CN110114690A - 用于处理来自相干激光雷达的信号以减少噪声的方法及相关激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于处理来自包括相干源(L)的相干激光雷达的信号的方法(80)，该方法包括以下步骤：‑分别使用第一检测组件(D1)和第二检测组件(D2)产生(100,110)第一差拍信号(Sb1)和第二差拍信号(Sb2)，‑对于多个n个时间间隔(ti)，使用第一和第二差拍信号之间的互相关的频域变换来确定(120)n个相应光谱密度值(SPDi)，‑使用所述n个光谱密度值(SPDi)确定(130)光谱密度的平均值(<SPD>)，‑使用光谱密度的平均值确定(140)关于目标的一条位置信息。

Description

用于处理来自相干激光雷达的信号以减少噪声的方法及相关 激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达的领域。

背景技术

相干激光雷达的原理在现有技术中公知并且在图1中示出。相干激光雷达包括发射相干光波(IR，可见或近UV域)的相干光源L，通常是激光；允许一定体积的空间被照射的发射装置DE；以及接收装置DR，其接收由目标T反向散射的一部分光波。反向散射波的多普勒频移ν_Dop取决于目标T的径向速度v：

ν_Dop＝2v/λ，其中λ为激光的波长

在接收时，接收的信号频率为fs的反向散射光波Sig以及具有本地振荡器频率f_OL的被称为“OL”(“本地振荡器”的简称)波的一部分发射波S_OL发生混合。这两种波的干涉由光电检测器D检测，并且从检测器输出的电信号除了与接收的功率和本地振荡器功率成比例的项之外还具有称为差拍信号Sb的振荡项。处理单元UT对该信号进行数字化并从中提取关于目标T的位置的信息。该目标位置信息优选地是关于速度v的信息，和/或关于位置的信息(利用下面描述的一个特定发射信号)，或者甚至是关于存在和/或振动信息。

优选地，处理单元UT在定心于零频率的窄带中电子过滤差拍信号Sb。

在相干激光雷达中，发射装置和接收装置优选地使用相同的光学器件(单站激光雷达)，如图2所示。该特征允许获得良好的机械稳定性并减小长距离大气湍流的影响，入射波与反向散射波的传播路径是一致的。

待发射的光信号由放大器EDFA放大，然后在单模光纤FM中传输以进行发射。发射和接收信道使用相同的光学器件O并且使用环行器C进行分离。可以可选地使该光学信号频移，例如使用声光调制器，其优选地定位于放大器EDFA之前但也可以定位于本地振荡器的路径上。延迟线LR允许对本地振荡器和发射信号的光学路径进行均衡，以允许在RF域中对放置在放大器EDFA之后的光学部件中的缺陷(环形器C的串扰、发射/接收光学器件O的抗反射处理中的缺陷等)进行滤波。

差拍信号包含感兴趣分量S和噪声B：

Sb＝S+B.

一旦检测到该差拍信号，就以采样频率对其进行数字化。

为了提取速度信息，在频域和给定时间间隔中计算数字化差拍信号的变换(通常是傅里叶变换)，然后对应于该变换的范数(模数平方)的频谱功率密度(SPD)得以确定。

SPD＝|FT[S+B]|²

感兴趣信号由峰值P组成(如图3a-3e所示)。对于正确尺寸的激光雷达，SPD还具有“本底”噪声，其对应于光子散粒噪声(与检测到的光子到达的统计性质相关的噪声，也称为与本地振荡器的功率相关的散粒噪声)。反向散射目标产生的信号相对于本地振荡器信号非常弱，只有本地振荡器的光子散粒噪声才会作为一种因素。

光子发射噪声Bph可以表达为：

BPH＝2.e.η.Popt.BA

其中

e是电子上的电荷，η是检测器的效率，Popt是入射在检测器上的光功率，并且BA是光谱功率密度的分析频带，根据检测器类型通常介于0.1Hz和100MHz之间。

当在频谱域中表示时，此噪声具有随机变化以及：

-对应于平均值或预期值B0的基线，

-限制激光雷达的灵敏度的方差V(这与系统检测一个或多个频率峰值的能力有关)。

为了在激光雷达可以获得的动态范围内获得更好的可读性，计算由噪声谱功率密度的平均值归一化的光谱密度SPDN并以对数标度表示：

通常，定义噪声的两个特征量：

-信噪比(SNR)，其定义为峰值P的功率对噪声的方差V之比：

SNR＝P/V

-峰值的对比度C，其定义为峰值的值对噪声的平均值之比

C＝P/B0

为了降低噪声，在n个时间间隔ti中进行n次SPD(或SPDN)计算并取平均值。由于噪声的随机特性，已知计算n个SPD值的平均值允许降低噪声的方差V，而不是其预期值(平均值)。

