多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置，激光光源产生光束通过分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进行宽带线性调频，然后经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；再经分束器分为本振光束和发射光束；将N个发射光束并行发射至目标并接收目标的回波光束，再与对应的本振光束进行相干光混频，获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号的采样数据进行并行快速傅里叶变换和互谱处理，实现目标距离和速度的并行同步测量，最后由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。本发明专利技术能够有效克服测距模糊，具有高重频、大动态测距范围、高分辨率、高精度、可靠性高、体积小和质量轻等优点。

The method and device of multi-channel high repetition frequency and large dynamic range ranging and velocity lidar

【技术实现步骤摘要】
多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置
本专利技术涉及激光雷达
，特别涉及一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置。
技术介绍
调频连续波激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波测距与激光探测技术相结合。该技术在时间上线性改变发射信号的频率，并测量回波信号与本振信号的差拍信号瞬时频率的方法来获得目标距离信息和径向速度信息。相较于脉冲激光雷达，调频连续波激光雷达具有同步测距测速、测距/测速范围大、分辨率高、多目标探测及目标成像等优势，在自动驾驶、高精度三维成像和遥感测绘等领域得到了广泛应用。但是目前啁啾调频连续波激光雷达依然存在以下问题：为了取得较大调谐范围从而获得较高距离分辨率，脉冲重复频率(PRF)严重受限；大范围扫频带来的频率调制非线性依然是一个未解决的难题，严重影响测速测距的精度；线性调频去斜解调要求回波信号与本振信号在时域上有重叠，决定了其不适用于较大测距动态范围内的探测。如图1所示的对称三角线性调频连续波相干激光雷达测距测速信号示意图。注意这里考虑多普勒频移远低于扫频带宽，图中仅仅是为了显示方便。这里定义进行有效频谱分析的时间Teff，时域信号有效重叠比例η：当回波光束与本振光束的相对时间差τS-τL较小时，回波光束可以和本振光束在线性调频阶段可以做到较好的重叠，在探测器上较长一段时间内回波信号和本振信号存在固定频差，频谱分析时，可得到较高的信噪比及谱分辨率。有效重叠比例η(τ)概念可以用于分析距离模糊：当τS-τL≈0时，回波信号和本振信号在相同的变频阶段几乎完全重叠，两者在变频阶段的频率差一直是一个固定的值，有效重叠比例为η(0)＝100％；当时，有效重叠比例很低，这时获得的信号信噪比很低。当时，即回波信号和本振信号在同一时刻变频方向完全相反，在相同的变频阶段完全没有重叠，则两者的频率差不固定，将无法分析出任何有效的频率，有效重叠比例为η(±T/2)＝0％。当时，回波信号和本振信号不能和同一个对称三角调频信号在同一个变频方向的线性调频部分重叠，无法测量，这里称为测距模糊。延迟造成的回波-本振频率差和有效重叠比例均具有周期性。对称三角FMCW激光雷达系统探测的飞行距离动态范围小于二分之一个周期所允许的距离。吴军等提出了双频双调制双本振对称三角线性调频相干测距测速激光雷达体制，扩展了对称三角线性调频测距测速体制的距离作用范围，且有高的探测重复频率(吴军，洪光烈，何志平，舒嵘,一种大测距动态范围高重频相干测距测速激光雷达(Ⅰ)：体制及性能,红外与毫米波学报，2014,Vol.33,No.6,680-690)；理论上，通过延长信号的调制周期可以增加系统的测距动态范围，但该方式一方面探测时需要大量采集相干拍频的数据点作频谱分析，另一方面也要求对称三角线性调频的调制时间带宽积增大，而长时间高线性度的宽带线性调频难以实现，大大增加了系统复杂性，影响了应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置。本专利技术能够有效克服测距模糊，具有高重频、大动态测距范围、高分辨率、高精度、体积小和质量轻等优点。本专利技术的技术方案：多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，雷达平台中激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进入对应的相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，将射频信号源经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；将每通道输出光束再通过移频器进行移频后，经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过各自通道的光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量，最终由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。上述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述的实现目标距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述雷达平台中激光光源为窄线宽连续激光光源，经起偏器起偏后由激光放大器放大，再通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束分别经过相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变换，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频；其中，将射频信号源经过移相后驱动相位调制器，实现每个光束的不同时间延迟，然后每通道输出光束经过移频器移频，经过延时和移频后的第n路输出光束的光场表示为：其中，t是时间，E0是振幅，T为调频周期，f0为调频初始频率，fshift_n是第n路输出光束的移频量，为调频速率，B为调频带宽，是第n路输出光束的移相，N为正整数，Tshift_n∈[0,T)，φup(n)为第n个输出光束脉冲上升段的初始位相，φdown(n)为第n个输出光束脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，前述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，所述第n路输出光束经过延时和移频后，再经过1×2分束器分束，小部分能量作为本振光束，本振光束为时间延迟τL的线性调频信号，光场表示为：其中，EL是本振光束振幅，φLO是本振光束的噪声位相；大部分能量作为发射光束，经过空间光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：其中，ES是回波光束振幅，φS是回波光束的噪声位相；经过相同移频的目标回波光束和本振光束合束后光场表示为：回波光束的时间延迟τS与本振光束的时间延迟τL的关系表示为：其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，所述的回波光束和本振光束经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：其中，φN-n是第n路输出光束混频噪声位相，Is是和回波光束有关的直流量；Io是和本振光束有关的直流量；光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号；所述的正向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进入对应的相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，将射频信号源经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；将每通道输出光束再通过移频器进行移频后，经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过各自通道的光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量，最终由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。/n

