[go: up one dir, main page]

CN117008134A - 相干激光雷达系统及探测方法 - Google Patents

相干激光雷达系统及探测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117008134A
CN117008134A CN202310730465.1A CN202310730465A CN117008134A CN 117008134 A CN117008134 A CN 117008134A CN 202310730465 A CN202310730465 A CN 202310730465A CN 117008134 A CN117008134 A CN 117008134A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
frequency comb
optical
optical frequency
detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310730465.1A
Other languages
English (en)
Inventor
王兴军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN202310730465.1A priority Critical patent/CN117008134A/zh
Publication of CN117008134A publication Critical patent/CN117008134A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Communication System (AREA)

Abstract

本发明提供相干激光雷达系统及探测方法，涉及激光探测技术领域，系统包括激光信号发生模块、光学相控阵、返回光接收模块、外差检测接收机和数字信号处理模块。本发明通过激光信号发生模块生成多波长并行的第一光频梳信号和第二光频梳信号，由光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上探测目标，再由返回光接收模块接收返回光，可实现多通道的并行探测；外差检测接收机用于进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果，数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据，采用多通道的相干激光雷达系统可实现高速探测。

Description

相干激光雷达系统及探测方法
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种相干激光雷达系统及探测方法。
背景技术
在通用AI技术和硬件算力提升的背景下，以自动驾驶为代表的新兴应用受到人们的广泛关注，激光雷达因其高精度的探测能力，是高安全等级自动驾驶必不可少的感知设备。发展满足远距探测、快速响应、抗干扰、高精度成像、人眼安全等方面需求的高性能、小型化激光雷达在高安全等级自动驾驶领域需求迫切。
不同于传统的直接检测激光雷达，相干激光雷达具有探测距离远、不受环境光干扰、可集成化的优势，但现有的相干激光雷达存在检测速率慢、并行化不易的问题。
发明内容
本发明提供一种相干激光雷达系统及探测方法，用以解决现有技术中相干激光雷达存在检测速率慢、并行化难度高的问题。
本发明提供一种相干激光雷达系统，包括激光信号发生模块、光学相控阵、返回光接收模块、外差检测接收机和数字信号处理模块；激光信号发生模块，用于生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号；光学相控阵，用于将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标；返回光接收模块，用于接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号；外差检测接收机，用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果；数字信号处理模块，用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和光频梳发生器、光放大器和光分束器；泵浦光源用于生成光载波；线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制；光频梳发生器用于根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；光放大器用于对光频梳信号进行放大；光分束器用于将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和信号光频梳发生器、参考光频梳发生器、第一光放大器、第二光放大器、第一光分束器和第二光分束器；泵浦光源用于生成光载波；线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；信号光频梳发生器用于根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至第一光放大器；参考光频梳发生器用于根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至第二光放大器；其中，信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同的锁模状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔；第一光放大器用于对信号光频梳信号进行放大；第二光放大器用于对参考光频梳信号进行放大；第一光分束器用于将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号；第二光分束器用于将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号；其中，第一光频梳信号用于目标探测，第二光频梳信号用于本振参考，第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从混频信号中能够提取探测目标的深度信息和速度信息；第三光频梳信号和第四光频梳信号用于生成中频信号，中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，外差检测接收机包括相干接收机和中频信号提取单元；中频信号提取单元用于对第三光频梳信号和第四光频梳信号进行拍频后转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块以提取解调各通道所需的中频信息；相干接收机用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块以提取时频信息；数字信号处理模块根据时频信息，并结合各通道的中频信息，完成多路信号的并行相干解调。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，还包括解复用器；解复用器设置在激光信号发生模块和返回光接收模块之间，用于对第二光频梳信号进行解复用处理，并将解复用处理后的第二光频梳信号输入至返回光接收模块。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，数字信号处理模块，用于对电信号检测结果进行快速傅里叶变换，提取时频特征曲线后计算生成探测目标的点云数据，其中，探测目标的点云数据包括深度信息和速度信息。
