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CN112444818A - 一种激光雷达 - Google Patents

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CN112444818A CN201910838576.8A CN201910838576A CN112444818A CN 112444818 A CN112444818 A CN 112444818A CN 201910838576 A CN201910838576 A CN 201910838576A CN 112444818 A CN112444818 A CN 112444818A
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Abstract

一种激光雷达，可应用于自动驾驶、网联车等领域，其包括：激光器、第一分束模块、信号发生器、平衡相干探测模块、调制器和处理控制模块。激光器用于将发射的激光束传至第一分束模块。第一分束模块用于将激光束分为本征光和信号光，本征光传至平衡相干探测模块，信号光传至调制器。信号发生器用于将参考电信号传至平衡相干探测模块、调制电信号传至调制器。调制器用于对信号光进行调制，将调制后的信号光发射至探测区域。平衡相干探测模块用于接收回波光信号、本征光和参考电信号，根据回波光信号、本征光和参考电信号相干探测，确定出目标电信号，并传至处理控制模块。处理控制模块用于根据目标电信号确定目标物体相关信息。可提高探测的灵敏度。

Description

一种激光雷达
技术领域
本申请涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种激光雷达。
背景技术
激光雷达(light detection and ranging，LiDAR)是一种可能精确、快速获取目标三位空间信息的探测技术。LiDAR通过发射激光束探测与目标物体的距离等特征量的雷达系统。激光雷达的工作原理为：光源(例如激光器)是向目标物体(例如车辆、飞机或导弹)发射光束(例如激光束)，探测器接收被目标物体反射回来的光束，计时器(例如系统时钟)计算出光束被反射与被接收之间的时间差，根据该时间差和光速，可确定出与目标物体的距离，从而可对目标物体进行探测、跟踪和识别。
现有技术中，激光雷达探测与目标物体的距离时，通常是将被目标物体反射回来的光信号转化为电信号，利用转化后的电信号与参考电信号，确定与目标物体的距离。如此，会造成激光雷达探测的灵敏度较低，且可探测的距离范围较小。
发明内容
本申请提供一种激光雷达，用于提高探测的灵敏度以及增加探测的距离范围。
第一方面，本申请提供一种激光雷达，该激光雷达包括激光器、第一分束模块、信号发生器、平衡相干探测模块、调制器和处理控制模块。激光器用于发射激光束，并将激光束传输至第一分束模块。第一分束模块用于将接收到的激光束分为本征光(也可称为参考光)和信号光(也可称为探测光)，并将本征光传输至平衡相干探测模块，将信号光传输至调制器。信号发生器用于产生参考电信号和调制电信号，并将参考电信号传输至平衡相干探测模块，将调制电信号传输至调制器。调制器用于接收信号光和调制电信号，并通过调制电信号对信号光进行调制，将调制后的信号光发射至探测区域，探测区域包括目标物体。平衡相干探测模块用于接收来自目标物体反射的回波光信号、本征光和参考电信号，并根据回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测，确定出目标电信号，将目标电信号传输至处理控制模块。处理控制模块用于根据目标电信号，确定与目标物体相关的信息。
基于该方案，激光雷达在接收到被目标物体反射的回波光信号后，不直接对回波光信号的强度进行探测，而是将回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测，在进行相干探测过程中，由于本征光的存在，可为回波光信号提供一定的增益效果，即有助于提高本征光、回波光信号和参考电信号进行相干探测后的信号的幅度，从而有助于提高激光雷达探测的灵敏度和探测距离的范围。进一步，在外界噪声一定的情况下，在提高回波光信号的强度的情况下，还有助于提高输出目标电信号的信噪比。
在一种可能的实现方式中，激光雷达还可包括第二分束模块和第三分束模块，平衡相干探测模块包括两个平衡相干探测器。其中，第二分束模块用于接收来自第一分束模块的本征光，并将本征光分为两个第一本征光，将第一本征光传输至对应的平衡相干探测器，两个第一本征光与两个平衡相干探测器一一对应。第三分束模块，用于接收来自光束接收模块的回波光信号，并将回波光信号分为两个第一回波光信号，将第一回波光信号传输至对应的平衡相干探测器，两个第一回波光信号与两个平衡相干探测器一一对应。平衡相干探测器，用于接收对应的第一本征光、对应的第一回波光信号和参考电信号，并根据接收到的第一本征光、第一回波光信号和参考电信号进行相干探测，得到目标电信号。即本申请可用两个平衡相干探测器实现对强度较弱的回波光信号的高灵敏度探测。
或者，也可理解为：第二分束模块用于接收来自第一分束模块的本征光，并将本征光分为两个第一本征光，将第i个第一本征光传输至第i个平衡相干探测器，两个第一本征光与两个平衡相干探测器一一对应，i取1和2。第三分束模块，用于接收来自光束接收模块的回波光信号，并将回波光信号分为两个第一回波光信号，将第i个第一回波光信号传输至第i个平衡相干探测器，两个第一回波光信号与两个平衡相干探测器一一对应。第i个平衡相干探测器，用于接收第i个第一本征光、第i个第一回波光信号和参考电信号，并根据第i个第一本征光、第i个第一回波光信号和参考电信号进行相干探测，得到目标电信号。即本申请可用两个平衡相干探测器实现对强度较弱的回波光信号的高灵敏度探测。
此处，第i个第一本征光为两个第一本征光中的一个，第i个第一回波光信号为两个第一回波光信号中的一个，第i个平衡相干探测器为两个平衡相干探测器中的一个。i取1时，表示第1个第一本征光，第1个第一回波光信号、第1个平衡相干探测器；i取2时，表示第2个第一本征光，第2个第一回波光信号、第2个平衡相干探测器。也可以理解为，两个第一本征光包括第1个第一本征光和第2个第一本征光，两个第一回波光信号包括第1个第一回波光信号和第2个第一回波光信号，两个平衡相干探测器包括第1个平衡相干探测器和第2个平衡相干探测器。
需要说明的是，本申请中的“第1个”、“第2个”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。另外，第二分束模块和第三分束模块可以相同也可以不相同。
进一步，第二分束模块可将接收到的本征光一分为二(即分光比为50：50)得到两个第一本征光。第三分束模块可将接收到的回波光信号一分为二(即分光比为50：50)得到两个第一回波光信号。如此，可以分别为两个平衡相干探测器提供相同强度的本振光和回波光信号。
在一种可能的实现方式中，平衡相干探测器包括第四分束模块和两个探测器阵列。其中，第四分束模块用于将接收到的第一本征光分为两个第二本征光、以及将接收到的第一回波光信号分为两个第二回波光信号，两个第二本征光与两个探测器阵列一一对应，两个第二回波光信号与两个探测器阵列一一对应，将第二本征光传输至对应的探测器阵列，将第二回波光信号传输至对应的探测器阵列。
或者，也可以理解为，第i个平衡相干探测器包括第四分束模块和两个探测器阵列。其中，第四分束模块用于将接收到的第一本征光分为两个第二本征光、以及将接收到的第一回波光信号分为两个第二回波光信号；将第j个第二本征光传输至对应的第j个探测器阵列，两个第二本征光与两个探测器阵列一一对应；将第j个第二回波光信号传输至第j个探测器阵列，两个第二回波光信号与两个探测器阵列一一对应，j取1和2。也就是说，i＝1时，j取1和2；i＝2时，j也取1和2。也就是说，针对两个平衡相干探测器中的每个平衡相干探测器，j均取1和2。
为了实现将第二本征光和第二回波光信号尽可能的照射至探测器阵列上，平衡相干探测器还包括两个透镜组，两个透镜组与两个探测器阵列一一对应。透镜组用于接收对应的第二本征光和对应的第二回波光信号，并将对应的第二本征光进行汇聚，将汇聚后的第二本征光传输至对应的探测器阵列；将对应的第二回波光信号进行汇聚，将汇聚后的第二回波光信号传输至对应的探测器阵列。
或者，也可以理解为，第i个平衡相干探测器还包括两个透镜组，两个透镜组与两个探测器阵列一一对应。第j个透镜组用于接收第j个第二本征光和第j个第二回波光信号，并将第j个第二本征光进行汇聚，将汇聚后的第j个第二本征光传输至第j个探测器阵列；将第j个第二回波光信号进行汇聚，将汇聚后的第j个第二回波光信号传输至第j个探测器阵列。
在一种可能的实现方式中，平衡相干探测器还包括减法器。探测器阵列用于对接收到的汇聚后的第二本征光、汇聚后的第二回波光信号、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至对应的减法器。减法器，用于分别接收来自两个探测器阵列的积分值，并将其中一个探测器阵列的积分值与另一个探测器阵列的积分值进行减法运算，得到目标电信号。
或者，也可以理解为，第i个平衡相干探测器还包括减法器。第j个探测器阵列用于对接收到的汇聚后的第j个第二本征光、汇聚后的第j个第二回波光信号、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至对应的减法器。减法器，用于分别接收来自两个探测器阵列的积分值，并将其中一个探测器阵列的积分值与另一个探测器阵列的积分值进行减法运算，得到目标电信号。
在一种可能的实现方式中，平衡相干探测器还包括P个减法器，探测器阵列包括M个感光单元，其中，一个减法器分别对应两个探测器阵列中相同数目的一个或多个感光单元，P和M均为正整数。感光单元包括光电探测器、混频器和积分器。光电探测器用于对接收到的汇聚后的第二本征光、以及汇聚后的第二回波光信号进行相干探测，得到相干探测信号，并将该相干探测信号传输至混频器。混频器用于对接收到的参考电信号和相干探测信号进行混频处理，得到混频信号，并将混频信号传输至积分器。积分器，用于对接收到的混频信号进行积分，得到N个积分值，并将N个积分值传输至对应的减法器，N为大于或等于4的整数。进一步可选地，N为大于或等于4的偶数。每个减法器用于接收来自两个探测器阵列中对应的积分器输出的N个积分值，将其中一个探测器阵列中的积分器的N个积分值分别与另一个探测器阵列中对应的积分器的N个积分值进行减法运算，得到目标电信号，两个探测器阵列中的积分器一一对应。
其中，一个减法器可分别对应两个探测器阵列中的一个或多个感光单元可分如下两种情形详细说明。
情形1，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的一个感光单元。
也可以理解为，两个探测器阵列之间相互对应的感光单元可通过减法器一一相连。也就是说，一个减法器分别与探测器阵列1中的一个感光单元对应、且与探测器阵列2中的一个感光单元对应，且探测器阵列1中的该感光单元和探测器阵列2中的该感光单元对应。示例性地，探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)通过减法器1相连，探测器阵列1中的第2个感光单元(感光单元M1-2)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-2)通过减法器2相连，依次类推，探测器阵列2中每个感光单元分别与探测器阵列1中每个感光单元通过对应的减法器一一相连。通过减法运算，因此可以有效消除两个感光单元之间的共模噪声，可进一步提升输出的目标电信号的信噪比，从而可有助于提升激光雷达的探测的距离范围。
情形2，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的相同数目的多个感光单元。