【技术特征摘要】
1.多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：雷达平台中激光光源产生光束经过放大后通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进入对应的相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，将射频信号源经过不同幅度的移相后驱动相位调制器，使每通道输出光束具有不同的时间延迟；将每通道输出光束再通过移频器进行移频后，经1×2分束器分为本振光束和发射光束；将N个通道的发射光束通过各自通道的光学望远镜和光束定向器并行发射至目标，并实现N个通道发射/接收视场的完全匹配；在各个通道的光学望远镜的接收端接收对应目标的回波光束，并与对应的本振光束通过光学桥接器进行相干光混频，采用平衡接收获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，使用现场可编程门阵列对获得的N个通道的采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，从而实现目标距离和速度的并行同步测量，最终由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。


2.根据权利要求1所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述的实现目标距离和速度的同步测量，具体是中频信号中同相信号和正交信号经过滤波和采样处理后，分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理取其虚部，再利用重心法提取频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。


3.根据权利要求1所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述雷达平台中激光光源为窄线宽连续激光光源，经起偏器起偏后由激光放大器放大，再通过1×N分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束分别经过相位调制器和光学滤波器实现宽带线性调频，产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变换，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频；其中，将射频信号源经过移相后驱动相位调制器，实现每个光束的不同时间延迟，然后每个通道的输出光束经过移频器移频，经过延时和移频后的第n路输出光束的光场表示为：



其中，t是时间，E0是振幅，T为调频周期，f0为调频初始频率，fshift_n是第n路输出光束的移频量，为调频速率，B为调频带宽，是第n路输出光束的移相，K为正整数，Tshift_n∈[0,T)，φup(n)为第n个输出光束脉冲上升段的初始位相，φdown(n)为第n个输出光束脉冲下降段的初始位相，exp是以自然常数e为底的指数函数，


4.根据权利要求3所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法，其特征在于：所述第n路输出光束经过延时和移频后，再经过1×2分束器分束，小部分能量作为本振光束，本振光束为时间延迟τL的线性调频信号，光场表示为：



其中，EL是本振光束振幅，φLO是本振光束的噪声位相；
大部分能量作为发射光束，经过空间光学环形器，再通过光学望远镜和光束定向器发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束，回波光束为时间延迟τS的线性调频信号，表示为：



其中，ES是回波光束振幅，φS是回波光束的噪声位相；
经过相同移频的目标回波光束和本振光束合束后光场表示为：



回波光束的时间延迟τS与本振光束的时间延迟τL的关系表示为：



其中，c是光速，R是目标距离，V是雷达平台与目标相对运动径向速度，fDoppler是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，
所述的回波光束和本振光束经过2×490°光学桥接器混频后的四路输出分别为：






其中，φN-n是第n路输出光束混频噪声位相，Is是和回波光束有关的直流量；Io是和本振光束有关的直流量；
光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别由光电平衡探测器进行接...

【专利技术属性】
技术研发人员：职亚楠，孙建锋，潘卫清，戴恩文，
申请(专利权)人：杭州爱莱达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33