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专利号: 202010354911X
申请人: 杭州爱莱达科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

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;

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。

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,

3.根据权利要求2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2×4 90°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;所述的正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为:

所述的负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号分别为:,

其中kin是接收同相信号的光电平衡探测器响应率,kqu是接收正交信号的光电平衡探测器响应率,φi‑n和φq‑n分别是同相信号和正交信号的噪声位相;

将同相和正交通道的振幅用下式来代替:正向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为:负向调频过程的中频信号中的同相信号和正交信号简化为:同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波,由模数转换器完成模数转换,再由现场可编程门阵列采集进行并行快速傅里叶变换,同相信号傅里叶变换表示为:,

正交信号傅里叶变换表示为:

两通道进行互谱处理:

最后仅取虚部得到

2 2

Img=δ(f‑fn)‑δ(f+fn),通过重心法提取频谱峰值位置和正负,就可以分别得到正向调频和负向调频过程中的中频频率值:

由上式可以得到:

上式中,fn‑up是正向调频过程中的中频频率值,fn‑down是负向调频过程中的中频频率值;

由于多普勒频率大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比,多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关,正频移代表雷达平台与目标相向运动,负频移代表雷达平台与目标相背运动;因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向,因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向,表示为

式中,λ是输出光束波长,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;

由上式得到目标点的距离:

式中, 为调频速率,B为调频带宽,T为调频周期;

主控计算机将采集到的N个通道点云图像合并,获取一个调频周期T时间内目标坐标的空间点集:

P(xP_n,yP_n,zP_n)为目标P在第n个通道探测到的空间坐标系中的坐标位置;

该空间点集∑P即为最终显示的3D点云图像。

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:所述同相信号和正交信号分别经过低通滤波器滤波去除串扰信号,具体是,所述串扰信号表示为:

ES_m表示为串扰的回波光束振幅,ELO_n表示为第n个回波光束对应的本振光束振幅;

串扰信号数据中包含频率为|fshift_n‑fshift_m|项,通过低通滤波器对其进行滤波处理,消除高频串扰信号,提高单路输出光束的探测精度。

5.实现如权利要求1‑4任一项所述的多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法的装置,其特征在于:包括激光光源(1),所述激光光源(1)的输出端依次连接有起偏器(2)和激光放大器(3),所述激光放大器(3)的输出端经1×N分束器(4)连接有N个相位调制器(5);每个所述的相位调制器(5)均连接有移相器(17),N个移相器(17)一同连接有射频信号源(18),所述相位调制器(5)经光学滤波器(19)连接有移频器(6),移频器(6)的输出端连接有1×2分束器(7),所述1×2分束器(7)连接有光学环形器(8);

所述光学环形器(8)的输出端依次连接有光学望远镜(9)和光束定向器(10);所述光学环形器(8)和1×2分束器(7)一同连有光学桥接器(11);所述光学桥接器(11)的输出端依次连接有光电平衡探测器(12)和低通滤波器(13);所述低通滤波器(13)经模数转换器(14)连接有现场可编程门阵列(15),所述现场可编程门阵列(15)的输出端连接有主控计算机(16);所述主控计算机(16)还与光束定向器(10)连接。