根据本发明提供的一种相干激光雷达系统，返回光接收模块为光学相控阵或者雪崩光电二极管阵列。
本发明还提供一种探测方法，使用如上述任一项所述相干激光雷达系统，探测方法包括：激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号；光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标；返回光接收模块接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号；外差检测接收机对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果；数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
根据本发明提供的一种探测方法，激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：泵浦光源生成光载波；线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制；光频梳发生器根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；光放大器对光频梳信号进行放大；光分束器将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
根据本发明提供的一种探测方法，激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：泵浦光源生成光载波；线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；信号光频梳发生器根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至第一光放大器；参考光频梳发生器根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至第二光放大器；其中，信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同的锁模状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔；第一光放大器对信号光频梳信号进行放大；第二光放大器用于对参考光频梳信号进行放大；第一光分束器将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号；第二光分束器将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号；其中，第一光频梳信号用于目标探测，第二光频梳信号用于本振参考，第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从混频信号中能够提取探测目标的深度信息和速度信息；第三光频梳信号和第四光频梳信号用于生成中频信号，中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
本发明提供的一种相干激光雷达系统及探测方法，通过激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，并进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，由光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，再由返回光接收模块接收探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号，可实现多通道的并行探测；外差检测接收机对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果，数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据，采用多通道的相干激光雷达系统可实现高速探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之一；
图2是本发明激光雷达系统的光频梳的时频曲线图；
图3是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之二；
图4是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之三；
图5是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之四；
图6是本发明提供的探测方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本申请说明书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
不同于传统的直接检测激光雷达，相干激光雷达具有探测距离远、不受环境光干扰、可集成化的优势，但现有的相干激光雷达存在检测速率慢、并行化不易的问题。
基于此，本发明提供的一种相干激光雷达系统及探测方法，通过激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，并进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，由光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，再由返回光接收模块接收探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号，可实现多通道的并行探测；外差检测接收机对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果，数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据，采用多通道的相干激光雷达系统可实现高速探测。
请参阅图1，图1是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之一。
激光雷达系统包括激光信号发生模块110、光学相控阵120、返回光接收模块130、外差检测接收机140和数字信号处理模块150。
激光信号发生模块110，用于生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
光学相控阵120，用于将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标。
返回光接收模块130，用于接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号。
外差检测接收机140，用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果。
数字信号处理模块150，用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
激光雷达按体制划分，可分为相干和非相干两类，激光雷达体制指的是激光雷达的信号调制方式和工作特点。对于相干体制的激光雷达，通常对发射信号的光频进行线性调制，生成三角波，在进行目标探测时，需要将光信号分成两路，其中一路光信号作为信号光，用于探测目标，另外一路光信号作为参考光(即本振光)；信号光进行目标探测后会产生携带探测信息的返回光，本振光和返回光在进行光学混频后，可通过进行外差检测提取探测目标的动态信息。
