光发射模块、光信号检测模块、光学系统和激光雷达系统的制作方法
本申请实施例涉及激光测距技术领域，例如涉及一种光发射模块、光信号检测模块、光学系统和激光雷达系统。
背景技术：
激光雷达系统，是以发射激光光束(探测光信号)探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达系统可探测目标物体的有关信息，如目标物体的方位、距离、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对目标物体进行探测、跟踪和识别。激光雷达系统是汽车自动驾驶、机器人定位导航、空间环境测绘和安保安防等领域必不可少的核心传感器。在实际应用中，按照原理不同，激光雷达系统可分为：三角法激光雷达系统，基于时间飞行的脉冲法激光雷达系统，相位法激光雷达系统。其中，相位法激光雷达系统是通过将一定频率的正弦调制信号加载到激光器上，利用发射信号(探测光信号)和接收信号(回波信号)之间的相位差所含有的距离信息来实现对被测目标物体的距离的测量。
然而，现有的相位法激光雷达方案主要是利用双发射来实现信号的对比，发射器的稳定性相比接收器来说比较低，双发射导致整个系统的稳定性都会受到一定的影响。
技术实现要素：
本申请提供一种光发射模块、光信号检测模块、光学系统和激光雷达系统，以高稳定性实现对目标物体的进行高探测精度，大探测量程的距离测量。
第一方面，一种光发射模块，包括：
高频调制信号输出单元，设置为输出预设的至少两个不同频率的高频调制信号；
激光发射单元，与所述高频调制信号输出单元连接，设置为发射分别经所述至少两个不同频率的高频调制信号调制后的至少两个不同频率的激光光束；
其中，激光发射单元包括激光器，所述激光器包括种子源和光纤放大器，所述光纤放大器用于将所述种子源发射的光信号放大。
第二方面，一种光信号检测模块，包括：
回波信号接收单元，设置为接收第一高频回波信号和第二高频回波信号，所述第一高频回波信号为第一激光光束被目标物体反射后的激光光束，所述第二高频回波信号为第二激光光束被所述目标物体反射后的激光光束；
参考信号接收单元，设置为接收第一参考信号和第二参考信号，其中所述第一参考信号为经第一高频调制信号调制后的参考信号，所述第二参考信号为经第二高频调制信号调制后的参考信号；
所述第一激光光束为经所述第一高频调制信号调制后的激光光束，所述第二激光光束为经所述第二高频调制信号调制后的激光光束；所述第一高频调制信号的频率大于所述第二高频调制信号的频率；
信号处理单元，同时与所述回波信号接收单元和参考信号接收单元电连接；所述信号处理单元设置为：根据所述第一参考信号与所述第一高频回波信号之间的第一相位差获取所述目标物体的第一参考距离值；根据所述第一相位差与第二相位差获取所述目标物体的第二参考距离值，并根据所述第一参考距离值和所述第二参考距离值确定所述目标物体的测量距离值；其中，所述第二相位差为所述第二参考信号与所述第二高频回波信号之间的相位差。
第三方面，一种光学系统，包括：上述的光信号检测模块，以及与所述光信号检测模块连接的光发射模块；
所述光发射模块包括高频调制信号输出单元和激光发射单元，所述高频调制信号输出单元设置为输出预设的至少两个不同频率的高频调制信号；所述激光发射单元设置为发射分别经至少两个不同频率的高频调制信号调制后的至少两个不同频率的激光光束；
所述至少两个不同频率的激光光束一部分射出去被目标物体反射并被所述回波信号接收单元接收；所述两个不同频率的激光光束的另一部分作为参考信号直接被所述参考信号接收单元接收；
其中，激光发射单元包括激光器，所述激光器包括种子源和光纤放大器，所述光纤放大器用于将种子源发射的光信号放大。
第四方面，一种激光雷达系统，包括上述的光学系统
本申请实施例提供的光发射模块，采用包括种子源和光纤放大器的激光器，使得发射功率大大提高；提供的光信号检测模块，采用了回波信号接收单元和参考信号接收单元的双接收方案，因为接收器的稳定性大于发射器，因此使得应用此光信号检测模块的光学系统及激光雷达系统稳定性大大提高。另外，通过至少两个高频调制信号对发射的激光进行调制，这样可以兼顾测量精度和测程。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种光发射模块的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种频率合成器的工作原理示意图；
图3是本申请实施例提供的一种激光发射单元的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的一种光信号检测模块的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的一种差频鉴相技术原理示意图；
图6是本申请实施例提供的一种数字鉴相技术的流程示意图；
图7是本申请实施例提供的一种激光发射单元和信号接收单元的结构示意图；
图8是本申请实施例提供的一种光学系统的结构框图；
图9是本申请实施例提供的一种激光雷达的硬件原理示意图；
图10是本申请实施例提供的一种激光雷达系统的工作流程示意图；
图11是本申请实施例提供的一种激光雷达系统的算法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请进行说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。
