本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种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。
背景技术：
1、激光雷达(lidar)通过发射单元发射激光束，遇到障碍物后进行反射，并被接收单元捕获，通过测量每束激光飞行时间(tof，time of flight)来确定障碍物的距离。相比于传统的微波雷达技术，激光雷达工作在波长更短的光频波段，这使得激光雷达出射波束可以实现更小的发散角与更好的方向性，而更短的工作波长也使雷达探测时可实现的距离分辨力与角分辨力大大提高。激光雷达探测时可获得目标距离、速度、反射率等丰富信息，获取的三维点云数据通常被用于生成高分辨力三维地图或者三维模型，被广泛应用于测绘学、地形学、林业学、大气物理、激光制导、航空航天、深空探测和无人驾驶等领域。
2、传统的激光雷达通常测量目标是唯一的，无法实现同时测距和测速，存在测量盲区。然而激光雷达应用的场景往往涉及多个测量目标同时测量，传统的激光雷达难以满足测量要求。
3、调频连续波激光雷达(fmcw lidar)是一种发射功率恒定但光载波频率(或相位)持续周期性变化的雷达类型，通过相干检测的方式，测量回波信号与发射信号之间由距离延时引入的调制频率差和相对速度引入的多普勒频率差，从而解调出目标的距离与速度。调频连续波激光雷达(fmcw lidar)相比于传统的飞行时间激光雷达具有分辨力高、测量准确度高、设备轻巧、功耗低等优势；得益于使用连续光信号进行测量，调频连续波激光雷达(fmcw lidar)还具有高灵敏度、信息量丰富、处理解调容易等特有的性能。对高分辨力、高准确度的探测需求而言具有很强的竞争力，并具有非常好的集成化、小型化、低能耗的潜力。
4、传统的调频连续波激光雷达(fmcw lidar)通常只能测量运动物体的相对距离和速度，无法同时测量运动目标的三维速度。目前最新报道的调频连续波三维测量系统，如超宽带太赫兹调频连续波成像系统、毫米波调频连续波mimo雷达系统等，主要为基于微波信号的雷达系统，它们的设计方案较为复杂，并且系统成本也较为昂贵，不具备激光雷达的高精度、高分辨率等优势。因此，三维激光测速测距雷达仍然存在巨大的技术空白需要填补。
5、多芯光纤是一种新型的微结构光纤，具有多个纤芯在同一个包层中的结构特点，其具有纤芯排布特性和多芯多光学通道的优势结构，紧凑性大幅领先传统光纤及光纤束。因此，利用多芯光纤的微结构、小体积的特点，结合调频连续波激光雷达(fmcw lidar)技术，可以有效解决目前雷达技术所面临的问题，填补技术空白，实现调频连续激光三维测速测距功能，达成测量设备小型化、低成本的目的。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供一种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，通过多芯光纤与调频连续波相结合，实现运动目标三维速度和距离的同步测量，具有成本低的优点。
2、本发明实施例解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，包括：第一窄线宽单频光纤激光器(1)、第二窄线宽单频光纤激光器(2)、任意波形发生器(3)、调制器(4)、1×2光纤分束器(5)、第一波分复用器(6)、光环形器(7)、多芯光纤扇入扇出器(8)、多芯光纤(9)、光准直镜(10)、发射/接收望远镜(11)、目标物体(12)、第二波分复用器(13)、第一光纤耦合器(14)、第一分叉光纤(15)、第二分叉光纤(16)、第一光电探测器(17)、第二光电探测器(18)、第二光纤耦合器(19)、平衡探测器(20)、数据采集卡(21)、上位机(22)、第一滤波器(23-1)、第二滤波器(23-2)、第三滤波器(23-3)和第四滤波器(23-4)；
4、第一窄线宽单频光纤激光器(1)用于发射波长为λ1的连续光，任意波形发生器(3)用于生成三角波形式的线性调频信号作为调制器(4)的驱动信号；调制器(4)的光信号输入端口连接第一窄线宽单频光纤激光器(1)、微波信号输入端口连接任意波形发生器(3)、光信号输出端口连接1×2光纤分束器(5)的输入端口，调制器(4)用于将波长为λ1的调制光输出至1×2光纤分束器(5)；1×2光纤分束器(5)用于将光分束为本振光和探测光，1×2光纤分束器(5)的第一输出端口连接第二光纤耦合器(19)的第一输入端口、第二输出端口连接第一波分复用器(6)的第一输入端口；第二窄线宽单频光纤激光器(2)用于发生波长为λ2的连续光，λ1≠λ2；第二窄线宽单频光纤激光器(2)、第一波分复用器(6)、光环形器(7)的第一端口沿光路顺次连接；第一波分复用器(6)用于将2种波长的光合并为一个复合探测光并输入至光环形器(7)；光环形器(7)的第二端口、多芯光纤扇入扇出器(8)的输入输出端口(8-1)、多芯光纤扇入扇出器(8)的输出端口、多芯光纤(9)、光准直镜(10)、发射接收望远镜(11)沿光路顺次连接，复合探测光从发射接收望远镜(11)出射；