光频梳(Optical Frequency Comb，OFC)是指在频谱上由一系列均匀间隔且具有相干稳定相位关系的频率分量组成的多波长光源。其中，相干态光学频率梳本身具备多波长的并行输出能力，其基本原理是将一个连续的激光光束转换为一系列相干光脉冲，这些脉冲的光谱由频率离散且等间隔分布的梳齿通道组成，因其并行化的特点，能够极大提高光电传感系统的信道容量和检测速率。
在本实施例中，激光信号发生模块110可用于生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；其中，光频梳信号可以包括多个不同序号的梳齿光，不同序号的梳齿光分别代表不同波长的光信号，多个不同波长的光信号可并行输出，以实现多通道的并行化探测。
进一步地，激光信号发生模块110可以将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，其中第一光频梳信号作为信号光，第二光频梳信号作为本振光，第一光频梳信号输入至光学相控阵120，第二光频梳信号输入至外差检测接收机140。
光学相控阵(Optical Phased Arrays，OPA)运用干涉原理，可以在特定电压的作用下调控阵列中不同通道光场的相位，将光束聚束后发射到特定的方向，通过依次改变相邻通道间的相位差，就能在各设定方向上依次产生高强度光束，从而实现光束扫描的效果。
在激光雷达探测目标时，需要通过光束偏转装置引导发射光束指向不同的方向对探测空间进行二维扫描。而传统的光束偏转方案是通过振镜、转镜等惯性部件的机械旋转来改变光信号的发射方向，这类装置的稳定性差，体积大且笨重；此外，惯性部件在旋转时也会引入额外的多普勒频移，对相干检测的精度造成影响。
基于此，本实施例采用的光学相控阵不仅可集成、体积小、重量轻，且不含惯性部件，能够通过电控的方式实现对探测空间的固态化扫描，而光学相控阵的光栅波导天线具有天然的光谱色散响应，使得不同波长的光频梳信号光通道会被映射到不同的发射角上，因此采用光学相控阵作为相干激光雷达系统的光束偏转装置，便于与光频梳并行信号源融合，构成多波长并行的激光雷达发射机。
由于多通道的激光雷达系统中的发射、光束偏转和接收部分都能实现片上集成，因此本实施例的相干激光雷达系统具有高速探测和全固态化的特点。
在本实施例中，激光信号发生模块110将第一光频梳信号输入至光学相控阵，光学相控阵120利用光谱色散，将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，以实现多通道的并行化探测。
光学相控阵120将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，每一序号的梳齿光经过探测目标表面的散射后，形成携带探测目标信息的不同序号的返回光。
返回光接收模块130用于接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号，并将携带有探测目标信息的第一光频梳信号输入至外差检测接收机140。
与第二光频梳信号相比，由于第一光频梳信号的每一序号的梳齿光经过探测目标表面的散射后，会产生空间时延和多普勒频移效应。
需要说明的是，空间时延指的是激光雷达从发射光信号到接收返回光信号所需的时间，由激光雷达和探测目标之间的距离决定；多普勒频移效应指的是当探测目标与探测源发生相对运动时，探测源接收到光波的频率与探测源发出的光波的频率并不相同的现象。在激光雷达系统中，当激光照射运动中的探测目标时，激光经过探测目标表面的散射，会使返回光的频率将发生变化，返回光和入射光的频率之差称为多普勒频差或多普勒频移，多普勒频差可以反映探测目标的速度和振动等信息。
在本实施例中，外差检测接收机140可以对多波长并行通道进行同时检测，通过对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频，并在两者各自对应的中频上进行外差检测，能够同时输出与多波长并行通道对应的电信号检测结果。
进一步地，信号处理模块150用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
需要说明的是，点云指的是由激光雷达设备扫描探测得到的空间点的数据集，每一个点云都包含了空间坐标信息和速度信息，其中坐标信息可以是三维坐标信息，反映了探测目标与雷达的相对位置关系；速度信息与目标运动状态有关，反映的信息更多维化。
电信号检测结果可以包含探测目标的位置、速度、深度、振动等信息和激光反射信号的相关信息，对电信号检测结果进行解析和运算可以得到探测目标的点云数据，可以实现远距离的高精度探测。
可选地，激光雷达系统可以是基于FMCW(Frequency-Modulated ContinuousWave，调频连续波)的雷达系统。
基于FMCW的激光雷达系统在远距探测、抗干扰、高精度成像、人眼安全等方面具有显著的优势。类比其他体制的激光雷达，基于FMCW的激光雷达具备高精度多维感知能力，可以从一个完整的扫频周期内同时提取目标的距离信息和速度信息，有利于系统对探测空间中的目标进行初步分类；其次，基于FMCW的激光雷达能够抵抗环境干扰、降低发射功率，有效避免其他体制激光雷达发射功率与测量距离之间矛盾，保障人眼安全。由于基于FMCW的激光雷达的相干检测原理与现有的工作在光通信C波段的光模块系统十分相近，因此可依托于成熟的硅基集成平台，实现系统的固态化、小型化。
本实施例提供一种相干激光雷达系统，通过激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，并进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，由光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，再由返回光接收模块接收探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号，可实现多通道的并行探测；外差检测接收机对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果，数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据，采用多通道的相干激光雷达系统可实现高速探测。
在一些实施例中，激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和光频梳发生器、光放大器和光分束器。
泵浦光源用于生成光载波，线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制。
可选地，泵浦光源可以是窄线宽激光器、混合集成的外腔激光器，或者片上集成的可调谐半导体激光器等能够提供激光输出的泵浦激光器，本实施例对此不作限定。
光频梳发生器用于根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号。
可选地，光频梳信号可以由基于微环谐振腔的克尔光频梳、马赫曾德尔调制器的电光梳以及锁模激光器等产生，本实施例对此不作限定。
可选地，光频梳发生器可以采用基于微环谐振腔的克尔光频梳的孤子态实现，其中孤子态可以是图灵梳、亮孤子、暗脉冲、孤子晶体等，本实施例对此不作限定。
可选地，光频梳发生器可以基于不同的介质材料平台制备，包括但不限于氮化硅、磷化镓、铝镓砷、铌酸锂、氮化铝、氮化镓、绝缘体上硅等，本实施例对此不作限定。
可选地，不同波长的探测信号可以由单个光频梳产生的梳齿组成，也可以由多个光频梳产生的梳齿共同组成，本实施例对此不作限定。
