[发明专利]多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置

说明书

本发明公开了一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置，激光光源产生光束通过分束器分为N个通道的输出光束，每通道输出光束进行宽带线性调频，然后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；再经分束器分为本振光束和发射光束；将N个发射光束并行发射至目标并接收目标的回波光束，再与对应的本振光束进行相干光混频，获得包含目标距离和速度信息的中频信号，对中频信号的采样数据进行并行快速傅里叶变换和互谱处理，实现目标距离和速度的并行同步测量，最后由主控计算机实现N个通道点云图像的合并输出。本发明能够有效克服测距模糊，具有高重频、大动态测距范围、高分辨率、高精度、可靠性高、体积小和质量轻等优点。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种多通道高重频大动态范围测距测速激光雷达方法及装置。

背景技术

调频连续波激光雷达将现代雷达技术中的调频连续波测距与激光探测技术相结合。该技术在时间上线性改变发射信号的频率，并测量回波信号与本振信号的差拍信号瞬时频率的方法来获得目标距离信息和径向速度信息。相较于脉冲激光雷达，调频连续波激光雷达具有同步测距测速、测距/测速范围大、分辨率高、多目标探测及目标成像等优势，在自动驾驶、高精度三维成像和遥感测绘等领域得到了广泛应用。

但是目前啁啾调频连续波激光雷达依然存在以下问题：为了取得较大调谐范围从而获得较高距离分辨率，脉冲重复频率(PRF)严重受限；大范围扫频带来的频率调制非线性依然是一个未解决的难题，严重影响测速测距的精度；线性调频去斜解调要求回波信号与本振信号在时域上有重叠，决定了其不适用于较大测距动态范围内的探测。

如图1所示的对称三角线性调频连续波相干激光雷达测距测速信号示意图。注意这里考虑多普勒频移远低于扫频带宽，图中仅仅是为了显示方便。这里定义进行有效频谱分析的时间T_eff，时域信号有效重叠比例η：

当回波光束与本振光束的相对时间差τ_S-τ_L较小时，回波光束可以和本振光束在线性调频阶段可以做到较好的重叠，在探测器上较长一段时间内回波信号和本振信号存在固定频差，频谱分析时，可得到较高的信噪比及谱分辨率。有效重叠比例η(τ)概念可以用于分析距离模糊：

当τ_S-τ_L≈0时，回波信号和本振信号在相同的变频阶段几乎完全重叠，两者在变频阶段的频率差一直是一个固定的值，有效重叠比例为η(0)＝100％；

当时，有效重叠比例很低，这时获得的信号信噪比很低。

当时，即回波信号和本振信号在同一时刻变频方向完全相反，在相同的变频阶段完全没有重叠，则两者的频率差不固定，将无法分析出任何有效的频率，有效重叠比例为η(±T/2)＝0％。

当时，回波信号和本振信号不能和同一个对称三角调频信号在同一个变频方向的线性调频部分重叠，无法测量，这里称为测距模糊。

延迟造成的回波-本振频率差和有效重叠比例均具有周期性。对称三角FMCW激光雷达系统探测的飞行距离动态范围小于二分之一个周期所允许的距离。

吴军等提出了双频双调制双本振对称三角线性调频相干测距测速激光雷达体制，扩展了对称三角线性调频测距测速体制的距离作用范围，且有高的探测重复频率(吴军，洪光烈，何志平，舒嵘,一种大测距动态范围高重频相干测距测速激光雷达(Ⅰ)：体制及性能,红外与毫米波学报，2014,Vol.33,No.6,680-690)；理论上，通过延长信号的调制周期可以增加系统的测距动态范围，但该方式一方面探测时需要大量采集相干拍频的数据点作频谱分析，另一方面也要求对称三角线性调频的调制时间带宽积增大，而长时间高线性度的宽带线性调频难以实现，大大增加了系统复杂性，影响了应用前景。

发明内容