CN112764007A - 一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例公开一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法,涉及测量技术领域，为改善飞行时间带来的回波信号与接收器件之间耦合性降低的问题而发明。调频连续波激光雷达系统，包括：调频装置对激光器发出的激光进行频率调制；干涉装置将经过频率调制的激光，分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经所述楔形镜扫描装置中的至少两个楔形镜先后扫描射出，干涉装置将经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号；信号接收及处理装置，将所述拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量结果。本申请实施例可适用于中长距离的测量。
Description
技术领域
本申请涉及测量技术领域，尤其涉及一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法。
背景技术
调频连续波激光雷达（Frequency Modulation Continuous Wave Lidar, FMCWLidar）本质是外差干涉测量，原理是将激光器线性调频，并将激光一分为二，一路为本振光，一路为信号光，信号光准直出射并经目标反射进入接收系统，与本振光进行干涉产生拍频信号，信号中携带了飞行时间产生的频率调谐量以及相对运动产生的多普勒频移，测量拍频频率从而计算距离和速度信息。
目前FMCW激光雷达系统中的扫描机构，主要是基于振镜、棱镜等反射方式进行扫描。这种扫描方式进行中长距测量时，容易造成飞行时间带来的回波信号与接收器件之间耦合性降低的问题，从而影响成像质量。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法，便于改善飞行时间带来的回波信号与接收器件之间耦合性降低的问题。
为达到上述目的，第一方面，本申请实施例提供一种调频连续波激光雷达系统，包括：激光器、调频装置、干涉装置、楔形镜扫描装置和信号接收及处理装置；所述调频装置，用于对激光器发出的激光进行频率调制；所述干涉装置，用于将经过频率调制的激光，分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经所述楔形镜扫描装置中的至少两个楔形镜先后扫描射出，其中，所述干涉装置还用于将经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号；所述信号接收及处理装置，用于将所述拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量结果。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述激光器为窄线宽激光器；所述调频装置包括：直接数字频率合成器和双路马赫增德尔干涉调制器；所述直接数字频率合成器，用于产生两个正交的射频信号，驱动双路马赫增德尔干涉调制器；所述双路马赫增德尔干涉调制器，用于根据所述射频信号的驱动，对所述激光器发出的激光进行线性调频。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述干涉装置包括：分路器、偏振控制器、环形器和光波导；所述分路器，将所述经过频率调制的激光分为第一路激光和第二路激光；所述第一路激光经过所述偏振控制器后成为本振光；所述第二路激光为信号光，所述信号光经过所述环形器后经过所述光波导出射；经过目标反射后的信号光，耦合到所述光波导，经过所述环形器后与所述本振光混频后得到拍频信号。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述激光雷达系统还包括分光器，所述分光器用于将所述经过频率调制的激光分成N路激光；所述光波导为由N束光纤并排组成的光纤阵列；所述述分路器，将所述分光器分光后形成的N路激光，分为所述第一路激光和所述第二路激光；所述第二路激光有N路，经过所述光纤阵列出射；其中，所述N为≥2的自然数。