光放大器接收光频梳发生器生成的多波长并行的光频梳信号，并对光频梳信号进行放大。
光放大器是能实现对光信号进行放大的一种光学器件，其基本原理是基于激光的受激辐射，将光源的能量转变为光信号的能量，以实现对光信号的放大，增强光信号的功率和信号质量。在光频梳的应用过程中，需要提高光信号的输出功率和信号质量，以满足目标探测的需要，光放大器可以对光频梳信号的光信号进行放大，使得光频梳信号的输出功率和信号质量得到提高。
光分束器用于将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
可选地，泵浦光源可以与线性扫频调制单元、光频梳发生器集成，其中集成方式可以采用混合集成、异质集成、单片集成等集成工艺，本实施例对此不作限定。
在一些实施例中，激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和信号光频梳发生器、参考光频梳发生器、第一光放大器、第二光放大器、第一光分束器和第二光分束器。
泵浦光源用于生成光载波。
线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光(即本振光)，信号光和参考光可以分别作为信号光频梳发生器和参考光频梳发生器的泵浦，以激发产生具有不同重频的信号光频梳信号和参考光频梳信号(即本振光频梳信号)。
信号光频梳发生器用于根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至第一光放大器。
参考光频梳发生器用于根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至第二光放大器；其中，信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同锁模的状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔。
具体地，信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同锁模的状态，但相邻梳齿通道间隔不同，以使不同通道能够自带不同的直流偏频，进而可以在不同的中频参考下，实现单个相干接收机的并行化相干检测。
第一光放大器用于对信号光频梳信号进行放大。
第二光放大器用于对参考光频梳信号进行放大。
第一光分束器用于将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号。
第二光分束器用于将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号。
其中，第一光频梳信号用于目标探测，第二光频梳信号用于本振参考，第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从混频信号中能够提取探测目标的深度信息和速度信息；第三光频梳信号和第四光频梳信号用于生成中频信号，中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
需要说明的是，信号光频梳信号和本振光频梳信号是由两个具有不同相邻梳齿通道间隔的光频梳信号发生器产生的，两者除泵浦中心频率对齐外，周围各对应序号梳齿通道的中心频率差的绝对值呈等差数列沿远离泵浦的方向递增，且泵浦两侧梳齿通道的中心频率差为相反数；而当所有的梳齿信号同时进行光学混频和外差检测时，会产生许多分布在不同频率范围的拍频结果；这时，不同通道所对应的中心频率差可以作为相干解调时的中频参考，以识别各通道对应的拍频结果，以便于所有通道能够在一个相干接收机中被同时解调。
另外，由于相邻梳齿通道间隔及信号光频梳信号与参考光频梳信号的重频之差，会影响单个相干接收机同时识别的并行通道数以及扫频带宽，进而影响激光雷达系统整体的并行化规模和测量分辨率，因此需要综合考虑。
可选地，激光雷达系统可以是基于FMCW的激光雷达系统，其光频的调制信号为三角波，具有上扫频和下扫频两个线性扫频区间。
需要说明的是，基于双光梳的激光雷达系统能够极大地简化激光雷达的接收端，可以解决并行探测系统因需要专用解复用器和阵列化接收系统而导致的系统复杂度和成本增加的问题，充分释放并行系统的性能优势，提高激光雷达系统整体的稳定性，实用性和集成度。在实现多通道并行化探测的同时，在接收端仅采用一个相干接收机即可进行多通道并行化探测的外差检测，能在不显著提升系统的复杂度的前提下获得基于FMCW的激光雷达的性能增益，且有利于实现激光雷达发射端和接收端的集成。
在本实施例中，需要将第三光频梳信号和第四光频梳信号输入至外差检测接收机，提取信号激光和参考激光之间的差异，以获得准确的外差检测结果。
可选地，泵浦光源可以与线性扫频调制单元、信号光频梳发生器、参考光频梳发生器集成，本实施例对集成方式不作限定。
本实施例的信号光频梳和参考光频梳之间通道间隔不同，被同一泵浦激发后各梳齿序号通道具有逐次递增的频率差，因此可以作为相干解调时各通道解调的中频参考；这样，可以在不引入解复用和阵列化接收系统的前提下，实现用单个相干接收机完成对多通道的并行探测。
在一些实施例中，外差检测接收机包括相干接收机和中频信号提取单元。
相干接收机用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块以提取时频信息。
具体地，相位相差180°的I路混频光信号和Q路混频光信号，可以分别对应泵浦中心频率两侧的梳齿通道。
可选地，相干接收机可以包含90°光学混频器和2个平衡探测器，共同实现多通道探测信号的并行解调。
其中，90°光学混频器在对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，两路光信号分别对应泵浦频率左侧梳齿和右侧梳齿；2个平衡探测器分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块提取时频信息，并结合各通道的中频参考完成多路信号的并行相干解调，最终根据计算结果生成包含探测目标深度和速度的点云图案。
进一步地，中频信号提取单元，用于对第三光频梳信号和第四光频梳信号进行拍频后转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块以提取解调各通道所需的中频信息。
数字信号处理模块根据时频信息，并结合各通道的中频信息，完成多路信号的并行相干解调。
具体地，数字信号处理模块可以对外差检测接收机输出的电信号进行短时傅里叶变换，快速提取出各通道由于空间时延和多普勒频移在线性调频的上扫频和下扫频区间内所产生的频率差，由此计算出各梳齿通道对应的探测目标点的相对距离和运动状态。
请参阅图2，图2是本发明激光雷达系统的光频梳的时频曲线图。
其中，图2(b)为光频梳信号的时频曲线，光频梳信号可以包括多个不同序号的梳齿光，不同序号的梳齿光分别代表多个不同波长的光信号，多个不同波长的光信号可并行输出。
图2(b)中包含多个不同频率的光频梳信号，不同序号的梳齿光的中心频率分别为ω1、ω2，以此类推，其中，相邻梳齿光之间的间距相同，具有稳定的相位关系。可以理解地，梳齿光的波长和频率具有对应的数学关系，波长和频率的乘积为梳齿光的传播速度，本领域技术人员可以理解，在此不再赘述。
图2(a)为单个梳齿光的时频曲线，其扫频带宽为最大频率fmax与最小频率fmin的差值。
基于FMCW的激光雷达通常会采用线性频率调制，其中常用的调制信号可以是正弦波信号、锯齿波信号和三角波信号等。
在一些实施例中，相干激光雷达系统还包括解复用器；解复用器设置在激光信号发生模块和返回光接收模块之间，用于对第二光频梳信号进行解复用处理，并将解复用处理后的第二光频梳信号输入至返回光接收模块。