本申请实施例提供的光发射模块和光信号检测模块可应用于激光雷达系统，下文中将结合应用场景对光发射模块和光信号检测模块进行说明。
图1是一实施例提供的一种光发射模块的结构示意图。参见图1，该光发射模块包括：高频调制信号输出单元10、激光发射单元20。
在一实施例中，高频调制信号输出单元10，设置为输出预设的至少两个不同频率的高频调制信号；激光发射单元20，与高频调制信号输出单元10连接，设置为发射分别经至少两个不同频率的高频调制信号调制后的至少两个不同频率的激光光束。
在一实施例中，每个高频调制信号为一个主振高频调制信号；高频调制信号输出单元10还设置为输出至少两个不同频率的本振高频调制信号，其中至少两个本振高频调制信号与至少两个主振高频调制信号一一对应，且每个本振高频调制信号与对应的主振高频调制信号相差预设频率。
在一实施例中，高频调制信号输出单元10包括至少两组锁相环，每组锁相环至少包括两个锁相环，至少两组锁相环分别设置为输出一个主振高频调制信号和与所述主振高频调制信号对应的本振高频调制信号。
在一实施例中，不同的主振高频调制信号的频率的差值的绝对值在预设频率范围内。例如预设频率范围为0～100mhz。
在一实施例中，高频调制信号输出单元10包括两组锁相环路，每组锁相环路包括四个锁相环路，其中一组锁相环路中的每一个锁相环路可输出一个主振高频调制信号，另一组锁相环路中的每一个锁相环路可输出一个本振高频调制信号。因此至少两组锁相环路可输出至少四组不同频率的高频调制信号。锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环(pll，phase-lockedloop)。
本实施例中，一组高频调制信号包括一个主振高频调制信号和与该主振高频调制信号对应的本振高频调制信号。
可以理解，在其他实施例中，高频调制信号输出单元10中也可以采用直接数字式频率合成器(dds，directdigitalsynthesizer)代替锁相环路。
示例性的，图2是一实施例提供的一种dds的工作原理示意图。参照图2，dds包括相位累加器111、正弦查询表112、数模转换器(digitaltoanalogconverter，dac)113和低通滤波器(lowpassfilter，ltp)114，同时，时钟信号fc分别输入到相位累加器111和正弦查询表112，频率控制字k输入到相位累加器111。
其中，相位累加器111是dds的核心。相位累加器111由一个n比特的二进制加法器和一个由时钟信号fc取样的n比特寄存器构成，作用是对频率控制字k(十进制)进行线性累加。相位累加器111用于实现相位的累加并存储累加结果。当相位累加器111累加满量时就会产生一次溢出，完成一个周期的动作，这个周期就是dds系统合成信号的一个频率周期，相位累加器111的溢出频率就是输出的信号频率。
正弦查询表112是一个可编程只读存储器，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0～2π范围的一个相位点(0～2π的相位被等分为m份)。
数模转换器113的作用是将数字信号转换为模拟信号。在一实施例中，将正弦幅值序列转换为正弦波。并且，数模转换器113的分辨率越高，输出的正弦波的连续性越好；当数模转换器113的分辨率较低时，输出的正弦波为梯形波形，此梯形波形经过低通滤波器114(低通滤波器也可以为带通滤波器)滤波后，成为质量(这里主要指波形的连续性)符合需要的模拟波形fout。这里通过改变时钟信号fc、相位累加器111的位数n或者正弦查询表112的位数m均可改变输出的模拟波形fout的频率。
在一实施例中，激光发射单元20可以包括激光器，所述激光器为激光二极管，所述激光二极管发射出的激光光束的波长可以是1550nm波段或者2000nm波段。
图3是一实施例提供的激光发射单元的结构示意图。参照图3，该激光发射单元20包括种子源201，泵浦源202以及至少一级光纤放大器203。种子源201用于发射经所述高频调制信号调制后的一种波长或者多种波长的激光光束，所述激光光束可以为连续的正弦波或者余弦波的光信号。泵浦源202用于为光纤放大器203提供能量，光纤放大器203用于放大种子源输出的调制激光光束，并将放大后的调制激光光束输出。
在一个实施例中，种子源201发出的激光光束波长为1550nm波段或者2000nm波段，光纤放大器203为掺铒光纤放大器或者掺铥光纤放大器。人眼在1550nm波段和2000nm波段的损伤阈值高，所以该波段也被称为“人眼安全波段”，同时通过光纤放大器203的放大可以使的输出功率大大提升。
在一个实施例中，光纤放大器203可以为一级放大器，也可以为多级放大器串联，这个可以根据实际需要配置。
需要说明的是，图3中仅示例性的示出了激光发射单元20包括一级光纤放大器203。在其他实施方式中，还可以是多级光纤放器吕。另外，在光束传播路径中的任意两个光学元件之间还可以设置准直透镜，以减小光束的发散角度，或者直接在种子源201内部设有准直元件，这里不作严格限制。在一个实施例中，准直透镜可采用球面镜片。
在一个实施例中，示例性的，高频调制信号输出单元10输出预设的四组不同频率的高频调制信号的频率值为：主振高频调制信号fg1＝1093.75mhz，本振高频调制信号fg1’＝1000mhz；主振高频调制信号fg2＝1091.75mhz，本振高频调制信号fg2’＝998mhz；主振高频调制信号fg3＝1081.75mhz，本振高频调制信号fg3’＝988mhz，主振高频调制信号fg4＝1073.75mhz，本振高频调制信号fg3’＝980mhz，每一组高频调制信号中的主振高频调制信号加载到激光发射单元20后都可使得激光发射单元20发射出对应频率的激光光束。
