述的调频激光雷达系统实现，由于使用前述系统的方法步骤及原理相似，因此次数对方法步骤进行简单说明，该方法包括：步骤1，通过系统时钟和多频率微波频率合成器产生多个相位稳定的频率信号，作为驱动信号驱动相位调制器；步骤2，单频连续激光器产生探测所需的相干光，其输出分为两部分，一部分耦合
进入相位调制器，进行边带和相位调制，产生探测光信号，另一部分则进入多外差探测单元，为相干探测提供参考光信号；步骤3，光纤放大器分别对探测光信号进行放大，通过光纤环形器向待测目标发射探测光信号以及接收接收待测目标回返的回波信号，所述回波信号和参考光信号在多外差探测单元中产生射频混合信号；步骤4，射频混合信号耦合进入梳状滤波器滤波，分别获得多个射频外差信号经过数据处理单元，获得待测目标的距离信息和速度信息。
37.本发明提供的一种用于提高相干探测距离的调频激光雷达系统及方法，基于相位调制技术的多频连续波激光雷达的技术，利用多个微波频率调节电光调制器产生相应的多个频率边带的方式取代任何形式的频率、相位或幅度扫描，在特定的几个频率范围内进行线性调制，调制后的信号分别携带距离和速度信息，通过分别反演相位和频率变化获得距离和速度信息，由于信号是调制边带产生，不受系统噪声影响，因此在远超相干距离的情况下依然可以获得相位和频率变化量，从而获得速度和距离信息，提高激光雷达的工作距离。
38.需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
39.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
40.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。