本發(fā)明涉及激光雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種在自動駕駛中可輸出多種頻率激光光束且光束頻率連續(xù)可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的激光雷達裝置可以探測單頻率的激光回波，通過測量激光脈沖的飛行時間可計算出目標物被測點與激光雷達系統(tǒng)之間的距離信息。但是傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)的不足之處在于：只能出射單一頻率的激光并探測接收激光回波，探測譜段受到激光光源輸出頻率的限制，無法根據(jù)需求改變出射激光束的頻率。

目前自動駕駛多使用傳統(tǒng)的激光雷達系統(tǒng)。激光雷達應(yīng)用在自動駕駛可以探測行駛前方是否存在障礙物并提供障礙物與激光雷達系統(tǒng)之間的距離信息，信息可以為自動駕駛決策提供必要信息。但是不足之處在于：當有一臺以上的平臺(車輛或飛行物)搭載相同型號的激光雷達進行自動駕駛時，激光雷達的出射光束的頻率是相同的，會彼此產(chǎn)生干擾，激光雷達探測到的激光回波可能并非自身系統(tǒng)出射，由此得到的距離信息會產(chǎn)生錯誤，引起自動駕駛系統(tǒng)的誤判。

有部分研究機構(gòu)使用具有不同頻率出射光束的激光雷達系統(tǒng)搭載于自動駕駛平臺上，這樣雖然可以解決激光雷達之間光束互相干擾的問題，但是當自動駕駛平臺數(shù)量變多后，將需要更多不同頻率輸出光束的激光雷達。而常規(guī)的激光雷達的輸出光束的頻率一定且只具有幾個特殊的固定值，無法輸出任意頻率的光束。因此不能滿足多個自動駕駛平臺搭載不同頻率光束的激光雷達的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

鑒于上述技術(shù)問題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種超光譜激光雷達系統(tǒng)及其控制方法。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種超光譜激光雷達系統(tǒng)，包括：光源子系統(tǒng)，提供設(shè)定頻率的激光作為探測光及激光雷達主波；光接收子系統(tǒng)，接收設(shè)定頻率的回波；信號采集子系統(tǒng)，采集所述激光雷達主波和回波并采樣；以及信號處理子系統(tǒng)，基于所述回波來確定是否改變所述設(shè)定頻率，以及基于所述激光雷達主波及回波獲取探測目標的信息。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種控制方法，用于控制所述的超光譜激光雷達系統(tǒng)，包括：步驟A，控制光源子系統(tǒng)輸出設(shè)定頻率的激光，同時控制接收子系統(tǒng)僅允許該設(shè)定頻率的激光通過；步驟B：控制信號采集子系統(tǒng)，令其將接收到的激光雷達主波和回波轉(zhuǎn)換為電信號并采樣；步驟C：控制信號處理子系統(tǒng)，令其判斷回波采樣電信號是否為飽和信號，若是，則改變該設(shè)定頻率，返回步驟A，否則執(zhí)行步驟D；以及步驟D：控制信號處理子系統(tǒng)，令其基于主波采樣電信號和回波采樣電信號獲取探測目標的信息。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)采用光束頻率可調(diào)的激光裝置，選擇設(shè)定頻率的光束作為探測光并接收回波，獲取探測結(jié)果，避免因頻率相同而引起的激光雷達系統(tǒng)之間的干擾。

(2)在回波光路上設(shè)置激光頻率選擇器，僅允許與探測光頻率相同的回波通過，避免其他頻率的激光對探測結(jié)果造成干擾。

(3)在激光發(fā)射子系統(tǒng)中使用了激光頻率選擇器，通過調(diào)整激光頻率選擇器可以選擇激光雷達輸出光束的頻率，激光頻率選擇器的通帶頻率調(diào)整精度高，可以在一定寬度的光譜范圍內(nèi)有多個頻率設(shè)定，使激光雷達系統(tǒng)可輸出多個頻率的光束，使該超光譜激光雷達系統(tǒng)具有頻分復用的能力，并且理論上復用的數(shù)量可達到上百臺。

(4)在激光回波接收子系統(tǒng)中使用的光電探測器，具有寬頻率響應(yīng)范圍，當超光譜激光雷達系統(tǒng)改變出射激光的頻率后，只要激光頻率在探測器頻率響應(yīng)范圍內(nèi)，僅需要同步地調(diào)整激光頻率選擇器的通帶頻率，即可實現(xiàn)對激光回波的接收，而不需要更換光電探測器，提高了超光譜激光雷達系統(tǒng)的適用性。