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述楔形镜扫描装置，包括：准直透镜、第一楔形镜和第二楔形镜；所述准直透镜，将由所述干涉装置射出的信号光进行准直，准直后的信号光经由所述第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出；经过目标反射后的信号光，经过所述第二楔形镜和第一楔形镜后，通过所述准直透镜耦合到所述光波导。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述信号接收及处理装置包括：光电探测器、模拟数字转换器和处理模块；所述光电探测器，将所述拍频信号转换为电信号，所述模拟数字转换器对转换后的电信号进行采样，所述处理模块根据所述采样后的信号，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量距离和/或测量速度。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述的调频连续波激光雷达系统，还包括光纤放大器，用于将所述经过频率调制的激光进行放大处理。
第二方面，本申请实施例还提供一种基于调频连续波激光雷达的测量方法，包括：对激光器发出的激光进行频率调制；将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出；经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号；将所述拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量结果。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，包括：将经过频率调制的激光分成N路激光；将所述N路激光，分为所述第一路激光和第二路激光；所述第一路激光经过偏振控制器后成为本振光，所述第二路激光为信号光，所述第二路激光有N路；其中，所述信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出包括：所述第二路激光经过光纤阵列的出光面出射，经过准直透镜准直后，经由第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出。
根据本申请实施例一具体实现方式，所述经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号，包括：经过目标反射后的信号光，经过所述第二楔形镜和第一楔形镜后，通过所述准直透镜耦合到所述光纤阵列的出光面。
本申请实施例调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法，信号光由光波导出射后，通过楔形镜扫描装置中的至少两个楔形镜进行扫描，可获得围绕光轴中心对称的扫描轨迹。在边缘视场扫描速度最小，仅在中心视场时扫描速度达到最大，因而其整个扫描过程中的平均速度相对更小，大部分扫描时间内的像移相对较小，从而整体上改善飞行时间带来的回波信号与光波导之间耦合性降低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例中调频连续波激光测距测速原理图。
图2a和图2b是基于振镜、棱镜等反射方式，分别在不扫描状态下和扫描状态下回波信号接收示意图。
图3a为单个楔形镜光路传导示意图。
图3b为单个楔形镜扫描轨迹示意图。
图3c双楔形镜扫描原理示意图。
图3d双楔形镜扫描轨迹示意图。
图4为本申请一实施例调频连续波激光雷达系统结构示意图。
图5为本申请另一实施例调频连续波激光雷达系统结构示意图。
图6为本申请一实施例中射频驱动信号频率随时间线性调制示意图。
图7为本申请一实施例中DPMZID双路调制原理图。
图8为本申请又一实施例调频连续波激光雷达系统结构示意图。
图9为本申请一实施例中光纤阵列排列示意图。
图10为本申请一实施例中经光纤阵列出射后的光路示意图。
图11为本申请一实施例基于调频连续波激光雷达的测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，本文所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