需要说明的是，上述四组高频调制信号的具体频率值仅为示例性的说明，而并非限定；同时，上述高频调制信号输出单元10输出的高频调制信号的组数也仅为示例性的说明，而非限定，比如也可以输出为两组或者四组以上高频调制信号。在其他实施方式中，高频调制信号的频率值的选取可根据激光雷达系统对光发射模块的实际需求设定，这里不作严格限定。
本申请实施例提供的光发射模块，通过高频调制信号输出单元10输出预设至少两个不同频率的高频调制信号，并加载到激光发射单元上以使激光发射单元发射出至少两种不同频率的激光光束，采用两种以上不同频率的激光光束去探测同一距离，可以在保证测量精度的同时还保证了测量范围。同时，采用种子源+光纤放大器作为光源，可以使得输出功率大大提升。
相关技术中的相位法激光雷达系统中，利用电学元件对发射信号的频率进行调制，发射信号的调制速度慢，电磁干扰严重，导致现有相位法激光雷达系统探测速度较慢。
示例性的，探测光信号可包括1093.75mhz的高频发射信号和1091.75mhz的高频发射信号；通过1093.75mhz与1091.75mhz进行差频，可以得到2mhz的低频发射信号。高频发射信号可以作为一把精尺测到更准确的距离，低频发射信号可以作为一把粗尺测到更远的距离。
需要说明的是，上述高频发射信号和低频发射信号的具体频率值仅为示例性的说明，而并非限定；同时，上述探测光信号对频率值的选取也仅为示例性的说明，而非限定。在其他实施方式中，高频发射信号和低频发射信号的频率值以及探测光信号对频率值的选取可根据激光雷达系统对光发射单元的实际需求设定。
本公开实施例提供的方案中，利用光混频技术获得高频发射信号，利用差频技术获得低频发射信号，避免了利用电学元件对光束进行调制时，探测光信号容易受电磁信号干扰的问题。因此，探测光信号的稳定性较高。
本申请实施例还提供了一种用于检测回波信号的光信号检测模块。图4是本申请实施例提供的一种光信号检测模块的结构示意图。参见图4，该光信号检测模块包括：回波信号接收单元42、参考信号接收单元44和信号处理单元50。
在一实施例中，至少两个不同频率的高频调制信号包括第一高频调制信号和第二高频调制信号，参考信号接收单元44设置为接收第一参考信号、第二参考信号；其中，第一参考信号为经第一高频调制信号调制后通过内光路直达参考信号接收单元44的参考信号，第二参考信号为激光发射单元发出的经第二高频调制信号调制后通过内光路直达参考信号接收单元44的参考信号；回波信号接收单元42设置为接收第一高频回波信号和第二高频回波信号，第一高频回波信号为第一激光光束被目标物体反射后的激光光束，第二高频回波信号为第二激光光束被目标物体反射后的激光光束；第一激光光束为经第一高频调制信号调制后的激光光束，第二激光光束为经第二高频调制信号调制后的激光光束；第一高频调制信号的频率大于第二高频调制信号的频率；信号处理单元50设置为：根据第一参考信号与第一高频回波信号之间的第一相位差获取目标物体的第一参考距离值；根据述第一相位差与第二相位差获取目标物体的第二参考距离值，并根据第一参考距离值和所述第二参考距离值确定所述目标物体的测量距离值；其中，第二相位差为第二参考信号与第二高频回波信号之间的相位差。
示例性的，可将第一参考距离和第二参考距离进行融合处理，得到目标物体的测量距离，例如将第一参考距离的整数部分和第二参考距离的小数点后部分的和作为目标物体的测量距离。
在一实施例中，至少两个不同频率的参考信号为至少两个不同频率的参考激光光束或者为至少两个不同频率的参考电信号。
在一实施例中，在至少两个不同频率的参考信号为至少两个不同频率的参考激光光束的情况下，至少两个参考信号可通过激光发射单元发射然后通过内光路直达参考信号接收单元。
在一实施例中，回波信号接收单元42、参考信号接收单元44均与上述实施例的光发射模块中的激光发射单元20连接，第一高频调制信号为高频调制信号输出单元10输出的至少两个不同频率的高频调制信号中频率最高的高频调制信号，第二高频调制信号为高频调制信号输出单元10输出的至少两个不同频率的高频调制信号中除频率最高的高频调制信号之外的所有高频调制信号，第二高频调制信号的个数可为一个或多个，第一参考信号为激光发射单元20发射的经第一高频调制信号调制后通过内光路直达参考信号接收单元44的信号，第二参考信号为激光发射单元20发射的经第二高频调制信号调制后通过内光路直达参考信号接收单元44的信号。
在一实施例中，在第二高频调制信号为多个的情况下，第二激光光束和第二参考信号的个数均为多个，通过多个第二激光光束可分别获取多个第二高频回波信号，进而可分别获取多个第二高频回波信号中每个第二高频回波信号与该第二高频回波信号对应的第二参考信号之间的第二相位差，根据多个第二相位差与一个第一相位差获取第二参考距离值，例如分别根据多个第二相位差中每个第二相位差与第一相位差之间的第三相位差，获取多个第二参考距离值，根据第一参考距离值和多个第二参考距离值确定目标物体的测量距离值。
在一实施例中，第一参考信号和第二参考信号分别为第一参考激光光束和第二参考激光光束，或者分别为第一参考电信号或者第二参考电信号。
