CN109444849B - 相控阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种相控阵激光雷达，包括激光发射机构，激光发射机构包括激光器和发射相控阵单元，激光器设有至少一个，发射相控阵单元设有至少一个，发射相控阵单元与对应的激光器光学连接，发射相控阵单元用于接收激光光源、并朝被测物体发射探测激光；及激光接收机构，激光接收机构包括接收相控阵单元和接收器，接收相控阵单元设有至少一个，接收相控阵单元用于接收被测物体反射的回波激光，接收器用于对回波激光进行耦合。发射相控阵单元朝被测物体发射探测激光，接收相控阵单元接收被测物体反射的回波激光，由于无需传统的机械转动装置，从而大大降低了激光雷达的占用空间，提升了整个相控阵激光雷达的可靠性，并降低了生产成本。

Description

相控阵激光雷达

技术领域

本发明涉及汽车驾驶中的雷达探测技术领域，特别是涉及一种相控阵激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种利用激光进行探测和测距的装置。其原理与雷达或声呐类似，即：用发射装置向目标物体发射激光脉冲，通过接收装置测量返回脉冲的延迟和强度来测量目标物体的距离与反射率。

传统的激光雷达通常采用机械转动装置进行360度的环形扫描，并集合多组激光发射接收机、以同时覆盖多个俯仰角度。这种激光雷达需要使用多组激光收发机，并且需要精密的光调校准(通常手工完成)，造价高昂，机械转动装置也容易出现故障。

发明内容

基于此，有必要提供一种相控阵激光雷达。该相控阵激光雷达的成本低廉、可靠性高、占用空间少。

其技术方案如下：

一种相控阵激光雷达，包括激光发射机构，激光发射机构包括激光器和发射相控阵单元，激光器设有至少一个，激光器用于产生激光光源，发射相控阵单元设有至少一个，发射相控阵单元与对应的激光器光学连接，发射相控阵单元用于接收激光器产生的激光光源、并朝被测物体发射探测激光；及激光接收机构，激光接收机构包括接收相控阵单元和与接收相控阵单元对应设置的接收器，接收相控阵单元设有至少一个，接收相控阵单元用于接收被测物体反射的回波激光，接收器用于对回波激光进行耦合。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，发射相控阵单元的激光发射轴线与接收相控阵单元的激光接收轴线呈预设夹角设置，一个发射相控阵单元与一个接收相控阵单元形成一个发射接收对，发射接收对设有至少一个。

在其中一个实施例中，发射接收对设有一个，激光器设有一个，激光器为可调谐激光器，发射相控阵单元为一维相控阵；

或发射接收对设有一个，激光器设有一个，发射相控阵单元为二维相控阵。

在其中一个实施例中，接收相控阵单元设有一个，接收相控阵单元为二维相控阵。

在其中一个实施例中，接收相控阵单元设有多个、并呈间距排布设置。

在其中一个实施例中，激光器设有一个，发射相控阵单元设有多个，激光发射机构还包括分束器，分束器设于激光器和发射相控阵单元之间，分束器用于将激光器发出的激光进行分束、并使分束后的激光与发射相控阵单元对应。

在其中一个实施例中，激光器设有多个，发射相控阵单元设有多个、并与激光器对应设置。

在其中一个实施例中，至少两个发射相控阵单元的安装仰角不相同。

在其中一个实施例中，发射相控阵单元的安装仰角相同，激光发射机构还包括偏折组件，偏折组件包括多个用于对发射相控阵单元发出的激光进行偏折处理的光学偏折件，光学偏折件与发射相控阵单元一一对应。

在其中一个实施例中，接收器为光电探测器。

上述相控阵激光雷达，发射相控阵单元朝被测物体发射探测激光，接收相控阵单元接收被测物体反射的回波激光，由于无需传统的机械转动装置，从而大大降低了激光雷达的占用空间，提升了整个相控阵激光雷达的可靠性，并降低了生产成本。

