激光雷达系统的制作方法
本发明涉及激光探测技术领域，特别是涉及一种激光雷达系统。
背景技术：
激光雷达通过发射激光束实现对目标测距、测试等功能。目前激光雷达已经被广泛应用于诸如深度感知、测绘测距等领域中。flash激光雷达(也可以称之为快闪激光雷达)属于一种非扫描式激光雷达，根据光源为脉冲式或者连续波的不同，测距原理分别对应基于飞行时间的脉冲测距(tof)和基于连续波的测相测距(amcw)。flash激光雷达的光源一次性“照亮”整个视场，能量衰减快；另外受限于自身测距原理的二义性间隔，不适用于远距离探测的应用场景。
技术实现要素：
基于此，有必要针对flash激光雷不适用于远距离探测的问题，提供一种激光雷达系统。
一种激光雷达系统，包括：
发射装置，用于发射多组具有不同频率的出射激光；
发射光学系统，用于将所述出射激光射向检测区域；
接收装置，用于接收反射激光；所述反射激光为所述出射激光被检测区域内的物体反射后的激光；
接收光学系统，用于接收所述反射激光并射向所述接收装置；以及
处理系统，根据各组出射激光的频率，所述出射激光和对应的所述反射激光的相位差，得到检测区域内物体的距离。
在其中一个实施例中，所述发射装置包括激光器和调制器，所述调制器对所述出射激光进行调制。
在其中一个实施例中，所述激光器发射两组不同频率的出射激光，第一出射激光的频率为f1，第二出射激光的频率为f2。
在其中一个实施例中，所述第一出射激光的频率f1和所述第二出射激光的频率f2之间的频率差值为δf，δf大于所述处理系统的信号分辨率。
在其中一个实施例中，所述处理系统根据所述第一出射激光和对应的第一反射激光的相位差、所述第二出射激光和对应的第二反射激光的相位差、所述第一出射激光和所述第二出射激光的频率差值δf，得到检测区域内物体的距离。
在其中一个实施例中，所述调制器对所述第一出射激光以第一载波幅度进行调制，对所述第二出射激光以第二载波幅度进行调制。
在其中一个实施例中，所述激光器为稳频激光器。
在其中一个实施例中，所述处理系统还根据所述反射激光的频率变化，得到检测区域内物体的运动速度。
在其中一个实施例中，所述调制器采用时分复用的方式对多组所述出射激光分别进行调制。
在其中一个实施例中，所述激光器发射四组不同频率的出射激光，第一出射激光和第二出射激光的频率相近，第三出射激光和第四出射激光的频率相近。
上述激光雷达系统，基于连续波调幅的测距原理来进行检测区域内物体的位置信息如距离的测量，在整个探测过程中是采用了多组不同频率、但频率相近的出射激光来进行探测，处理系统根据各组出射激光的频率，出射激光以及对应的反射激光的相位差，得到检测区域内物体的距离。采用多组频率相近的出射激光进行探测，频率差值作为新的测尺频率，由于频率差值小，能得到较大的测尺长度，因此能大大提高激光雷达的探测距离。相对于采用单一频率的出射激光，采用多组具有不同频率的出射激光进行探测，可以使得整个激光雷达系统实现较远距离的探测，从而满足较远探测距离应用场景的使用需求。
附图说明
图1为一实施例中的激光雷达系统的结构框图。
图2为一实施例中的基于连续波幅度调制测距的基本原理图。
图3为检测区域内物体运动时与激光雷达系统的位置关系示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”以及“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。此外，需要说明的是，当元件被称为“形成在另一元件上”时，它可以直接连接到另一元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以直接连接到另一元件或者同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。
图1为一实施例中的激光雷达系统的结构框图。参见图1，该激光雷达系统包括发射装置110、发射光学系统120、接收光学系统130、接收装置140以及处理系统150。