归一化光谱密度SPDN根据用于计算平均值的值数目n而变化在图3a-3e中示出。图3a，3b，3c，3d和3e分别对应于n＝1，n＝2，n＝5，n＝10和n＝20。峰值P逐渐从噪声中出现。噪声的方差V也减小，但不是其平均值。因此，SNR与n成比例，而对比度保持不变。

利用上述现有技术的处理，当n增加时，方差V减小并且因此SNR增加，这改善了检测性能，而与n无关的预期值没有减小，并且对比度没有通过处理得到改善。

具体地，傅里叶变换的样本由定中复杂随机变量描述。因此，周期图(基本谱功率密度)具有指数衰减变化(2阶的χ²-分布)，因此n个独立周期图的累积由2n阶的χ²-分布描述(其累积分布函数是2n阶的不完全伽玛函数)。2n阶的χ²-分布的期望值是2n并且其方差是4n。

通过功率平均n个周期图(累积除以n，因此每个频谱功率密度除以n)，噪声的方差除以n²。因此，n个光谱功率密度SPDi的平均功率的方差与1/n成比例(或者标准偏差与1/sqrt(n)成比例)，但其期望值与n无关。

限制光子散粒噪声的一种方法是限制本地振荡器的功率，但这也降低了激光雷达的灵敏度，因为降低功率也会降低峰值的强度。此外，信噪比与本地振荡器的功率无关，因为差拍信号的功率本身与本地振荡器的功率成比例。

根据最终光谱功率密度，对应于一个或多个峰值的一个或多个频率得以确定，并且从而以传统方式从中推导出关于目标的轴向速度v的信息并且可选地推导出关于目标的距离d的信息(参见下文的频率调制)。

在现有技术中已知使用平衡检测来消除相干源的强度噪声B_OL。这种噪声是自发发射和激光腔外部破坏的结果。该噪声的方差与本地振荡器的功率P_OL的平方成比率：

为此，使用由两个检测器PD1和PD2形成的平衡检测器D，如图4所示。信号S_OL和Sig以图4所示的方式分配给两个检测器，并确定两个检测器所接收的强度之间的差异：

其中η是检测器的效率。

强度I如下计算：

I＝I_PD1-I_PD2＝η(Sig.S_OL+Sig.B_OL)

以这种方式，激光的强度噪声的影响减小。由于强度噪声B_OL弱于与本地振荡器相关的信号S_OL，因此与Sig.S_OL相比，乘积Sig.B_OL可忽略不计。因此提取差拍Sig.SOL。

这种类型的平衡检测器需要两个光电二极管的灵敏度以及允许将强度分成两个信道的耦合器的耦合度两者精确平衡。这种类型的平衡检测器可以用于任何类型的激光雷达，更具体地说，可以用于任何类型的相干激光雷达，但是其仅降低了源的强度噪声而不是降低由于本地振荡器的检测而产生的光子散粒噪声。

对于激光雷达测距/测速仪也已知现有技术的解决方案，该解决方案包括产生采用频率调制的激光雷达系统。由于在光纤激光源方面取得的进展，目前，在雷达中常规的这种技术特别令人感兴趣。通过频率调制，时间/频率分析允许提取距离d(由目标相对于本地振荡器反向散射的信号的延迟τo取决于距离d)以及速度v。这种类型的激光雷达还允许执行激光-风速测定功能。

采用使用平衡检测器D(包括检测器PD1和检测器PD2)的频率调制的激光雷达的光学结构的示例如图5所示。对相干源进行频率调制，使得对本地振荡器的频率为f_OL(t)根据称为波形的预设函数f_mod(t)进行调制，该预设函数由模块WFC控制，该模块WFC与处理单元UT同步。因此，本地振荡器的频率可以表示为：

f_OL(t)＝f0+f_mod(t)

其中，f0是激光的平均频率L。

采用频率调制的相干激光雷达的示例在文献“Lidar systems for precisionnavigation and safe landing on planet bodies”Farzin Amzajerdian et al，Proc.SPIE 8192(2011年光电子探测与成像国际研讨会：激光感测与成像；暨光子学感测与成像的生物和医学应用，819202(2011年8月19日))中进行了描述。根据周期T_FO的两个频率斜率α₀和α₁周期性地对本地振荡器的频率f_OL进行线性调制。图6示出了本地振荡器频率f_OL(t)和信号频率f_s(t)随时间的变化。如图6a所示，频率为f_s(t)的反向散射信号由于传播到测量区域(目标T)而暂时移位时间τ，并因此与目标的距离d有关，并且由于相对于本地振荡器频率f_OL(t)的多普勒效应而以值ν_Dop频率偏移。