FMCW激光雷达系统，区别于脉冲雷达测量脉冲的飞行时间，本质是一种外差干涉测量装置。光源使用窄线宽激光器，通过内调制或者外调制的方式，线性改变激光的波长，从而实现激光频率的线性调制。经过调制的激光分成两路，一路为本振光，另一路为信号光。使用光学天线（光学透镜）对信号光进行准直，增大空间方向角增益，准直的信号光照射目标反射，与本振光进行干涉。使用光电探测器将干涉光信号（也可称为拍频信号）转换为电信号，经放大电路将拍频信号放大之后使用A/D（模拟数字转换器）采样，数字信号在处理模块中处理，通过快速傅里叶变换等算法进行频率估计，获得拍频的频率成分。其中，频率成分包括飞行时间外差频移和多普勒频移，并通过简单运算，实现目标距离和轴向速度测量。
图1为调频连续波激光测距测速原理图，根据图1可以发现，对激光器进行三角波线性频率调制，A为本振光，B为回波（也可称为信号光）。回波和本振光进行干涉产生拍频信号，为保证拍频信号的频率估计精度，最少需要一个调频周期的测量时间。一个三角波调频周期内，存在三角波上升和下降两个频率成分，如果被测物体和激光收发部件静止，则两个频率相等，即回波飞行时间内产生的频移量，并且频移为调频斜率乘以回波的飞行时间。如果被测物体和收发部件轴向移动，则会产生多普勒频移，较之微波雷达，而激光雷达的多普勒频移明显，两者相背运动则拍频频率降低，相向运动则拍频频率增加。
由此可以通过干涉产生的拍频信息获得距离和速度的频率量，上升沿和下降沿的拍频的共模频率即为距离产生的外差频率，差模频率即为轴向移动的多普勒频率。外差频率与调制频率斜率以及飞行时间正相关，从而获得飞行时间，也就是距离信息；而多普勒（Doppler）频移与轴向速度成正比，而与波长成反比，从而获得速度信息。
FMCW激光雷达系统中的扫描机构，可以基于振镜、棱镜等反射方式进行扫描。但这种基于振镜、棱镜等反射方式进行扫描，在中长距测量下可能并不太适用。因为在中长距测量下，扫描的范围通常较大，为确保点云的刷新速率，快轴需要以极快的扫描速度进行扫描，用来测量的光又具有较长的飞行时间，这样容易使回波信号偏离出光波导的接收面，造成成像点的偏移，从而使光波导的接收面无法收到回波信号，或导致回波信号快速衰减，影响测量精度。
图2a和图2b是基于振镜、棱镜等反射方式，分别在不扫描状态下和扫描状态下回波信号接收示意图。图2a中是在不扫描时，发射光和接收光同轴（即收发同轴），信号光原路返回，此时成像点在接收光轴上。图2b中是在扫描时，接收光轴（实线所示）在飞行时间内发生旋转，此时被测物相对于接收光轴发生了移动，等效于成像点在接收面上发生了像移，成像点远离光轴。当成像点远离光轴的离轴高度大于接收面尺寸边界时，接收面无法接收到回波信息。
为有效降低飞行时间带来的回波信号与接收器件（光波导）之间耦合性降低的问题，本申请实施例提供一种调频连续波激光雷达系统及激光雷达扫描方法。
楔形镜扫描原理：
光学经过楔形镜，光线会发生偏折。偏折角度与折射率和楔形夹角有关。如图3a所示，折射角sinβ=n sinα，出射光线相对于竖直的入射光的偏转角度为φ=β-α；当楔形镜绕竖直轴进行角度为γ的旋转时，会使出射光沿竖直轴旋转夹角γ，且与竖直轴始终保持夹角φ，这就形成了一个圆形的扫描轨迹。图3b为一楔形镜旋转时形成的一个圆形扫描轨迹示意图。
当两个楔形镜重叠并按各自周期旋转，其偏转角φ和旋转夹角γ也进行了各自的叠加，则形成了一个复杂的扫描轨迹。在双楔形镜各自特定的扫描周期下，可实现圆形区域的全覆盖非周期扫描，参看图3c及图3d。
图4为本申请一实施例调频连续波激光雷达系统结构示意图，参看图4，本实施例调频连续波激光雷达系统10可包括：激光器20、调频装置30、干涉装置40、楔形镜扫描装置50和信号接收及处理装置60。
其中，调频装置30，用于对激光器20发出的激光进行频率调制；干涉装置40，用于将经过频率调制的激光，分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经楔形镜扫描装置50中的至少两个楔形镜先后扫描射出，其中，干涉装置还用于将经过目标反射后的信号光与本振光进行干涉产生拍频信号；信号接收及处理装置60，用于将拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得拍频信号中的频率成分，根据频率成分计算测量结果。
本实施例中，信号光由光波导出射后，通过楔形镜扫描装置中的至少两个楔形镜进行扫描，可获得围绕光轴中心对称的扫描轨迹。在边缘视场扫描速度最小，仅在中心视场时扫描速度达到最大，因而其整个扫描过程中的平均速度相对更小，大部分扫描时间内的像移相对较小，从而整体上改善飞行时间带来的回波信号与光波导之间耦合性降低的问题。