发射装置110用于发射多组具有不同频率的出射激光。在本实施例中，发射装置110发射的出射激光为连续波激光。其中，发射装置110中发射的各组出射激光的频率相近。频率相近程度只需要频率之差大于处理系统150的信号分辨率，能够被处理系统150识别即可。发射光学系统120设置在发射装置110的出射端。发射光学系统120用于将出射激光射向检测区域。发射光学系统120可以包括准直透镜以及反射镜等光学元件。
接收光学系统130用于接收出射激光被检测区域内的物体反射后形成的反射激光，并将该反射激光投射至接收装置。接收光学系统130可以包括聚焦透镜以及反射镜等光学元件。
接收装置140用于接收接收光学系统130投射来的反射激光。接收装置140主要用于实现光信号的接收以及光电转换，从而得到与光信号对应的电信号。
处理系统150则用于对接收装置140输出的电信号进行处理分析，从而根据各组出射激光的频率，出射激光和对应的反射激光之间的相位差，得到检测区域内物体的距离。
上述激光雷达系统，基于连续波调幅的测距原理来进行检测区域内物体的位置信息如距离的测量，在整个探测过程中是采用了多组不同频率、但频率相近的出射激光来进行探测，处理系统150根据各组出射激光的频率、出射激光与其对应的反射激光的相位差，得到检测区域内物体的距离。采用多组频率相近的出射激光进行探测，处理系统150计算过程中相当于采用频率差值作为新的测尺频率，由于频率差值小，能得到较大的测尺长度，因此能大大提高激光雷达的探测距离。相对于采用单一频率的出射激光，采用多组具有不同频率的出射激光进行探测，可以使得整个激光雷达系统实现较远距离的探测，从而满足较远探测距离应用场景的使用需求。
在一实施例中，发射装置110采用连续波幅度调制(amplitudemodulationcontinuouswave，amcw)模式，发射调幅连续波的出射激光。发射装置110可以按照预设规律交替输出多组不同频率的出射激光。具体地，发射装置110可以采用单一光源，从而利用时分复用方式发射多组不同频率的出射激光。发射装置110也可以采用多光源，从而利用不同光源发射对应的频率的出射激光。
在一实施例中，激光生成装置110包括激光器112和调制器114。激光器112用于发射激光光束。激光器112发射的激光光束为连续波。激光器112发射的激光光束的波长可以根据需要进行设定。激光器112发射的激光光束波长为符合人眼安全的波长，如940nm或者1550nm等。激光器112可以为一个，可以为激光器阵列，从而形成多路激光光束。
在一实施例中，激光雷达系统为flash激光雷达系统(也可以称之为快闪式激光雷达系统)，属于一种非扫描式的激光雷达。此时，激光器112为面阵式光源，其出射激光同时“照亮”整个检测区域。采用面阵式光源，无需任何扫描装置即可一次性将出射激光覆盖整个探测视场，可以简化整个激光雷达系统的结构，降低成本，提高激光雷达系统的可靠性和稳定性；能够快速记录整个场景，避免扫描过程中目标或者激光雷达系统移动带来的各种干扰。
调制器114用于对激光器112发射的激光光束进行幅度调制。由于激光器112发射的激光光束为连续波，因此调制后的出射激光为调幅连续波。在一实施例中，激光器112交替发射两种频率的激光光束，在每个时间段内发射的激光光束的频率固定。调制器114对相同频率激光光束采用相同的调制载波进行调幅，不同频率激光光束的调幅载波不同。在一实施例中，调制器114对第一出射激光以第一载波幅度进行调制，对第二出射激光以第二载波幅度进行调制。调制载波可以为正弦波或者三角波等。在本实施例中，以载波信号为正弦波为例进行说明。
在一实施例中，可以采用同一调制器114通过时分复用的方式来交替产生多组不同幅度的调幅载波，或者也可以通过不同的调制器114来分别进行调制。
