[發明專利]一種使用寬帶調頻激光的FMCW激光雷達及其掃描方法

有效

• 申請號: 201910172035.6
• 申請日: 2019-03-07
• 公開（公告）號: CN110531341B
• 公開（公告）日: 2023-04-11
• 發明（設計）人: 梁偉
• 申請（專利權）人: 蘇州鐳智傳感科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481
• 代理公司: 北京集智東方知識產權代理有限公司 11578
• 代理人: 張紅;林青

本發明涉及一種使用寬帶調頻激光的FMCW激光雷達及其掃描方法，其使用具有較大寬帶的調頻激光器，所述激光雷達包括頻率掃描機構和角度掃描機構，所述角度掃描機構的掃描周期為頻率掃描周期的整數倍，通過機械分區或虛擬分區的方法將所述激光雷達的視場角度分為N個分區，對應的每個分區所分配的頻率掃描帶寬為B/N，在掃描頻率的上行段和下行段，各分區的掃描頻率均為連續信號，不存在轉折區，因而有效信號之間沒有時間差，總測量速率大幅提高，且分區信號之間可通過頻率進行區分，不會因激光飛行時間過長導致的信號難以區分問題，通過將兩套測距單元耦合，還可以在保留無轉折區帶來的測量速率優勢下實現距離、速度信息的實時輸出。

技術領域

本發明涉及一種調頻連續波激光雷達及其掃描方法，具體涉及一種能實現高測量速率、高信噪比、連續性的寬帶調頻連續波激光雷達及其掃描方法。

背景技術

調頻連續波（Frequency?Modulated?Continuous?Wave，FMCW）體制是一種重要的雷達類型；相比于脈沖雷達、相位雷達等傳統雷達體制而言具有精度高、抗干擾、無距離盲區、能直接測速、結構簡單等優勢，因而在很多領域具有良好的應用前景。

圖1為FMCW雷達的探測原理，雷達信號的頻率以三角波的方式線性變化，即f=f₀+at；其中f為雷達信號頻率，f₀為初始頻率，a為頻率變化速率，t為時間。圖中，實線為出射雷達信號，虛線為回波信號；兩者之間產生相對延時dt=2D/c，其中D為雷達和反射物體的距離，c為光速。雷達信號與回波信號的差頻df通過混頻器并經過fft計算得出，于是得到距離信息：

D=df*c/(2a)??Eq.1

圖1a所示為雷達與被探測物體沿探測方向相對靜止的情形，上述差頻df在三角波上行掃描和下行掃描部分均相同。

圖1b所示為雷達與被探測物體在雷達有眼測量方向上存在相對速度的情形，由于多普雷效應回波頻率相對發射波有一個平移2fv/c，其中v為相對徑向速度。這樣測量三角波掃頻上升和下降的差頻信號可以得到v。具體計算公式為：

距離?D=(df₊+df_-)*c/(4a)??Eq.?2

速度?v=c*(df₊-df_-)/4f??Eq.3

此外，FMCW雷達的距離分辨率由頻率掃描帶寬B決定，ΔD=c/(2B)。例如，通常汽車用雷達掃頻范圍在77-81GHz間，即B=4GHz，距離分辨率能達到幾個cm。

通常汽車用的毫米波FMCW雷達單次測量掃描周期在毫秒級，掃頻范圍在4GHz左右，由于微波較長的波長和有限的天線尺寸，角分辨率較差不對空間進行分段掃描。

目前，激光雷達也已廣泛采用FMCW體制，其探測原理與上述相同。不同于毫米波雷達等傳統型式，激光雷達所發出的激光光束具有極小的發散角從而可以獲得超高的角分辨率，但這也同時要求對視場角度FOV作逐點掃描以獲取一幀完整圖像。通常情況下，期望激光雷達能具有高幀率、低延時，同時具有高的角分辨率或者說像素以實現準確及時的掃面結果。上述期望的實現依賴于高的掃描速率，或者說需保證單次測量的耗時非常短，通常應當達到微秒（μs）量級，這樣一秒測量1M次，在每秒輸出10幀圖像的情況下保證每幀圖像能有100K像素的分辨率。