在一实施例中，回波信号接收单元42和参考信号接收单元44还设置为：接收第一本振高频调制信号；将第一高频回波信号转换为对应的电信号，将第一高频回波信号对应的电信号与第一本振高频调制信号进行混频，得到第一差频测距信号；将第一参考激光光束转换为对应的电信号并将第一参考激光光束对应的电信号与第一本振高频调制信号进行混频，或者第一参考电信号与第一本振高频调制信号进行混频，得到第一差频参考信号；接收第二本振高频调制信号，将第二高频回波信号转换为对应的电信号，将第二高频回波信号对应的电信号与第二本振高频调制信号进行混频，得到第二差频测距信号；将第二参考激光光束转换为对应的电信号并将第二参考激光光束对应的电信号与第二本振高频调制信号进行混频，或者将第二参考电信号与第二本振高频调制信号进行混频，得到第二差频参考信号；其中，第一高频调制信号为第一主振高频调制信号，第二高频调制信号为第二主振高频调制信号，第一主振高频调制信号与第一本振高频调制信号的频率相差预设频率，第二主振高频调制信号与第二本振高频调制信号的频率相差预设频率；信号处理单元50是设置为通过如下方式根据第一参考信号与第一高频回波信号之间的第一相位差获取目标物体的第一参考距离值：将第一差频测距信号与第一差频参考信号进行比较得到第一相位差，根据第一相位差获取目标物体的第一参考距离值；信号处理单元50是设置为通过如下方式根据第一相位差与第二相位差获取目标物体的第二参考距离值：将第二差频测距信号与第二差频参考信号进行比较，得到第二相位差；计算第二相位差与第一相位差之间的第三相位差；根据第三相位差获取目标物体的第二参考距离值。
本实施例中，第一本振高频调制信号为调制信号输出单元10输出的与第一主振高频调制信号对应的本振高频调制信号，第二本振高频调制信号为调制信号输出单元10输出的与第二主振高频调制信号对应的本振高频调制信号。
本实施例中，回波信号接收单元42设置为接收被目标物体反射的高频回波信号，并将高频回波信号转换为高频电信号，再将高频电信号转换成低频电信号；信号处理单元50设置为将低频模拟电信号转换为低频数字信号再利用相关算法得到相位信息，进而获取目标物体的距离值。
其中，上述回波信号接收单元42和参考信号接收单元44在将高频电信号转换成低频电信号的过程中实际上采用了差频鉴相技术。差频鉴相技术就是指将高频信号转换为低频信号而保持相位信息不变，再利用低频信号进行相位检测的技术。
图5是一实施例提供的差频鉴相技术原理示意图。参照图5，光发射模块中的高频调制信号输出单元相当于一个高频信号源，包括主振器和本振器，高频信号源输出的每一组高频调制信号都包括一个主振高频调制信号及一个与主振高频调制信号相差固定频率(比如93.75mhz)的本振高频调制信号。本实施例以获取上述实施例中的第一相位差为例，第一主振高频调制信号加载到激光光束上进行调制并将调制后的激光光束发射出去(本实施例主要阐述整个光路测距的原理过程，具体激光的调制和放大请参照上述的描述，这里不再赘述)，发射出去的激光光束分为两部分，一部分到达目标物体，目标物体再将激光光束反射到光信号检测模块的回波信号接收单元，回波信号接收单元的接收器接收激光光束被目标物体反射得到的第一高频回波信号，并将第一高频回波信号转换为高频电信号，回波信号接收单元中的测距信号混频器又将高频电信号与第一本振高频调制信号进行混频，得到低频的第一差频测距信号。
发射出去的另一部分激光光束作为第一参考信号直接通过内光路到达光信号检测模块中的参考接收信号接收单元，参考信号接收单元的接收器接收到第一参考信号，并将第一参考信号转换为高频电信号，参考信号接收单元中的参考信号混频器又将高频电信号与第一本振高频调制信号进行混频，得到低频的第一差频参考信号。信号处理单元设置为通过将所述第一差频测距信号与第一差频参考信号进行比较得到第一相位差，进而通过第一相位差获取目标物体的第一参考距离值。
本实施例中，第二相位差的获取原理与第一相位差的获取原理相同，此处不再赘述。获取第二相位差后，便可计算第二相位差与第一相位差之间的第三相位差，进而获取目标物体的第二参考距离，根据第一参考距离和第二参考距离，获取目标物体的测量距离。
在一实施例中，在根据第一参考距离和第二参考距离确定目标物体的测量距离之前，信号处理单元40还可设置为根据第二相位差获取目标物体的第三参考距离值，根据第三参考距离值和第一参考距离值计算第四参考距离值，并将第一参考距离值替换为第四参考距离值。
在一实施例中，可将第三参考距离值和第一参考距离值的平均值作为第四参考距离值，或者通过查表等方式确定第四参考距离值。
本实施例中，差频测距信号与高频回波信号的相位相差是本振高频调制信号的相位，主振高频调制信号与差频参考信号的相位差也是本振高频调制信号的相位，由此差频测距信号与差频参考信号的相位差等于高频回波信号与主振高频调制信号的相位差，即由于相位信息保持不变，可将高频信号转换为低频信号处理，利用低频信号进行相位检测，降低了对模数转换芯片的要求，即减小了后级处理电路的带宽，由于带宽越窄，鉴相精度越高，因此有利于提高鉴相精度，即提高光信号检测模块对高频回波信号的处理精度。另一方面，由于频率和周期的倒数关系，差频鉴相技术降低了待测信号的频率，从而展宽了待测信号的周期，同时由于低频信号处理技术相较于高频信号处理技术更成熟，所以将高频信号转换为低频信号处理，可提高测相分辨率，从而提高鉴相精度。
示例性的，图5示出的光信号发出与检测的完整过程为：高频信号源中的主振器和本振器分别产生的主振高频调制信号