在一实施例中，激光器112发射两组不同频率的出射激光。其中，第一出射激光的频率为f1，第二出射激光的频率为f2。在一实施例中，第一出射激光的频率f1和第二出射激光的频率f2较为接近，二者之间的频率差值为δf。δf大于处理系统150的信号分辨率。若f1和f2的差值小于处理系统150的信号分辨率，处理系统150将无法识别出调制频率f1和f2，从而将两种出射激光作为一种出射激光进行处理。此时，调制器114对第一出射激光以第一载波幅度进行调制，对第二出射激光以第二载波幅度进行调制，从而便于处理系统150对两种频率的激光进行有效识别。
在一实施例中，处理系统150包括光电转换电路和处理电路(图中未示)。光电转换电路用于将接收装置140接收到的反射激光转换为相应的电信号。处理电路则可以根据该电信号的确定反射激光的光强度、相位、方向等信息。接收装置140可以采用面阵式的探测器阵列，探测器可以采用光电二极管。
在本实施例中，发射装置110发射第一出射激光和第二出射激光后，经由发射光学系统120出射，出射激光遇到检测区域内的物体后发生反射，从而得到对应第一出射激光的第一反射激光，以及对应第二出射激光的第二反射激光。第一反射激光和第二反射激光被接收光学系统130接收并投射到接收装置140。接收装置140接收第一反射激光和第二反射激光并转换为相应的电信号后输出给处理系统150。此时，处理系统150根据第一出射激光和第一反射激光的相位差、第二出射激光和第二反射激光的相位差、第一出射激光和第二出射激光的频率差值δf，得到检测区域内物体的距离。也即，在本实施例中，探测过程中采用两组不同频率的激光进行独立测距，处理系统150在进行距离计算时，并不仅仅根据其中的一种频率的出射激光来进行距离计算，而是将二者的频率差值δf作为测尺，来进行距离计算。根据连续波调幅的测距原理可知，频率越小且可探测距离越远。由于两组激光的频率差值δf相对于单个频率而言较小，从而使得整个激光雷达系统实现较远距离的探测，从而满足较远距离探测的使用需求。例如，f1的测尺长度为l1，f2的测尺长度为l2，当被检测区域内的物体距离大于l1、l2时，单独采用频率为f1或f2的出射激光，无法完成距离探测。通常要实现远距离的探测，需要采用小频率的激光，而频率越小其精度相应越低，探测距离和探测精度无法同时满足使用需求。而本案则可以很好的解决该问题。本案中，并不需要控制f1和f2足够小，而只需要确保二者相近且大于处理系统150的信号分辨率即可，从而无需再牺牲精度来提高探测距离。
为了更好地体现本实施例中的激光雷达系统的优点，下面结合激光雷达系统的具体工作原理过程来进行说明：
对出射激光的幅度进行调制(如正弦波)，使得出射激光在被检测区域内的物体反射后返回至处理系统150的过程中，在光强波形上形成一个相位差，根据测量的相位差，可以推算出载波信号的飞行时间(从出射到接收的时间)。连续波相位测距的基本原理是通过解调光的相位变化得到目标的距离信息。在采用单一的出射激光进行探测时，假设出射激光的频率为f0，l0为测尺长度，则满足以下关系式：
其中，λ0为对应于调制频率f0的波长。根据飞行时间计算距离的公式如下：
其中，l表示探测到的检测区域内的物体与激光雷达系统之间的距离，c表示真空中的光速，t表示飞行时间，l0为测尺长度，n是整数指反射激光相对于出射激光的相位变化中包含的2π的最大倍数，δn指反射激光相对于出射激光的相位变化中不足2π的部分，即
其中，fam和λam分别表示调制频率和波长,snr为信噪比，f同样为调制频率。
图2所示为基于amcw测距的激光雷达原理示意图。假设出射激光为正弦信号s(t)的振幅是a，调制频率是f，经过△t后接收的反射激光的信号为r(t)，衰减后的振幅为a，强度偏移(由环境光引起)为b。m个采样时间间隔相等，均为t/4,也即四分之一周期。不同的激光雷达系统的采样时间各异，可根据测试环境和使用的芯片工作状态(例如帧率)等随之调整。本实施例中使用4个采样时间，每个采样时间均为对应的连续波周期的四分之一，从而能够在一个信号周期内，采集到尽可能完整的信息，才能够精确的解算距离等信息，具体的计算公式和算法为本领域技术人员所悉知，故不再赘述。通过4次采样可以列出四个方程组，从而可以计算出射和反射的正弦信号的相位偏移，据此可计算检测区域内的物体和所述激光雷达系统的距离。a，b的值间接的反应了测量精度。