此外，采用楔形镜扫描，无需在扫描空间中进行横向和纵向的扫描线数分配，其扫描轨迹是无周期错位旋转的，多帧数下（即随着扫描时间的推移所获得的扫描图像）能实现整个扫描区域的高点密度完全覆盖。
再者，采用楔形镜扫描时，因其扫描时是绕光轴进行旋转的，可获得较大的通光口径。
激光器20，作为光源。在一些实施例中，激光器20可为窄线宽激光器，其通过可调滤波器、F－B滤波器、Bragg光栅等波长选择器对增益谱内起振的纵模数进行限制，只让满足特定条件的少数几个纵模，甚至只有一个纵模发生激光振荡。窄线宽激光器的输出光具有极高的时间相干性和极低的相位噪声。针对超大动态范围、长距成像激光雷达的设计需要，可采用10kHz以下线宽的窄线宽激光器，相干长度为19km，相干时间为65us。
调频装置30对激光器20发出的激光进行线性调频。调频线性度直接影响测距准度，远距离高精度测距成像激光雷达对调频线性度要求更高。远距离测距的飞行时间带来的测距尺度更大，在整个大动态范围内都需要保证较好的调频线性度。
参看图5，在一些实施例中，调频装置30可包括：直接数字频率合成器301(DirectDigital Synthesizer，DDS)和双路马赫增德尔干涉调制器302（Double Mach-ZehnderInterferometer Modulator, DMZIM），其中，DDS用于产生两个正交的射频信号，驱动DMZIM；DMZIM用于根据射频信号的驱动，对激光器20发出的激光进行线性调频。
使用DDS作为频率源，产生两个正交的射频信号，射频信号的频率随时间线性三角波调制，如图6所示。射频信号可经过功率放大器放大之后，分别驱动DPMZID的两个MZI臂。与此同时，对每个MZI臂的两路（b，b’和p，p’）分别配置电压，使其工作在最低透过率点，并对母MZI的双臂（c，d）进行电压配置，使其工作在半波电压处，完成单边带载波抑制调制，如图7所示。
继续参看图5，在一些实施例中，干涉装置40可包括：第一分路器401、偏振控制器402、环形器403和光波导404。
其中，分路器，也可称为光分路器或分光器，是用来按照预定的分光比实现光波能量的分路的器件。分光比为分路器各输出端口的输出功率的比值。本实施例中，第一分路器401将经过频率调制的激光分为两路，即分为第一路激光和第二路激光。
第一路激光经过偏振控制器402后成为本振光；第二路激光为信号光，信号光经过环形器403后经过光波导404出射；经过目标反射后的信号光，耦合到光波导404，经过环形器403后与本振光混频（可通过耦合器405混频）后得到拍频信号。其中的环形器403也可称为光纤环形器403。
光波导404（optical waveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。光波导的通道（也可称为光通道）数量可为一个。
为提高所获得的测量图像的点云密度，光波导404可具有多个通道。
在光波导404具有多个通道时，激光雷达系统还可包括第二分路器70。经过频率调制的激光先通过第二分路器70分成N路激光，N为≥2的自然数，比如N为8、12或16等。
通过第二分路器分成N路激光中的每一路激光，再通过一第一分路器401分为两路激光，即分为前述的第一路激光和第二路激光。各第一分路器401可组成第一分路器401陈列。
光波导404的多个通道的出光端面可呈阵列排布方式布置。
光波导404可采用多种结构形式。在一些实施例中，光波导404采用光纤束的结构形式（也可称为光纤阵列），即采用由多根光纤并排组合在一起的结构形式，其中每根光纤可为单模光纤。在光纤束中，光纤的出光端面呈阵列布置。
信号接收及处理装置60，需要采集本征光和信号光的干涉信号。该干涉信号需要准确并稳定的反馈被测信号的频率变化信息。稳定且高效的干涉需要有相近的偏转特性、相近的空间分布和相近的波前信息。如果使用普通光学系统对回波光进行收集，则无法与本征光发生稳定且高效的干涉。无法干涉的部分将成为信号噪声。回波信号携带的被测物信息将淹没在噪声和干扰中。本实施例中单根光纤即可实现同轴光路系统，光纤端面既为出光发射面，也是回波（经目标反射后的信号光）接收面。单模光纤能够实现对在其内传输光束的波长、空间分布和波前的控制和筛选，从而实现稳定而高效的干涉。
在一些实施例中，在将经过频率调制的激光先通过第二分路器70分成N路激光之前，还可采用光纤放大器将经过频率调制的激光进行放大处理。
继续参看图5，在一些实施例中，楔形镜扫描装置50，可包括：准直透镜501、第一楔形镜502和第二楔形镜503。
