本發(fā)明涉及激光雷達(dá)，尤其涉及一種多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、為了解決相位調(diào)制連續(xù)波(phmcw)相干測距方法在點云成像中的局限性，特別是在幀頻和成像速度上的不足，研究人員和工程師們正在探索多方向并行探測的技術(shù)。雖然現(xiàn)有的phmcw激光雷達(dá)測距系統(tǒng)能夠精確地測量單個角度(方向)的距離，但為了實現(xiàn)三維成像，必須對多個探測角度進(jìn)行逐一掃描。這一過程是時間消耗的，因為每一個方向的測距可能需要10微秒，而一個完整的3d點云圖像可能需要測量數(shù)萬個不同的方向。這樣一來，生成一幀點云圖像的時間會達(dá)到幾百毫秒，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實時3d成像所需的50毫秒(即20幀每秒)。一種直觀的解決方法是將phmcw激光測距系統(tǒng)復(fù)制多套，每套系統(tǒng)固定在一個特定的探測角度上工作，從而實現(xiàn)同時對多個方向的距離測量。這種方法理論上可以將成像速度提高n倍，其中n是復(fù)制的系統(tǒng)數(shù)量。然而，這種方法存在明顯的缺點，它不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，使得操作更加困難，而且會導(dǎo)致系統(tǒng)體積、成本、重量和功耗的顯著增加，因為每一套裝都需要自己的激光器和探測器。這種增加對于實際的距離測量應(yīng)用來說是不可接受的。

2、盡管這種并聯(lián)系統(tǒng)的方法能夠加快三維點云圖像的獲取，但是實際應(yīng)用中，由于上述問題，它并不易于實現(xiàn)，尤其是在要求緊湊、經(jīng)濟(jì)高效、低能耗的場合。因此，雖然phmcw技術(shù)在距離測量方面表現(xiàn)出色，但為了滿足實時三維成像的要求，仍然迫切需要開發(fā)更加高效的多方向并行探測技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決上述問題，提供一種多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)及方法。

2、本發(fā)明第一目的在于提供一種多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，包括激光發(fā)射器、分束器、相位調(diào)制器、信號發(fā)生器、光頻梳產(chǎn)生單元、光環(huán)行器、色散單元、光纖耦合器、光電探測器、濾波單元和數(shù)字信號處理單元；

3、所述激光發(fā)射器，用于發(fā)射激光光束；

4、所述分束器，用于將所述激光光束分為本振光束和探測光束；

5、所述相位調(diào)制器，用于對所述探測光束進(jìn)行相位調(diào)制，使激光信號的相位按規(guī)律變化；

6、所述信號發(fā)生器，用于控制所述相位調(diào)制器產(chǎn)生相位調(diào)制信號和輸出預(yù)設(shè)相位；

7、所述光頻梳產(chǎn)生單元，用于使經(jīng)所述相位調(diào)制器調(diào)制的探測光束產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的光波信號，并將所述光波信號輸入至所述光環(huán)行器；

8、所述光環(huán)行器，用于將所述光波信號傳輸?shù)剿錾卧⒔邮諒拇郎y距目標(biāo)反射的回波光束；

9、所述色散單元，用于將所述光波信號進(jìn)行分光，入射至待測距目標(biāo)后被反射成為所述回波光束，再返回至所述光環(huán)行器；

10、所述光纖耦合器，用于將所述本振光束與所述回波光束進(jìn)行混頻，得到中頻信號；

11、所述光電探測器，用于將所述中頻信號轉(zhuǎn)換為電信號并輸入至所述濾波單元；

12、所述濾波單元包括n路獨立的濾波器，用于過濾特定頻段波信號以及屏蔽其他頻段波信號；

13、所述數(shù)字信號處理單元，用于對通過所述濾波單元的保留頻段波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，計算得到所述多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)與待測距目標(biāo)之間的距離信息。

14、優(yōu)選的，濾波器為帶通濾波器或低通濾波器。

15、優(yōu)選的，光頻梳產(chǎn)生單元為氮化硅微環(huán)光梳、相位調(diào)制光梳或包括聲光調(diào)制器和增益介質(zhì)的循環(huán)移頻光梳中的任意一種。

16、優(yōu)選的，光頻梳產(chǎn)生單元包括聲光調(diào)制器、增益介質(zhì)和兩個耦合器；所述增益介質(zhì)為光纖放大器；通過所述聲光調(diào)制器的光，產(chǎn)生頻移為δω的光，一個耦合器將一部分能量耦合進(jìn)入所述光纖放大器進(jìn)行光功率放大，并通過另一個耦合器再次耦合回所述聲光調(diào)制器，產(chǎn)生頻移為2δω的光；重復(fù)調(diào)制，最終產(chǎn)生頻移為δω、2δω、3δω、……、nδω的光學(xué)頻率梳的光波信號。