也可以理解为，两个探测器阵列之间相互对应的多个相同数目的感光单元可通过一个减法器相连。也就是说，一个减法器分别与探测器阵列1中的多个感光单元对应、且与探测器阵列2中的多个感光单元对应，且探测器阵列1的这多个感光单元和探测器阵列2中的这多个感光单元一一对应。示例性地，以两个感光单元为例，探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)和第2个感光单元(感光单元M1-2)、与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)和第2个感光单元(感光单元M2-2)，通过减法器1相连，其中，探测器阵列1中的第1个感光单元与探测器阵列2中的第1个感光单元，探测器阵列1中的第2个感光单元与探测器阵列2中的第2个感光单元对应。
在一种可能的实现方式中，激光雷达还包括相移器，相移器与两个平衡相干探测器中的任一个对应。相移器用于接收来自第二分束模块的其中一个第一本征光，并将接收到的第一本征光的相位改变90度，将相位改变后的第一本征光传输至对应的平衡相干探测器。如此，可消除由飞行时间所导致的回波光信号零点。
也可以理解为，相移器可以与第1个平衡相干探测器对应，也可以与第2个平衡相干探测器对应。
在一种可能的实现方式中，激光雷达还包括第一反射镜和第二反射镜。第一反射镜与两个平衡相干探测器的其中一个对应，第二反射镜与两个平衡相干探测器的其中另一个对应。第一反射镜，用于将来自第三分束模块的其中一个第一回波光信号反射至对应的平衡相干探测器中。第二反射镜，用于将来自第二分束模块的其中一个第一本征光反射至对应的平衡相干探测器中。通过第一反射镜可将一个第一回波光信号反射至一个平衡相干探测器，通过第二反射镜可将一个第一本征光反射至另一个平衡相干探测器。如此，可便于激光雷达中第二分束模块、第三分束模块、平衡相干探测器1和平衡相干探测器2之间的组装和光路的调节。
在另一种可能的实现方式中，激光雷达可包括两个第一反射镜和两个第二反射镜，两个第一反射镜均与一个平衡相干探测器对应，两个第二反射镜均与另一个平衡相干探测器对应。两个第一反射镜的其中一个第一反射镜与两个第一回波光信号的其中一个第一回波光信号对应，两个第一反射镜的其中另一个第一反射镜与两个第一本征光的其中一个第一本征光对应；两个第二反射镜的其中一个第二反射镜与两个第一回波光信号的其中另一个第一回波光信号对应，两个第二反射镜的其中另一个第二反射镜与两个第一本征光的其中另一个第一本征光对应。
在本申请中，基于激光雷达中模数转换器与减法器之间的对应关系，可分如下三种情形。
情形一，激光雷达还可包括P个模数转换器。
在该情形一中，P个模数转换器与P个减法器一一对应。每个模数转换器用于接收来自对应减法器的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
情形二，激光雷达还可包括Q个并串转换器和一个模数转换器。
在该情形二中，P为大于1的整数，Q个并串转换器中的每个并串转换器包括多个输入端和一个输出端，模数转换器包括Q个通道，Q个并串转换器与模数转换器的Q个通道一一对应，一个减法器对应一个输入端，Q为小于P的正整数。每个并串转换器通过多个输入端接收来自与多个输入端对应的减法器的目标电信号，并将接收到的目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号通过输出端传输至模数转换器对应的通道。模数转换器的每个通道用于接收来自对应的并串转换器的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
需要说明的是，基于该情形二，当Q＝1时，即激光雷达包括一个并串转换器和一个模数转换。此处，该并串转换器可包括P个输入端，P个输入端与P个减法器一一对应。相应地，模数转换器可为单通道的模数转换器。
情形三，激光雷达还包括模数转换器。
在该情形三中，模数转换器可包括P个通道，P个通道与P个减法器一一对应。P个通道中的每个通道用于接收来自对应的减法器的目标电信号，并对目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
在一种可能的实现方式中，与目标物体相关的信息可包括距离。处理控制模块可接收来自模数转换器的目标数字信号，根据目标数字信号，确定与目标物体的距离。
进一步可选地，可根据目标数字信号确定出光信号的飞行时间，基于光信号的飞行时间与目标无图的距离关系，确定出激光雷达与目标物体之间的距离。
在一种可能的实现方式中，激光雷达还包括光束发射模块和光束接收模块。其中，光束发射模块，用于接收来自所述调制器的所述调制后的信号光，并将所述调制后的信号光发射至所述探测区域。光束接收模块，用于接收来自目标物体反射的回波光信号，并将回波光信号传输至平衡相干探测模块。
在一种可能的实现方式中，光束发射模块可将接收到的调制后的信号光扩展为面光束形式的调制后的信号光，将面光束形式的调制后的信号光发射至探测区域。即，将面光束形式的调制后的信号光照射到目标物体上。由于面光束形式的调制后的信号光照射到探测区域的范围比较大，甚至可覆盖整个探测区域，因此，可省去激光雷达带动扫描器转动或振动的元件，从而可实现激光雷达体积的小型化。
附图说明
图1为本申请提供的一种激光雷达探测目标物体的原理示意图；
图2为本申请提供的一种激光雷达的结构示意图；
图3为本申请提供的一种光束经偏振分束器后的光路示意图；
图4为本申请提供的另一种光束发射模组的结构示意图；
图5为本申请提供的一种光束接收模组的结构示意图；
图6a为本申请提供的另一种激光雷达的结构示意图；
图6b为本申请提供的再一种激光雷达的结构示意图；
图7为本申请提供的一种平衡相干探测器的结构示意图；
图8为本申请提供的一种透镜组的结构示意图；
图9为本申请提供的一种探测器阵列的结构示意图；
图10为本申请提供的一种感光单元的结构示意图；
图11a为本申请提供的一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图；
图11b为本申请提供的另一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图；
图11c为本申请提供的又一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图；
图12为本申请提供的另一种平衡相干探测器的结构示意图；
图13a为本申请提供的一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图；
图13b为本申请提供的另一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图；
图13c为本申请提供的又一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图；
图13d为本申请提供的再一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图；
图14为本申请提供的又一种激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。
以下，对本申请中的部分用语进行解释说明，以便于本领域技术人员理解。
1)相干探测，也可称为光外差探测。相干探测是基于相干的本征光(也可称为参考光)和入射的信号光在光敏面上混频的原理实现的。其中，相干的本征光和信号光是指本征光的频率与信号光的频率极为接近，可使本征光和信号光在光电探测器的光敏面上形成拍频信号。也可以理解为，在接收信号光的同时加入本征光。
2)共模噪声，又称为非对称噪声、或线路对地噪声。在使用交流电源的电气设备的输入端(输电线和中线)都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。
3)激光雷达，通常是通过发射高频电磁波并接收目标散射的电磁能量来工作的，通过比较分析接收到的回波光信号与发射的激光束，可以提取与目标物体相关的信息，例如与目标物体的距离。如图1所示，为本申请提供的一种激光雷达探测目标物体的原理示意图。该激光雷达可包括激光器和探测器。激光器可发射激光束，若在沿激光束的发射方向的一定距离内存在目标物体，则该激光束被目标物体的表面反射。图1以激光束的发射方向存在目标物体(如图1中的汽车)为例，激光器发射的激光束在到达目标物体后，在目标物体的表面发生反射，被反射的信号作为回波光信号返回至激光雷达的探测器，探测器可根据接收到的回波光信号和发射的激光束，确定出与目标物体相关的信息，例如与目标物体的距离。
本申请中，激光雷达可应用于自动驾驶、机器人、无人机、网联车、安防监控等领域。常见的激光雷达包括扫描式的激光雷达和非扫描式的激光雷达。扫描式的例如基于微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)的调频连续波(frequencymodulated continuous waveform，FMCW)激光雷达、以及基于光学相控阵(optical phasedarray，OPA)技术的FMCW激光雷达；非扫描式的例如基于脉冲飞行时间(time-of-flight，TOF)的Flash激光雷达。其中，Flash激光雷达可在短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光束，再以高度灵敏的接收器，来完成对环境目标物体的图像的绘制。
激光雷达可被用作车载激光雷达、机载激光雷达等对精确度要求较高的场景。此外，激光雷达还可以安装于移动平台，如卫星。在此情况下，激光雷达需要移动平台中的其它装置的协助以确定自身当前的位置和转向信息，这样可保证测量数据的可用性。例如，移动平台中还可以包括全球定位系统(global positioning system，GPS)装置和惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)装置，激光雷达可以结合GPS装置和IMU装置的测量数据进而得到目标物体的位置、速度等特征量。例如，激光雷达可以通过移动平台中的GPS装置提供移动平台的地理位置信息，通过IMU装置记录移动平台的姿态和转向信息。在根据回波光信号确定与目标物体之间的距离后，可以通过GPS装置提供的地理位置信息或IMU装置提供的姿态和转向信息中的至少一种，将目标物体的测量点由相对坐标系转换为绝对坐标系上的位置点，得到目标物体的地理位置信息，从而使激光雷达可以应用于移动的平台中。
目前，激光雷达在探测与目标物体的距离时，是通过对回波光信号直接进行计算得到。但是由于激光雷达发射的激光束在向目标物体传输的过程中会有损耗，之后再被目标物体反射的回波光信号在传输至激光雷达的过程中仍然存在一定的损耗，因此，回波光信号的强度较弱，将强度较弱的回波光信号直接进行计算，会导致计算结果较不精确，从而导致激光雷达测距时的灵敏度较低。而且，激光雷达的与目标物体之间的距离越远，激光雷达发射的激光束以及回波光信号的损耗就越严重，导致回波光信号的强度就越弱，从而造成激光雷达测距的范围受限。
鉴于上述问题，本申请提出一种激光雷达。该激光雷达可将回波光信号、本征光以及参考电信号进行相干探测。由于本征光的存在，在相干探测过程中可为回波光信号提供一定的增益，从而有助于增强回波光信号的强度，进而有助于提高激光雷达的灵敏度和测距范围。
下面结合附图2至附图14，对本申请提出的激光雷达进行具体阐述。
基于上述内容，如图2所示，为本申请提供的一种激光雷达的结构示意图。该激光雷达包括激光器、第一分束模块、信号发生器、平衡相干探测模块、调制器和处理控制模块。激光器用于发射激光束，并将激光束传输至第一分束模块。第一分束模块用于将接收到的激光束分为本征光(也可称为参考光)和信号光(也可称为探测光)，并将本征光传输至平衡相干探测模块，将信号光传输至调制器。信号发生器用于产生参考电信号和调制电信号，并将参考电信号传输至平衡相干探测模块，将调制电信号传输至调制器。调制器用于接收信号光和调制电信号，并通过调制电信号对信号光进行调制，将调制后的信号光发射至探测区域，探测区域包括目标物体。平衡相干探测模块用于接收来自目标物体反射的回波光信号、本征光和参考电信号，并根据接收到的回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测，确定出目标电信号，将目标电信号传输至处理控制模块。处理控制模块用于根据目标电信号，确定与目标物体相关的信息。