(5)同步調(diào)節(jié)光束頻率可調(diào)的激光裝置的探測光的頻率和回波光路上激光頻率選擇器的帶通頻率，當遇到相同頻率的激光雷達系統(tǒng)時改變探測光頻率來實現(xiàn)探測。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1中超光譜激光雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例2中超光譜激光雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

【主要元件】

11-超連續(xù)激光光源；12-出射激光頻率選擇器；13-光束準直器；14-光束分束器；15-第一光電傳感器；16可調(diào)諧激光光源；21-接收鏡頭；22-入射激光頻率選擇器；23-第二光電傳感器；24-數(shù)字采集卡；25-計算機。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種光束頻率可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)，其包括光源子系統(tǒng)、光接收子系統(tǒng)、信號采集子系統(tǒng)和信號處理子系統(tǒng)。

光源子系統(tǒng)提供設(shè)定頻率的激光作為探測光及激光雷達主波，探測光束遇到探測目標后形成回波，激光雷達主波被光電探測器接收形成主波電信號。

光接收子系統(tǒng)接收探測目標反射的回波，只接收與光源子系統(tǒng)發(fā)射的探測光束頻率相同的回波并生成回波電信號，對與光源子系統(tǒng)發(fā)射的探測光頻率不同的回波進行截止。

信號采集子系統(tǒng)接收所述激光雷達主波和回波轉(zhuǎn)換為電信號并采樣。

信號處理子系統(tǒng)，其控制光源子系統(tǒng)發(fā)出設(shè)定頻率的激光，并控制接收對應(yīng)頻率的回波電信號和主波電信號，進行分析處理得到探測目標的三維信息及距離。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。

實施例1

本實施例提供了一種光束頻率可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)，其包括光源子系統(tǒng)、光接收子系統(tǒng)和信號采集處理子系統(tǒng)。

如圖1所示，光源子系統(tǒng)包括超連續(xù)激光光源11、出射激光頻率選擇器12光束準直器13和光束分束器14。該超連續(xù)激光光源11產(chǎn)生激光，該激光為包含可見光、近紅外和短波紅外三種波段的超連續(xù)光譜激光。出射激光頻率選擇器12、光束準直器13、光束分束器14依次位于超連續(xù)激光光源11的激光出射光路前方，出射激光頻率選擇器12選通設(shè)定頻率的激光，超連續(xù)光譜激光中僅設(shè)定頻率激光通過出射激光頻率選擇器12，設(shè)定頻率的激光經(jīng)光束準直器13準直后，入射至光束分束器14，光束分束器14與激光光源的光軸呈45度角設(shè)置，光束分束器14透射部分設(shè)定頻率的激光作為探測光，反射部分設(shè)定頻率的激光作為激光雷達主波，其中設(shè)定頻率優(yōu)選為單一頻率。

優(yōu)選地，該超連續(xù)激光光源11為窄脈沖超連續(xù)激光光源，其波長范圍為400nm-2400nm，輸出功率大于等于150mW，重復頻率為25KHz-30KHz，脈沖寬度1ns，進一步地，該超連續(xù)激光光源11為SCM-30-450型號的超連續(xù)激光光源。

優(yōu)選地，該出射激光頻率選擇器12為可調(diào)諧法珀濾波器，法珀腔長可調(diào)節(jié)以選擇通帶頻率，法珀濾波器的波長變化精度為10nm。

優(yōu)選地，該光束分束器14為高透射率低反射率的光束采樣鏡，絕大部分設(shè)定頻率的激光由高透射率低反射率的光束采樣鏡透射，剩余部分激光被高透射率低反射率的光束采樣鏡反射，其中，透射率可以為99％，反射率為1％；透射率可以為99.9％，反射率為0.1％；高透射率低反射率鏡的透射率可以更高，反射率可以更低，只要反射光能夠被后述的第一光電傳感器15探測到并產(chǎn)生電信號即可。

光接收子系統(tǒng)包括接收鏡頭21、入射激光頻率選擇器22。入射激光頻率選擇器22位于接收鏡頭21的回波光路后方，入射激光頻率選擇器22選通設(shè)定頻率的激光，激光回波中僅設(shè)定頻率激光通過入射激光頻率選擇器22，且入射激光頻率選擇器22選通的設(shè)定頻率與出射激光頻率選擇器12選通的設(shè)定頻率相同。

