本发明涉及激光雷达，尤其涉及一种多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统及方法。
背景技术：
1、传统的激光雷达（lidar）的测距方法包括以下三种：
2、（1）三角测距：原理是由激光发射器发射出激光，激光经过目标物体反射后通过接受透镜被cmos（一种图像传感器）捕捉，根据cmos上捕捉点的位置信息可以计算得到被测目标物体与激光发射器的距离。
3、（2）飞行时间（tof）测距：可分为直接飞行时间（dtof）测距和间接飞行时间（itof)测距，直接飞行时间测距是利用了光速测距原理，激光发射器发射出较短时间的激光脉冲，计时器记录发射时间，激光经被测目标物体反射后由接收器接收，计时器记录接收时间，得到的时间差乘以光速即计算得到激光发射器与被测目标物体距离的两倍；间接飞行时间测距则是通过测量发射光波和接收光波的相位差转换为时间差，间接得到激光的飞行时间的方法。
4、（3）fmcw法：一种激光相干探测技术，原理是激光发射器经线性调制后在扫频周期内发射频率变化的连续波信号，经目标物体反射后的回波信号被光电探测器接收，由于线性调制，经一段时间后的回波信号与本振信号（即发射信号）存在一个固定的频率差，该频率差可以通过混频或者相干拍频得到，进而获得被测目标物体与激光发射器之间的距离信息。
5、但是上述三种测距方法分别存在如下问题：（1）三角测距中，当被测目标物体与激光发射器距离较远时，经反射后在coms上捕捉的点会很小，这就需要cmos具有较高的探测精度；另外，目标与激光发射器距离越远，引起coms上捕捉点的位置变化将不那么明显，导致了激光雷达的测量精度大大下降，限制了测量范围，因此，三角测距原理只适用于近距离的目标测距环境中；（2）飞行时间测距不受距离测量范围的限制，且测量精度高，但成本也相对较高，且为保持接受到的脉冲信号不失真，激光发射器需要发射高质量的脉冲光，而且由于光速传播太快，直接飞行时间测距对计时器记录激光往返时间的精确度就有较高的要求，间接飞行时间测距抗干扰能力差，探测距离过远的话，接受波波形会出现信噪比减小、相位模糊等问题；（3）调频连续波（fmcw）法测距对激光的相干性要求极高，需要窄线宽、频率调制带宽高的激光器，这使得技术难度增大，伴随着高成本的问题。
6、为解决上述问题，现有技术中提出了相位调制连续波（phmcw）测距方法。然而，phmcw系统由一台激光发射器和一台光电探测器构成，但该激光雷达测距系统只能在一个角度（方向）上进行距离测量。为实现3d成像，需要对探测角度进行扫描，在各个角度上逐点测距。又因为每一方向需要一段时间测距，例如10μs，一个3d点云图像需要测量几万个方向，则一帧点云图像所需时间达几百毫秒，用时远高于实时3d成像要求的50ms（20帧/秒）。一种简单的解决方案是：将上述phmcw激光测距系统复制n套，每套系统固定对应一个角度进行距离测量，这样可以同时对n个方向进行测量，成像速度提高n倍。但这样不仅增加了系统的复杂度，使系统的操纵难度加大，而且会大大的增加体积、成本、重量、功耗（需要n个激光器和n个探测器），难于实现在实际的距离测量工作中。
7、虽然phmcw能很好地测距，但是在点云成像中存在帧频低、成像速度慢的问题，因此迫切需要多方向并行探测的方法，以提高成像速度。
技术实现思路
1、本发明为解决上述问题，提供一种多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统及方法。
2、本发明第一目的在于提供一种多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，包括激光发射器、相位调制器、信号发生器、分束器、光频梳产生单元、光环行器、色散单元、光纤耦合器、光电探测器、滤波单元和数字信号处理单元；
3、所述激光发射器，用于发射激光光束；
4、所述相位调制器，用于对所述激光光束进行相位调制，使激光信号的相位按规律变化；
5、所述信号发生器，用于控制所述相位调制器产生相位调制信号和输出预设相位；
6、所述分束器，用于将经所述相位调制器调制后的光束分为本振光束和探测光束；
7、所述光频梳产生单元，用于使所述探测光束产生光学频率梳的光波信号，并将所述光波信号输入至所述光环行器；
8、所述光环行器，用于将经所述光频梳产生单元调制后的光波信号传输到所述色散单元，并接收从待测距目标反射的回波光束；
9、所述色散单元，用于将所述光波信号进行分光，入射至待测距目标后被反射成为所述回波光束，再返回至所述光环行器；
10、所述光纤耦合器，用于将所述本振光束与所述回波光束进行混频，得到中频信号；
11、所述光电探测器，用于将所述中频信号转换为电信号并输入至所述滤波单元；
12、所述滤波单元包括n路独立的滤波器，用于过滤特定频段波信号以及屏蔽其他频段波信号；
13、所述数字信号处理单元，用于对通过所述滤波单元的保留频段波信号进行数据处理与分析，计算得到所述多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统与待测距目标之间的距离信息。
14、优选的，滤波器为带通滤波器或低通滤波器。
15、优选的，光频梳产生单元为氮化硅微环光梳、相位调制光梳或包括声光调制器和增益介质的循环移频光梳中的任意一种。
16、优选的，光频梳产生单元包括声光调制器、增益介质和两个耦合器；所述增益介质为光纤放大器；通过所述声光调制器的光，产生频移为的光，一个耦合器将一部分能量耦合进入所述光纤放大器进行光功率放大，并通过另一个耦合器再次耦合回所述声光调制器，产生频移为2的光；重复调制，最终产生频移为、2、3、……、n的光学频率梳的光波信号。
17、优选的，光学频率梳的光波信号的光场表达式为：
18、；
19、式中，为第n个角度的发射光波的电场振幅，为光角频率，声光调制器产生特定的频率输出，t为时间，为第n个角度的发射光波的相位。
20、优选的，本振光束和所述回波光束分别产生本振信号lo和回波信号r；
21、所述本振信号lo的光场表达式为：
22、；
23、所述回波信号r的光场表达式为：