其中，与目标物体相关的信息包括目标物体与激光雷达之间的距离、目标物体的位置、目标物体的移动速度等。
基于上述激光雷达，该激光雷达在接收到被目标物体反射回的回波光信号后，不直接对回波光信号的强度进行探测，而是将回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测，在进行相干探测过程中，由于本征光的存在，可为回波光信号提供一定的增益效果，即有助于提高本征光、回波光信号和参考电信号进行相干探测后的信号的幅度，从而有助于提高激光雷达探测的灵敏度和探测的距离范围。进一步，在外界噪声一定的情况下，在提高回波光信号的强度的情况下，还有助于提高输出目标电信号的信噪比。
下面对图2所示的各个功能模块和结构分别进行介绍说明，以给出示例性的具体实现方案。
一、激光器
本申请中，激光器为激光雷达的光源，可以为半导体激光器、也可以是光纤激光器。在激光雷达作为车载雷达的情况下，该激光器可以发射905nm波长的激光束、或者也可发射940nm波长的激光束、或者也可发射1550nm波长的激光束。应理解，由于激光雷达需要对回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测，因此，尽可能选择相干性好的激光器作为光源。
二、第一分束模块
本申请中，第一分束模块可以为第一分束器。
在一种可能的实现方式中，第一分束器也可以为偏振分束器。偏振分束器可由两个偏振分光棱镜(polarizing beam splitter，PBS)组成，两个PBS的斜面通过胶层相贴合。其中，PBS是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后通过胶层合成一个立方体结构，利用光束以布鲁斯特角入射时P偏振光透射率为1而S偏振光透射率小于1的性质，在光束以布鲁斯特角多次通过多层膜结构以后，达到使的P偏振分量完全透过，而绝大部分S偏振分量反射(至少90％以上)的一个光学元件。如图3所示，为本申请提供的一种经偏振分束器的光束的光路示意图。偏振分束器将入射的光束(P偏振光和S偏振光)分离为的水平偏振光和垂直偏振光，即P偏振光和S偏振光。其中，P偏振光完全通过，S偏振光以45度角被反射，且S偏振光的出射方向与P偏振光的出射方向成90度角。
本申请中，信号光与本征光的分光比可以为1(即信号光与本征光的分光比为50：50)，也可以大于1，或者也可小于1。为了进一步提高对回波光信号的增益效果，第一分束器在对激光束进行分束时，可使信号光与本征光的分光比大于10，即信号光和本征光的功率之比大于10。例如，可以在偏振分束器的透射面设置增透膜，以实现信号光与本征光的分光比大于10。示例性地，若本征光①为RLO(t)＝ALO·exp(jωct)，信号光②为Ac·cos(ωct)＝Ac·exp(jωct)，则信号光②与本征光①的功率之比Ac/ALO需大于10。其中，ωc为光载波频率(例如，发射905nm波长的激光束的激光器的光载波频率为331THz＝3.31×1014Hz)，Ac为信号光的幅度，ALO为本征光的幅度，j为虚数单位。
三、信号发生器
本申请中，信号发生器也可称为信号源或振荡器，是一种能够提供各种频率、波形(如三角波、锯齿波、矩形波(含方波、正弦波)和输出电平电信号的设备或电路。其中，各种波形曲线可以用三角函数方程式来表示。
在一种可能的实现方式中，信号发生器产生的调制电信号可为fm(t)＝Amcos(ωmt)，产生的参考电信号可为cos[ωm(t+x)]，其中，ωm为调制频率(一般为MHz量级)，Am为调制信号的幅度，x为参考电信号与调制电信号fm(t)之间的延时量(一般取0，Tm/2，Tm，3Tm/2)，Tm为调制周期。需要说明的是，调制电信号和参考电信号中各参量的具体值可由处理控制模块确定，具体可参见处理控制模块的介绍。
四、调制器
本申请中，调制器可用于通过调制电信号对信号光进行调制。在一种可能的实现方式中，可以是指通过调制电信号对信号光的幅度进行调制。示例性地，以上述信号光②为Ac·cos(ωct)，调制电信号为fm(t)＝Amcos(ωmt)为例，调制电信号对信号光进行调制，得到调制后的信号光③为Tx(t)＝[1+m·fm(t)]·Ac·exp(jωct)，其中，m为调制深度，m＝Am/Ac。
在一种可能的实现方式中，调制器可为外调制器，即本申请中对信号光的调制方式为外调制。其中，外调制是指在激光束形成后加载调制电信号，使调制器的某些物理特性(如振幅、频率、相位)发生相应的变化，当信号光通过时会使得信号光的某些参量得到调制，从而可实现调幅、调频、调相、强度调制和脉冲调制等，在本申请中主要是调幅。
本申请中，调制器可为声光调制器或者电光调制器。其中，(1)声光调制器通常是指控制激光束强度变化的声光器件。声光调制是一种外调制技术，调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。(2)电光调制器是指利用某些电光晶体，如铌酸锂晶体(LiNb03)、砷化稼晶体(GaAs)和钽酸锂晶体(LiTa03)的电光效应制成的调制器。电光效应即当把电压加到电光晶体上时，电光晶体的折射率将发生变化，结果引起通过该晶体的光波特性的变化，实现对信号光的相位、幅度、强度、频率以及偏振状态的调制。
五、光束发射模块
为了实现将信号光尽可能的覆盖到探测区域，从而实现尽可能的照射到探测区域内的各个目标物体上，该激光雷达还可包括光束发射模块(可参见图2)，光束发射模块用于接收来自调制器的调制后的信号光，并将调制后的信号光发射至所述探测区域。进一步，可将接收到的来自调制器调制后的信号光扩展为面光束形式的调制后的信号光，并将面光束形式的调制后的信号光发射至探测区域。其中，面光束是指信号光的光束的横截面是一个椭圆或圆形或矩形或其它可能的形状。也可以理解为，将面光束形式的调制后的信号光照射到探测区域的目标物体上。由于面光束形式的调制后的信号光照射到探测区域的范围比较大，甚至可覆盖整个探测区域，因此，可省去激光雷达带动扫描器转动或振动的元件，从而可实现激光雷达体积的小型化。
本申请中，光束发射模块可以是单个透镜，或者也可以是透镜组。其中，透镜可以是简单的球面透镜或者非球面透镜，例如，凹透镜或凸透镜。单个透镜可以为凸透镜；透镜组可以是凸透镜和凹透镜的组合，也可以是凹透镜的组合，或者凸透镜的组合。由于凸透镜和凹透镜有多种不同的形状，例如凸透镜有双凸透镜，平凸透镜以及凹凸透镜，凹透镜有双凹透镜，平凹透镜以及凹凸透镜。此处不限定凸透镜和凹透镜的具体形状，凡是能够满足将来自调制器的光束尽可能传输至探测区域的单个透镜或者透镜的组合均适用于本申请。进一步可选地，由于来自调制器的调制后的信号光的发散角可能比较大，而且可能存在象散质量差的光束，因此光束发射模块还可以对调制后的信号光进行准直和整形，从而使发射至探测区域的信号光的发散角较小，能有较多的信号光照射到探测区域中。
如图4所示，为本申请提供的一种光束发射模块的结构示意图。该光束发射模块可为透镜组，包括三个透镜，依次为凹凸透镜1、凹凸透镜2和双凸透镜3。其中，凹凸透镜1朝向调制器的面为凹面，朝向凹凸透镜2的面为凸面；凹凸透镜2朝向凹凸透镜1的面为凸面，朝向双凸透镜3的面为凹面。
六、光束接收模块
当信号光投射到探测区域到达目标物体后，目标物体会反射回波光信号。为了将回波光信号尽可能的收集以传输至平衡相干探测模块，该激光雷达还可包括光束接收模块(可参见图2)。光束接收模块可用于接收来自目标物体反射的回波光信号，并将回波光信号传输至所述平衡相干探测模块。示例性地，投射到探测区域的调制后的信号光③为Tx(t)＝[1+m·fm(t)]·Ac·exp(jωct)，对应的回波光信号④为Rx(t)＝Ac{1+mAmcos[ωm(t-τ)]}·exp[jωc(t-τ)]。
在一种可能的实现方式中，光束接收模块可以是卡塞格伦光学系统或简单的球面透镜(或球面透镜组)、或者非球面透镜(或非球面透镜组)等，其中，卡塞格伦系统又称卡塞格伦望远光学系统，是指次反射镜焦点之一与主反射镜焦点重合的一种反射式望远系统。一般用于测距的激光雷达多采用简单的球面或非球面透镜，或者透镜组作为光束接收模块。示例性地，单个透镜可以是凹凸透镜；透镜组可以是凸透镜和凹透镜的组合，也可以是凹透镜的组合，或者凸透镜的组合。由于凸透镜和凹透镜有多种不同的形状，例如凸透镜有双凸透镜，平凸透镜以及凹凸透镜，凹透镜有双凹透镜，平凹透镜以及凹凸透镜。此处不限定凸透镜和凹透镜的具体形状，凡是能够满足将来自探测区域的回波光信号尽可能传输至平衡相干探测模块的单个透镜或者透镜的组合均适用于本申请。进一步可选地，光束接收模块还可用于尽可能的收集目标物体反射后的回波光信号，以提高激光雷达的探测距离的范围和灵敏度。因此，光束接收模块的朝向探测区域的通光口径较大的时候，可以接收到较多的回波光信号。如图5所示，为本申请提供的一种光束接收模组的结构示意图。该光束接收模组可包括一个凹凸透镜。该凹凸透镜的凹面朝向探测区域，以尽可能的接收来自探测区域的回波光信号。
需要说明的是，本申请中，光束发射模块和光束接收模块也可以集成于一起，例如图4所示的透镜组即可实现光束发射模块和光束接收模块的功能的。例如，可以将图4中所示的透镜组中的区域A与调制器对应，即作为光束发射模块；将区域B与平衡相干探测模块对应，即作为光束接收模块。
七、第二分束模块、第三分束模块
本申请中，激光雷达还可包括第二分束模块和第三分束模块，平衡相干探测模块包括两个平衡相干探测器。其中，第二分束模块用于接收来自第一分束模块的本征光，并将本征光分为两个第一本征光，将第一本征光传输至对应的平衡相干探测器，两个第一本征光与两个平衡相干探测器一一对应。第三分束模块，用于接收来自光束接收模块的回波光信号，并将回波光信号分为两个第一回波光信号，将第一回波光信号传输至对应的平衡相干探测器，两个第一回波光信号与两个平衡相干探测器一一对应。平衡相干探测器，用于接收对应的第一本征光、对应的第一回波光信号和参考电信号，并根据接收到的第一本征光、第一回波光信号和参考电信号进行相干探测，得到目标电信号。示例性地，第二分束模块用于接收来自第一分束模块的本征光，并将本征光分为两个第一本征光，将第i个第一本征光传输至第i个平衡相干探测器，两个第一本征光与两个平衡相干探测器一一对应，i取1和2。第三分束模块，用于接收来自光束接收模块的回波光信号，并将回波光信号分为两个第一回波光信号，将第i个第一回波光信号传输至第i个平衡相干探测器，两个第一回波光信号与两个平衡相干探测器一一对应。第i个平衡相干探测器，用于接收第i个第一本征光、第i个第一回波光信号和参考电信号，并根据第i个第一本征光、第i个第一回波光信号和参考电信号进行相干探测，得到目标电信号。由此，本申请可用两个平衡相干探测器实现对强度较弱的回波光信号的高灵敏度探测。
需要说明的是，第i个第一本征光为两个第一本征光中的一个，第i个第一回波光信号为两个第一回波光信号中的一个，第i个平衡相干探测器为两个平衡相干探测器中的一个。i取1时，表示第1个第一本征光，第1个第一回波光信号、第1个平衡相干探测器；i取2时，表示第2个第一本征光，第2个第一回波光信号、第2个平衡相干探测器。也可以理解为，两个第一本征光包括第1个第一本征光和第2个第一本征光，两个第一回波光信号包括第1个第一回波光信号和第2个第一回波光信号，两个平衡相干探测器包括第1个平衡相干探测器和第2个平衡相干探测器。
需要说明的是，本申请中的“第1个”、“第2个”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。另外，第二分束模块和第三分束模块可以相同也可以不相同。
在一种可能的实现方式中，第二分束模块可为由两个PBS组成的偏振分束器，具体可参见上述第一分束模块的介绍，此处不再一一赘述。偏振分束器可将本征光一分为二(即分光比为50∶50)，分为两个第一本征光。第三分束模块可与第二分束模块相同，即第三分束模块也可将回波光信号一分为二(即分光比为50∶50)，分为两个第一回波光信号。如此，可以分别为两个平衡相干探测器提供相同强度的本振光和回波光信号。