優(yōu)選地，該入射激光頻率選擇器為可調(diào)諧法珀濾波器，法珀腔長可調(diào)節(jié)以選擇通帶頻率，法珀濾波器的波長變化精度為10nm。

信號采集子系統(tǒng)包括第一光電傳感器15、第二光電傳感器23、高速數(shù)字采集卡24和計算機25。第一光電傳感器15探測光束分束器14反射的激光雷達主波的信號，第二光電傳感器23位于入射激光頻率選擇器22的光路后方，探測設(shè)定頻率的激光回波的信號，高速數(shù)字采集卡24的信號輸入端連接第一光電傳感器15和第二光電傳感器23的信號輸出端，接收第一光電傳感器15產(chǎn)生的激光雷達主波電信號和第二光電傳感器23產(chǎn)生的激光回波電信號并對它們進行采樣，并發(fā)送至信號處理子系統(tǒng)。

優(yōu)選地，第一光電傳感器15為Si探測器陣列，例如PIN或APD探測器，或者為InGaAs探測器陣列。

優(yōu)選地，第二光電傳感器23為Si探測器陣列，例如PIN或APD探測器，或者為InGaAs探測器陣列。

信號處理子系統(tǒng)包括計算機25，計算機25基于接收到的主波采樣信號和回波采樣信號，進行分析和處理，得到探測目標的距離信息、光譜信息及三維信息。計算機25的輸出端連接超連續(xù)激光光源11、出射激光頻率選擇器12和入射激光頻率選擇器22，對它們進行控制，即控制超連續(xù)激光光源11的激光發(fā)射，控制出射激光頻率選擇器12和入射激光頻率選擇器22的帶通頻率。

具體的計算機25包括控制模塊、閾值判斷模塊和計算處理模塊，控制模塊控制激光光源裝置的輸出激光的設(shè)定頻率及所述入射激光頻率選擇器(22)允許通過激光的設(shè)定頻率，閾值判斷模塊基于預設(shè)閾值，判斷回波采樣信號是否飽和，如果回波采樣信號飽和，則控制裝置改變所述設(shè)定頻率，計算處理模塊在回波采樣信號未飽和的情況下，對所述主波采樣信號和回波采樣信號其進行分析及處理，獲得探測目標的信息。

本實施例光束頻率可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)優(yōu)選用于自動駕駛平臺上，其工作原理如下：

計算機25產(chǎn)生觸發(fā)信號，在觸發(fā)信號的控制下，超連續(xù)激光光源11發(fā)出包含可見光、近紅外和短波紅外三種波段的超連續(xù)光譜激光，該超連續(xù)光譜激光入射至出射激光頻率選擇器12，計算機25也產(chǎn)生控制信號控制出射激光頻率選擇器12和入射激光頻率選擇器22調(diào)諧通帶頻率至需要的設(shè)定值，出射激光頻率選擇器輸出的設(shè)定頻率的激光經(jīng)光束準直器13準直后入射至光束分束器14，部分設(shè)定頻率的激光從光束分束器14透射，作為探測光向探測目標發(fā)射，部分設(shè)定頻率的激光被光束分束器14反射，反射光作為主波由第一光電傳感器15接收，第一光電傳感器15生成激光雷達主波電信號，并將該主波電信號發(fā)送至高速數(shù)字采集卡24，高速數(shù)字采集卡24對激光雷達主波電信號進行數(shù)字采樣，并將采樣信號發(fā)送至計算機25。

探測光經(jīng)探測目標反射后形成的激光回波由接收鏡頭21接收，經(jīng)接收鏡頭21的激光回波入射至入射激光頻率選擇器22，回波中頻率與入射激光頻率選擇器22的通帶頻率相同的成分通過入射激光頻率選擇器22入射至第二光電傳感器23，第二光電傳感器23將光信號轉(zhuǎn)換為激光回波電信號，并將激光回波電信號發(fā)送至高速數(shù)字采集卡24，高速數(shù)字采集卡24對激光回波電信號進行數(shù)字采樣，并將采樣信號發(fā)送至計算機25。

計算機25基于接收到的主波采樣信號和回波采樣信號，進行分析和處理，得到探測目標的距離信息、光譜信息及三維信息。

本實施例還提供一種超光譜激光雷達系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟：

步驟A：控制光源子系統(tǒng)輸出設(shè)定頻率的激光，同時控制接收子系統(tǒng)僅允許該設(shè)定頻率的激光通過；

具體的，計算機25同步控制本實施例超光譜激光雷達系統(tǒng)中的出射激光頻率選擇器12和入射激光頻率選擇器22，僅允許設(shè)定頻率的激光通過，該設(shè)定頻率為單一頻率。