附图说明

图1为实施例中相控阵激光雷达的整体框架图；

图2为激光发射机构的第一实施例整体结构图；

图3为图2实施例横向调节和纵向调节示意图；

图4为激光发射机构的第二实施例整体结构图；

图5为激光发射机构的第三实施例整体结构图；

图6为激光接收机构的第一实施例整体结构图；

图7为激光接收机构的第二实施例整体结构图；

图8为激光接收机构的第三实施例整体结构图；

图9为单个一维相控阵的纵向排布第一实施例图；

图10为单个一维相控阵的纵向排布第二实施例图；

图11为单个一维相控阵的纵向排布第三实施例图；

图12为多个一维相控阵的纵向排布第一实施例图；

图13为多个一维相控阵的纵向排布第二实施例图；

图14为多个一维相控阵的纵向排布第三实施例图。

附图标注说明：

100、激光器，200、发射相控阵单元，210、光学偏折件，211、第一偏折件，212、第二偏折件，300、接收相控阵单元，400、接收器，510、一维相控阵，520、二维相控阵，600、被测物体，700、发射接收对。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图14所示的实施例，提供了一种相控阵激光雷达，包括激光发射机构，激光发射机构包括激光器100和发射相控阵单元200，激光器100设有至少一个，激光器100用于产生激光光源，发射相控阵单元200设有至少一个，发射相控阵单元200与对应的激光器100光学连接，发射相控阵单元200用于接收激光器100产生的激光光源、并朝被测物体600发射探测激光；及激光接收机构，激光接收机构包括接收相控阵单元300和与接收相控阵单元300对应设置的接收器400，接收相控阵单元300设有至少一个，接收相控阵单元300用于接收被测物体600反射的回波激光，接收器400用于对回波激光进行耦合。

发射相控阵单元200朝被测物体600发射探测激光，接收相控阵单元300接收被测物体600反射的回波激光，由于无需传统的机械转动装置，从而大大降低了激光雷达的占用空间，提升了整个相控阵激光雷达的可靠性，并降低了生产成本。

传统的激光雷达使用机械转动装置进行360°环形扫描，并集合多组激光发射接收机、以同时覆盖多个俯仰角度，从而实现多方位扫描。然而，这种激光雷达造价高昂，转动精度难以把控，且容易出故障，激光接收效率也相对差。

本实施例中，激光器100设有至少一个，发射相控阵单元200设有至少一个，使激光器100和发射相控阵单元200能够根据实际的需要进行匹配设置、且配合使用即可进行多维扫描；接收相控阵单元300设置至少一个，使接收相控阵单元300能够根据实际需要进行匹配设置、以满足回波激光的不同接收需要。由于激光发射机构和激光接收机构均无需设置机械转动装置，使得整体的激光雷达系统成本低廉，接收器400对接收相控阵单元300接收到的回波激光进行耦合处理、并基于预设要求处理得到测量结果，测量可靠性高；另外，发射相控阵单元200和接收相控阵单元300相比传统机械转动装置还大大缩小了激光雷达的占用空间。

相控阵单元(如前述的发射相控阵单元200和接收相控阵单元300)指光学相控阵，即Optical Phased Array，简称OPA。本实施例提供的相控阵激光雷达采用相控阵单元(即OPA)替代传统的机械转动装置。光学相控阵由许多相同的天线组成矩阵，所有天线的辐射波在远场通过干涉形成一束雷达波。电子系统实时控制每个天线的相位，从而控制远场的雷达波方向。电子系统改变某些天线的相位，就可以改变雷达波(即探测激光)的方向，从而实现动态扫描。这样的电子扫描不需要机械转动装置，扫描速率快，且即使有少量天线发生故障也不会影响光学相控阵的实际使用。

使用光学相控阵只需要单一元件即可完成一个空间立体角度内的扫描；同时使用全自动、大规模的光子集成电路的制造、封装工艺而不需要机械转动装置的激光雷达那样复杂费时的安装校准过程，从而可以降低成本。同时，本实施例中的相控阵激光雷达没有高速旋转的机械部件，测量可靠性相比传统激光雷达能够得到进一步地提高。

相控阵单元属于单向光学器件，使用相控阵单元组成激光雷达，则需要将相控阵单元发射到空间中各个方向的探测激光所反射的雷达回波信号(即回波激光)进行收集并探测。

本实施例中采用接收相控阵单元300对被测物体600反射回的回波激光进行接收，并通过接收器400对接收到的回波激光进行耦合处理、并根据预设要求进行转换、计算等得到所需的测量结果。

需要说明的是：

发射相控阵单元200与激光器100之间光学连接，这里的光学连接指保证光能在光波导之间或光波导与光学无源器件之间或光波导与光学源器件之间具有低衰减传输的连接的设置；

接收器400用于对接收相控阵单元300接收到的回波激光进行耦合处理等，因此，接收器400与接收相控阵单元300之间根据需要可以是光学连接，且根据需要，本领域技术人员可选用能够满足要求的接收器400如光电探测器等，这里不再赘述。

如图6和图7所示的实施例，发射相控阵单元200的激光发射轴线与接收相控阵单元300的激光接收轴线呈预设夹角设置，一个发射相控阵单元200与一个接收相控阵单元300形成一个发射接收对700，发射接收对700设有至少一个。