如图6a所示，为本申请提供的另一种激光雷达的结构示意图。该激光雷达可包括上述图2所示的激光雷达的模块和结构，进一步还可包括第二分束模块和第三分束模块。图6a以包括平衡相干探测器1和平衡相干探测器2，两个第一本征光以第一本征光⑦和第一本征光⑧为例，两个第一回波光信号以第一回波光信号⑤和第一回波光信号⑥为例说明。两个第一回波光信号与两个第一本征光一一对应，即第一回波光信号⑥与第一本征光⑦对应，第一回波光信号⑤与第一本征光⑧对应。第二分束模块用于接收来自第一分束模块的本征光①，并将本征光①分为第一本征光⑦和第一本征光⑧，并将第一本征光⑦传输至平衡相干探测器1，将第一本征光⑧传输至平衡相干探测器1。第三分束模块用于接收来自光束接收模块的回波光信号④，并将回波光信号④分为第一回波光信号⑤和第一回波光信号⑥，并将第一回波光信号⑤传输至平衡相干探测器1，将第一回波光信号⑥传输至平衡相干探测器2。平衡相干探测器1用于接收第一本征光⑦、第一回波光信号⑥和来自信号发生器的参考电信号，并根据第一本征光⑦、第一回波光信号⑥和参考电信号进行相干探测，得到目标电信号1。类似地，平衡相干探测器2用于接收第一本征光⑧、第一回波光信号⑤和来自信号发生器的参考电信号，并根据所述第一本征光⑧、第一回波光信号⑤和所述参考电信号进行相干探测，得到所述目标电信号2，目标电信号1和目标电信号2均为目标电信号。应理解，回波光信号、本征光和参考电信号进行相干探测是指回波光信号与本征光进行相干探测得到相干探测信号，将得到的该相干探测信号再与参考电信号进行混频处理。
需要说明的是，当第二分束模块为偏振分束器时，第一本征光⑦可为本征光①的反射光(即S偏振光)，第一本征光⑧可为本征光的透射光(即P偏振光)。当第三分束模块为偏振分束器时，第一回波光信号⑥为回波光信号④的透射光(即P偏振光)，第一回波光信号⑤为回波光信号的反射光(即S偏振光)。也就是说，平衡相干探测器1接收到的是回波光信号④经偏振分束器后的透射光，以及本征光①经偏振分束器后的反射光。平衡相干探测器2接收到的是回波光信号④经偏振分束器后的反射光，以及本征光①经偏振分束器后的透射光。
八、反射镜(例如第一反射镜和第二反射镜)
本申请中，激光雷达还可包括第一反射镜和第二反射镜，第一反射镜与所述两个平衡相干探测器的其中一个对应，所述第二反射镜与所述两个平衡相干探测器的其中另一个对应。第一反射镜用于将来自第三分束模块的其中一个第一回波光信号反射至对应的平衡相干探测器中。第二反射镜用于将来自第二分束模块的其中一个第一本征光反射至对应的平衡相干探测器中。可参见上述图6a，第一反射镜与平衡相干探测器1对应，第二反射镜与平衡相干探测器2对应，第一反射镜可将第一回波光信号⑥反射至平衡相干探测器1，第二反射镜可将第一本征光⑧反射至平衡相干探测器2。通过第一反射镜可将一个第一回波光信号反射至一个平衡相干探测器，通过第二反射镜可将一个第一本征光反射至另一个平衡相干探测器。如此，可便于激光雷达中第二分束模块、第三分束模块、平衡相干探测器1和平衡相干探测器2之间的组装和光路的调节。
在另一种可能的实现方式中，激光雷达可包括两个第一反射镜和两个第二反射镜，两个第一反射镜均与平衡相干探测器1对应，两个第二反射镜均与平衡相干探测器2对应。两个第一反射镜的其中一个第一反射镜与两个第一回波光信号的其中一个第一回波光信号对应，两个第一反射镜的其中另一个第一反射镜与两个第一本征光的其中一个第一本征光对应；两个第二反射镜的其中一个第二反射镜与两个第一回波光信号的其中另一个第一回波光信号对应，两个第二反射镜的其中另一个第二反射镜与两个第一本征光的其中另一个第一本征光对应。如图6b所示，两个第一反射镜以第一反射镜1和第一反射镜2为例，两个第二反射镜以第二反射镜1和第二反射镜2为例。第一反射镜1和第一反射镜2均与平衡相干探测器1对应，第二反射镜1和第二反射镜2均与平衡相干探测器2对应。第一反射镜1用于将来自第三分束模块的第一回波信号光⑥反射至平衡相干探测器1，第一反射镜2用于将来自第二分束模块的第一本征光⑦反射至平衡相干探测器1，第二反射镜2用于将来自第三分束模块的第一回波光信号⑤反射至平衡相干探测器2，第二反射镜1用于将来自第二分束模块的第一本征光⑧反射至平衡相干探测器2。通过两个第一反射镜和两个第二反射镜的设置，可进一步便于第二分束模块、第三分束模块、平衡相干探测器1和平衡相干探测器2之间的灵活装配。
本申请中，第一反射镜和第二反射镜可以相同，也可以不相同。第一反射镜和第二反射镜可以是平面反射镜。
需要说明的是，该激光雷达也可包括两个第一反射镜和一个第二反射镜。激光雷达中所包括的第一反射镜和第二反射镜的数量、以及第一反射镜与第二反射镜的位置设置可根据第二分束模块、第三分束模块、平衡相干探测器1和平衡相干探测器2相互之间的位置关系来确定，本申请对此不做限定。
九、相移器(Phaser)
本申请中，激光雷达还可包括相移器。相移器是指能够对光波(如信号光、本征光、回波光信号等)的相位进行调整的一种装置，例如90度相移器可将光波的相位改变90度。
在一种可能的实现方式中，所述相移器与所述两个平衡相干探测器中的任一个对应，用于接收来自所述第二分束模块的其中一个第一本征光，并将接收到的所述第一本征光的相位改变90度，将相位改变后的第一本征光传输至对应的平衡相干探测器。例如，第一本征光的相位为30度，经90度相移器后的第一本征光的相位为120度。
可参考上述图6a或图6b，以相移器与平衡相干探测器2对应，相移器用于接收第一本征光⑧，并将接收到的第一本征光⑧的相位改变90度后传输至平衡相干探测器2。需要说明的是，若激光雷达中包括第二反射镜，结合上述图6a或图6b，相移器用于将接收到的来自第二分束模块的第一本征光⑧的相位改变90后传输至第二反射镜，经第二反射镜将相位改变90度后的第一本征光反射至平衡相干探测器2。
十、平衡相干探测模块
本申请中，激光雷达可包括两个平衡相干探测器。如下以一个平衡相干探测器示例性地说明。
在一种可能的实现方式中，平衡相干探测器可包括第四分束模块和两个探测器阵列。第四分束模块用于将接收到的第一本征光分为两个第二本征光、以及将接收到的第一回波光信号分为两个第二回波光信号，两个第二本征光与两个探测器阵列一一对应，即一个第二本征光对应一个探测器阵列；两个第二回波光信号与两个探测器阵列一一对应，即一个第二回波光信号对应一个探测器阵列；将第二本征光传输至对应的探测器阵列，将第二回波光信号传输至对应的探测器阵列。示例性地，将第j个第二本征光传输至对应的第i个探测器阵列，将第j个第二回波光信号传输至第j个探测器阵列，j取1和2。此处，两个第二回波光信号与两个第二本征光一一对应，即一个第二回波光信号对应一个第二本征光。
此处，第j个第二本征光为两个第二本征光中的一个，第j个第二回波光信号为两个第二回波光信号中的一个，第j个探测器阵列为两个探测器阵列中的一个。j取1时，表示第1个第二本征光，第1个第二回波光信号、第1个探测器阵列；j取2时，表示第2个第二本征光，第2个第二回波光信号、第2个探测器阵列。也可以理解为，两个第二本征光包括第1个第二本征光和第2个第二本征光，两个第二回波光信号包括第1个第二回波光信号和第2个第二回波光信号，两个探测器阵列包括第1个探测器阵列和第2个探测器阵列。其中，“第1个”、“第2个”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
需要说明的是，第i个平衡相干探测器中，j取1和2。示例性地，i＝1时，j取1和2；i＝2时，j也取1和2。
在一种可能的实现方式中，第四分束模块可为由两个PBS组成的偏振分束器，具体可参见上述第一分束模块的介绍，此处不再一一赘述。偏振分束器可将第一本征光一分为二(分光比为50：50)，即分为两个强度相同的第二本征光；可将第一回波光信号一分为二(分光比为50：50)，即分为两个强度相同的第二回波光信号。
如图7所示，为本申请提供的一种平衡相干探测器的结构示意图。图7中以该平衡相干探测器包括第四分束模块，探测器阵列1、探测器阵列2为例。其中，第二本征光1与探测器阵列1对应，第二本征光2与探测器阵列2对应，第二回波光信号1与探测器阵列1对应，第二回波光信号2与探测器阵列2对应。第四分束模块用于将接收到的第一本征光⑦分为两个第二本征光(即第二本征光1和第二本征光2)、以及将接收到的第一回波光信号⑥分为两个第二回波光信号(即第二回波光信号1和第二回波光信号2)，并将第二本征光1及第二回波光信号1传输至对应的探测器阵列1，将第二本征光2及第二回波光信号2传输至对应的探测器阵列2。应理解，当第四分束模块为偏振分束器时，第二回波光信号1为第一回波光信号⑥的反射光，第二回波光信号2为第一回波光信号⑥的透射光，第二本征光1为第一本征光⑦的透射光，第二本征光2为第一本征光⑦的反射光。也就是说，探测器阵列1接收到的是第一本征光⑦经偏振分束器后的透射光和第一回波光信号⑥经偏振分束器后的反射光，探测器阵列2接收到的是第一本征光⑦经偏振分束器后的反射光和第一回波光信号⑥经偏振分束器后的透射光。
进一步，可选地，平衡相干探测器还可包括两个透镜组，两个透镜组与两个探测器阵列一一对应，即一个透镜组对应一个探测器阵列。透镜组用于接收对应的第二本征光和对应的第二回波光信号，并将对应的第二本征光进行汇聚，将汇聚后的第二本征光传输至对应的探测器阵列；将对应的第二回波光信号进行汇聚，将汇聚后的第二回波光信号传输至对应的探测器阵列。示例性地，第j个透镜组用于接收第j个第二本征光和第j个第二回波光信号，并将第j个第二本征光进行汇聚，将汇聚后的第j个第二本征光传输至第j个探测器阵列，将第j个第二回波光信号进行汇聚，将汇聚后的第j个第二回波光信号传输至第j个探测器阵列。可参见上述图7，两个透镜组以透镜组1和透镜组2为例。透镜组1与探测器阵列1对应，透镜组2与探测器阵列2对应，透镜组1用于接收第二本征光1和第二回波光信号1，并将第二本征光1进行汇聚，将汇聚后的第二本征光1传输至探测器阵列1，并将第二回波光信号1进行汇聚，将汇聚后的第二回波光信号1传输至探测器阵列1。透镜组2用于接收第二本征光2和第二回波光信号2，并将第二本征光2进行汇聚，将汇聚后的第二本征光2传输至探测器阵列2，将第二回波光信号2进行汇聚，将汇聚后的第二回波光信号2传输至探测器阵列2。
在一种可能的实现方式中，透镜组可为汇聚透镜组。即该汇聚透镜组用于对接收到的光束进行汇聚。透镜组中的透镜可以是球面透镜或者非球面透镜。如凹透镜或凸透镜。进一步，由于凸透镜和凹透镜有多种不同的形状，例如凸透镜有双凸透镜，平凸透镜以及凹凸透镜，凹透镜有双凹透镜，平凹透镜以及凹凸透镜。此处不限定凸透镜和凹透镜的具体形状，凡是能够满足将对接收到的光束进行汇聚的透镜均适用于本申请。需要说明的是，透镜组可以是一个透镜，也可以是两个或者两个以上的透镜的组合。如图8所示，为本申请提供的一种汇聚透镜组的结构示意图。该透镜组可包括两个凸透镜，这两个凸透镜可实现将接收到光束汇聚至对应的探测器阵列上。具体这两个凸透镜的位置、形状以及光学参数可根据平衡相干探测器阵列中各结构的位置进行确定，本申请对此不做限定。
在一种可能的实现方式中，平衡相干探测器还包括减法器。探测器阵列用于对接收到的汇聚后的第二本征光、汇聚后的第二回波光信号、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至对应的减法器。示例性地，平衡相干探测器还可包括减法器。第j个探测器阵列用于对接收到的汇聚后的第j个第二本征光、汇聚后的第j个第二回波光信号、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至对应的减法器。减法器，用于分别接收来自两个探测器阵列的积分值，并将其中一个探测器阵列的积分值与另一个探测器阵列的积分值进行减法运算，得到目标电信号。结合上述图7，探测器阵列1用于对接收到的汇聚后的第二本征光1、汇聚后的第二回波光信号1、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至连接的减法器。探测器阵列2用于对接收到的汇聚后的第二本征光2、汇聚后的第二回波光信号2、以及参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将积分值传输至连接的减法器。减法器用于分别接收来自探测器阵列1的积分值和来自探测器阵列2的积分值，并将探测器阵列2的积分值与探测器阵列1的积分值进行减法运算，得到目标电信号。应理解，减法器中的减法电路是基本集成运放电路的一种，减法电路可以由反相加法电路构成，也可以由差分电路构成。
