基于双光频梳的调频连续波激光雷达的测量装置

本发明涉及激光雷达测量领域，具体是一种基于双光频梳的调频连续波激光雷达的测量装置，实现扫频带宽的扩展，提高探测分辨率。

背景技术：

1、激光雷达在自动驾驶、遥感探测、水下目标探测等诸多领域已经得到了广泛的应用。其中，调频连续波(frequency-modulated continuous wave,fmcw)激光雷达通过将本地参考信号与背向散射信号混频，实现信号的相干放大，具有超高的灵敏度，使用低成本探测器就可以实现皮瓦特功率的微弱背向散射信号的探测。和直接探测相比，fmcw激光雷达系统具有一大技术优势，即能够同时实现速度与距离的测量。

2、传统的fmcw激光雷达系统的距离分辨率取决于频率调谐带宽。然而，受到激光器自身物理机理的限制，难以在确保较低相位噪声的前提下实现大范围、无跳模的频率调谐。例如，垂直腔面发射激光器具有大的频率调谐范围，但相位噪声较大，难以将其用于实际的探测中。因此，激光雷达工程师采用了多种技术手段在保证激光器线宽的前提下，提高fmcw激光雷达系统中的频率调谐范围，实现高分辨率探测。

3、目前有以下几种方法用于提高fmcw激光雷达系统中的频率调谐范围：

4、(1)通过外调制产生线性调频，与移频环相结合，通过组合多次频移后的线性调频信号，实现扫频带宽的倍增。但是该方案需要非常精确控制频移环的长度，确保频移环的长度引入的时延等于单次扫频时间，每次频移还需要edfa进行光放大，因此实现难度很大。此外，需要通过外部的大带宽任意信号发生器驱动大带宽强度调制器实现线性调频，不但线性调频范围有限，成本也变得十分高昂。此外，该方案无法实现双向扫频，不能同时实现速度-距离的测量。

5、(2)通过四波混频来实现扫频带宽的增大。该方案以扫频光源作为初始信号，通过级联四波混频的方式来增大扫频带宽。然而，级联多个四波混频会使系统变动十分复杂，系统中的功率波动也会带来分辨率的恶化。

6、(3)采用高阶调制边带注入锁定技术，实现扫频带宽的倍增。然而该方法的扫频范围仍然受到调制器和射频放大器的限制，难以实现更大范围的扫频。

7、(4)通过相干分集接收系统，通过对强度调制的正负扫频边带进行拼接，实现扫频带宽的二倍扩大。但是这种方法对调频范围的增加只有二倍，且需要复杂的后端数据处理，所需的相干接收系统也增大了系统的成本。

8、(5)使用扫频光源作为电光梳的输入，通过同步不同通道的采样周期，在多通道接收以后，然后在时域上完成不同梳齿在不同时段扫频的拼接，实现扫频带宽的增加。但是该方法对每个单独的通道都需要使用单独的光滤波器、探测器和模数转换器，成本非常高昂，一旦扫频梳齿数量增加，成本将大到难以接受。

9、(6)通过对多个不同波段独立的扫频光源进行时域拼接，实现扫频带宽的增加。但是这种方法往往需要采用预失真的方法来克服扫频非线性，因此无法实现多普勒频移的测量，不具有测速能力。而且该方案扫频时间通常较长，使得采用该方案的fmcw探测的帧率极其低。其次，为了追踪不同光源的扫频速率和扫过的波长，往往需要复杂的波长校对器件，如气室、光频梳等。该方法系统复杂度高，价格昂贵。

10、总的来说，以上的方案在增大fmcw激光雷达频率调谐范围的同时也都有着控制复杂度高，成本昂贵的问题。有的方法对扫频带宽的增加还非常有限。因此，亟需一种新的方法实现扫频带宽的大幅增大，在提高fmcw探测精度的同时，具有低成本、易实现、高帧率的优点。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题是fmcw激光雷达探测分辨率不足，提供了一种基于双光频梳的fmcw激光雷达的测量装置及测量方法，能够实现在单个pd接收的低成本频率合成技术，实现扫频带宽的扩展，并且具有复杂度低、帧率高的优点，在不牺牲帧率的前提下同时实现测速分辨率的提升。通过内调制或外调制产生的线性频率调制的连续波作为种子光，经过耦合器分束后进入到双光梳系统。在光域上，双光梳的梳齿间隔均略小于种子光的频率调谐范围，两个光梳之间具有一定的重频差。双光梳系统中的一路作为信号光发射到自由空间中，被目标物体散射的光经过探测系统收集后，与双光梳的另外一路信号经过混频，获得拍频信号。由于两个光梳之间存在微小的重频差，不同通道的拍频被投影到不同的中频段内，只需一个探测器就可以区分不同通道产生的拍频信号。通过对不同频段内的拍频在时域进行相干，可以等效地实现扫频带宽的扩展，在实现高分辨率探测的同时，不会带来探测帧率和激光器扫频线性度的下降。