17、優(yōu)選的，光學(xué)頻率梳的光波信號的光場表達(dá)式為：

18、

19、式中，an為放大后光波信號各項光束的幅度，ω0為初始頻率，δω為聲光調(diào)制器產(chǎn)生特定的頻率輸出，t為光波信號傳輸時間，為調(diào)制相位隨時間變化的函數(shù)(即表示第n個波長隨時間變化相位)，an和均為已知常數(shù)。

20、優(yōu)選的，本振光束和所述回波光束分別產(chǎn)生本振信號lo和回波信號r；

21、所述本振信號lo的光場表達(dá)式為：

22、

23、所述回波信號r的光場表達(dá)式為：

24、

25、式中，bn為回波信號各項光束的振幅，ω0為初始頻率，為初始相位，δω為聲光調(diào)制器產(chǎn)生特定的頻率輸出，t為光波信號的傳輸時間，τn為時間間隔，為第n個波長的光波信號隨存在時間間隔τn的變化相位，n為第n個波長的光波信號。

26、優(yōu)選的，中頻信號的光場表達(dá)式為：

27、

28、式中，δω為聲光調(diào)制器產(chǎn)生特定的頻率輸出，t為光波信號的傳輸時間，τn為時間間隔，為第n個波長的光波信號隨存在時間間隔τn的變化相位，n為第n個波長的光波信號。

29、優(yōu)選的，還包括設(shè)置在所述光環(huán)行器與所述色散單元之間的準(zhǔn)直器，用于對所述光波信號和所述回波光束進(jìn)行準(zhǔn)直。

30、優(yōu)選的，分束器為分束鏡、硅光芯片或分束比90:10的光纖分束器中任意一種；所述相位調(diào)制器為鈮酸鋰電光相位調(diào)制器或硅波導(dǎo)的熱光相位調(diào)制器；所述色散單元為分光光柵或三棱鏡。

31、本發(fā)明第二目的在于提供一種多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距方法，采用多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)進(jìn)行測量，包括如下步驟：

32、s1.激光發(fā)射器發(fā)射激光光束，經(jīng)過分束器后分為本振光束和探測光束；

33、s2.相位調(diào)制器對所述探測光束進(jìn)行相位調(diào)制，使激光信號的相位按規(guī)律變化；

34、s3.經(jīng)所述相位調(diào)制器調(diào)制的探測光束經(jīng)過光頻梳產(chǎn)生單元后產(chǎn)生光學(xué)頻率梳的光波信號，并將所述光波信號輸入至所述光環(huán)行器的端口一；

35、s4.所述光波信號從所述光環(huán)行器的端口二輸出并被色散單元分光后，入射至待測距目標(biāo)并被反射成為回波光束，再從所述光環(huán)行器的端口二輸入；

36、s5.所述回波光束從所述光環(huán)行器的端口三輸出，并與所述本振光束在光纖耦合器進(jìn)行混頻，得到中頻信號；

37、s6.通過光電探測器將所述中頻信號轉(zhuǎn)換為電信號，并輸入至所述濾波單元；

38、s7.通過所述濾波單元中n路獨立的濾波器過濾特定頻段波信號以及屏蔽其他頻段波信號，保留頻段波信號傳輸至數(shù)字信號處理單元；

39、s8.所述數(shù)字信號處理單元對所述保留頻段波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，計算獲得時間間隔τn；再求解得到各方向上待測距目標(biāo)物體與所述多方向中頻脈沖并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)的距離dn；求解公式如下：

40、

41、式中，τn為時間間隔，c為光速。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能夠取得如下有益效果：

43、本發(fā)明提出了只用一臺激光器和一臺探測器的多方向回波相位并行調(diào)解的激光雷達(dá)測距系統(tǒng)，可進(jìn)行多角度同時(并行)測量，只增加了產(chǎn)生光頻梳(ofc)的結(jié)構(gòu)、色散單元和數(shù)字信號處理單元，在不顯著增加系統(tǒng)的體積、成本、重量、功耗前提下實現(xiàn)并行探測，使得系統(tǒng)更簡潔，易操作，也不會增加太多的成本，有利于更廣泛的應(yīng)用。在phmcw基礎(chǔ)上，提出的并行探測的方案，提高了幀頻(或者叫探測速度)，改變了現(xiàn)有技術(shù)中測n個點需要測n次的缺陷，通過本發(fā)明可以實現(xiàn)1次就測量n個點的有益效果。