通过两个探测器阵列，第四分束模块、透镜组和减法器构成平衡相干探测器，基于这样的两个平衡相干探测器可实现对接收到的信号(第二本征光、第二回波光信号和参考电信号)进行相干探测。
如下，进一步对平衡相干探测器中的探测器阵列进行详细介绍。
如图9所示，为本申请提供的一种探测器阵列的结构示意图。该探测器阵列可包括M个感光单元。这M个感光单元可以是m*n的阵列。其中，感光单元也可称为像素，或者光敏单元。图9以探测器阵列包括6*5个感光单元阵列示例性地说明。需要说明的是，探测器阵列也可以只包括一个感光单元，本申请对此不做限定。应理解，信号发生器产生的参考电信号会传输至探测器阵列的M个感光单元的每个感光单元中。
如图10所示，为本申请提供的一种感光单元的结构示意图。该感光单元包括光电探测器(photon detector，PD)、混频器和积分器。光电探测器用于对接收到的汇聚后的第二本征光、以及汇聚后的第二回波光信号进行相干探测，得到相干探测信号，并将得到的相干探测信号传输至混频器。其中，光电探测器是指利用材料的光电效应，将输入的光信号转换为电信号输出，即实现光电转换功能。混频器用于对接收到的参考电信号和来自光电探测器的相干探测信号进行混频处理，得到混频信号，并将得到的混频信号传输至积分器。其中，混频器输出的混频信号的频率等于两输入信号频率之和、差或者其它组合的电路。一般用混频器产生中频信号：cosαcosβ＝[cos(α+β)+cos(α-β)]/2，cosα和cosβ为输入的两个电信号，cos(α+β)和cos(α-β)为输出的混频信号。积分器用于对接收到的混频信号进行积分，得到N个积分值。其中，N为大于或等于4的整数。进一步可选地，N为大于或等于4的偶数。在一种可能的实现方式中，积分器可实现对输入电信号(如电流)进行积分的运算，转换为电压值输出。积分器对混频信号进行积分运算，混频信号包括参考电信号和相干探测器信号，其中，参考电信号和相干探测器信号之间有一定的时延，在时延取不同值的情况下，可得到不同的积分值。例如，延时x可取0，Tm/2，Tm，3Tm/2，一个延时量对应一个积分值，当x取0时得到一个积分值，当x取Tm/2时得到一个积分值，当x取Tm时得到一个积分值，当x取3Tm/2时得到一个积分值，即延时量x取4个值，可得到4个积分值。可选地，该积分值也可称为延时积分值。应理解，探测器阵列中的M个感光单元的工作过程均可参见上述图10的介绍。
进一步可选地，积分器可将得到的N个积分值传输至对应的减法器。在第i个平衡相干探测器中，一个减法器可分别对应两个探测器阵列中的一个或多个感光单元，具体可分如下两种情形详细说明。
情形1，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的一个感光单元。
也可以理解为，两个探测器阵列之间相互对应的感光单元可通过减法器一一相连。如图11a所示，为本申请提供的一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图。探测器阵列1中的每个感光单元和探测器阵列2中相对应的感光单元均与同一个减法器对应。也就是说，一个减法器分别与探测器阵列1中的一个感光单元对应、且与探测器阵列2中的一个感光单元对应，且探测器阵列1中的该感光单元和探测器阵列2中的该感光单元对应。示例性地，探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)通过减法器1相连，探测器阵列1中的第2个感光单元(感光单元M1-2)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-2)通过减法器2相连，依次类推，探测器阵列2中每个感光单元分别与探测器阵列1中每个感光单元通过对应的减法器一一相连。每个减法器用于接收来自两个探测器阵列中对应的积分器输出的N个积分值，将其中一个探测器阵列中的积分器的N个积分值分别与另一个探测器阵列中对应的积分器的N个积分值进行减法运算，得到目标电信号，两个探测器阵列中的积分器一一对应。例如，减法器1用于接收来自探测器阵列1对应的感光单元M1-1中的积分器输出的4个积分值，分别为CPD1-0，CPD1-1，CPD1-2和CPD1-3，以及来自探测器阵列2的感光单元M2-1中的积分器输出的4个积分值，分别为CPD2-0，CPD2-1，CPD2-2，CPD2-3，减法器可对CPD2-0和CPD1-0、CPD2-1和CPD1-1，CPD2-2和CPD1-2，CPD2-3和CPD1-3分别进行减法运算，即计算CPD2-0-CPD1-0，CPD2-1-CPD1-1，CPD2-2-CPD1-2，CPD2-3-CPD1-3，得到目标电信号，上述四个减法运算所得的结果即为目标电信号。
通过减法运算，因此可以有效消除两个感光单元之间的共模噪声，可进一步提升输出的目标电信号的信噪比，从而可有助于提升激光雷达的探测的距离范围。
情形2，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的相同数目的多个感光单元。
也可以理解为，两个探测器阵列之间相互对应的多个相同数目的感光单元可通过一个减法器相连。基于该情形2，又可分如下两种情形。
情形2.1，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的全部感光单元。
也可以理解为，两个探测器阵列可通过一个减法器连接。探测器阵列1中的M个感光单元与探测器阵列2中的M个感光单元一一对应，探测器阵列1中的M个感光单元和探测器阵列2中的M个感光单元，均与同一个减法器对应。基于该情形2.1，平衡相干探测器阵列还可包括读出电路。如图11b所示，为本申请提供的另一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图。每个探测器阵列中的每个感光单元输出的积分值均通过读出电路后传输至减法器。读出电路用于串行读出两个探测器阵列相对应的感光单元输出的积分值。例如，读出电路可先读出探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)和探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)分别对应的积分值，并将读出的感光单元M1-1和感光单元M2-1分别对应的积分值同步输入减法器；之后再读出探测器阵列1中的第2个感光单元(感光单元M1-2)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-2)分别对应的积分值，并将读出的感光单元M1-2和感光单元M2-2分别对应的积分值同步输入减法器，依次类推，图11b示出两个探测器阵列中的部分感光单元与减法器之间的对应关系。每个减法器用于接收来自两个探测器阵列中对应的积分器输出的N个积分值，将其中一个探测器阵列中的积分器的N个积分值分别与另一个探测器阵列中对应的积分器的N个积分值进行减法运算，得到目标电信号，两个探测器阵列中的积分器一一对应，具体可参见上述情形1的减法运算，此处不再赘述。需要说明的是，减法器一次可接收到两个感光单元分别对应的N个积分值，并对两个感光单元分别对应的N个积分值进行减法运算，得到目标电信号，减法器依次可接收到M次两个感光单元分别对应的积分值，每次对接收到的两个感光单元分别对应的N个积分值进行减法运算。
在一种可能的实现方式中，读出电路可集成于感光单元的积分器之后，或者也独立于感光单元，设置与感光单元与减法器之间，本申请对此不做限定。
基于上述情形2.1，可实现减法器在时间上的复用，有助于减少激光雷达中减法器的数量，从而有助于减小激光雷达的体积。
情形2.2，一个减法器分别对应两个探测器阵列中的相同数目的多个(即大于1个且小于M个)感光单元。
也就是说，一个减法器分别与探测器阵列1中的多个感光单元对应、且与探测器阵列2中的多个感光单元对应，且探测器阵列1的这多个感光单元和探测器阵列2中的这多个感光单元一一对应。基于该情形2.2，平衡相干探测器阵列还可包括读出电路。如图11c所示，为本申请提供的又一种两个探测器阵列与减法器之间的对应关系示意图。该图11c以两个探测阵列中的相对应的5个感光单元对应2个减法器为例说明。探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)和第2个感光单元(感光单元M1-2)、以及探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)和第2个感光单元(感光单元M2-2)均与减法器a对应，其中，探测器阵列1中的第1个感光单元与探测器阵列2中的第1个感光单元，探测器阵列1中的第2个感光单元与探测器阵列2中的第2个感光单元对应。探测器阵列1中的第3个感光单元(感光单元M1-3)、第4个感光单元(感光单元M1-4)和第5个感光单元(感光单元M1-5)、以及探测器阵列2的第3个感光单元(感光单元M2-3)、第4个感光单元(感光单元M2-4)和第5个感光单元(感光单元M2-5)均与减法器b对应。具体地，读出电路用于串行读出两个探测器阵列相对应的感光单元输出的积分值。例如，读出电路可先读出探测器阵列1中的第1个感光单元(感光单元M1-1)和探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-1)分别对应的积分值，并将读出的感光单元M1-1和感光单元M2-1分别对应的积分值同步输入减法器a；之后再读出探测器阵列1中的第2个感光单元(感光单元M1-2)与探测器阵列2的第1个感光单元(感光单元M2-2)分别对应的积分值，并将读出的感光单元M1-2和感光单元M2-2分别对应的积分值同步输入减法器a。减法器b获取到对应感光单元的输出的积分值的过程与减法器a的可相同，此处不再一一赘述。另外，减法器a、减法器b中的工作过程可参见上述情形一的介绍。
其中，探测器阵列1中的第1个感光单元与探测器阵列2中的第1个感光单元，探测器阵列1中的第2个感光单元与探测器阵列2中的第2个感光单元对应，探测器阵列1中的第3个感光单元与探测器阵列2中的第3个感光单元，探测器阵列1中的第4个感光单元与探测器阵列2中的第4个感光单元对应，探测器阵列1中的第5个感光单元与探测器阵列2中的第5个感光单元。
还需要说明的是，减法器与分别对应两个探测器阵列中的一个或多个感光单元之间的对应关系也可以是上述情形1和情形2.2的组合，此处不再一一赘述。
基于上述图8和上述情形1，如图12所示，为本申请提供的另一种平衡相干探测器的结构示意图。该平衡相干探测器以包括第四分束器、透镜组1、透镜组2、P个减法器(即减法器1、减法器2...)，探测器阵列1和探测器阵列2均以包括m*n个感光单元为例说明。其中，j取1和2，P、m和n均为正整数，且P＝m*n。应理解，第四分束器、透镜组1、透镜组2、减法器、探测器阵列1和探测器阵列2的结构关系可参见上述内容的介绍，此处不再重复解释。
如下结合上述图12，详细介绍平衡相干探测器输出目标电信号的过程。在下文的介绍中，为了便于说明，以探测器阵列1中的感光单元M1-1，探测器阵列2中的感光单元M2-1为例介绍，其中，感光单元M1-1和感光单元M2-1为两个探测器阵列中相对应的两个感光单元。
针对探测器阵列1中的感光单元M1-1，照射到感光单元M1-1上的信号包括经透镜组1汇聚后的第二本征光1和经透镜组1汇聚后的第二回波光信号1，其中，第一本征光⑦用Input11表示，第一回波光信号⑥用Input12表示，第一本征光⑦为本征光①经第二分束器的反射光，汇聚后的第二本征光1为本征光①经第二分束器的反射光再经第四分束器的透射光，第一回波光信号⑥为回波光信号④经第三分束器的透射光，汇聚后的第二回波光信号1为回波光信号④经第三分束器的透射光再经第四分束器的反射光。由于光信号的反射光经偏振分束器反射后，相位发生