其中，准直透镜501，将由干涉装置射出的信号光进行准直，准直后的信号光经由第一楔形镜502和第二楔形镜503扫描射出；经过目标反射后的信号光，经过第二楔形镜503和第一楔形镜502后，通过准直透镜501耦合到光波导404。
第一楔形镜502和第二楔形镜503，沿准直透镜501的光轴方向前后间隔设置，并且能够分别绕准直透镜501的光轴旋转，二者可按不同的转速进行转动，二者的转动方向可以相同，也可以不同。
在光波导404为光纤阵列时，由其中一根光纤的光出射端面发出的光，通过目标反射后的信号光，通过准直透镜501耦合到该同一根光纤的光出射端面，由该同一根光纤接收，可实现光的发射与接收同轴，有利于提高测量的精确度。
继续参看图5，在一些实施例中，信号接收及处理装置60可包括：光电探测器601、模拟数字转换器602（Analog-to-digital converter，ADC）和处理模块603；光电探测器601，将拍频信号转换为电信号，模拟数字转换器602对转换后的电信号进行采样，处理模块603根据采样后的信号，获得拍频信号中的频率成分，根据频率成分计算测量距离和/或测量速度。
其中，光电探测器601可为平衡探测器。处理模块603可为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）或为数字信号处理器（digital signalprocessor，DSP）。
下面结合图8，以一个具体例子说明本申请实施例基于调频连续波激光雷达系统。
参看图8，本实施例中，使用10kHz以下线宽的窄线宽激光器发射的激光（相干长度为19km，相干时间为65us），使用DDS产生线性调频信号，驱动双路马赫增德尔干涉调制器（简称双路MZ）对激光进行线性调频。
通过线性调频的激光，经过掺铒光纤放大器（Erbium-doped Optical FiberAmplifer，EDFA）放大到10W，并经过1*12的分路器分成12通道，考虑到耦合损耗，保证每路1W的输出，每一路经过1*2的分路器，分光比1:99，弱光经过偏振控制器后成为本振光，输出到平衡探测器端口，本振光能量为1mW；99%的能量作为主光路，输出功率接近600mW。
主光路激光经过环形器后经过光纤阵列出射，12通道共用光学透镜，并通过光学透镜进行准直，经过双光楔（第一楔形镜和第二楔形镜）扫描照射目标后反射重新耦合到光纤，经过环形器后和本振光混频，混频信号使用平衡探测器接收。
平衡探测器将光信号转换为电信号并放大，主放大器使用可变增益放大器VGA进行时间敏感线性增益控制，后使用12个ADC进行同步采样，并使用FPGA对采样通过快速傅里叶变换等算法进行频率估计，将频率信息转换为距离上传到上位机。
对光学透镜的选取主要依据模式耦合和在阵列边缘的彗差对耦合效率的影响。以5km的成像需求举例，光学透镜外径为60mm，有效口径56mm。考虑到彗差的影响，需要使用长焦镜头。综合耦合效率、光纤端面的光强类高斯分布和系统总长尺寸，焦距可为220mm，此时与单模光纤的耦合匹配几乎接近衍射极限。
单模光纤纤芯直径为8um，模场直径为10.4um，接收透镜焦距为220mm，光纤出射近似为高斯光，则准直光的出射口径约为42mm，准直后发散角约为0.05mrad，即0.003°。同时，考虑到12通道分布，减小光轴偏折带来的彗差和耦合效率的降低，将出射光纤阵列成圆形分布，光纤阵列排布如图9所示。每个光纤间距250um，光纤两两视场角间隔0.07°，如图10所示。
每个通道经过分路器12dB的插损，单通道出光约700mW，经过0.5：99.5的分路器分束，本振光约3.5mW，主光路的功率约为28.3dBm，经过低插损的光纤环形器403，从1端口入射，2端口出射，插损0.8dB，出射约为27.5dBm，经过准直镜头出射。回波同样经过准直镜头接收，重新耦合到光纤环形器403中，从3端口出射，与本振光经过双端口50:50的耦合器，照射到平衡探测器，转换为电信号进行放大分析。
由于本振光能量为3.5mW，即5.4dBm，为一个明显的直流成分，使用单一探测器进行探测，将处于饱和状态，故要将本振光强度噪声约束到-55dBm才能有效探测，而激光器20的强度噪声约为-120dB/sqrt(Hz)，需要采用平衡探测器进行探测。
通过激光雷达方程计算和数据分析，信号主瓣的能量从-45dBm到-31dBm，平衡探测器的放大倍数约为53dB，因此可使用70MHz带宽的平衡探测器。电流等效噪声为7pW/sqrt（Hz），在主瓣信号带宽内，噪声约为1.2nW，已经逼近探测极限。经过平衡探测器跨阻放大后，则信号功率增加到8dBm到22dBm，即从6mV到150mV，而平衡探测器的噪声输出为15mV，这就需要信号处理在频域中分析信号。