检测到的差拍信号Sb具有正频率分量fs-f_OL。图6b示出了fs-f_OL随时间的变化。可以看出，该频率差包括作为时间函数的特征频率为ν_α0和ν_α1的两个系列平台，其与目标的距离d及其径向速度v直接相关，公式表达为：

以及

通过测量差拍信号Sb的这两个特征频率ν_α0和ν_α1，例如如上所述通过在其上执行傅立叶变换，提取d和v。

本领域技术人员还已知图7中所示的相干激光雷达结构，其中振荡器信号S_OL借助于对光纤端的反射而被采样。

本发明的一个目的是通过提供差拍信号处理方法和特定的相关检测结构来减轻上述缺点，该处理方法以及该相关检测结构允许减少源自对本地振荡器信号的检测的光子散粒噪声、与使用平衡检测器相兼容并且能够在任何相关激光雷达中实现。

发明内容

本发明的一个主题是一种用于处理由包括相干源的相干激光雷达产生的信号的方法，该方法包括以下步骤：

-分别在第一检测组件和第二检测组件中产生第一差拍信号和第二差拍信号，每个差拍信号由相干源产生的本地振荡器信号与由激光雷达照射的目标所反向散射的信号之间的干涉产生，然后数字化这些节拍信号，

-对于多个n个时间间隔，根据第一差拍信号和第二差拍信号之间的互相关的频域变换来确定n个相应的光谱密度值，

-根据所述n个光谱密度值确定光谱密度的平均值，

-根据所述光谱密度的平均值确定目标位置信息。

根据一个实施例，确定n个光谱密度值的步骤包括以下子步骤：

-确定第一差拍信号的频域变换的第一值，

-确定第二差拍信号的频域变换的共轭的第二值，

光谱密度值由第一和第二值的乘积确定。

根据一个变型，对相干源进行周期性频率调制，使得本地振荡器信号具有本地振荡器频率，该本地振荡器频率由平均值和通过调制源而产生的调制频率之和组成，调制频率为在调制周期上成周期性的，并且时间间隔短于或等于调制周期，处理方法还包括根据光谱密度的平均值确定关于目标的距离的信息的步骤。

优选地，调制频率的每个调制周期包括n个线性部分，这些线性部分分别具有n个频率斜率，n大于或等于2。

本发明还涉及一种相干激光雷达系统，包括：

-相干源，

-用于发射由相干源产生的光信号的装置以及用于接收由激光雷达照射的目标所反向散射的信号的装置，

-第一检测组件和第二检测组件，所述检测组件被配置为分别产生第一差拍信号和第二差拍信号，每个差拍信号由相干源产生的本地振荡器信号与由目标所反向散射的信号之间的干涉产生，

-处理单元，其被配置为数字化第一和第二差拍信号，并且被配置为针对多个n个时间间隔确定对应于第一和第二差拍信号之间的互相关的频域变换的n个光谱密度值，

-处理单元还被配置为：

*根据所计算的n个光谱密度值确定光谱密度的平均值，以及

*根据光谱密度的平均值确定目标位置信息。

根据一个实施例，根据本发明的相干激光雷达系统还包括调制装置，其与处理单元同步并且被配置为周期性地频率调制相干源，使得本地振荡器信号具有由平均值和通过调制源产生的调制频率之和构成的本地振荡器频率，调制频率在调制周期内是周期性的，每个周期包括分别具有n个频率斜率的n个线性部分，n大于或等于2。处理单元还被配置为使得时间间隔ti小于或等于调制周期，并且根据光谱密度的平均值确定关于目标的距离的信息。

根据一个优选变型，第一和/或第二检测组件是平衡检测器，其各自包括第一检测器和第二检测器，第一检测器接收本地振荡器信号和反向散射信号之间的差值，第二检测器接收本地振荡器信号和反向散射信号的总和。