5、经目标物体(12)反射后的回波信号依次经发射接收望远镜(11)、光准直镜(10)、多芯光纤(9)、多芯光纤扇入扇出器(8)的输入输出端口(8-1)，从光环形器(7)的第二端口进入光环形器(7)；光环形器(7)的第三端口连接第二波分复用器(13)的输入端口；第二波分复用器(13)用于将光环形器(7)传输的回波信号进行分波后得到2种波长的信号，第二波分复用器(13)的第一输出端口连接第二光纤耦合器(19)的第二输入端口、用于输出波长为λ1的第一分波，第二波分复用器(13)的第二输出端口连接第一光纤耦合器(14)的输入端口、用于输出波长为λ2的第二分波；第二光纤耦合器(19)用于将1×2光纤分束器(5)输出的本振光与第二波分复用器(13)的第一分波汇合后再分束成两路输出至平衡探测器(20)，第二光纤耦合器(19)的两路输出端口分别与平衡探测器(20)的两个输入端口相连接；平衡探测器(20)用于拍频得到对应z方向轴向速度的中频信号；
6、多芯光纤(9)具有5个纤芯，位于中心的纤芯连接多芯光纤扇入扇出器(8)的端口(8-1)，其余4个纤芯沿同一圆周对称均匀分布、顺序对应连接多芯光纤扇入扇出器(8)的端口(8-2)、(8-3)、(8-4)、(8-5)；
7、第一滤波器(23-1)、第二滤波器(23-2)、第三滤波器(23-3)和第四滤波器(23-4)均用于滤除回波信号中波长为λ2以外的波；第一光纤耦合器(14)的第一路输出端口连接第一分叉光纤(15)的第一输入端口，端口(8-4)、第一滤波器(23-1)、第一分叉光纤(15)的第二输入端口沿光路顺次连接，端口(8-2)、第二滤波器(23-2)、第一分叉光纤(15)的第三输入端口沿光路顺次连接；第一分叉光纤(15)的输出端连接第一光电探测器(17)，用于将x轴方向上的3个波长为λ2的光信号输入第一光电探测器(17)；第一光纤耦合器(14)的第二路输出端口连接第二分叉光纤(16)的第一输入端口，端口(8-3)、第三滤波器(23-3)、第二分叉光纤(16)的第二输入端口沿光路顺次连接，端口(8-5)、第四滤波器(23-4)、第二分叉光纤(16)的第三输入端口沿光路顺次连接，第二分叉光纤(16)的输出端连接第二光电探测器(18)，用于将y轴方向上的3个波长为λ2的光信号输入第一光电探测器(17)；
8、数据采集卡(21)的三个输入端分别连接第一光电探测器(17)的输出端、第二光电探测器(18)的输出端、平衡探测器(20)的输出端；数据采集卡(21)的输出端连接上位机(22)，上位机(22)用于接收数据采集卡(21)采集到的3组电信号并执行目标物体的测速测距。
9、较优地，所述调制光为单边带调制激光，由正一阶边带或负一阶边带组成。
10、较优地，z轴方向距离r和速度vz计算公式为：
11、
12、
13、式中，t为所述线性调频信号的调制周期，b为所述线性调频信号的调制带宽，c为光速，λ1是调制光的波长；平衡探测器(20)传输的信号包括本振光所对应电信号和第一分波所对应电信号，所述上位机用于对平衡探测器(20)传输的信号在三角波的上升频段和下降频段分别进行傅里叶变换，得到两个拍频频率fup和fduwn，fup＞fduwn；
14、x轴方向速度vx和y轴方向速度vy计算公式为：
15、vx＝pxfx
16、vy＝pyfy
17、式中，fx为第一光电探测器(17)输出信号频率，fy为第二光电探测器(18)输出信号频率，px是多芯光纤(9)中x方向各纤芯距离，py是多芯光纤(9)中y方向各纤芯距离；
18、径向的总速度vxy计算公式为：
19、
20、其中，vx方向与vxy方向的夹角为θ：
21、
22、进一步的，本发明提供一种基于多芯光纤的调频连续波激光雷达三维测速测距方法，采用前述的基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，步骤包括：
23、步骤s1，将基于多芯光纤的调频连续波激光雷达中各元件可靠连接后启动；此时，第一窄线宽单频光纤激光器发生波长为λ1的连续光，第二窄线宽单频光纤激光器(2)发生波长为λ2的连续光，λ1≠λ2，任意波形发生器(3)生成三角波形式的线性调频信号作为调制器(4)的驱动信号；
24、步骤s2，调制器(4)根据所述驱动信号和所述波长为λ1的连续光进行调制，生成波长为λ1的调制光输出至1×2光纤分束器(5)；