并可使用主放大器搭建二阶低通滤波，并拟合拍频信号能量与飞行时间的曲线，保证时间相关增益，将信号放大到1.5V，增益从10倍增大到250倍，保证ADC输入保持在1.5V的信号输入，但考虑到TIA的等效噪声输出为15mV，并且加入时间增益的等效噪声输入5nV/sqrt（Hz），等效为0.7mV的噪声输入，要保证波形动态范围在ADC的动态范围以内，则需要将增益缩小90倍，满足3.3V以下的线性输入。
使用多通道ADC进行数据采样，采样率大于信号带宽两倍，满足奈奎斯特采样定律，数字信号交于FPGA做平行计算，完成频率估计。分别对4097点对三角波的频率调制的上升沿和下降沿做频谱估计，获得f 1F1 和f 1F2 并通过计算，共模频率即为测量距离，差模频率即为目标与雷达之间的轴向速度，如下公式所示：
其中，t是激光飞行时间，k是扫频斜率，c是光速， λ为激光波长，v是轴向速度，R是目标距离。
并且通过双光楔（第一楔形镜和第二楔形镜）的零点位置和光电编码器获得双光楔的位置信息，从而使用FPGA解析出激光的角度信息，配合上述的解析的距离信息和速度信息，从而获得远距离的4D高精度成像信息。
图11为本申请一实施例基于调频连续波激光雷达的测量方法流程图，参看图11，本实施例的测量方法，包括步骤：
S100、对激光器发出的激光进行频率调制；
S102、将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出；
S104、经过目标反射后的信号光与本振光进行干涉产生拍频信号；
S106、将拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得拍频信号中的频率成分，根据频率成分计算测量结果。
本实施例的测量方法，可应用于前述调频连续波激光雷达系统实施例中，其实现方式和有益效果基本相同，在此不在赘述。
在一些实施例中，将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，可包括：将经过频率调制的激光分成N路激光；将N路激光，分为第一路激光和第二路激光；第一路激光经过偏振控制器后成为本振光，第二路激光为信号光，第二路激光有N路；其中，信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出包括：第二路激光经过光纤阵列的出光面出射，经过准直透镜501准直后，经由第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出。
在一些实施例中，经过目标反射后的信号光与本振光进行干涉产生拍频信号，包括：经过目标反射后的信号光，经过第二楔形镜和第一楔形镜后，通过准直透镜耦合到光纤阵列的出光面。
本实施例的测量方法，对激光器发出的激光，通过内调制或者外调制的方式，线性改变激光的波长，实现激光频率的线性调制。经过调制的激光分成两路，一路为本振光，另一路为信号光。使用光学透镜对信号光进行准直，准直的信号经过第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出，经过目标反射后，与本振光进行干涉。将干涉光信号转换为电信号，对拍频信号进行采样后，通过快速傅里叶变换等算法进行频率估计，获得拍频的频率成分。其中，频率成分包括飞行时间外差频移和多普勒频移，并通过简单运算，实现目标距离和轴向速度测量。
需要说明的是，在本文中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系的用语，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。诸如，第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种调频连续波激光雷达系统，其特征在于，包括：激光器、调频装置、干涉装置、楔形镜扫描装置和信号接收及处理装置；
所述调频装置，用于对激光器发出的激光进行频率调制；
所述干涉装置，用于将经过频率调制的激光，分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经所述楔形镜扫描装置中的至少两个楔形镜先后扫描射出，其中，所述干涉装置还用于将经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号；
所述信号接收及处理装置，用于将所述拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量结果。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述激光器为窄线宽激光器；
所述调频装置包括：直接数字频率合成器和双路马赫增德尔干涉调制器；
所述直接数字频率合成器，用于产生两个正交的射频信号，驱动双路马赫增德尔干涉调制器；
所述双路马赫增德尔干涉调制器，用于根据所述射频信号的驱动，对所述激光器发出的激光进行线性调频。
3.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述干涉装置包括：分路器、偏振控制器、环形器和光波导；
所述分路器，将所述经过频率调制的激光分为第一路激光和第二路激光；所述第一路激光经过所述偏振控制器后成为本振光；所述第二路激光为信号光，所述信号光经过所述环形器后经过所述光波导出射；经过目标反射后的信号光，耦合到所述光波导，经过所述环形器后与所述本振光混频后得到拍频信号。
4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，
所述激光雷达系统还包括分光器，所述分光器用于将所述经过频率调制的激光分成N路激光；
所述光波导为由N束光纤并排组成的光纤阵列；
所述述分路器，将所述分光器分光后形成的N路激光，分为所述第一路激光和所述第二路激光；所述第二路激光有N路，经过所述光纤阵列出射；其中，所述N为≥2的自然数。
5.根据权利要求1或4所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述楔形镜扫描装置，包括：准直透镜、第一楔形镜和第二楔形镜；
所述准直透镜，将由所述干涉装置射出的信号光进行准直，准直后的信号光经由所述第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出；经过目标反射后的信号光，经过所述第二楔形镜和第一楔形镜后，通过所述准直透镜耦合到所述光波导。
6.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述信号接收及处理装置包括：光电探测器、模拟数字转换器和处理模块；
所述光电探测器，将所述拍频信号转换为电信号，所述模拟数字转换器对转换后的电信号进行采样，所述处理模块根据所述采样后的信号，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量距离和/或测量速度。
7.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，还包括光纤放大器，用于将所述经过频率调制的激光进行放大处理。
8.一种基于调频连续波激光雷达的测量方法，其特征在于，包括：
对激光器发出的激光进行频率调制；
将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，其中的信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出；
经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号；
将所述拍频信号转换为电信号，对转换后的电信号进行处理，获得所述拍频信号中的频率成分，根据所述频率成分计算测量结果。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述将经过频率调制的激光分为本振光和信号光，包括：
将经过频率调制的激光分成N路激光；
将所述N路激光，分为所述第一路激光和第二路激光；所述第一路激光经过偏振控制器后成为本振光，所述第二路激光为信号光，所述第二路激光有N路；
其中，所述信号光由光波导出射后，经过至少两个楔形镜先后扫描射出包括：所述第二路激光经过光纤阵列的出光面出射，经过准直透镜准直后，经由第一楔形镜和第二楔形镜扫描射出。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述经过目标反射后的信号光与所述本振光进行干涉产生拍频信号，包括：
经过目标反射后的信号光，经过所述第二楔形镜和第一楔形镜后，通过所述准直透镜耦合到所述光纤阵列的出光面。
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