第一和第二差拍信号分别由第一检测组件的第一检测器和第二检测器以及第二检测组件的第一检测器和第二检测器所接收的强度之间的差值产生。

优选地，第一检测组件和/或第二检测组件放置为使得由信号中的每个到达所述检测组件所遵循的路径的长度基本相等。

附图说明

通过参考附图阅读以下详细描述，将使本发明的其他特征、目的和优点变得显而易见，所述附图通过非限制性示例给出，并且其中：

已经参考的图1描述了根据现有技术的相干激光雷达的原理。

已经参考的图2示出了单站激光雷达的结构。

已经参考的图3a至3e示出了归一化差拍信号的功率密度。图3a至3e示出了所述功率密度根据用于计算平均值的值数目n的变化。

已经参考的图4说明了平衡检测的原理。

已经参考的图5示出了采用频率调制的相干激光雷达的光学结构。

已经参考的图6a示出了本地振荡器和信号频率随时间的变化，并且已经参考的图6b示出了差拍信号的正分量随时间的变化。

图7示出了本领域技术人员已知的另一种相干激光雷达结构。

图8示出了用于处理由根据本发明的相干激光雷达产生的信号的方法。

图9显示了根据本发明的处理方法的一个优选实施例。

图10a至10e示出了归一化光谱密度根据n而变化的示例，图10a，10b，10C，10D和10E分别对应于n＝1、n＝2、n＝5、n＝10以及n＝20。

图11a示出了频率f_OL(t)和f_s(t)随时间的变化。

图11b示出了对于4斜率情况下fs-f_OL随时间的变化。

图12示出了根据现有技术由单个检测器检测到的差拍信号以dB表示的归一化频谱功率密度的示例。

图13示出了对于与图12相同的情况，差拍信号以dB表示的归一化频谱功率密度，由两个检测组件检测差拍信号并且利用根据本发明的处理方法计算归一化频谱功率密度。

图14示意性地示出了根据本发明的相干激光雷达系统。

图15示意性地示出了根据本发明的相干激光雷达系统的优选变型。

图16示意性地示出了根据本发明的相干激光雷达系统的优选变型，其与平衡检测兼容。

具体实施方式

在描述本发明之前，我们将回顾本领域技术人员已知的以及良好理解本发明的所需某些数学概念。

定义了时间相关函数S(t)的傅立叶变换FT，例如，频域变换：

两个复杂的时间相关函数S1(t)和S2(t)的卷积乘积定义为：

S为复数：

S＝Re(S)+iIm(S)并且S^*＝Re(S)-iIm(S)

还定义了S1和S2的互相关函数：

及其傅立叶变换：

当S1和S2在时移内相同时，相关函数最大。然后，对于对应于该移位的τo值为最大。

在图8中示意性地示出了用于处理由包括根据本发明的相干源L的相干激光雷达生成的信号的方法80。

该方法包括使用第一检测组件D1产生第一差拍信号Sb1的步骤100，差拍信号Sb1由相干源产生的本地振荡器信号S_OL与由激光雷达照射的目标所反向散射的信号Sig之间的干涉产生。接下来，同样在步骤100中，以采样频率将信号Sb1数字化。

同样，步骤110在于使用第二检测组件D2产生第二差拍信号Sb2，差拍信号Sb2由相干源产生的本地振荡器信号S_OL和由激光雷达照射的目标所反向散射的信号Sig之间的干涉产生。接下来，信号Sb2被数字化。

为了产生Sb1和Sb2，将每个信号Sig和S_OL的一部分被引导到检测组件D1和D2，如下所示。

接下来，对于下标为i的多个n个时间间隔ti，其中i从1变为n，步骤120根据第一差拍信号Sb1(t)和第二差拍信号Sb2(t)之间的互相关的频域变换来确定n个对应光谱密度值SPDi。

对于给定的时间间隔ti，该操作在所讨论的时间间隔ti中执行到由公式(1)定义的相关函数C_Sb1Sb2的频域变换。

通常，在所讨论的时间间隔ti中执行诸如由公式(2)指定的C_Sb1Sb2的傅里叶变换，即数字化快速傅里叶变换(FFT)。

根据一个变型，所计算的光谱密度SPDi直接对应于与时间相关的差拍信号的频率变换：

每个差拍信号Sb1，Sb2可以被分解为感兴趣信号S1，S2，以及由相应的检测D1，D2产生的光子散粒噪声分量B1，B2：

Sb1＝S1+B1，并且Sb2＝S2+B2

根据另一变型，所计算的光谱密度SPDi对应于噪声归一化谱密度SPDNi：

接下来，在步骤130中，根据针对时间间隔ti确定的n个光谱密度值SPDi确定光谱密度的平均值<SPD>。

优选地，采用线性平均值：

最后，在步骤140中，根据所述光谱密度的平均值确定目标位置信息。该目标位置信息优选地是关于速度v的信息，和/或关于位置的信息(利用下面描述的特定发射信号)，或甚至关于简单存在和/或振动的信息(目标振动的本征模检测，其是不一定需要移动)。