接收相控阵单元300用于接收被测物体600反射回的回波激光，在接收时，为了提高对回波激光的接收精度，通常会使接收相控阵单元300的激光接收轴线与发射相控阵单元200的激光发射轴线呈预设夹角设置，以起到更好的接收技术效果。

激光在传输过程中，由于光路可逆，且被测物体600散射后的回波激光的光束宽度也远大于探测激光的光束，因此，使接收相控阵单元300的激光接收轴线与发射相控阵单元200的激光发射轴线呈预设夹角设置，也即发射端与接收端的轴不平行(也可以理解为不同轴)，使两轴夹角保持在预设范围内，以保障至少有一部分的回波激光依然可以被接收相控阵单元300接收到。

如图6所示的实施例，一个发射相控阵单元200与一个接收相控阵单元300配合形成一个发射接收对700，发射接收对700设有多个。

此时，发射相控阵单元200设有多个，接收相控阵单元300设有多个，从而使发射相控阵单元200发射出的探测激光被被测物体600反射后形成回波激光，而多个接收相控阵单元300可以接收到该回波激光，以进一步通过接收器400耦合处理得到测量结果。

如图7所示的实施例，发射接收对700设有一个，激光器100设有一个，激光器100为可调谐激光器100，发射相控阵单元200为一维相控阵510。

此时，激光器100设有一个、且为可调谐激光器100，发射相控阵单元200设有一个、且为一维相控阵510，接收相控阵单元300设有一个。

可调谐激光器100指使用波长可调谐的激光器100产生光源，当输出的激光波长产生改变时，光束经过发射相控阵单元200并出射到不同的纵向角度，从而实现纵向的光束偏转，实现纵向的扫描。

发射相控阵单元200设有一个、且为一维相控阵510时，纵向扫描方式有以下几种：

如图9所示的实施例，该激光器100为可调谐激光器100，该可调谐激光器100配合发射相控阵单元200(即一维相控阵510)的发射天线作为色散器件实现波长调制的纵向扫描；

如图10所示的实施例，该激光器100同样为可调谐激光器100，在一维相控阵510的外部使用独立的第一偏折件211(如光栅或棱镜)作为色散器件来实现波长调制的纵向扫描；

如图11所示的实施例，使用非色散的第二偏折件212(如微电机系统)来实现纵向扫描。

图9和图10中，波长可调谐的激光器100的调制方法可以采用半导体激光器100的温度调制或电流调制、固体激光器100或者外腔式半导体激光器100的MEMS谐振腔调制，当然，也可以采用其他现有的激光波长调谐方法。使用单个一维相控阵510进行二维角度(即横向和纵向)的空间扫描时，取决于波长调制和相位调制的相对速度，波长调制较快时纵向扫描可以作为快轴；相位调制较快时纵向扫描作为慢轴；此外，如果二者的速度基本相当，则可以较为容易地实现二维角度空间上的随机点扫描。

当然，还可以是：

如图5所示的实施例，发射接收对700设有一个，激光器100设有一个，发射相控阵单元200为二维相控阵520。

此时，激光器100设有一个，发射相控阵单元200为二维相控阵520，接收相控阵单元300设有一个。

二维相控阵520指无需借助其他器件即可实现横向扫描和纵向扫描的相控阵器件，其直接与激光器100配合，激光器100发出的激光源将直接耦合进入二维相控阵520、并将探测激光朝被测物体600发射。

需要说明的是：

发射相控阵单元200通过衍射合成扫描光束，实现时间上非顺序、空间上非连续的光束扫描；

一维相控阵510(1D-OPA)指具有一组线型发射天线的相控阵阵列器件，具备在沿线型天线方向调制光束发射角度的能力；

二维相控阵520(2D-OPA)指具有多个在二维平面上分布的发射天线的相控阵阵列器件，具备在任意方向上调制光束发射角度的能力。

当然，根据需要，也可以理解为：一维相控阵510指沿一个方向呈间距排布(如横向排布或纵向排布)的多个相控阵单元，二维相控阵520指根据预设要求在一个平面上排布的多个相控阵单元。此时，相控阵单元为二维相控阵520应理解为：相控阵单元有多个、并在一个平面上按预设要求排布设置，这里采用相控阵单元为二维相控阵520只是为了说明和撰写的方便，不再赘述。

另外，发射接收对700设有一个时，发射相控阵单元200设有一个，接收相控阵单元300设有一个，只是为了撰写和说明的方便，在实际操作时，还可以是一个发射相控阵单元200对应多个接收相控阵单元300，以起到更好的回波激光接收效果。