25、步骤s3，1×2光纤分束器(5)将所述调制光分束为本振光和探测光，分别送入第二光纤耦合器(19)和第一波分复用器(6)；
26、步骤s4，第一波分复用器(6)将2种波长的光合并为一个复合探测光并输入至光环形器(7)；
27、步骤s5，光环形器(7)将所述复合探测光输出至多芯光纤扇入扇出器(8)，所述复合探测光经多芯光纤扇入扇出器(8)的输出端口、多芯光纤(9)、光准直镜(10)、最后由发射接收望远镜(11)出射，照射在目标物体(12)上；
28、步骤s6，经目标物体(12)反射后的回波信号依次经发射接收望远镜(11)、光准直镜(10)、多芯光纤(9)、多芯光纤扇入扇出器(8)的输入输出端口(8-1)，从光环形器(7)的第二端口进入光环形器(7)，最后到达第二波分复用器(13)；
29、步骤s7，第二波分复用器(13)将所述回波信号进行分波后得到2种波长的信号，其中波长为λ1的第一分波输出至第二光纤耦合器(19)，波长为λ2的第二分波输出至第一光纤耦合器(14)，第一光纤耦合器(14)将所述第二分波分别输入至第一分叉光纤(15)和第二分叉光纤(16)；
30、步骤s8，第二光纤耦合器(19)将1×2光纤分束器(5)输出的所述本振光与第二波分复用器(13)的所述第一分波汇合后再分束成两路输出至平衡探测器(20)；
31、步骤s9，平衡探测器(20)进行拍频并得到对应z方向轴向速度中频信号；
32、步骤s10，所述回波信号分别经多芯光纤扇入扇出器(8)的端口(8-2)、端口(8-4)输出，由第一滤波器(23-1)、第二滤波器(23-2)滤波后成为两个波长为λ2的回波信号，进入第一分叉光纤(15)；所述回波信号分别经多芯光纤扇入扇出器(8)的端口(8-3)、端口(8-5)输出，由第三滤波器(23-3)、第四滤波器(23-4)滤波后成为两个波长为λ2的回波信号，进入第二分叉光纤(16)；
33、步骤s11，第一分叉光纤(15)将x轴方向上的3个波长为λ2的信号输入第一光电探测器(17)；第二分叉光纤(16)将y轴方向上的3个波长为λ2的信号输入第二光电探测器(18)；
34、步骤s12，数据采集卡(21)采集第一光电探测器(17)的输出信号、第二光电探测器(18)的输出信号、平衡探测器(20)的输出信号，将采集到的3组信号输出给上位机(22)；
35、步骤s13，上位机(22)用于接收数据采集卡(21)采集到的3组电信号并执行目标物体的测速测距。
36、由上述技术方案可知，本发明实施例提供的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，雷达由两个窄线宽单频光纤激光器、任意波形发生器、调制器、1×2光纤分束器、两个波分复用器、光环形器、多芯光纤扇入扇出器、多芯光纤、光准直镜、发射/接收望远镜、目标物体、滤波器、两个光纤耦合器、两个分叉光纤、两个光电探测器、平衡探测器、数据采集卡、上位机组成，其中1号纤芯既是轴向纤芯，又作两个径向纤芯组的公用纤芯，用作径向感知，径向平衡探测器以及轴向光电探测器用于向上位机输出信号，上位机根据计算需求作径向以及轴向的速度及距离计算，本发明实现三维方向的同步速度和距离测算，可进行同步三维测速测距，具有成本低的优点。
1.一种基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：第一窄线宽单频光纤激光器(1)、第二窄线宽单频光纤激光器(2)、任意波形发生器(3)、调制器(4)、1×2光纤分束器(5)、第一波分复用器(6)、光环形器(7)、多芯光纤扇入扇出器(8)、多芯光纤(9)、光准直镜(10)、发射/接收望远镜(11)、目标物体(12)、第二波分复用器(13)、第一光纤耦合器(14)、第一分叉光纤(15)、第二分叉光纤(16)、第一光电探测器(17)、第二光电探测器(18)、第二光纤耦合器(19)、平衡探测器(20)、数据采集卡(21)、上位机(22)、第一滤波器(23-1)、第二滤波器(23-2)、第三滤波器(23-3)和第四滤波器(23-4)；
2.如权利要求1所述的基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述调制光为单边带调制激光，由正一阶边带或负一阶边带组成。
3.如权利要求2所述的基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，其特征在于：
4.一种基于多芯光纤的调频连续波激光雷达的三维测速测距方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的基于多芯光纤的调频连续波激光雷达，步骤包括：
5.如权利要求4所述的基于多芯光纤的调频连续波激光雷达的三维测速测距方法，其特征在于：