Figure BDA0002192955850000181
的偏转，因此，本征光①经第二分束器后的反射光为
Figure BDA0002192955850000182
再经第四分束器后的透射光仍为
Figure BDA0002192955850000183
也就是说，第二本征光1为
Figure BDA0002192955850000184
回波光信号④经第三分束器后的透射光仍为Rx(t)，再经第四分束器后的反射光为
Figure BDA0002192955850000185
也就是说，第二回波光信号1为
Figure BDA0002192955850000186
Figure BDA0002192955850000187
感光单元M1-1上总的信号用SPD1表示。
Figure BDA0002192955850000188
其中，α1是本征光①在传输至探测器1的过程中的衰减系数，β1是回波光信号④在传输至探测器1的过程中的衰减系数。
结合上述图10，汇聚后的第二本征光1与汇聚后的第二回波光信号1在探测器阵列1的感光单元M1-1的光电探测器中进行相干探测，得到的相干探测信号用IPD1(t)表示。
需要说明的是，α1和β1对后续的运算没有影响，为了便于后续方案的说明，如下的介绍过程以忽略α1和β1为例说明。
IPD1(t)＝|SPD1|2
＝ALO 2+Ac 2{1+mAmcos[ωm(t-τ)]}2+2ALOAc{1+mAmcos[ωm(t-τ)]}cos(ωcτ)
其中，|SPD1|2表示SPD1与SPD1的共轭相乘。
感光单元M1-1中的光电探测器将得到的相干探测信号IPD1(t)传输至感光单元M1-1中的混频器，而且信号发生器产生的参考电信号cos[ωm(t+x)]也传输至感光单元M1-1中的混频器中，相干探测信号IPD1(t)和参考电信号在混频器进行混频处理，得到混频信号，即IPD1(t)*cos[ωm(t+x)]。
感光单元M1-1中的混频器将混频信号IPD1(t)*cos[ωm(t+x)]传输至感光单元M1-1中的积分器，在感光单元M1-1的积分器中进行时延积分运算。x可分别取x0＝0，x1＝Tm/2，x2＝Tm和x3＝3Tm/2，积分区间均为[0-n*Tm]，其中n为正整数。当x取0，积分器输出的积分值用CPD1-0表示；当x取Tm/2，积分器输出的积分值用CPD1-1表示；当x取Tm，积分器输出的积分值用CPD1-2表示；当x取3Tm/2，积分器输出的积分值用CPD1-3表示。其中：
CPD1-0＝mAmAc 2cos(ωmτ)+mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD1-1＝-mAmAc 2sin(ωmτ)-mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD1-2＝-mAmAc 2cos(ωmτ)-mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD1-3＝mAmAc 2sin(ωmτ)+mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
基于上述类似地过程，照射到探测器阵列2中的感光单元M2-1上的信号包括经透镜组2汇聚后的第二本征光2和经透镜组2汇聚后的第二回波光信号2。其中，第一本征光⑦用Input11表示，第一本征光⑦为本征光①经第二分束器的反射光，第一回波光信号⑥用Input12表示，第一回波光信号⑥为回波光信号④经第三分束器的透射光，汇聚后的第二本征光2为本征光①经第二分束器的反射光再经第四分束器的反射光，汇聚后的第二回波光信号2为回波光信号④经第三分束器的透射光再经第四分束器的透射光。由于光信号的反射光经偏振分束器反射后，相位发生
Figure BDA0002192955850000191
的偏转，因此，本征光①经第二分束器后的反射光为
Figure BDA0002192955850000192
再经第四分束器后的反射光为
Figure BDA0002192955850000193
也就是说，第二本征光2为
Figure BDA0002192955850000194
回波光信号④经第三分束器后的透射光仍为Rx(t)，再经第四分束器后的透射光仍为Rx(t)。也就是说，第二回波光信号2为β1·Rx(t)。即感光单元M2-1上总的信号用SPD2表示。
Figure BDA0002192955850000195
其中，α1是本征光①在传输至探测器2的过程中的衰减系数，β1是回波光信号④在传输至探测器2的过程中的衰减系数。
需要说明的是，α1和β1对后续的运算没有影响，为了便于后续方案的说明，如下的介绍过程可忽略α1和β1。
结合上述图10，汇聚后的第二本征光2与汇聚后的第二回波光信号2在探测器阵列2的感光单元M2-1的光电探测器中进行相干探测，得到的相干探测信号为用IPD2(t)表示。
IPD2(t)＝|SPD2|2
＝ALO 2+Ac 2{1+mAmcos[ωm(t-τ)]}2-2ALOAc{1+mAmcos[ωm(t-τ)]}cos(ωcτ)
其中，|SPD2|2表示SPD2与SPD2的共轭相乘。
感光单元M2-1的光电探测器将得到的相干探测信号IPD2(t)传输至感光单元M2-1的混频器，而且信号发生器产生的参考电信号cos[ωm(t+x)]也传输至感光单元M2-1中的混频器中，参考电信号和相干探测信号IPD2(t)在混频器进行混频处理，得到混频信号，即IPD2(t)*cos[ωm(t+x)]。
感光单元M2-1中的混频器将该混频信号IPD2(t)*cos[ωm(t+x)]传输至感光单元M2-1的积分器，并在感光单元M2-1的积分器进行积分运算。积分器进行积分运算的过程可参见上述感光单元M1-1中积分器的运算过程，此处不再一一赘述。感光单元M2-1中的积分器输出的积分值分别用CPD2-0，CPD2-1，CPD2-2，CPD2-3表示，具体如下。
CPD2-0＝mAmAc 2cos(ωmτ)-mAmALoAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD2-1＝-mAmAc 2sin(ωmτ)+mAmALoAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD2-2＝-mAmAc 2cos(ωmτ)+mAmALoAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CPD2-3＝mAmAc 2sin(ωmτ)-mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
感光单元M1-1将4个值CPD1-0，CPD1-1，CPD1-2，CPD1-3均传输至对应的减法器1，感光单元M2-1将4个第二积分值CPD2-0，CPD2-1，CPD2-2，CPD2-3也传输至对应的减法器1。减法器1进行如下减法运算，得到目标电信号CBPD2-0，CBPD1-1，CBPD1-2，和CBPD1-3。
CBPD1-0＝CPD2-0-CPD1-0＝-2mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CBPD1-1＝CPD2-1-CPD1-1＝+2mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
CBPD1-2＝CPD2-2-CPD1-2＝+2mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)
CBPD1-3＝CPD2-3-CPD1-3＝-2mAmALoAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)
基于上述过程，可得到一个平衡相干探测器1输出的目标电信号。基于上述类似的过程，可得到平衡相干探测器2输出的目标电信号CBPD2-0，CBPD2-1，CBPD2-2，CBPD2-3，具体表达式如下。
CBPD2-0＝-2mAmALoAccos(ωmτ)sin(ωcτ)
CBPD2-1＝+2mAmALOAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)
CBPD2-2＝+2mAmALoAccos(ωmτ)sin(ωcτ)
CBPD2-3＝-2mAmALOAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)
通过上述两个平衡相干探测器输出的目标电信号，可以看出，每个输出的目标电信号中都包含本征光的振幅ALO项(本征光①为RLO(t)＝ALO·exp(jωct))，由于本征光的振幅较信号光大，而且本征光在传输过程中的损耗较小，因此，本征光可为回波光信号提供增益效果，从而可提高输出的目标电信号的幅度、信噪比，进而有助于提高激光雷达探测的灵敏度。
十一、模数转换器
在一种可能的实现方式中，激光雷达还可包括模数转换器(analog to digitalconvertor，ADC)。其中，ADC可实现将输入的模拟电信号转换为数字信号并输出，输出的数字信号用于数字信号处理。示例性地，ADC可用于接收来自对应减法器的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将所述目标数字信号传输至所述处理控制模块。
在一种可能的实现方式中，基于激光雷达中模数转换器与减法器之间的对应关系，可分如下三种情形。
情形一，激光雷达还可包括P个模数转换器。
在该情形一中，P个模数转换器与P个减法器一一对应。或者也可表述为，第p个模数转换器与第p个减法器对应，p取遍区间[1至P]中的每个整数。每个模数转换器用于接收来自对应减法器的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
如图13a所示，为本申请提供的一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图。图13a以包括减法器1、减法器2、减法器3...减法器p、模数转换器1、模数转换器2、模数转换器3...模数转换器p为例。其中，减法器1对应模数转换器1，减法器2对应模数转换器2，减法器3对应模数转换器3，减法器p对应模数转换器p。其中，模数转换器1用于接收来自对应的减法器1的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；模数转换器2用于接收来自对应的减法器2的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；模数转换器3用于接收来自对应的减法器3的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；以此类推，模数转换器p用于接收来自对应的减法器p的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
情形二，激光雷达还可包括Q个并串转换器和一个模数转换器。
在该情形二中，P为大于1的整数，Q个并串转换器中的每个并串转换器包括多个输入端和一个输出端，模数转换器包括Q个通道，Q个并串转换器与模数转换器的Q个通道一一对应，一个减法器对应一个输入端，Q为小于P的正整数。每个并串转换器通过多个输入端接收来自与多个输入端对应的减法器的目标电信号，并将接收到的目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号通过输出端传输至模数转换器对应的通道。模数转换器的每个通道用于接收来自对应的并串转换器的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
基于该情形二又可分如下两种情形。
情形A，Q等于1，即激光雷达包括一个并串转换器和一个模数转换。