利用根据本发明的方法80，不是如现有技术那样从单个检测信号计算FFT的范数，而是对由两个不同检测器产生的两个差拍信号的相关性执行频率变换，这是针对多个时间间隔ti进行的。

该信号处理方法和相关的双重检测允许通过平均化来降低本底噪声，这种降低影响方差和平均值。具体地，由于每个检测器中的噪声主要与与本地振荡器的功率相关的散粒噪声有关，因此由于每个检测器中的噪声与光子在每个检测组件D1和D2上的统计到达有关，所以检测器的每个中的噪声基本上与另一个检测器中的噪声不相关。

相反，感兴趣信号S1和S2是相同的。通过计算由两个检测器产生的信号的互相关，平均值中的噪声的贡献根据平均光谱密度的数量n而减小。

更确切地说，通常针对每个时间间隔ti计算以下内容：

FT[S₁+B₁]×{FT[S₂+B₂]}^*

＝FT[S₁]×{FT[S₂]}^*+FT[S₁]×{FT[B₂]}^*+FT[B₁]×(FT[S₂]}^*

+FT[B₁]×{FT[B₂]}^*

S1和S2具有非常高的相关性，因为其是由相同的源产生并且相等(在时移内)，而S1或S2与B1或B2的互相关不包括任何显著最大值。

因此，在n次重复计算平均值后，平均值：

将倾向于0(期望值和方差)。具体地，n次重复(n个时间间隔ti)平均将导致上述叉积幅度减小。最后，仅留下对应于S1和S2之间的互相关的傅立叶变换的感兴趣分量。

更确切地说，只有积FT(S1).FT(S2)*的正实部是感兴趣的。负部和虚部也构成寄生项的一部分，但其随着平均次数而减少。

噪声的期望值的减小(除了其方差之外)有助于检测感兴趣峰值，因为相对于噪声水平的对比度C大大增加。由此获得激光雷达范围的显著增加。

根据一个优选的变型，实际上，在时间间隔ti中通过FFT以数字化方式执行操作，并且获得以下内容：

SPDi＝FFTti(S1+B1).FFTti(S2+B2)*

SPDi＝FFT(S1).FFT(S2)*+FFT(S1).FFT(B2)*+FFT(B1).FFT(S2)*+FFT(B1).FFT(B2)*

同样地，在n次重复的平均之后，仅感兴趣项FFT(S1).FFT(S2)*保持相似的幅度，其他项幅度减小。

具体而言，如果计算SPDi平均值的范数平方的期望值：

在这个总和中，考虑到噪声B1和B2具有定中复杂分布，因此包含噪声B1和B2的术语可以用下面的形式写出：

其中a_i和Φ_i是包含FFT(S1).FFT(B2)*或FFT(B1).FFT(S2)*类型乘积的项的幅度和相位。

可以表明：

该强级数显然随着n减少到0。

根据图9中所示的一个优选实施例，确定光谱密度SPDi的n个值的步骤120对于每个时间间隔ti包括：子步骤121，其在于确定第一差拍信号的频域变换FTi(Sb1)的第一值；以及子步骤122，其在于确定第二差拍信号的频域变换的共轭FTi(Sb2)*的第二值，光谱密度的值是根据第一差拍信号和第二差拍信号的乘积计算的。

具体地，为了计算SPDi，第一和第二差拍信号之间的互相关的频域变换，可以将互相关计算为时间的函数，然后执行所计算函数的频率变换；或者计算每个检测到的差拍信号(或其共轭)的频率变换并获取其乘积。为了优化计算速度，优选地选择后一种计算方法。

根据一个变型，每个SPDi直接等于所述乘积：

SPDi＝FTi(Sb1).FTi(Sb2)*

根据另一个优选变型，每个SPDi等于由相应噪声归一化的傅立叶变换的乘积：

SPDNi＝FTi(Sb1)/B1.FTi(Sb2)*/B2.其中关于B1和B2的范数

相对于在没有本发明的情况下使用的信号处理，这使得可以不必针对于SPDNi的利用来适配信号处理。特别地，根据SPDNi对距离和速度的计算与在单检测器架构中与SNR一起使用的计算严格相同。

图10示出了对于与图3类似的情况的归一化光谱密度SPDN随n的变化的示例，但是使用根据本发明的信号处理方法80。图3a，3b，3c，3d和3e分别对应于n＝1，n＝2，n＝5，n＝10和n＝20。峰值P从噪声中出现，观察到以下行为：

-噪声的方差连续降低为1/n(因此SNR降低为1/n)