步驟B：將接收到的激光雷達主波和回波轉(zhuǎn)換為電信號并采樣。

步驟C：判斷回波采樣電信號是否為飽和信號，若是，則改變該設(shè)定頻率，返回步驟A，否則執(zhí)行步驟D；

具體的，飽和信號的最大幅值遠大于常規(guī)回波采樣信號的幅值，若計算機25接收到的回波采樣信號大于閾值，則判定激光雷達系統(tǒng)接收到了其它激光雷達系統(tǒng)發(fā)射的相同頻率激光脈沖的直射，即接收到了飽和信號，計算機25將發(fā)出控制信號改變出射激光頻率選擇器12和入射激光頻率選擇器22的通帶頻率。為了保證改變通帶頻率的有效性并避免再次出現(xiàn)相同頻率激光的互擾，設(shè)定通帶頻率調(diào)整規(guī)則，例如規(guī)定當自動駕駛平臺行駛方向為東或者北時，出射激光波長向長波長方向調(diào)整(通帶頻率減小)；當自動駕駛平臺行駛方向為西或者南時，出射激光波長向短波長方向調(diào)整(通帶頻率增大)，其中可以采用在超光譜激光雷達系統(tǒng)設(shè)置陀螺儀來判斷當前行駛。根據(jù)激光頻率選擇器允許通過的波長調(diào)整精度，可將激光波長的調(diào)整步長設(shè)定為10nm～20nm。通過計算機25判定激光直射、改變激光頻率選擇器通帶頻率的一系列動作，使得激光雷達系統(tǒng)具有了在出現(xiàn)相同頻率激光干擾的情況時進行規(guī)避的能力，提高了自動駕駛平臺的安全性。

步驟D：基于主波采樣電信號和回波采樣電信號獲得探測結(jié)果；

具體的，計算機25基于接收到的主波采樣電信號和回波采樣電信號，進行分析和處理，得到探測目標的三維信息、光譜信息及距離信息等。

本實施例光束頻率可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)用于自動駕駛時，當在激光雷達系統(tǒng)的探測范圍內(nèi)出現(xiàn)多個自動駕駛平臺均搭載激光雷達系統(tǒng)時，每個激光雷達系統(tǒng)可以設(shè)定一個激光頻率并且頻率與其它激光雷達頻率不同。該激光雷達系統(tǒng)無需更換不同輸出頻率的激光光源，即可調(diào)諧激光雷達的輸出激光頻率和接收回波頻率，避免激光雷達系統(tǒng)之間的互相干擾，并具有在相同頻率激光干擾時進行規(guī)避的能力，保證激光雷達系統(tǒng)探測的準確性，保障自動駕駛的安全性；并且，激光頻率選擇器的頻率調(diào)諧精度高，而超光譜激光的光譜范圍寬，激光雷達系統(tǒng)可設(shè)定的輸出激光頻率數(shù)量多，因此可以支持多個(上百)激光雷達系統(tǒng)同時進行頻分復用。

實施例2

為了達到簡要說明的目的，本實施例與上述第一實施例中相同的描述皆并于此，無需再重復相同敘述。

本實施例提供了一種光束頻率可調(diào)的超光譜激光雷達系統(tǒng)，如圖2所示，其與實施例1中的區(qū)別僅在于，采用可調(diào)諧激光光源16代替超連續(xù)激光光源11與出射激光頻率選擇器12，可調(diào)諧激光光源16在計算機25的控制下輸出設(shè)定頻率的激光，激光的頻率可在可見光-近紅外-短波紅外的寬光譜范圍內(nèi)連續(xù)變化，計算機25控制入射激光頻率選擇器22的通帶頻率與可調(diào)諧激光光源16輸出設(shè)定頻率的激光的頻率相同，可調(diào)諧激光光源16優(yōu)選為可調(diào)諧光纖激光器。

相應(yīng)地，本實施例還提供一種超光譜激光雷達系統(tǒng)的控制方法，其與實施例1中的區(qū)別僅在于，步驟A的具備步驟為具體的，計算機25同步控制本實施例超光譜激光雷達系統(tǒng)中的可調(diào)諧激光光源16和入射激光頻率選擇器22，僅允許設(shè)定頻率的激光輸出和通過，該設(shè)定頻率為單一頻率。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，本實施例中的參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換，例如：

(1)激光頻率選擇器為調(diào)制盤加窄帶濾光片來代替；

(2)激光頻率選擇器為聲光可調(diào)制濾波器(AOTF)來代替；

(3)高速數(shù)字采集卡還可以為其他類型的信號采集裝置。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但這些參數(shù)無需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計約束內(nèi)近似于相應(yīng)值。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進行簡單地更改或替換。