解复用器用于分离多通道以实现解复用，即将多个不同波长的光信号分离，以将不同波长的光信号分配给不同的接收单元。为了实现多通道的并行化探测，需要由光学相控阵将第一光频梳信号的不同序号的梳齿光唯一映射到探测目标的不同方位角上，探测目标会散射生成不同序号的梳齿光对应的返回光，在对携带有探测目标信息的多个返回光和第二光频梳信号进行混频和外差检测之前，需要对第二光频梳信号不同序号的梳齿光分离通道，以使第二光频梳信号不同序号的梳齿光可以与对应的返回光进行相干。因此，可以利用解复用器进行通道分离，实现解复用。
可选地，解复用功能可使用阵列波导光栅、级联马赫曾德尔干涉器、微环谐振器阵列等带有波长解复用功能的片上器件或系统来实现，本实施例对此不作限定。
在一些实施例中，数字信号处理模块，用于对电信号检测结果进行快速傅里叶变换，提取出时频特征曲线后计算得到探测目标的点云数据，其中，探测目标的点云数据包括深度信息和速度信息。
在一些实施例中，返回光接收模块为光学相控阵或者雪崩光电二极管阵列。
为了在不增加激光发射设备和对应的激光接收设备数量的前提下，实现多通道的并行化探测，可以利用光学相控阵或者雪崩光电二极管阵列接收探测目标散射的多个不同波长的返回光。光学相控阵和雪崩光电二极管(APD)阵列包含有多个接收单元，可以同时接收多个不同波长的光信号，有利于实现多通道的并行化探测。
可选地，光学相控阵、APD阵列与外差检测接收机可以使用集成光路器件来实现。
可选地，光学相控阵可以采用分立的衍射光栅和带单轴旋转功能的偏转元件或系统来实现，功能要素包含利用光谱色散原理来实现并行通道在快轴上的的空间分离，慢轴扫描则是通过控制光学相控阵相邻阵列波导间的相位差来改变发射光束的角度指向，以实现同时操纵多根不同波长的梳齿进行二维扫描的功能。
可选地，光学相控阵可以采用片上集成的发射系统来进行探测光的发射，例如使用光学相控阵系统或焦平面阵列等片上集成的发射系统来实现。片上集成的发射系统的光发射方式既包括波导阵列在光芯片边缘的端面发射，也包括波导天线阵列在垂直于光芯片表面方向的发射，本实施例对此不作限定。
本发明还提供了激光雷达系统的一个具体的实例。请参阅图3，图3是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之二。
在本实施例中，激光雷达系统包括：泵浦光源300，线性扫频调制单元310，光频梳发生器320，光放大器330，光分束器340，光学相控阵350，解复用器360，APD阵列370，数字信号处理模块380和显示器390。
具体地，泵浦光源300，线性扫频调制单元310，光频梳发生器320，光放大器330，光分束器340可以共同组成激光信号发生模块。
其中，泵浦光源300用于生成光载波；线性扫频调制单元310用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波输入至光频梳信号发生器320；光频梳发生器320用于根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；光放大器330用于对光频梳信号进行放大；光分束器340用于将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
进一步地，第一光频梳信号输入至光学相控阵350，光学相控阵350用于将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标。
具体地，对第一光频梳信号的每一序号的梳齿光(假设有n个序号的梳齿光)分别标记，例如序号为μ1的梳齿光记为λμ1，其中λμ1对应的梳齿光的频率记为ω1，序号为μ2的梳齿光记为λμ2，其中λμ2对应的梳齿光的频率记为ω2，以此类推。光学相控阵可以将每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，其中梳齿光记为λμ1对应的方位角可记为θμ1，梳齿光记为λμ2对应的方位角可记为θμ2，以此类推，每一序号的梳齿光经过探测目标表面的散射后，形成携带探测目标信息的不同序号的返回光。
进一步地，APD阵列370作为返回光接收模块，用于接收探测目标散射的不同序号的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号。
第二光频梳信号输入至解复用器360，解复用器360用于对第二光频梳信号进行解复用处理，并将解复用处理后的第二光频梳信号输入至APD阵列370。
在本实施例中，APD阵列370还可以用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果。
进一步地，数字信号处理模块380作为信号处理模块，用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
具体地，数字信号处理模块380可以由数字示波器或专用电路芯片构成，并结合跨阻放大器和减法器，用于对电信号检测结果进行傅里叶变化，提取时频特征曲线后计算得到探测目标的点云数据，其中，探测目标的点云数据可以包括深度信息，速度矢量信息以及震动信息。
进一步地，显示器390可用于显示数字信号处理模块380计算获得的探测目标的点云数据。其中，点云数据可以是包含探测目标深度和速度的点云图案。
本发明还提供了激光雷达系统的又一个具体的实例。请参阅图4，图4是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之三。
在本实施例中，激光雷达系统包括：泵浦光源400，线性扫频调制单元410，信号光频梳发生器420，参考光频梳发生器430，信号光放大器421，参考光放大器431，信号光分束器422，参考光分束器432，光分束器440，发射光学相控阵450，接收光学相控阵460，外差检测接收机470，中频信号提取单元471，相干接收机472，数字信号处理模块480和显示器490。
具体地，泵浦光源400，线性扫频调制单元410，信号光频梳发生器420，参考光频梳发生器430，信号光放大器421，参考光放大器431，信号光分束器422，参考光分束器432可以共同组成激光信号发生模块。
其中，泵浦光源400用于生成光载波；线性扫频调制单元410用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；其中，信号光输入至信号光频梳发生器420，参考光输入至参考光频梳发生器430；信号光频梳发生器420用于根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至信号光放大器421；参考光频梳发生器430用于根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至参考光放大器431；信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同锁模的状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔。
信号光放大器421用于对信号光频梳信号进行放大；参考光放大器431用于对参考光频梳信号进行放大。
信号光分束器422用于将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号。
参考光分束器432用于将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号。
具体地，光分束器440用于将第三光频梳信号和第四光频梳信号合并，并将第三光频梳信号和第四光频梳信号输入至外差检测接收机470。