24、；
25、式中，为初始振幅，为初始频率，为本振光波的相位，为第n个角度的回波光波的电场振幅，为声光调制器产生特定的频率输出，t为光波信号的传输时间，为第n个角度的光波的时间间隔飞行时间，为第n个角度的发射光波的相位，为第n个角度的发射光波的相位当存在时间间隔时随时间的变化，n为第n个角度的发射光波。
26、优选的，中频信号的光场表达式为：
27、if=；
28、式中，为第n个中频信号的振幅，为声光调制器产生特定的频率输出，为第n个角度的发射光波的相位当存在时间间隔时随时间的变化，为本振光波的相位。
29、优选的，还包括设置在所述光环行器与所述色散单元之间的准直器，用于对所述光波信号和所述回波光束进行准直。
30、优选的，分束器为分束镜、硅光芯片或中90:10的光纤分束器任意一种；所述相位调制器为铌酸锂电光相位调制器或硅波导的热光相位调制器；所述色散单元为分光光栅或三棱镜。
31、本发明第二目的在于提供一种多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距方法，采用多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统进行测量，包括如下步骤：
32、s1.激光发射器发射激光光束，相位调制器对所述激光光束进行相位调制，使激光信号的相位按规律变化；
33、s2.经所述相位调制器调制的激光光束入射至分束器，分为本振光束和探测光束；
34、s3.所述探测光束经过光频梳产生单元的调制后产生光学频率梳的光波信号，并将所述光波信号输入至所述光环行器的端口一；
35、s4.所述光波信号从所述光环行器的端口二输出并被色散单元分光后，入射至待测距目标并被反射成为回波光束，再从所述光环行器的端口二输入；
36、s5.所述回波光束从所述光环行器的端口三输出，并与所述本振光束在光纤耦合器进行混频，得到中频信号；
37、s6.通过光电探测器将所述中频信号转换为电信号，并输入至所述滤波单元；
38、s7.通过所述滤波单元中n路独立的滤波器过滤特定频段波信号以及屏蔽其他频段波信号，保留频段波信号传输至数字信号处理单元；
39、s8.所述数字信号处理单元对所述保留频段波信号进行数据处理与分析，计算获得时间间隔；再求解得到各方向上待测距目标物体与所述多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统的距离dn；求解公式如下：
40、；
41、式中，为时间间隔，c为光速。
42、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
43、本发明提出的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统只用一台激光器和一台探测器，可进行多角度同时（并行）测量，只增加了产生光频梳（ofc）的结构、色散单元和数字信号处理单元，在不显著增加系统的体积、成本、重量、功耗前提下实现并行探测，使得系统更简洁，易操作，也不会增加太多的成本，有利于更广泛的应用。在phmcw基础上，提出的并行探测的方案，提高了帧频（或者叫探测速度），克服了现有技术中测n个点需要测n次、探测速度慢的技术缺陷，通过本发明可以实现1次就测量n个点的有益效果。
1.多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：包括激光发射器、相位调制器、信号发生器、分束器、光频梳产生单元、光环行器、色散单元、光纤耦合器、光电探测器、滤波单元和数字信号处理单元；
2.根据权利要求1所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述滤波器为带通滤波器或低通滤波器。
3.根据权利要求2所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述光频梳产生单元为氮化硅微环光梳、相位调制光梳或包括声光调制器和增益介质的循环移频光梳中的任意一种。
4.根据权利要求3所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述光频梳产生单元包括声光调制器、增益介质和两个耦合器；所述增益介质为光纤放大器；通过所述声光调制器的光，产生频移为的光，一个耦合器将一部分能量耦合进入所述光纤放大器进行光功率放大，并通过另一个耦合器再次耦合回所述声光调制器，产生频移为2的光；重复调制，最终产生频移为、2、3、……、n的光学频率梳的光波信号。
5.根据权利要求4所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述光学频率梳的光波信号的光场表达式为：
6.根据权利要求5所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述本振光束和所述回波光束分别产生本振信号lo和回波信号r；
7.根据权利要求6所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述中频信号的光场表达式为：
8.根据权利要求1-7任意一项所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：还包括设置在所述光环行器与所述色散单元之间的准直器，用于对所述光波信号和所述回波光束进行准直。
9.根据权利要求8所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统，其特征在于：所述分束器为分束镜、硅光芯片或90:10的光纤分束器中任意一种；所述相位调制器为铌酸锂电光相位调制器或硅波导的热光相位调制器；所述色散单元为分光光栅或三棱镜。
10.一种多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距方法，采用权利要求1-9任意一项所述的多方向中频脉冲并行调解的激光雷达测距系统进行测量，其特征在于，包括如下步骤：