-噪声的平均值降低为1/n。因此，对比度增加为n。

信号处理方法80与采用频率调制的激光雷达兼容。

因此，根据一个实施例，应用根据本发明的方法80的相干激光雷达的相干源L被周期性地频率调制，使得本地振荡器信号S_OL具有本地振荡器频率f_OL(t)，该本地振荡器频率f_OL(t)由平均值f0和通过调制源而产生的频率调制f_mod(t)之和构成，频率调制在调制周期T_FO上是周期性的(见下面的图11)。在这种情况下，时间间隔ti小于或等于调制周期，以便在ti期间保持给定的频率斜率。

处理方法80还包括根据光谱密度的平均值使用传统的现有技术方法确定关于目标的距离d的信息的步骤。方法80允许增加频率峰值的检测灵敏度，并因此增加仪器的范围。

优选地，每个周期包括n个线性部分，其分别具有n个频率斜率α_i，n大于或等于2。在现有技术中已知使用2斜率信号。

为了消除与任何混叠相关的模糊，优选使用具有4个频率斜率α₀，α₁，α₂，α₃的波形。具体地，4个特征频率的确定导致4个方程的系统，具有2个未知数v和d。

这允许获得冗余，并因此允许方程中的一个用于去除与任何频谱混叠相关联的模糊以及允许另一个用作置信度参数。该置信度参数例如可以是频率ν_αi与距离和径向速度之间的求逆的余数。可以使用最小二乘技术，可选地迭代重加权最小二乘(IRLS)技术来获得该求逆。

图11a示出了频率f_OL(t)和fs(t)随时间的变化，为了更清楚，已经减去了激光器L的平均光学频率f0。图11b示出了4斜率情况下fs-f_OL随时间的变化。在图10b中可以看出，频率随时间的这种变化具有对应于4个特征频率的4个平台。

图12示出了根据现有技术由单个检测器D检测到的差拍信号以dB表示并且以n＝300和ti＝16.3μs进行平均的归一化频谱功率密度SPDN，对应于位于2507m处并以200米/秒的速度移动的目标的情况。频率f_mod具有以下斜率值(光学频率为f0＝1.55μm的激光)：

α0＝2MHz/μs

α1＝-2MHz/μs

α2＝3MHz/μs

α3＝-3MHz/μs

分别检测对应于四个特征频率ν_α0，ν_α1，ν_α2和ν_α3的四个峰值P0，P1，P2和P3。

由于检测到的差拍信号的真实特性，这些峰是对称的，其在傅立叶变换的计算期间产生两个分量。

图13示出了对于与上述相同的情况以dB表示并且以n＝300和ti＝16.3μs进行平均的归一化功率密度SPDN，但是使用根据本发明的方法80计算，即使用由两个检测组件D1和D2检测到的差拍信号S1和S2的互相关的傅立叶变换。

通过比较图13和图12，在该示例中可以注意以下内容：

-信号峰值减小。这种减少与信号和本地振荡器的除以因子2有关，因为需要将一部分信号S_OL和Sig(这里是一半)发送到每个检测组件。

-本底噪声的方差V减小，因此标准偏差减小，在本例中，本底噪声从0.024变化到0.005，即等于功率减小6dB。信噪比SNR保持与图12的情况相同。

-信号对比度C相对于本底噪声大幅增加：在该示例中，对比度从5.6dB变化到28.8dB，即增加23.2dB。

相比于根据现有技术执行的计算，为了实现根据本发明的方法80，建议执行两个FFT而不是一个FFT，这略微增加了计算时间。实际上，对于多个时间间隔ti，差拍信号在其到达时实时数字化并且信号处理计算也实时地执行。

这种新的处理方法80(与新的检测结构相关联)允许改善激光雷达所获得的灵敏度，特别是如果本底噪声，尤其是其基线知之甚少，或者(通常是这种情况)如果本底噪声随时间变化(甚至在一个调制周期T_FO的标度上)。