进一步地，第一光频梳信号输入至发射光学相控阵450，发射光学相控阵450用于将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，每一序号的梳齿光经过探测目标表面的散射后，形成携带探测目标信息的不同序号的返回光，并由作为返回光接收模块的接收光学相控阵460接收。
外差检测接收机470包括相干接收机472和中频信号提取单元471。
其中，相干接收机472用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块480以提取时频信息。
中频信号提取单元471，用于对第三光频梳信号和第四光频梳信号进行拍频后转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块480以提取解调各通道所需的中频信息。
在本实施例中，相干接收机472可以包括混频器和光电二极管(PD)。其中，光电二极管(PD)用于实现光电转换。
可选地，混频器可以是空间分立元件，也可以由片上集成器件或系统构成，本实施例对此不作限定。
进一步地，数字信号处理模块480用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果得到探测目标的点云数据。
具体地，数字信号处理模块480可以由数字示波器或专用电路芯片构成，并结合跨阻放大器和减法器，用于对电信号检测结果进行快速傅里叶变换，提取时频特征曲线后计算得到探测目标的点云数据。
进一步地，显示器490可用于显示数字信号处理模块480计算获得的探测目标的点云数据。其中，点云数据可以是包含探测目标深度和速度信息的点云图案。
本发明还提供了激光雷达系统的又一个具体的实例。请参阅图5，图5是本发明提供的激光雷达系统的结构示意图之四。
在本实施例中，激光雷达系统包括：泵浦光源500，线性扫频调制单元510，信号光频梳发生器520，参考光频梳发生器530，信号光放大器521，参考光放大器531，信号光分束器522，参考光分束器532，光分束器540，发射光学相控阵550，APD阵列560，外差检测接收机570，中频信号提取单元571，相干接收机572，数字信号处理模块580和显示器590。
具体地，泵浦光源500，线性扫频调制单元510，信号光频梳发生器520，参考光频梳发生器530，信号光放大器521，参考光放大器531，信号光分束器522，参考光分束器532可以共同组成激光信号发生模块。
其中，泵浦光源500用于生成光载波；线性扫频调制单元510用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；其中，信号光输入至信号光频梳发生器520，参考光输入至参考光频梳发生器530；信号光频梳发生器520用于根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至信号光放大器521；参考光频梳发生器530用于根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至参考光放大器531；信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同锁模的状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔。
信号光放大器521用于对信号光频梳信号进行放大；参考光放大器531用于对参考光频梳信号进行放大；
信号光分束器522用于将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号；
参考光分束器532用于将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号。
具体地，光分束器540用于将第三光频梳信号和第四光频梳信号合并，并将第三光频梳信号和第四光频梳信号输入至外差检测接收机570。
进一步地，第一光频梳信号输入至发射光学相控阵550，发射光学相控阵550用于将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标，每一序号的梳齿光经过探测目标表面的散射后，形成携带探测目标信息的不同序号的返回光，并由作为返回光接收模块的APD阵列560接收。
外差检测接收机570包括相干接收机572和中频信号提取单元571。
其中，相干接收机572用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块580以提取时频信息。
中频信号提取单元571，用于对第三光频梳信号和第四光频梳信号进行拍频后转换为电信号，经过模数转换后输入数字信号处理模块580以提取解调各通道所需的中频信息。
在本实施例中，相干接收机572可以包括混频器和光电二极管(PD)。其中，光电二极管(PD)用于实现光电转换。
可选地，混频器可以是空间分立元件，也可以由片上集成器件或系统构成，本实施例对此不作限定。
进一步地，数字信号处理模块580作为信号处理模块，用于接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果得到探测目标的点云数据。
具体地，数字信号处理模块580可以由数字示波器或专用电路芯片构成，并结合跨阻放大器和减法器，用于对电信号检测结果进行快速傅里叶变化，提取时频特征曲线后计算得到探测目标的点云数据。
进一步地，显示器590可用于显示数字信号处理模块580计算获得的探测目标的点云数据。其中，点云数据可以是包含探测目标深度和速度的点云图案。
请参阅图6，图6是本发明提供的探测方法的流程示意图。
本发明还提供了一种探测方法，使用如上述任一项所述的相干激光雷达系统，在本实施例中，探测方法主要包括步骤610至步骤650，具体步骤如下：
步骤610：激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
步骤620：光学相控阵将第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标。
步骤630：返回光接收模块接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号。
步骤640：外差检测接收机对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果。
步骤650：数字信号处理模块接收电信号检测结果，并基于电信号检测结果生成探测目标的点云数据。
在一些实施例中，激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：
泵浦光源生成光载波；线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制。
光频梳发生器根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；光放大器对光频梳信号进行放大。
光分束器将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号。
在一些实施例中，激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：
泵浦光源生成光载波；线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光。
信号光频梳发生器根据信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将信号光频梳信号输入至第一光放大器。
参考光频梳发生器根据参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将参考光频梳信号输入至第二光放大器。