在一个实施例中，信号处理单元采用了数字鉴相法检测相位信息。数字鉴相法就是将待检测的信号数字化后再鉴别出该信号的相位信息的方法。示例性的，图6是本申请实施例提供的一种数字鉴相法的流程示意图。参照图6，该数字鉴相法的流程包括：将待检测的模拟量信号x(t)经过模数转换化为数字量信号x(n)(其中，n为正整数)，再经过相关算法得到相位信息。在一实施例中，数字鉴相法的核心处理单元可为计算机或微处理器。上述数字鉴相法不依赖于电路，整个鉴相过程完全数字化，避免了电路中存在的电磁干扰对鉴相结果的影响，因而具有很好的抗干扰能力，进而具有较高的鉴相精度。同时，运算速度快，体积小。将数字鉴相法应用于激光雷达系统中，可提高激光雷达系统的测量距离的速度和精度(也可称为分辨率)。
需要说明的是，上述实施例中提及的“高频”是指单位级别为百mhz的频率(比如100mhz以上)，本申请提及的“低频”是指单位级别为mhz的频率(比如1mhz～10mhz)。
在一实施例中，回波信号接收单元42和参考信号接收单元44均包括光电探测器。
如此设置，相当于利用两个光电探测器可实现第一参考信号、第二参考信号、第一高频回波信号以及第二高频回波信号的接收、转换与混频三种功能，从而减少了光信号检测模块中元件的数量，简化了光信号检测模块的结构，缩小了光信号检测模块的体积。将光电探测器应用于激光雷达系统中，有利于激光雷达系统的小型化设计。
需要说明的是，上述光电探测器仅为对回波信号接收单元42和参考信号44的一种设计方式，而非限定。在其他实施方式中，还可以将上述接收、转换与混频的功能由两个或三个元件实现。此时，多个元件实现的功能相对独立，当出现信号检测异常时，可快速进行排查，且更换元件的成本较低。
图7是一实施例提供的一种激光发射单元和信号接收单元的光学结构示意。参照图7，回波信号接收单元42和参考信号接收单元44各自分别还可以包括接收透镜213和滤光片214，接收透镜213、滤光片214和光电探测器211沿光束的传播方向依次排列；以回波信号接收单元42为例，接收透镜213设置为将第一高频回波信号和第二高频回波信号聚焦到光电探测器211；滤光片214设置为通过第一高频回波信号和第二高频回波信号，滤除其他波长的干扰信号，即干扰信号不会被光电探测器211检测到，从而提高了光信号检测模块的信噪比。将滤光片214应用到激光雷达系统中，可增加系统在强光下的探测距离。
其中，由于目标物体表面存在散射，由目标物体反射产生的回波信号通常会发散，通过接收透镜213将发散的回波信号聚焦到光电探测器211，可增强被光电探测器接收的回波信号的强度。
在一实施例中，在接收透镜213靠近激光发射单元20一侧还包括附着在接收透镜213出光面一侧的近距离光路补偿镜2131，此近距离光路补偿镜2131设置为将近距离的目标物体反射产生的回波信号聚焦至光电探测器211，从而减小非同轴系统带来的盲区。示例性的，应用于非同轴系统的激光雷达中，激光雷达的盲区可降低至20cm以下。
在一实施例中，信号处理单元50包括运算放大器、模数转换器和现场可编程门阵列；运算放大器的输入端与信号接收单元电连接，运算放大器的输出端与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与现场可编程门阵列电连接；运算放大器设置为分别将信号接收单元传输的第一差频测距信号、第一差频参考信号、第二差频测距信号以及第二差频参考信号放大；模数转换器设置为分别将经运算放大器放大后的第一差频测距信号、第一差频参考信号、第二差频测距信号以及第二差频参考信号由模拟量信号转换为数字量信号；现场可编程门阵列设置为将第一差频测距信号对应的数字量信号与第一差频参考信号对应的数字量信号进行比较得到第一相位差，并根据第一相位差计算目标物体的第一参考距离值；将第二差频测距信号对应的数字量信号与第二差频参考信号对应的数字量信号进行比较，得到第二相位差；计算第二相位差与第一相位差之间的第三相位差，根据第三相位差计算目标物体的第二参考距离值；根据第一参考距离值和第二参考距离值确定目标物体的测量距离值。
在一实施例中，光信号检测模块，还包括：供电单元、微处理器单元和高压调节单元；信号处理单元的受电端和所述微处理器单元的受电端分别与供电单元电连接，微处理器单元的第一控制端与信号处理单元电连接，微处理器单元的第二控制端通过高压调节单元与信号接收单元电连接；供电单元设置为向信号处理单元和微处理器单元供电；微处理器单元设置为对信号处理单元进行控制处理，还设置为通过高压调节单元对施加到所述信号接收单元的电压进行调节，以使信号接收单元接收强度不同的回波信号。
在一实施例中，光信号检测模块，还包括温度探测单元、高压探测单元和标准电压探测单元，温度探测单元的输出端、高压探测单元的输出端和标准电压探测单元的输出端分别与微处理器单元的输入端电连接；温度探测单元设置为探测信号接收单元的温度值，高压探测单元设置为探测信号接收单元的高压值，标准电压探测单元设置为探测信号接收单元的标准电压值；微处理器单元还设置为根据温度值、高压值或标准电压值对所述高压调节单元输出的电压进行调节。
图8一实施例提供的光学系统的结构框图。参见图8，本实施例提供的光学系统可包括上述实施例任意实施例提供的光发射模块60以及上述实施例任意实施例提供的光信号检测模块70，光信号检测模块70与光发射模块60连接。
本实施例中光发射模块60和光信号检测模块70的原理与上述实施例相同，此处不再赘述。
在一实施例中，光发射模块60与光信号检测模块70之间的光路布局包括：同轴系统、单发射双接收系统。
本申请还提供一种激光雷达，所述激光雷达包括上述任意实施例中提供的光发射模块和光信号检测模块。因此，本申请实施例提供的激光雷达具有上述光发射模块的有益效果，也具有上述光信号检测模块的有益效果。此处未详尽示出的有益效果可参照上述实施例中光发射模块和光信号检测模块的内容，在此不再赘述。