如图8所示的实施例，接收相控阵单元300设有一个，接收相控阵单元300为二维相控阵520。

如图8所示，由于二维相控阵520具有收集空间中任意方向的回波激光的能力，因此，接收相控阵单元300为二维相控阵520时，发射相控阵单元200可以任意形式进行设置，不再赘述。

在一个实施例中，接收相控阵单元300设有多个、并呈间距排布设置。

由于接收相控阵单元300接收天线的尺寸限制，因此，可采取设置多个接收相控阵单元300的方式以同步工作、以增大接收孔径的作用，实现更好的接收技术效果。接收相控阵单元300的排布方式可根据需要进行具体设置，这里不再赘述。

如图2所示的实施例，激光器100设有一个，发射相控阵单元200设有多个，激光发射机构还包括分束器，分束器设于激光器100和发射相控阵单元200之间，分束器用于将激光器100发出的激光进行分束、并使分束后的激光与发射相控阵单元200对应。

如图2所示，激光器100设有一个，发射相控阵单元200设有多个，发射相控阵单元200与激光器100之间光学连接，这种光学连接可以是基于光纤的连接，也可以是基于自由空间光学元件的连接；通过分束器，将激光器100发出的激光进行分束、并将分束后的激光耦合进入对应的发射相控阵单元200，发射相控阵单元200将分束后的激光(即探测激光)朝被测物体600发射。

当然，这里的分束器也可以通过分路的形式实现，这里不再赘述。

进一步地，如图2和图3所示的实施例，发射相控阵单元200呈间距设置、并成排设置，发射相控阵单元200为一维相控阵510。发射相控阵单元200排布形成一排，由于发射相控阵单元200为一维相控阵510，一维相控阵510在一维方向上进行扫描，而一排的发射相控阵单元200从而实现在排布方向上的另一维的扫描，从而实现多方位扫描。

如图2和图3所示，定义一维相控阵510通过相位调制实现的光束偏转方向为横向，则成排设置如图2中的纵向排布方向则为纵向；因此，通过纵向排布的多个一维相控阵510、并通过相位调节即可实现横向和纵向的扫描。

在一个实施例中，激光器100设有多个，发射相控阵单元200设有多个、并与激光器100对应设置。

激光器100设有多个，发射相控阵单元200与激光器100的数量对应设置、并对应进行光学连接，一个激光器100对应一个发射相控阵单元200，多个激光器100发出的激光光源分别耦合入对应的发射相控阵单元200。

如图12所示的实施例，至少两个发射相控阵单元200的安装仰角不相同。

通过调整发射相控阵单元200的安装仰角，使每个发射相控阵单元200发出的光束对应一个俯仰角度，达到纵向扫描的目的。

需要说明的是：发射相控阵单元200的安装仰角指发射相控阵单元200的默认发射光束所在直线与发射相控阵单元200自身所在平面间的夹角。

如图12所示，每个发射相控阵单元200(一维相控阵510)的发射天线在纵向上相对其法线(图12中的虚线)存在一个默认角度，该默认角度由发射相控阵单元200决定。通过机械的方式调整所有的发射相控阵单元200的安装仰角，这种仰角调节方式中，每个发射相控阵单元200被制造在一个单独的光电子芯片上。

如图13所示的实施例，发射相控阵单元200的安装仰角相同，一部分的发射相控阵单元200朝第一方向排布设置，另一部分的发射相控阵单元200朝第二方向排布设置。

如图13所示的实施例，通过改变发射相控阵单元200(一维相控阵510)的内部设置来改变其默认角度，这种改变通常只能向其法线(图13中的虚线)的一侧调节仰角，而在整个纵向的另一侧，需要将发射相控阵单元200进行倒置来实现，也即发射相控阵单元200一部分正常布置，另一部分倒置布置(如相对旋转180°布置)，这种设置方式允许多个一维相控阵510集成制造在同一个光电子芯片上，相对图12所示的实施例，结构更加紧凑，成本更低。

如图14所示的实施例，发射相控阵单元200的安装仰角相同，激光发射机构还包括偏折组件，偏折组件包括多个用于对发射相控阵单元200发出的激光进行偏折处理的光学偏折件210，光学偏折件210与发射相控阵单元200一一对应。

多个发射相控阵单元200(一维相控阵510)的安装仰角相同，也即：发射相控阵单元200的初始安装仰角相同，当发射相控阵单元200朝被测物体600发射探测激光后，发出的激光光束通过光学偏折件210进行偏折，从而使光束偏折向不同的仰角，实现在不同方向上(纵向)扫描的目的。