根据本发明的方法适用于任何相干激光雷达系统，例如旨在检测微弱信号的相干激光雷达系统，并且特别是用于以下应用：

-远程测距/测速，

-测高

-激光风速测定法。

本发明还涉及一种相干激光雷达系统13(如图14所示)，包括：

-相干源L，

-用于发射由相干源产生的光信号的装置DE以及用于接收由激光雷达照射的目标T所反向散射的信号的装置DR，

-第一检测组件D1，其被配置为产生由相干源产生的本地振荡器信号S_OL与由目标T所反向散射的信号Sig之间的干涉产生的第一差拍信号Sb1，

-第二检测组件D2，其被配置为产生由相干源产生的本地振荡器信号S_OL与由目标T所反向散射的信号Sig之间的干涉产生的第二差拍信号Sb2，

-处理单元UT，其被配置为数字化第一和第二差拍信号并且被配置为实现根据上述本发明的方法，并且优选地实现方法的变型和实施例。

因此，处理单元UT被配置为：

-对于多个n个时间间隔ti，确定对应于对第一和第二差拍信号之间的互相关的频域变换的n个光谱密度值SPDi，

并且配置为：

-根据n个计算的光谱密度值SPDi确定光谱密度的平均值<SPD>，以及

-根据光谱密度的平均值确定目标位置信息。

可以理解，根据本发明的激光雷达13包括光学部件或集成光学器件，从而允许本地振荡器信号和反向散射信号分布在两个信道上，以便将这些信号的一部分通过第一通道引导到第一检测组件并通过第二通道上将另一部分引导到第二检测组件。

优选地，将信号分离以便在与本地振荡器混合之后将这些信号发送到检测组件D1和D2，以便保证两个信道中的相同相移，特别是在频率随时间变化的情况下。

如果没有针对用于将信号分配到检测组件D1和D2的光学架构采取特别的预防措施，则信号S_OL和Sig自参考点PREF分别到达第一和第二检测组件所遵循的路径是不同的，信号S_OL和Sig自该参考点PREF被重新组合并准备好被检测。然后，所得到的差拍信号Sb1和Sb2在时间上移位。在频率调制的情况下，该移位导致在相关乘积的傅立叶变换的计算期间获得的峰值的幅度减小。

为了减轻这个缺点，第一检测组件D1和第二检测组件D2优选地被放置成使得由所检测信号S_OL和Sig中的每个自参考平面或点PREF所遵循的路径的长度基本相等，如图15所示。在这种情况下，差拍信号Sb1和Sb2在时间上相等。

Sb1(t)＝Sb2(t)

如果S_OL和Sig至D1和D2所遵循的路径之间的差值远小于光在等于差拍信号频率的倒数的时间间隔内行进的距离，则完全满足该条件。

例如，对于100MHz的差差拍率，对应于10ns的周期，路径优选地远短于30cm。

根据一个实施例，根据本发明的激光雷达系统13还包括调制装置WFC，其与处理单元(UT)同步并且被配置为周期性地频率调制相干源L，使得本地振荡器信号S_OL具有本地振荡器频率f_OL(t)，该本地振荡器频率f_OL(t)由平均值f0和通过调制源产生的调制频率f_mod(t)的总和构成，调制频率在调制周期T_FO中是周期性的，频率调制的每个周期包括n个线性部分，其分别具有n个频率斜率αi，n大于或等于2。

在该实施例中，处理单元还被配置为使得时间间隔ti小于或等于调制周期T_FO并且根据光谱密度的平均值确定关于目标的距离d的信息。

在图16中示出了根据本发明的采用频率调制的这种相干激光雷达13的光学结构的示例。

根据本发明的激光雷达13在平衡检测模式中与检测组件D1和D2的使用兼容。因此，根据也在图14中示出的一个实施例，对于采用频率调制的激光雷达的非限制性情况，第一检测组件D1和/或第二检测组件D2是平衡检测器，其各自包括第一检测器，PD1用于D1，PD1’用于D2，以及第二个检测器，PD2用于D1，PD2’用于D2，这些检测器被配置为执行平衡检测。

因此，第一检测器PD1和PD1’接收与本地振荡器信号S_OL和反向散射信号Sig之间的差值成比例的信号，并且第二检测器PD2，PD2’接收本地振荡器信号S_OL和反向散射信号Sig的总和。

在该构造中，第一差拍信号Sb1由第一检测器组件D1的第一检测器PD1和第二检测器PD2接收的强度之间的差值产生，并且第二差拍信号Sb2由第二检测组件D2的第一检测器PD1’和第二检测器PD2’接收的强度之间的差值产生。

根据本发明的系统，更具体地，处理单元UT所包括的每个计算模块可以采用软件和/或硬件形式。每个模块尤其可以包括处理器和存储器。处理器可以是通用处理器、专用处理器、专用集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)。

本发明还涉及一种包括代码指令的计算机程序产品，该代码指令允许执行根据本发明的处理方法的步骤。

Claims (9)

1.一种用于处理由包括相干源(L)的相干激光雷达生成的信号的方法(80)，该方法包括以下步骤：

-分别在第一检测组件(D1)和第二检测组件(D2)中产生(100,110)第一差拍信号(Sb1)和第二差拍信号(Sb2)，每个差拍信号由所述相干源产生的本地振荡器信号(S_OL)和由所述激光雷达照射的目标所反向散射的信号(Sig)之间的干涉产生，然后将这些差拍信号数字化，