其中，信号光频梳信号和参考光频梳信号具有相同的锁模状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔。
第一光放大器对信号光频梳信号进行放大；第二光放大器用于对参考光频梳信号进行放大。
第一光分束器将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第三光频梳信号。
第二光分束器将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到第二光频梳信号和第四光频梳信号。
其中，第一光频梳信号用于目标探测，第二光频梳信号用于本振参考，第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从混频信号中能够提取探测目标的深度信息和速度信息；第三光频梳信号和第四光频梳信号用于生成中频信号，中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种相干激光雷达系统，其特征在于，包括激光信号发生模块、光学相控阵、返回光接收模块、外差检测接收机和数字信号处理模块；
所述激光信号发生模块，用于生成多波长并行的光频梳信号，对所述光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号；
所述光学相控阵，用于将所述第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标；
所述返回光接收模块，用于接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号；
所述外差检测接收机，用于对所述携带有探测目标信息的第一光频梳信号和所述第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果；
所述数字信号处理模块，用于接收所述电信号检测结果，并基于所述电信号检测结果生成所述探测目标的点云数据。
2.根据权利要求1所述的相干激光雷达系统，其特征在于，所述激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和光频梳发生器、光放大器和光分束器；
所述泵浦光源用于生成光载波；
所述线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制；
所述光频梳发生器用于根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；
所述光放大器用于对所述光频梳信号进行放大；
所述光分束器用于将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到所述第一光频梳信号和所述第二光频梳信号。
3.根据权利要求1所述的相干激光雷达系统，其特征在于，所述激光信号发生模块包括泵浦光源、线性扫频调制单元和信号光频梳发生器、参考光频梳发生器、第一光放大器、第二光放大器、第一光分束器和第二光分束器；
所述泵浦光源用于生成光载波；
所述线性扫频调制单元用于对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；
所述信号光频梳发生器用于根据所述信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将所述信号光频梳信号输入至所述第一光放大器；
所述参考光频梳发生器用于根据所述参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将所述参考光频梳信号输入至所述第二光放大器；其中，所述信号光频梳信号和所述参考光频梳信号具有相同的锁模状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔；
所述第一光放大器用于对所述信号光频梳信号进行放大；所述第二光放大器用于对所述参考光频梳信号进行放大；
所述第一光分束器用于将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到所述第一光频梳信号和第三光频梳信号；
所述第二光分束器用于将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到所述第二光频梳信号和第四光频梳信号；
其中，所述第一光频梳信号用于目标探测，所述第二光频梳信号用于本振参考，所述第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从所述混频信号中能够提取所述探测目标的深度信息和速度信息；所述第三光频梳信号和所述第四光频梳信号用于生成中频信号，所述中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
4.根据权利要求3所述的相干激光雷达系统，其特征在于，所述外差检测接收机包括相干接收机和中频信号提取单元；
所述中频信号提取单元，用于对所述第三光频梳信号和所述第四光频梳信号进行拍频后转换为电信号，经过模数转换后输入所述数字信号处理模块以提取解调各通道所需的中频信息；
所述相干接收机，用于对携带有探测目标信息的第一光频梳信号和第二光频梳信号进行光学混频后，输出相位相差180°的I路光信号和Q路光信号，分别将I路光信号和Q路光信号转换为电信号，经过模数转换后输入所述数字信号处理模块以提取时频信息；
所述数字信号处理模块根据所述时频信息，并结合各通道的中频信息，完成多路信号的并行相干解调。
5.根据权利要求2所述的相干激光雷达系统，其特征在于，还包括解复用器；
所述解复用器设置在所述激光信号发生模块和所述返回光接收模块之间，用于对所述第二光频梳信号进行解复用处理，并将解复用处理后的第二光频梳信号输入至所述返回光接收模块。
6.根据权利要求1所述的相干激光雷达系统，其特征在于，
所述数字信号处理模块，用于对所述电信号检测结果进行快速傅里叶变换，提取时频特征曲线后计算生成所述探测目标的点云数据，其中，所述探测目标的点云数据包括深度信息和速度信息。
7.根据权利要求1至6任一项所述的相干激光雷达系统，其特征在于，所述返回光接收模块为光学相控阵或者雪崩光电二极管阵列。
8.一种探测方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任一项所述的相干激光雷达系统，所述探测方法包括：
所述激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对所述光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号；
所述光学相控阵将所述第一光频梳信号的每一序号的梳齿光唯一映射到探测空间的不同方位角上，探测空间包含探测目标；
所述返回光接收模块接收每一路探测目标散射的返回光，得到携带有探测目标信息的第一光频梳信号；
所述外差检测接收机对所述携带有探测目标信息的第一光频梳信号和所述第二光频梳信号进行混频和外差检测，并将外差检测结果处理为电信号检测结果；
所述数字信号处理模块接收所述电信号检测结果，并基于所述电信号检测结果生成所述探测目标的点云数据。
9.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对所述光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：
泵浦光源生成光载波；
线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制；
光频梳发生器根据调制后的光载波生成多波长并行的光频梳信号；