进一步地，光学偏折件210可以是透射件，也可以是反射件。通过光学偏折件210进行偏折处理的方式可靠性高，且允许多个一维相控阵510集成在同一个光电子芯片上，能够满足小尺寸的安装需求。

图12至图14给出的实施例为多个一维相控阵510210时的纵向排布方式，当然，本领域技术人员还可以根据需要进行具体设置，包括但不限于本实施方式，这里不再赘述。

另外，根据需要，本领域技术人员为了满足对回波激光的接收需要，接收相控阵单元300也可以是：

接收相控阵单元300为一维相控阵510、并设有多个，多个接收相控阵单元300呈纵向排布设置，同样设置光学偏折件210对回波激光进行偏折，从而使回波激光能够被接收相控阵单元300实时接收到。

当然，根据需要，接收相控阵单元300为一维相控阵510、且只设有一个，此时也可以设置光学偏折件210，以满足实际的需要，不再赘述。

在一个实施例中，接收器400为光电探测器。光电探测器对接收相控阵单元300接收到的回波激光进行耦合处理、并进一步光电转换、以满足进一步处理、并获得测试结果。

由于接收相控阵单元300本身已经具备空间分辨能力，因此，本领域技术人员根据需要，可以选择光电探测器为单点型探测器(不具备空间分辨能力)。即使使用多个探测器或阵列式探测器，探测器的感光面的空间分布也不必直接对应激光雷达的光束空间采样。

需要说明的是：

单点线性ToF探测器，用于直接感知激光脉冲的飞行时间，并且每个脉冲的幅度都与脉冲中的光能量正相关。这种探测器可以由雪崩光电二极管(APD，Avalanche Photo-Diode)或者光电二极管(PD，Photo-Diode)或者多像素光子计数器(MPPC，Multi-PixelPhoton Counter)组成。

单点光子计数器，这种探测器可以由单光子雪崩二极管SPAD(Single PhotonAvalanche Diode)或者多像素光子计数器(MPPC)或者光电倍增管(PMT，Photo-Multiplier)组成。

相干探测器，这种探测器通过外差法测量一束参考光与信号光的相干光信号，可以通过自由空间的干涉仪或者光纤干涉仪叠加参考光与信号光，并通过PD测量相干光信号。

接收相控阵单元300在激光接收机构中起到收集不同方向回波激光的作用，接收相控阵单元300能够选择性的接收特定空间方向的激光，之后根据回波信号(回波信号)、并基于预设要求对回波信号进行处理及测距，不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种相控阵激光雷达，其特征在于，包括：

激光发射机构，所述激光发射机构包括激光器和发射相控阵单元，所述激光器设有至少一个，所述激光器用于产生激光光源，所述发射相控阵单元设有多个，所述发射相控阵单元与对应的所述激光器光学连接，所述发射相控阵单元用于接收所述激光器产生的所述激光光源、并朝被测物体发射探测激光；及

激光接收机构，所述激光接收机构包括接收相控阵单元和与所述接收相控阵单元对应设置的接收器，所述接收相控阵单元设有至少一个，所述接收相控阵单元用于接收所述被测物体反射的回波激光，所述接收器用于对所述回波激光进行耦合；

所述发射相控阵单元为一维相控阵，多个所述发射相控阵单元的安装仰角相同，一部分的所述发射相控阵单元朝第一方向排布设置，另一部分的所述发射相控阵单元朝第二方向排布设置，所述第一方向与所述第二方向之间的夹角为180度，多个所述一维相控阵位于一个光电子芯片上。

2.根据权利要求1所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述接收相控阵单元设有一个，所述接收相控阵单元为二维相控阵。

3.根据权利要求1所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述接收相控阵单元设有多个、并呈间距排布设置。

4.根据权利要求2或3所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述激光器设有一个，所述激光发射机构还包括分束器，所述分束器设于所述激光器和所述发射相控阵单元之间，所述分束器用于将所述激光器发出的激光进行分束、并使分束后的激光与所述发射相控阵单元对应。

5.根据权利要求2或3所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述激光器设有多个，一个所述发射相控阵单元对应于一个所述激光器。

6.根据权利要求4所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述激光发射机构还包括偏折组件，所述偏折组件包括多个用于对所述发射相控阵单元发出的激光进行偏折处理的光学偏折件，所述光学偏折件与所述发射相控阵单元一一对应。

7.根据权利要求1-3任一项所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述接收器为光电探测器。