2、为了实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：

3、一种基于双光频梳的调频连续波激光雷达的测量装置，包括：

4、激光光源，配置为发射扫频带宽b、扫频周期2t的双向线性扫频激光；

5、分束模块，接收所述双向线性扫频激光并将所述双向线性扫频激光分束为探测扫频激光和参考扫频激光；其特点在于，

6、在探测扫频激光通道，配置有第一光频梳生成器，产生梳齿间隔fr的第一光梳，用于探测目标物体，并接收该目标物体的回散光；

7、在参考扫频激光通道，配置有第二光频梳生成器，产生梳齿间隔fr+δfr的第二光梳，其中δfr为双光梳间细微的重频差；

8、合束转换模块，用于将所述第二光梳和回散光合束混频，产生拍频信号；

9、后端处理模块，用于对所述拍频信号进行后端时域拼接数据处理，使n个不同梳齿产生的拍频信号在时域上进行拼接，等效实现扫频带宽nfr，并通过对比上扫频和下扫频所获得的拼接后的拍频信号，获得目标物体的速度和距离信息。

10、进一步，所述后端时域拼接数据处理，具体包括如下步骤：

11、s1.将所述拍频信号按照扫频方向，分为向上扫频和向下扫频两部分；

12、s2.通过傅里叶变换以梳齿间隔δfr的长度对所述拍频信号频谱进行分割，即第i个频段的范围为[(i-1)δfr,iδfr]；

13、s3.将所得所有子频段对应的拍频信号的频谱搬移到基带[0,δfr]内；

14、s4.对搬移后各子频段进行逆傅里叶变换；

15、s5.对所述步骤s2得到各子频段保留bt/fr部分，并在时域上分别为向上扫频和向下扫频两部分进行首尾拼接，得到上扫频拼接信号和下扫频拼接信号，其中，t为扫频周期；

16、s6.对所述上扫频拼接信号和下扫频拼接信号分别进行傅里叶变换，可以等效实现nfr扫频带宽，其中，n为梳齿数量；

17、s7.对比傅里叶变换后的上扫频拼接信号和下扫频拼接信号，获得目标物体的速度和距离信息。

18、优选的，所述步骤s5中首尾拼接，具体是：

19、向上扫频信号部分：低频处对应的拍频信号在前，高频处对应的拍频信号在后进行时域信号拼接，得到上扫频拼接信号；

20、向下扫频信号部分：高频处对应的拍频信号在前，低频处对应的拍频信号在后进行时域信号拼接，得到下扫频拼接信号。

21、优选的，所述扫频带宽为b的双向线性调频光源采用分布式反馈激光器(distributed feedback laser,dfb)，分布布拉格反射激光器(distributed braggreflector,dbr)、垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,vcsel)或者外腔激光器(external cavity laser,ecl)。

22、优选的，所述的线性调频信号采用内调制预失真矫正、电光调制器外调制、注入锁定等方法产生，具有高扫频线性度的特点，且双向扫频信号的扫频速率和扫频周期已知。

23、优选的，所述的光梳生成器是电光梳(electronic optics frequency comb，eofc)或者kerr光梳来产生。通过双通道高速射频源输出频率为fr+δfr和fr的单音驱动信号，产生两个具有已知固定重频差的光梳。

24、优选的，所述的光梳梳齿间隔略小于种子光扫频带宽，即fr<b.

25、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

26、1.本发明相比于采用频移环扩频的方案，更易于实现。且本方案可以采用双向线性扫频，因此具有测速能力。

27、2.本发明相比于高阶调制边带注入锁定技术和四波混频增大扫频带宽的方案，系统稳定性更好，复杂度也更低。

28、3.本发明相比于相干接收后对正负扫频边带进行拼接的方案，无需复杂的相干接收装置，同时在提升扫频带宽方面具有更大的潜力。

29、4.本发明相比于采用多个激光器拼接的方案，不需要复杂的波长追踪装置，同时，本发明不需要重采样的方法来克服扫频非线性问题，保证了系统的测速能力。

30、5.本发明相比于扫频单光梳方案，只需要单个pd就可以实现不同通道产生的拍频信号的接收，且pd带宽远小于扫频单光梳中的pd带宽。同时，该方案无需对不同通道的拍频信号测量进行同步，具有更低的控制复杂度。

31、6.本发明在保持帧率不退化的情况下，实现了速度分辨率的提高。

32、7.本发明可以在不牺牲fmcw探测帧率的前提下，实现高距离分辨率和高速度分辨率。利用光频梳梳齿之间固定的相位关系，实现时域的相位连续拼接，无需复杂的波长追踪和相位补偿装置，并且只需要单个pd就能实现不同通道的拍品信号接收，因此具有低成本、结构简单的优点。