在该情形A中，该并串转换器可包括P个输入端，P个输入端与P个减法器一一对应，模数转换器可为单通道的模数转换器。如图13b所示，为本申请提供的另一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图。图13b以包括减法器1、减法器2、减法器3...减法器D，并串转换器包括输入端1、输入端2、输入端3...输入端p和一个输出端为例说明。其中，并串转换器的输入端1与减法器1对应，并串转换器的输入端1用于接收对应减法器1的目标电信号，并串转换器的输入端2与减法器2对应，并串转换器的输入端2用于接收所对应减法器2的目标电信号；并串转换器的输入端3与减法器3对应，并串转换器的输入端3用于接收所对应减法器3的目标电信号；以此类推，并串转换器的输入端p与减法器p对应，并串转换器的输入端p用于接收所对应减法器p的目标电信号，之后，并串转换器将并将通过输入端1、输入端2、输入端3和输入端p分别接收到的目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号(即串行的目标电信号)通过输出端传输至模数转换器。模数转换器的该通道，用于接收来自并串转换器的目标电信号(即串行的目标电信号)，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。进一步可选地，模数转换器的该通道可将采集到的目标数字信号一起传输至处理控制模块。
情形B，Q大于1，即激光雷达包括至少两个并串转换器和一个模数转换。
在该情形B中，每个并串转换器可包括至少两个输入端，一个输入端对应一个减法器。
如图13c所示，为本申请提供的又一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图。图13c以包括减法器1、减法器2、减法器3...减法器p、并串转换器1、并串转换器2、模数转换器为例，并串转换器1包括输入端1、输入端2和一个输出端，并串转换器2包括输入端3...输入端p和一个输出端为例。并串转换器1的输入端1与减法器1对应，并串转换器1的输入端1用于接收所对应减法器1的目标电信号，并串转换器1的输入端2与减法器2对应，并串转换器1的输入端2用于接收所对应减法器2的目标电信号，并串转换器1将通过输入端1和输入端2接收到的目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号通过并串转换器1的输出端传输至模数转换器的通道1。并串转换器2的输入端3与减法器3对应，并串转换器2的输入端3用于接收所对应减法器3的目标电信号，并串转换器2的输入端p与减法器p对应，并串转换器2的输入端p用于接收所对应减法器p的目标电信号，并串转换器2将通过输入端3和输入端p分别接收到的目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号通过并串转换器2的输出端传输至模数转换器的通道2。模数转换器的通道1用于接收来自对应的并串转换器1的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。模数转换器的通道2用于接收来自对应的并串转换器2的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；
在一种可能的实现方式中，通道1和通道2可将采集的目标数字信号一起(即并行)传输至处理控制模块。
情形三，激光雷达还包括一个模数转换器。
在该情形三中，该模数转换器可包括P个通道，P个通道与P个减法器一一对应。P个通道中的每个通道用于接收来自对应的减法器的目标电信号，并对目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
如图13d所示，为本申请提供的又一种模数转换器与减法器之间的对应关系示意图。图13d以包括减法器1、减法器2、减法器3...减法器p和一个模数转换器为例。数转换器可包括通道1，通道2，通道3...通道p。其中，减法器1对应模数转换器的通道1，减法器2对应模数转换器的通道2，减法器3对应模数转换器的通道3，减法器p对应模数转换器的通道p。其中，模数转换器的通道1用于接收来自对应的减法器1的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；模数转换器的通道2用于接收来自对应的减法器2的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；模数转换器的通道3用于接收来自对应的减法器3的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块；以此类推，模数转换器的通道p用于接收来自对应的减法器p的目标电信号，并对接收到的目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将目标数字信号传输至处理控制模块。
在一种可能的实现方式中，通道1，通道2，通道3...通道p可将采集的目标数字信号一起传输至处理控制模块。
基于上述情形二和情形三中的模数转换器可进行分时复用，如此，可减少激光雷达中模数转换器的数量，从而有助于减小激光雷达的体积。
十二、处理控制模块
本申请中，当与目标物体相关的信息包括距离时，处理控制模块，可用于接收来自模数转换器的目标数字信号，根据目标数字信号，确定目标物体的距离。具体可为，处理控制模块可根据目标数字信号，确定出信号光的飞行时间，再根据该飞行时间，确定出目标物体与激光雷达的距离。
结合上述平衡相干探测器1输出的目标电信号CBPD2-0，CBPD1-1，CBPD1-2，CBPD1-3，以及平衡相干探测器2输出的目标电信号CBPD2-0，CBPD2-1，CBPD2-2，CBPD2-3，如下详细介绍确定与目标物体的距离的过程。
由于光载波的频率ωc较大，可基于目标电信号进行一定的运算，以将包括的ωc项消除，即可使得平衡相干探测器2的对应的目标电信号与平衡相干探测器1的对应的目电信号相互正交，如下详细介绍平衡相干探测器1和平衡相干探测器2输出的目标电信号可以正交的证明过程。
CBPD1-0·CBPD1-1＝-2mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)*[2mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)cos2(ωcτ)
CBPD2-0·CBPD2-1＝-2mAmALOAccos(ωmτ)sin(ωcτ)*[2mAmALoAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)sin2(ωcτ)
CBPD1-2·CBPD1-3＝2mAmALoAccos(ωmτ)cos(ωcτ)*[-2mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)cos2(ωcτ)
CBPD2-2·CBPD2-3＝2mAmALoAccos(ωmτ)sin(ωcτ)*[-2mAmALOAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)sin2(ωcτ)
CBPD1-0·CBPD1-2＝-2mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)*[2mAmALOAccos(ωmτ)cos(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)cos2(ωcτ)
CBPD1-1·CBPD1-3＝2mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)*[-2mAmALOAcsin(ωmτ)cos(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)cos2(ωcτ)
CBPD2-0·CBPD2-2＝-2mAmALOAccos(ωmτ)sin(ωcτ)*[2mAmALOAccos(ωmτ)sin(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)sin2(ωcτ)
CBPD2-1·CBPD2-3＝2mAmALoAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)*[-2mAmALoAcsin(ωmτ)sin(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)sin2(ωcτ)
由上述可以确定，CBPD1-0·CBPD1-1、CBPD2-0·CBPD2-1、CBPD1-2·CBPD1-3、CBPD2-2·CBPD2-3中，CBPD1-0·CBPD1-1和CBPD2-0·CBPD2-1求和可消除ωc的项，CBPD1-2·CBPD1-3和CBPD2-2·CBPD2-3求和可消除ωc的项。另外，CBPD1-0·CBPD1-2和CBPD2-0·CBPD2-1求和可消除ωc的项，CBPD1-1·CBPD1-3和CBPD2-1·CBPD2-3求和可消除ωc的项。如此，可消除两个平衡相干探测器输出的目标电信号中因光载波相位差变换引起的零点。具体可通过如下运算过程。
CBPD1-0·CBPD1-1+CBPD2-0·CBPD2-1+CBPD1-2·CBPD1-3+CBPD2-2·CBPD2-3
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)cos2(ωcτ)
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)sin2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)cos2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)][cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
＝-8m2Am 2ALO 2Ac 2cos(ωmτ)sin(ωmτ)
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin(2ωmτ)
CBPD1-0·CBPD1-2+CBPD1-1·CBPD1-3+CBPD2-0·CBPD2-2+CBPD2-1·CBPD2-3
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)cos2(ωcτ)+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)cos2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)sin2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2[cos2(ωmτ)+sin2(ωmτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2
Figure BDA0002192955850000241
CBPD1-0·CBPD1-2+CBPD2-0·CBPD2-2-CBPD1-1·CBPD1-3-CBPD2-1·CBPD2-3
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)cos2(ωcτ)+[-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)sin2(ωcτ)]
-[-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)cos2(ωcτ)]
-[-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