图9是一实施例提供的一种激光雷达的硬件原理示意图。以下结合激光雷达的硬件结构说明激光雷达光发射和检测的原理。参照图9，所述激光雷达的光发射模块包括两组锁相环路，每一组锁相环路中包括四个锁相环路，四个锁相环路通过一个切换开关进行频率的切换。两组锁相环路均由现场可编程门阵列控制，两组锁相环路输出的高频调制信号分别包括主振高频调制信号和本振高频调制信号。这样子可以生成4把差分尺，测距范围能达到150米的范围。各产生四组信号，分别同时通过两个四选一的切换开关，依次选择其中一组高频调制信号，其中的每一组高频调制信号源和线路单独屏蔽和隔离，以防止相互串扰。
本实施例中，以通过两组锁相环路分别输出第一主振高频调制信号和第一本振高频调制信号，以及第二主振高频调制信号和第二本振高频调制信号为例。首先通过切换开关选择一个锁相环路输出第一主振高频调制信号和第一本振高频调制信号。其中第一主振高频调制信号经放大电路1放大后可加载在激光二极管上。所述第一主振高频调制信号加载在激光二极管上后发射出对应第一主振高频调制信号频率调制的第一激光光束，第一激光光束分为两部分，一部分经外光路到达目标物体后会被反射回来，发射回来的激光光束也就是第一高频回波信号。因发射的激光光束是经高频调制信号调制的，所以回波信号也属于高频信号。第一本振高频调制信号经放大电路2放大后可分别加载在第一光电探测器和第二光电探测器上。
所述第二光电探测器在检测到所述第一高频回波信号后，首先会将第一高频回波信号转换为高频电信号，所述高频电信号就是被第一主振高频调制信号调制的第一激光光束往返于目标物体后经过解调的电信号，它和第一主振高频调制信号之间有一个延迟的相位差。将所述第一高频电信号与所述第一本振高频调制信号进行混频便得到低频电信号(即上述实施例中的第一差频测距信号)。将所述低频电信号经过信号放大和模数转换器转换，输出一个低频数字电信号(用ed表示)到现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)。
为了进行比相，所述第一主振高频调制信号加载到激光二极管后，发射出对应第一主振高频调制信号频率调制的第一激光光束的另一部分，直接通过内光路到达第一光电探测器得到第一参考激光光束，所述第一参考激光光束经所述第一光电探测器的光电转换，然后再与放大后的第一本振高频调制信号进行混频处理得到一个低频的第一差频参考信号，所述低频的第一差频参考信号同样经过放大、模数转换得到一个作为比相的低频参考数字电信号(用e0表示)。由于e0没有经过外光路的往返路程，所以e0不存在像ed中产生的相位延迟。因此，现场可编程门阵列将ed和e0进行相位比较，即可得到用于求取目标物体第一参考距离值的第一相位差，进而得到第一参考距离值。
通过切换开关，选择另一锁相环路，输出第二主振高频调制信号和第二本振高频调制信号。同理，现场可编程门阵列可得到第二相位差，进而计算第二相位差与第一相位差之间的第三相位差，根据第三相位差得到第二参考距离值，进而根据第一参考距离值和第二参考距离值获取目标物体的测量距离值。
在本实施例中，设置为选择锁相环路的切换开关由所述现场可编程门阵列控制，两组锁相环路可以输出至少四组不同的高频调制信号，而且四组高频调制信号的频率值比较集中，即每两组频率值相差较小，这样可以采用统一的高频处理电路，使得硬件电路设计简单。其中，频率值最高的那组(示例性地，主振高频调制信号频率为1093.75mhz、本振高频调制信号频率为1000mhz)作为一把精尺，可以保证系统的测量精度。其他三组(示例性地，主振高频调制信号频率为1091.75mhz、本振高频调制信号频率为998mhz；主振高频调制信号频率为1081.75mhz、本振高频调制信号频率为988mhz及主振高频调制信号频率为1073.75mhz、本振高频调制信号频率为880mhz)作为辅助尺，利用精尺与三个辅助尺相互之间的差频(示例性地，差频可分别为20mhz和6mhz等)可作为扩展量程的两把中尺和一把粗尺，以保证系统的测量量程。可以理解，如果只设置两个锁相环路，则频率值高的那组作为一把精尺，另一组作为辅助尺，利用精尺与辅助尺的差频可作为扩展量程的粗尺。
这样一方面，在保证了高精度大量程的同时减少了低频测尺的配置时间，因此提高了激光雷达的探测速度。另一方面，由于调制探测光信号的频率比较集中，从而方便电路对相近频率的信号进行处理，从而无需针对高频信号和低频信号分别设计电路，因此电路设计难度较低，电路结构简单。
在一个实施例中，信号放大电路为放大微弱信号的运算放大器，从而提高信号的信噪比。示例性的，所述运算放大器可采用多级信号放大电路，前级是电流模式信号与电压模式信号处理，后几级采用低噪声、高速、高精度信号放大处理。在本实施例中，在第一光电探测器和第二光电探测器之后设置一个切换开关，通过切换开关选择切换第一光电探测器和第二光电探测器接收到的信号，传送到3级的信号放大电路。根据需要选择哪一级信号放大电路。例如：当第一光电探测器或者第二光电探测器输出的信号比较弱的话，可以用2级放大倍数的信号放大电路，如果2级放大倍数还是太小的话，可以选用3级放大倍数的信号放大电路。另外极限情况就是，如果采用3级放大倍数的信号放大电路使得信号饱和的话，可以改用2级信号放大电路，如果采用2级放大倍数的信号放大电路使得信号饱和的话，可以改用1级信号放大电路。一般来说，这几组电路，基本可以把大多数的测量环境包含进去。
所述运算放大器的输入端与光电探测器的输出端电连接，所述运算放大器的输出端与模数转换器的输入端电连接，模数转换器的输出端与现场可编程门阵列电连接。