一般而言，基于amcw测距原理的雷达的最远可探测距离受到测尺长度的限制，因此在本实施例中，选用两个频率非常接近的间接测尺频率f1、f2,即为第一出射激光和第二出射激光的频率，那么处理系统150可以得到两个测尺对应的相同探测距离l，进行简单运算后得到系统的可探测距离l：
由于δf较小，当n＝0时，可探测距离远远大于使用单一频率探测时的模糊距离。采用两组相近频率的出射激光进行探测，第一出射激光频率为f1，第二出射激光频率为f2，由于频率非常的接近，使得两组出射激光的探测距离相同，列出探测距离的等式，从上述计算式中也可以看出，相当于通过δf来计算探测距离。
上述激光雷达系统，采用两个频率相近的出射激光来进行距离测量，且使用相对人眼较为安全的光源波长，提高了该激光雷达系统的理论最远探测距离，可适用于室外环境中诸如自动驾驶领域的使用。
在一实施例中，激光器112发射四组不同频率的出射激光。四组不同频率的出射激光包括第一出射激光、第二出射激光、第三出射激光和第四出射激光。其中，第一出射激光和第二出射激光的频率相近，为第一组合；第三出射激光和第四出射激光的频率相近，为第二组合。此时，第一组合可根据第一激光和第二激光的频率计算频率差值，再通过第一出射激光和对应的第一反射激光的相位差、第二出射激光和对应的第二反射激光的相位差和前面计算得的频率差值，得到探测距离；第二组合可根据第三激光和第四激光的频率计算频率差值，再通过第三激光和对应的第三激光的相位差、第四激光和对应的第四激光的相位差和前面计算得的频率差值，得到探测距离；如此可以进行多距离同时探测。
在一实施例中，激光器112为稳频激光器。稳频激光器是指一种利用稳频技术，使输出频率稳定在某一数值上的激光器。一般而言，激光器的频率都会在一定范围内抖动，这是由激光源自身原理或性质决定的。本实施例中通过采用稳频光源，从而可以通过多普勒效应实现对运动物体的测速。具体地，当检测区域内的物体为运动物体时，处理系统150还用于根据反射激光的频率变化得到检测区域内物体的运动速度。具体地，根据反射激光和出射激光的频率变化，得到由于物体运动所产生的多普勒频移fdopp。处理系统150可以对接收到的反射激光进行鉴频操作，并根据出射激光和反射激光的频率变化，得到因物体运动所产生的多普勒频移fdopp。通过该多普勒频移fdopp可由下述计算式确定检测区域内的物体的速度v：
其中f为出射激光频率，c为真空下的光速，α为物体的运动方向与激光雷达系统-物体连线之间的夹角，如图3所示。根据上述公式即可计算出物体的运动速度v。
在一实施例中，物体运动产生的多普勒频移一般大于载波的调制频率，通过鉴频即可得到多普勒频移信息。在一实施例中，物体运动产生的多普勒频移大于各组出射激光的频率。在其他的实施例中，确保物体运动产生的多普勒频移与各组出射激光的频率能够分辨即可求得频移量从而实现对速度信息的解算。
假设激光雷达系统的产生的激光光束的波长为940nm，对于大部分室外物体，如运动的行人或者车辆，运动速度范围在1m/s～34m/s(120km/h),对应的多普勒频移的范围为1.06mhz～35mhz。此时，两组出射激光频率f1、f2可以选择0.9mhz和1mhz，对应的激光雷达系统的理论最远探测距离可以达到1500m。在其他的实施例中，两组出射激光的频率f1、f2可以根据物体的运动速度范围、应用场景、最远探测距离以及系统的光源功率(受限于成本、安全等因素)等来进行设定，而并不限于上述前述具体实施例。
上述激光雷达系统，具有低成本、测距范围较远的优点，且可实现同时测距、测速和成像功能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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