光放大器对所述光频梳信号进行放大；
光分束器将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到所述第一光频梳信号和所述第二光频梳信号。
10.根据权利要求8所述的探测方法，其特征在于，所述激光信号发生模块生成多波长并行的光频梳信号，对所述光频梳信号进行放大；将放大后的光频梳信号进行功率分束后得到第一光频梳信号和第二光频梳信号，包括：
泵浦光源生成光载波；
线性扫频调制单元对光载波的边带进行频率调制，并将调制后的光载波进行功率分束后得到信号光和参考光；
信号光频梳发生器根据所述信号光生成多波长并行的信号光频梳信号，并将所述信号光频梳信号输入至所述第一光放大器；
参考光频梳发生器根据所述参考光生成多波长并行的参考光频梳信号，并将所述参考光频梳信号输入至所述第二光放大器；其中，所述信号光频梳信号和所述参考光频梳信号具有相同的锁模状态以及具有不同的梳齿通道频率间隔；
第一光放大器对所述信号光频梳信号进行放大；第二光放大器用于对所述参考光频梳信号进行放大；
第一光分束器将放大后的信号光频梳信号进行功率分束后得到所述第一光频梳信号和所述第三光频梳信号；
第二光分束器将放大后的参考光频梳信号进行功率分束后得到所述第二光频梳信号和所述第四光频梳信号；
其中，所述第一光频梳信号用于目标探测，所述第二光频梳信号用于本振参考，所述第二光频梳信号与探测后的回返光进行光学混频后得到混频信号，从所述混频信号中能够提取所述探测目标的深度信息和速度信息；所述第三光频梳信号和所述第四光频梳信号用于生成中频信号，所述中频信号作为多通道相干解调的频率参考。
CN202310730465.1A 2023-06-19 2023-06-19 相干激光雷达系统及探测方法 Pending CN117008134A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310730465.1A CN117008134A (zh) 2023-06-19 2023-06-19 相干激光雷达系统及探测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310730465.1A CN117008134A (zh) 2023-06-19 2023-06-19 相干激光雷达系统及探测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117008134A true CN117008134A (zh) 2023-11-07

Family

ID=88569957

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310730465.1A Pending CN117008134A (zh) 2023-06-19 2023-06-19 相干激光雷达系统及探测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117008134A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119270295A (zh) * 2024-10-14 2025-01-07 南昌航空大学 一种基于氟化镁晶体光子带结构微腔光频梳的超高速测量系统
CN119881914A (zh) * 2024-12-03 2025-04-25 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 双调频微腔光频梳雷达单探测器并行探测处理方法及装置

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN119270295A (zh) * 2024-10-14 2025-01-07 南昌航空大学 一种基于氟化镁晶体光子带结构微腔光频梳的超高速测量系统
CN119881914A (zh) * 2024-12-03 2025-04-25 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 双调频微腔光频梳雷达单探测器并行探测处理方法及装置
CN119881914B (zh) * 2024-12-03 2026-01-23 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 双调频微腔光频梳雷达单探测器并行探测处理方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102731946B1 (ko) 동시에 거리 및 속도 측정을 위한 다중 레이저 및 코히어런트 수신기의 상호 보완 변조를 기반으로 하는 lidar 시스템
US11555923B2 (en) LIDAR system with speckle mitigation
US11187807B2 (en) Precisely controlled chirped diode laser and coherent lidar system
US11789124B2 (en) Ranging using a shared path optical coupler
EP4220227A1 (en) Array coherent ranging chip and system thereof
WO2019040700A1 (en) APPARATUS AND METHOD FOR COHERENT OPTICAL DISTANCE MEASUREMENT
CN116736319B (zh) 激光雷达及测速测距的方法
CN112764050A (zh) 激光雷达测量方法及激光雷达系统
CN115754989B (zh) 一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和系统
CN212515027U (zh) 一种阵列式相干测距芯片及其系统
CN112327319A (zh) 基于循环移频环的固态激光雷达探测方法及系统
CN117008134A (zh) 相干激光雷达系统及探测方法
CN114924254A (zh) 基于直接检测的激光雷达系统及探测方法
CN114814856B (zh) 一种基于外差检测的激光雷达系统
CN118859226B (zh) 多方向并行调解的相位调制连续波激光雷达测距系统
CN118837897B (zh) 一种高精度调频连续波激光雷达系统及其控制方法
CN116087971B (zh) 一种opa激光雷达
CN118859224B (zh) 多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统及方法
CN119165497B (zh) 多方向回波相位并行调解的激光雷达测距系统及方法
US20240027582A1 (en) Array coherent ranging chip and system thereof
Wang et al. Narrowband parallel coherent LiDAR with frequency interleaving
WO2025139939A1 (zh) 激光雷达及其探测方法、收发装置
CN117930262A (zh) 基于多芯光纤的调频连续波激光雷达及三维测速测距方法
CN118688754A (zh) 一种可调谐锁模激光器和并行fmcw激光雷达系统
CN117706517A (zh) 激光雷达及可移动设备

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination