激光测距方法、激光测距系统及其激光雷达系统技术方案

本发明专利技术提供一种激光测距系统、激光雷达系统及其测距方法，激光测距方法为：将激光光束经相位调制后成为具有预设相位的激光光束，并将调制后的激光光束进行分束，一部分作为本振光束，另一部分作为探测光束，探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束；将本振光束和回波光束进行混频，获取混频光信号；将混频光信号进行光电转换，获取模拟电信号；对模拟电信号进行分析，获得待测距目标的距离。本发明专利技术提供了一种新的激光测距系统、激光雷达系统及其测距方法，利用相干检测的原理提高信噪比，在功率低的情况下测量较远距离、提高分辨率；同时调相简单，调相技术容易实现。调相技术容易实现。调相技术容易实现。

【技术实现步骤摘要】
激光测距方法、激光测距系统及其激光雷达系统


[0001]本专利技术属于激光雷达
，具体涉及一种激光测距方法、激光测距系统及其激光雷达系统。

技术介绍

[0002]激光雷达技术是一种将激光与传统雷达技术相结合的具有独特优势的新产物。利用激光发射角小、能量集中、高相干性的优点，激光雷达技术可以实现传统雷达技术不具备的特殊优势。相比于传统雷达系统，激光雷达采集数据密度更大，能获得多种图像；并且由于激光的发射角小，能量集中，激光雷达的探测距离更远、分辨率更高、抗干扰能力更强；结合不同的探测方法可以同时得到距离和速度的信息；相比于传统雷达的尺寸，激光雷达体积小，质量轻，方便结合各种应用。
[0003]常见的，激光雷达采用的测距方法为脉冲测距法、调频连续波、相位差测距法等。其中，脉冲测距法相对成熟，原理简单，但是在探测较远距离时为提高信噪比就必须提高激光功率，这就带来了一些不可忽视的问题。例如人眼安全问题、与一些雷达系统不适配的问题等。而调频连续波方式作为测距方法，通过本振信号与回波信号之间混频，通过中频信号间接测得光飞行时间。可以回波功率较低的情况下，仍能获得足够高的信噪比，降低对发射功率的要求。但该方法要求激光器的线宽窄、频率调制带宽高、线性度高、技术难度较大、元件成本较高，导致无法应用于民用市场，市面上常见的符合要求的激光光源价格达到几万元，相关技术相对属于不成熟的阶段。相位差测距法则无法实现远距离测量，并且测距精度与回波信号相位质量有很大关系，往往需要合作目标来实现更好的测距效果，往往只应用与手持短距离测距仪中。