在一实施例中，模数转换器设置为快速采集信号，现场可编程门阵列设置为对模数转换器采集的信号进行高速相位频率的计算(示例性的，fpga上可集成平滑滤波器子单元和260点的快速傅里叶变换子单元)，由此，使得激光雷达测量速度较快、抗干扰能力强、精度高。同时，现场可编程门阵列可舍弃不稳定的数据，只采集稳定的数据进行处理，从而数据一致性好、数据稳定性高。
此外，激光雷达使用的设置为高速信号采集的模数转换器和设置为高速相位计算的fpga，可采用专业流片技术，从而使产品的集成度较高、面积较小、可靠性和稳定性较高，从而成本较低且易于实现微型化。同时，采用联合测试工作组(jointtestactiongroup，jtap)的边界扫描测试技术，可减低测试成本、缩短测试时间，从而缩短产品的面世的时间。
继续参见图9，激光雷达还包括供电单元、微处理器(microcontrollerunit，mcu)和高压调节单元；供电单元和微处理器、fpga、第一激光二极管、第二激光二极管等电连接以实现供电，微处理器的第一控制端与fgpa电连接以实现多种数据交互和程序控制，微处理器的第二控制端通过高压调节单元与光电探测器电连接以实现对光电探测器的电压进行调节，从而让光电探测器可以放大多种不同的反射回来的回波信号。
在一实施例中，供电单元可将外部供电按照模块要求，转换为模块的多个组成部分所需要的电压并对多个组成部分分别进行供电。并且，微处理器可对供电单元进行控制，实现激光雷达中多个组成部分独立供电。
在一实施例中，高压调节单元可通过脉冲宽度调制(pulsewidthmodulation，pwm)的方式调节施加到光电探测器的高压(highvoltage，hv)的大小。
示例性的，脉冲宽度调制高压过程中，占空比越大，电压值越高。
继续参见图9，激光雷达还包括温度探测单元(ad_ntc)、高压探测单元(ad_hv)和标准电压探测单元(ad_vbas)，温度探测单元的输出端、高压探测单元的输出端和标准电压探测单元的输出端分别与微处理器的输入端电连接；温度探测单元设置为探测光电探测器的温度值，高压探测单元设置为探测光电探测器的高压值，标准电压探测单元设置为探测光电探测器的标准电压值；微处理器还设置为根据温度值、和多种反馈的信号对输出的电压进行调节。
本实施例中，为使激光雷达可适用于不同的环境，设计温度探测单元、高压探测单元以及标准电压探测单元对光电探测器的使用环境进行监测，并根据环境信息(包括温度值、高压值以及标准电压值)对施加到光电探测器的电压值进行调节。
示例性的，根据温度对光电探测器的影响，通过电压差值补偿温度变化导致的光电探测器接收到的回波信号的变化。示例性的，根据目标物体的表面发射产生的回波信号的强弱不同，通过电压差补偿回波信号强度变化导致的光电探测器接收到的回波信号的变化。从而，使得光信号检测模块可适用于多种不同的环境。
在本实施例中，还采用恒流恒压恒功率驱动电路(图9中未示出)为激光发射单元(包括第一激光二极管和第二激光二极管)提供稳定的供电系统，同时，通过激光发射单元自身电压反馈，稳定激光发射单元的工作点。
在一实施例中，通过高速切换开关进行切换，大大提高了频率切换的时间。将高速切换开关(sw)应用于激光雷达，可有效提高测量精度。
在一实施例中，激光雷达的光路系统布局包括：同轴系统、单发射双接收系统。
在一实施例中，激光雷达还包括角度探测单元，角度探测单元与光信号检测模块中的信号处理单元电连接；角度探测单元设置为探测激光雷达旋转的角度值；信号处理单元还设置为将距离值的变化量与角度值的变化量相关联。
在一实施例中，光发射模块可在360度范围内转动，角度探测单元设置为探测光发射模块转动的角度，从而激光雷达可以实现至少0.01米(m)-150m范围内水平360度的二维扫描探测，从而得到周围环境的二维位置信息。在一实施例中，激光雷达的探测精度可高达毫米级，从而此激光雷达可广泛应用于激光扫描系统、监控系统、空间测绘(空间建模)、防碰撞、机器人、环境探测以及军事侦察等领域。
在一实施例中，激光雷达旋转的传动方式包括：有刷电机、无刷电机或无线供电。
在一实施例中，激光雷达还包括通信单元；通信单元与光信号检测模块中的信号处理单元电连接；通信单元设置为将信号处理单元得到的距离值、角度值以及距离值的变化量与角度值的变化量的关联关系中的至少一种传输给一反馈信号接收单元。
在一实施例中，反馈信号接收单元可为光发射模块，光发射模块通过接收到的上述信息对发出的探测光信号的强度进行调节，以适用于不同的探测环境。
在一实施例中，反馈信号接收单元还可为微控制器，微控制器设置为对探测到的数据进行进一步处理，从而实现周边环境的监控或者实现自动化控制。
在一实施例中，通信单元的通信方式可包括：光通信、蓝牙通信或wifi通信。
如此设置，通过无线传输的方式进行数据传输，可减少激光雷达的外部接口数量，一方面简化了激光雷达的结构；另一方面可使激光雷达的适用范围更广，示例性的可适用于潮湿或有水的环境。
示例性的，图10是本申请实施例提供的一种激光雷达的工作流程示意图。参照图10，该激光雷达的工作流程包括如下步骤。
步骤s5110、电机上电旋转。
其中，电机(马达)旋转可带动旋转模组(主要包括光发射模块和光信号检测模块)转动，从而激光雷达可实现360度范围内扫描探测。
步骤s5120、发射探测光信号。
其中，探测光信号可为经高频调制信号调制的红外激光光束。探测光信号由激光发射单元发出。
步骤s5130、接收回波信号。