-对于多个n个时间间隔(ti)，根据所述第一差拍信号和所述第二差拍信号之间的互相关的频域变换确定(120)n个相应光谱密度值(SPDi)，

-根据所述n个光谱密度值(SPDi)确定(130)光谱密度的平均值(<SPD>)，

-根据所述光谱密度的所述平均值确定(140)目标位置信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定n个光谱密度值的步骤(120)包括以下子步骤：

-确定所述第一差拍信号的频域变换(FTi(Sb1)的第一值，

-确定所述第二差拍信号的频域变换的共轭(FTi(Sb2)*)的第二值，

-根据所述第一值和所述第二值的乘积确定所述光谱密度值。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的处理方法，其中，所述相干源(L)被周期性地频率调制，使得所述本地振荡器信号(S_OL)具有本地振荡器频率(f_OL(t))，所述本地振荡器频率由平均值(f0)与通过调制所述源产生的调制频率(f_mod(t))之和构成，所述调制频率在调制周期(T_FO)上是周期性的，并且其中，所述时间间隔(ti)短于或等于所述调制周期，所述处理方法还包括以下步骤：根据所述光谱密度的所述平均值确定关于所述目标的所述距离(d)的信息。

4.根据权利要求3所述的处理方法，其中，所述调制频率的每个调制周期(T_FO)包括n个线性部分，所述n个线性部分分别具有n个频率斜率(αi)，n大于或等于2。

5.一种相干激光雷达系统(13)，包括：

-相干源(L)，

-用于发射由所述相干源产生的光信号的装置(DE)以及用于接收由所述激光雷达照射的目标(T)所反向散射的信号的装置(DR)，

-第一检测组件(D1)和第二检测组件(D2)，所述第一检测组件和所述第二检测组件分别配置为产生第一差拍信号(Sb1)和第二差拍信号(Sb2)，每个差拍信号由所述相干源产生的本地振荡器信号(S_OL)和由所述目标(T)所反向散射的信号(Sig)之间的干涉产生，

-处理单元(UT)，其被配置为将所述第一差拍信号和所述第二差拍信号数字化并且被配置为针对多个n个时间间隔(ti)确定对应于所述第一差拍信号和所述第二差拍信号之间的互相关的频域变换的n个光谱密度值(SPDi)，

-所述处理单元还被配置为：

*根据所计算的n个光谱密度值确定光谱密度的平均值，以及

*根据所述光谱密度的所述平均值确定目标位置信息。

6.根据权利要求5所述的相干激光雷达系统(13)，还包括调制装置(WFC)，其与所述处理单元(UT)同步并且被配置为周期性地频率调制所述相干源(L)，使得所述本地振荡器信号(S_OL)具有本地振荡器频率(f_OL(t))，所述本地振荡器频率由平均值(f0)和由调制所述源产生的调制频率(f_mod(t))之和构成，所述调制频率在调制周期(T_FO)上是周期性的，每个周期包括n个线性部分，所述n个线性部分分别具有n个频率斜率(αi)，n大于或等于2，

并且其中，所述处理单元(UT)还被配置为使得所述时间间隔ti小于或等于所述调制周期并且根据所述光谱密度的所述平均值确定关于所述目标的距离(d)的信息。

7.根据权利要求5和6中任一项所述的激光雷达系统，其中所述第一和/或第二检测组件(D1，D2)是平衡检测器，其各自包括第一检测器(PD1，PD1’)和第二检测器(PD2，PD2’)，

所述第一检测器(PD1，PD1’)接收所述本地振荡器信号(S_OL)和所述反向散射信号(Sig)之间的差值，

所述第二检测器(PD2，PD2’)接收所述本地振荡器信号(S_OL)和所述反向散射信号(Sig)之和，

所述第一和第二差拍信号(Sb1，Sb2)分别由所述第一检测器组件(D1)的所述第一检测器(PD1)和所述第二检测器(PD2)以及所述第二检测组件(D2)的所述第一检测器(PD1’)和所述第二检测器(PD2’)所接收的强度之间的差值产生。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的激光雷达系统，其中，所述第一和第二检测组件(D1，D2)被放置成使得由所述信号中的每个到所述检测组件的所遵循的路径的长度基本相等。

9.一种计算机程序产品，所述计算机程序包括代码指令，所述代码指令允许执行如权利要求1至4中任一项所述的处理方法的步骤。