技术实现思路

[0004]本专利技术克服现有技术的不足，本专利技术提供一种激光测距方法、激光测距系统及其激光雷达系统。
[0005]本专利技术提供一种激光测距方法，包括以下步骤：
[0006]S1、将激光光束经相位调制后成为具有预设相位的激光光束，并将调制后的激光光束进行分束，一部分作为本振光束，另一部分作为探测光束，探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束；
[0007]S2、将本振光束和回波光束进行混频，获取混频光信号；
[0008]S3、将混频光信号进行光电转换，获取模拟电信号；
[0009]S4、对模拟电信号进行分析，获得待测距目标的距离。
[0010]进一步地，步骤S1中，预设相位表示为公式(1)和公式(2)：
[0011][0012][0013]其中，表示预设相位，a，b分别表示不相等的常数，t表示时间，x表示整数，T表示周期。
[0014]进一步地，步骤S4具体为：
[0015]S401、根据公式(3)
‑
(6)对模拟电信号进行分析，获取飞行时间，公式(3)
‑
(6)如下所示：
[0016]I＝I
T
+I
R
+A
T
A
R
cos[ω
Ph
τ+a
‑
b]，(0+xT≤t<τ+xT)
ꢀꢀ
(3)
[0017][0018][0019][0020]其中，I表示混频光信号光强，I
T
表示本振光束的光强，I
R
表示回波光束的光强，A
T
表示本振光束的振幅，A
R
表示回波光束的振幅，ω
Ph
表示本振光束的光频，τ表示飞行时间，为探测光束和回波光束的时间间隔；
[0021]S402、将飞行时间τ代入公式(7)，获取待测距目标的距离，公式(7)如下所示：
[0022][0023]其中，s表示待测距目标的距离。
[0024]本专利技术还提供一种激光测距系统，包括：激光器、相位调制器、信号发生器、分束单元、耦合器、光电探测器、数据采集分析单元；其中，
[0025]激光器用于发出激光光束；相位调制器用于对激光光束进行相位调制；信号发生器用于控制相位调制器产生相位调制信号和输出预设相位；分束单元用于对激光光束分成本振光束和探测光束，本振光束入射至耦合器，探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束，回波光束入射至耦合器；耦合器用于将本振光束和回波光束进行混频，光电探测器用于将光信号转换为模拟电信号，数据采集分析单元用于对模拟电信号进行采集与分析；获得激光测距系统与待测距目标之间的距离。
[0026]进一步地，还包括用于将激光器发出的激光光束功率进行放大的光纤放大器。
[0027]进一步地，还包括用于将探测光束和回波光束进行准直的准直器。
[0028]进一步地，分束单元包括分束器和环形器；
[0029]相位调制器输出的激光光束入射至分束器被分为本振光束和探测光束，本振光束入射至耦合器，探测光束入射至环形器，环形器出射的探测光束经准直器准直后入射至待测距目标，经待测距目标反射后形成回波光束入射至准直器准直后入射至耦合器与本振光束进行混频。
[0030]进一步地，激光测距系统还包括用于扫描的振镜，进而实现激光雷达系统的建立。分束单元分出的探测光束入射至振镜，经振镜出射的探测光束入射至待测距目标，经待测距目标反射后形成回波光束入射至振镜后入射至耦合器。
[0031]本专利技术还提供一种激光雷达系统，包括：激光器、分束单元、光学相控阵芯片、信号发生器、耦合器、光电探测器、数据采集分析单元；其中，
[0032]激光器用于发出激光光束；分束单元用于将激光光束分成本振光束和探测光束；本振光束和探测光束入射至光学相控阵芯片，光学相控阵芯片输出用于扫描的激光光束；信号发生器用于向光学相控阵芯片发出相位调制信号，并控制光学相控阵芯片输出预设相位；本振光束入射至耦合器，探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束，光学相控阵芯片接收回波光束，回波光束被传送至分束单元，经分束单元入射至耦合器，耦合器用于将本振光束和回波光束进行混频成为混频光信号；光电探测器用于将混频光信号转换为模拟电信号，数据采集分析单元用于对模拟电信号进行采集与分析，获得激光测距系统与待测距目标之间距离。
[0033]本专利技术还提供一种激光雷达系统，包括激光器、分束单元、光学相控阵芯片、信号发生器、相位调制器、耦合器、光电探测器、数据采集分析单元，
[0034]激光器用于发出激光光束；激光光束经相位调制器进行相位调制；信号发生器用于控制相位调制器产生相位调制信号和输出预设相位；相位调制器输出的激光光束经分束单元分成本振光束和探测光束；本振光束和探测光束入射至光学相控阵芯片，光学相控阵芯片输出用于扫描的激光光束；本振光束入射至耦合器，探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束，光学相控阵芯片接收回波光束，回波光束被传送至分束单元，经分束单元入射至耦合器，本振光束和回波光束在耦合器中进行混频成为混频光信号；光电探测器用于将混频光信号转换为模拟电信号；数据采集分析单元用于对模拟电信号进行采集与分析，获得激光测距系统与待测距目标之间距离。
[0035]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光测距方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将激光光束经相位调制后成为具有预设相位的激光光束，并将调制后的激光光束进行分束，一部分作为本振光束，另一部分作为探测光束，所述探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束；S2、将所述本振光束和所述回波光束进行混频，获取混频光信号；S3、将所述混频光信号进行光电转换，获取模拟电信号；S4、对所述模拟电信号进行分析，获得所述待测距目标的距离。2.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述预设相位表示为公式(1)和公式(2)：示为公式(1)和公式(2)：其中，表示预设相位，a，b分别表示不相等的常数，t表示时间，x表示整数，T表示周期。3.根据权利要求1所述的激光测距方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：S401、根据公式(3)
‑
(6)对所述模拟电信号进行分析，获取飞行时间，公式(3)
‑
(6)如下所示：I＝I
T
+I
R
+A
T
A
R
cos[ω
Ph
τ+a
‑
b]，(0+xT≤t<τ+xT)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)(3)(3)其中，I表示所述混频光信号的光强，I
T
表示所述本振光束的光强，I
R
表示所述回波光束的光强，A
T
表示所述本振光束的振幅，A
R
表示所述回波光束的振幅，ω
Ph
表示所述本振光束的光频，τ表示所述飞行时间，所述飞行时间为所述探测光束和所述回波光束的时间间隔；S402、将所述飞行时间τ代入公式(7)，获取所述待测距目标的距离，公式(7)如下所示：其中，s表示所述待测距目标的距离。4.一种激光测距系统，其特征在于，包括：激光器、相位调制器、信号发生器、分束单元、耦合器、光电探测器、数据采集分析单元；其中，所述激光器用于发出激光光束；所述相位调制器用于对所述激光光束进行相位调制；所述信号发生器用于控制所述相位调制器产生相位调制信号和输出预设相位；所述分束单元用于将所述激光光束分成本振光束和探测光束，所述本振光束入射至所述耦合器，所述探测光束入射至待测距目标后被反射成为回波光束，所述回波光束入射至所述耦合器；所述耦合器用于将所述本振光束和所述回波光束进行混频；所述光电探测器用于将光信号转
换为模拟电信号；所述数据采集分析单元用于对所述模拟电信号进行采集与分析，获得所述激光测距系统与所述待测距目标之间的距离。5.根据权利要求4所述的激光测距系统，其特征在于，还包括用于将所述激光器发出的所述激光光束功率进...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉冰，张明时，秦莉，宋俊峰，王立军，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：