[发明专利]偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置，本发明的激光光源输出光束经第一偏振分束器分为正交偏振的测速光束和测距光束；所述测速光束采用正交解调相干零差多普勒激光测速；测距光束采用伪随机码高速相位调制激光测距；本发明通过偏振分集，实现对远距离目标速度和距离的高精度同步测量。本发明不仅可以对目标同步测速测距，具有非常优秀的测速、测距精准性，而且整体系统小型化，运行容易，具有良好的发展前景。

技术领域

本发明涉及激光测距测速技术领域，特别涉及一种偏振分集双通道测速及测距相干激光雷达测量方法及装置。

背景技术

环境感知技术是自主驾驶平台的重要组成部分，是利用激光雷达、毫米波雷达等传感器感知周围环境，为自主驾驶平台提供决策依据。作为关键核心技术之一的激光雷达技术，能有效提供自主驾驶平台决策与控制系统所需的信息，已成为目前自主驾驶环境感知不可或缺的传感器。目标的距离和速度是自主驾驶平台判断外界环境的重要信息，是实现复杂动态环境中智能驾驶不可或缺的部分。使用激光雷达实现对目标距离和速度同步测量，同时具有很高的实时性和测量精度，是自主驾驶环境感知的迫切需求，对提高自主驾驶平台对周围环境的感知能力和增强智能决策的能力具有重要的意义。

当前商用化的激光雷达通常采用单脉冲激光飞行时间法(Time of Flight)测距，优点是结构简单、技术成熟，不足之处在于只能提供目标的距离信息，速度则根据距离测量数据的变化通过微分计算获得。这种传统的速度测量方式由于距离的不连续性不能得到正确的速度信息，获得的速度数据误差非常大，并且缺乏实时性。

在先技术之一(参见周艳宗，王冲，刘燕平，夏海云，相干测风激光雷达研究进展和应用，激光与光电子学进展，2019，Vol.56,No.2,020001)相干测风多普勒激光雷达发射一定宽度的激光脉冲，脉冲窗口将覆盖多普勒信号的一个周期，通过傅里叶变换获得不同距离的多普勒信号频率，从而解析出目标的速度，这种方法尽管可以同时获得距离和速度信息，但是距离分辨率很低，不能应用于自主驾驶平台。

啁啾调频连续波激光雷达对发射激光的频率进行线性调制，回波信号与本振信号进行相干接收，通过获取外差频率实现目标的距离测量，通过波形调制实现多普勒速度测量。这是目前最广泛应用的同步测速测距激光雷达体制，较为典型的是美国NASA的ALHAT项目中的多普勒激光雷达(在先技术之二，参见F.Amzajerdian,D.Pierrottet,L.Petway,etal.Lidar systems for precision navigation and safe landing on planetarybodies,NASA,2011.)，通过采用光学相干技术、等腰三角波线性调频技术，以及光纤光学技术，能够实现高精度的空间目标同步测距测速。

为了进一步提高测距测速精度，NASA的Langley Research Center将调制波形改进为对称等腰梯形线性调频(在先技术之三，参见F.Amzajerdian,D.Pierrottet,L.Petway,et al.Lidar sensors for autonomous landing and hazard avoidance.AIAASpace Conference Proceedings,2013.)，包括上变频、固定频率、下变频，在固定频率阶段可以获得多普勒速度，可以解决在上变频、下变频阶段获得的频率非常接近零而出现的数据丢失，减少某些情况下出现的测量模糊。但是目前啁啾调频连续波激光雷达通常采用外腔可调谐激光器产生线性调频激光脉冲，受激光器硬件条件的限制，成本很高；在取得较大调谐范围从而获得较高距离分辨率的条件下，其脉冲重复频率(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。