其中，回波信号是光发射模块发出的探测光信号被目标物体反射后，形成的反射光信号。回波信号由光信号检测模块中的信号接收单元接收。
步骤s5140、根据相位差计算距离。
其中，探测光信号与回波信号之间的相位差与目标物体的距离相关。
示例性的，利用相位法测距的公式为：
其中，d是待探测的距离，c是光速，
步骤s5150、上传数据。
其中，此步骤可包括将步骤s5140获得的数据反馈给执行步骤s5120的光发射模块和执行步骤s5130的光信号检测模块。从而形成闭环的自反馈调节系统，实现对探测光信号和回波信号的强度的调节，使探测结果更准确。
同时，此步骤还可包括将步骤s5140获得的数据上传到一返馈信号接收单元，即执行步骤s5160。
步骤s5160、数据输出。
其中，此步骤可实现二维探测点云图数据的显示，还可以将输出的数据作为控制指令，实现自动化控制。
示例性的，图11是本申请实施例提供的一种激光雷达的算法流程示意图。参照图11，该激光雷达的工作流程包括如下步骤。
步骤s5200、开始测量。
其中，实现此步骤可按下激光雷达中的开始按钮、点击激光雷达的屏幕上的开始按键或者通过无线传输的方式进行远程控制。
步骤s5210、频率配置。
其中，此步骤由光发射模块执行，通过高频调制信号输出单元输出的高频调制信号加载到激光发射单元以调制出频率符合需求的探测光信号。
步骤s5220、温度、高压、偏置(bias)点检测。
其中，此步骤由光信号检测模块执行，通过检测激光雷达的应用环境，例如是信号接收单元的应用环境参数，后续对施加到信号接收单元的电压进行调节，即执行步骤s5230，可提高不同使用环境下的探测结果的准确性，从而可使激光雷达可应用于较多的测试环境。
在步骤s5200之后，在步骤s5220之前，为实现激光雷达旋转，可包括以下三个步骤。
步骤s5310、启动雷达电机。
其中，电机旋转可带动激光雷达系统中的光发射模块和信号接收单元(或者光信号检测模块整体)旋转。
步骤s5320、控制转速。
其中，可根据每360度范围内探测点的密度或探测范围的实际需求，将转速调节至预设范围。
示例性的，对每360度范围内探测点的密度的要求较低时，可使用较高的转速；对每360度范围内探测点的密度的要求较高时，可使用较低的转速。
示例性的，对转速的控制可用过调节控制转速的旋钮或者输入所需的转速值来实现。
步骤s5330、测量码盘信号。
其中，此步骤由角度探测单元执行。通过执行此步骤可实现对旋转角度的探测以及对转速的监测。
在步骤s5220之后，执行步骤s5230。
步骤s5230、高压调节。
其中，此步骤可通过脉宽调制来实现。步骤s5230完成后，接收单元处于适用于使用环境的工作状态，此时开始收发信号，包括如下步骤。
步骤s5410、频率选择1。其中频率的选择可以通过fpga控制切换开关选择锁相环路来实现。
步骤s5420、切换到内光路。其中，内光路和外光路的切换也可以由切换开关来实现。
步骤s5430、采集内光路信号。
步骤s5440、信号处理，计算内光路相位。
步骤s5450、切换到外光路。
步骤s5460、采集外光路信号。
步骤s5470、信号处理，计算外光路相位。
步骤s5480、计算相位差1。
步骤s5490、计算测尺1测量的距离。
通常，由于相位法测距，一个测尺测量的距离不够精确，需多个测尺配合，因此，还包括至少一个不同于步骤s5410的频率的探测光信号对目标物体的距离的探测，包括以下步骤。
步骤s5510、频率选择2。同样可以通过fpga控制切换开关选择锁相环路来实现频率的选择。
步骤s5520、切换到内光路。
步骤s5530、采集内光路信号。
步骤s5540、信号处理，计算内光路相位。
步骤s5550、切换到外光路。
步骤s5560、采集外光路信号。
步骤s5570、信号处理，计算外光路相位。
步骤s5580、计算相位差2。
步骤s5590、计算测尺2测量的距离。
基于上述步骤s5490中测尺1测量的距离与上述步骤s5590中测尺2测量的距离，执行步骤s5610。
步骤s5610、测尺衔接。
其中，测尺衔接一方面是指将上述测尺1测得的距离与测尺2测得的距离结合，另一方面还指将测尺1和测尺2做差频，计算出一个新的距离值。
示例性的，测尺1和测尺2通过软件算法作差频作为粗尺，通过粗尺计算的距离为100m，测尺2为精尺，通过精尺测得的距离为0.8m，则衔接所得的距离为100.8m。
需要说明的是，上述距离的具体数值仅为示例性的说明，并非限定。
步骤s5620、计算最终距离。
其中，步骤s5610得到的距离通常为距离相对值，及存在距离误差值，该距离相对值与距离绝对值之间具有一一对应的关系，从而，通过查表可获取距离绝对值，该距离绝对值作为最终距离。
步骤s5630、结束测量。
示例性的，与步骤s5200相对应，可通过按钮、按键或远程控制的方式结束测量；或者可设定激光雷达探测设定的阈值范围后自动结束测量。结束测量时，激光雷达可处于待机状态或断电状态。
需要说明的是，图10示出的激光雷达系统的工作流程和图11示出的激光雷达的算法流程均基于本申请实施例提供的激光雷达执行，其中多个步骤中未详尽说明之处，可参照上述实施方式中激光雷达的多个组成部分的工作原理来理解，在此不再赘述。
另外，图11只是基于原理可行性对算法流程作一个阐述，实际运行中，还可以采用其他流程，比如无需对内外光路进行切换，直接通过光学元件将调制后的光束分到内光路和外光路。再比如，直接将所有不同频率的光束的内光路测完再切换至外光路。
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