+{4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]}
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)+4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos(2ωmτ)
CBPD1-0·CBPD1-2+CBPD1-1·CBPD1-3+CBPD2-0·CBPD2-2+CBPD2-1·CBPD2-3
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)cos2(ωcτ)-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)cos2(ωcτ)
-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)sin2(ωcτ)
-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)sin2(ωcτ)
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)[cos2(ωcτ)+sin2(ωcτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2cos2(ωmτ)-4m2Am 2ALO 2Ac 2sin2(ωmτ)
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2[cos2(ωmτ)+sin2(ωmτ)]
＝-4m2Am 2ALO 2Ac 2
Figure BDA0002192955850000251
需要说明的是，由于Q1和Q2是周期函数，因此，在计算τ时需要考虑Q1和Q2的正负号。例如，Q1和Q2均为正号和均为负号是不同的。
Figure BDA0002192955850000252
基于上述内容，处理控制模块可基于如下公式确定飞行时间。
Figure BDA0002192955850000253
进一步，处理控制模块可根据飞行时间与距离的关系：
Figure BDA0002192955850000254
确定出与目标物体的距离D。其中，c0为光速，τ为光信号的飞行时间，D为与目标物体的距离。
在一种可能的实现方式中，处理控制模块可以包括处理单元和控制单元，处理单元可以是通用处理器、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)、信号数据处理(digital signal processing，DSP)电路、专门应用的集成电路(applicationspecific integrated circuit，ASIC)、或者其他可编程逻辑器件。控制单元可包括调制器的驱动、信号发生器的驱动、激光器的驱动等，其中，调制器的驱动用于控制调制器，信号发生器的驱动用于控制信号发生器。需要说明的是，这些驱动可以是集成在一起，也可以是分开的。
示例性地，处理单元为FPGA时，FPGA可向信号发生器的驱动发送控制信号，以实现信号发生器产生参考电信号和调制电信号。FPGA可向调制器的驱动发送控制信号，以实现调制器通过调制电信号对信号光进行调制。例如，FPGA可根据已设定参数和程序确定出调制电信号为fm(t)＝Amcos(ωmt)，参考电信号为cos[ωm(t+x)]。
进一步地，可选地，可基于得到的与目标物体的距离，经过后端数据处理可形成三维(three-dimensional，3D)点云图像，即可完成对目标物体的3D测距成像。
基于上述内容，下面结合具体的硬件结构，给出上述激光雷达的一种具体实现方式。以便于进一步理解上述激光雷达的结构及激光雷达确定与目标物体距离的实现过程。
如图14所示，为本申请提供的又一种激光雷达的结构示意图。该激光雷达可包括激光器、第一分束器、信号发生器、第二分束器、第三分束器、调制器、光束发射透镜组、光束接收透镜组、第一反射镜、第二反射镜、平衡相干探测器1、平衡相干探测器2、模数转换器和处理控制模块。其中，平衡相干探测器1包括第四分束器、探测器阵列1、探测器阵列2、透镜组1、透镜组2、减法器1和减法器2，探测器阵列1、汇聚透镜组1与减法器1三者之间一一对应，探测器阵列2、汇聚透镜组2与减法器1三者之间一一对应。平衡相干探测器2与平衡相干探测器1的结构相同。该激光雷达中各个功能模块及结构的详细介绍可参见上述内容，此处不再一一赘述。
需要说明的是，在图14中，为了便于方案的说明，光束发射透镜组、光束接收透镜组、透镜组1和透镜组2均以一个透镜示例性地说明，可参见上述详细介绍，此处不再一一赘述。
本申请中，激光雷达也可包括大于或等于4的偶数个平衡相干探测器，两个为一组，一组的两个平衡相干探测器可参见上述对两个平衡相干探测器的介绍。例如，再求飞行时间时，可计算各组的平均值作为最终的飞行时间。
应理解，本申请的说明书实施例和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。另外，“多个”是指两个或两个以上。
尽管结合具体特征及其实施例对本申请进行了描述，显而易见的，在不脱离本申请的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的方案进行示例性说明，且视为已覆盖本申请范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (14)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：激光器、第一分束模块、信号发生器、平衡相干探测模块、调制器和处理控制模块；
所述激光器，用于发射激光束，并将所述激光束传输至所述第一分束模块；
所述第一分束模块，用于将接收到的所述激光束分为本征光和信号光，并将所述本征光传输至所述平衡相干探测模块，将所述信号光传输至所述调制器；
所述信号发生器，用于产生参考电信号和调制电信号，并将所述参考电信号传输至所述平衡相干探测模块，将所述调制电信号传输至所述调制器；
所述调制器，用于接收所述信号光和所述调制电信号，并通过所述调制电信号对所述信号光进行调制，将调制后的信号光发射至探测区域，所述探测区域包括目标物体；
所述平衡相干探测模块，用于接收来自所述目标物体反射的回波光信号、所述本征光和所述参考电信号，并根据所述回波光信号、所述本征光和所述参考电信号进行相干探测，确定出目标电信号，将所述目标电信号传输至所述处理控制模块；
所述处理控制模块，用于根据所述目标电信号，确定与所述目标物体相关的信息。
2.如权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括第二分束模块和第三分束模块，所述平衡相干探测模块包括两个平衡相干探测器；
所述第二分束模块，用于接收来自所述第一分束模块的所述本征光，并将所述本征光分为两个第一本征光，将所述第一本征光传输至对应的平衡相干探测器，所述两个第一本征光与所述两个平衡相干探测器一一对应；
所述第三分束模块，用于接收来自所述光束接收模块的所述回波光信号，并将所述回波光信号分为两个第一回波光信号，将所述第一回波光信号传输至对应的平衡相干探测器，所述两个第一回波光信号与所述两个平衡相干探测器一一对应；
所述平衡相干探测器，用于接收对应的所述第一本征光、对应的所述第一回波光信号和所述参考电信号，并根据接收到的所述第一本征光、所述第一回波光信号和所述参考电信号进行相干探测，得到所述目标电信号。
3.如权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述平衡相干探测器包括第四分束模块和两个探测器阵列；
所述第四分束模块，用于将接收到的所述第一本征光分为两个第二本征光、以及将接收到的所述第一回波光信号分为两个第二回波光信号，其中，所述两个第二本征光与所述两个探测器阵列一一对应，所述两个第二回波光信号与所述两个探测器阵列一一对应；将所述第二本征光传输至对应的探测器阵列，将所述第二回波光信号传输至对应的所述探测器阵列。
4.如权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述平衡相干探测器还包括两个透镜组，所述两个透镜组与所述两个探测器阵列一一对应；
所述透镜组，用于接收对应的第二本征光和对应的第二回波光信号，并将所述对应的第二本征光进行汇聚，将汇聚后的第二本征光传输至对应的所述探测器阵列；将所述对应的第二回波光信号进行汇聚，将汇聚后的第二回波光信号传输至对应的所述探测器阵列。
5.如权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述平衡相干探测器还包括减法器；
所述探测器阵列，用于对接收到的所述汇聚后的第二本征光、所述汇聚后的第二回波光信号、以及所述参考电信号进行相干探测，得到积分值，并将所述积分值传输至所述减法器；
所述减法器，用于分别接收来自所述两个探测器阵列的积分值，并将其中一个探测器阵列的积分值与另一个探测器阵列的积分值进行减法运算，得到所述目标电信号。
6.如权利要求3至5任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述平衡相干探测器还包括P个减法器，所述探测器阵列包括M个感光单元，其中，一个减法器分别对应两个探测器阵列中相同数目的一个或多个感光单元，P和M均为正整数；
所述感光单元包括光电探测器、混频器和积分器；其中：
所述光电探测器，用于对接收到的所述汇聚后的第二本征光、以及所述汇聚后的第二回波光信号进行相干探测，得到相干探测信号，并将所述相干探测信号传输至所述混频器；
所述混频器，用于对接收到的所述参考电信号和所述相干探测信号进行混频处理，得到混频信号，并将所述混频信号传输至所述积分器；
所述积分器，用于对接收到的所述混频信号进行积分，得到N个积分值，并将所述N个积分值传输至对应的减法器，所述N为大于或等于4的整数；
每个减法器用于接收来自所述两个探测器阵列中对应的所述积分器输出的N个积分值，将其中一个探测器阵列中的所述积分器的N个积分值分别与另一个探测器阵列中对应的所述积分器的N个积分值进行减法运算，得到所述目标电信号，两个探测器阵列中的积分器一一对应。
7.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括P个模数转换器，所述P个模数转换器与所述P个减法器一一对应；
每个模数转换器用于接收来自对应减法器的所述目标电信号，并对接收到的所述目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将所述目标数字信号传输至所述处理控制模块。
8.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，在所述P为大于1的整数时，所述激光雷达还包括Q个并串转换器和一个模数转换器，所述Q个并串转换器中的每个并串转换器包括多个输入端和一个输出端，所述模数转换器包括Q个通道，所述Q个并串转换器与所述模数转换器的Q个通道一一对应，一个减法器对应一个输入端，Q为小于P的正整数；
每个并串转换器通过所述多个输入端接收来自与所述多个输入端对应的减法器的所述目标电信号，并将接收到的所述目标电信号进行并串转换，将得到的串行信号通过所述输出端传输至所述模数转换器对应的通道；
所述模数转换器的每个通道用于接收来自对应的并串转换器的所述目标电信号，并对接收到的所述目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将所述目标数字信号传输至所述处理控制模块。
9.如权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括模数转换器，所述模数转换器包括P个通道，所述P个通道与所述P个减法器一一对应；
所述P个通道中的每个通道用于接收来自对应的减法器的所述目标电信号，并对所述目标电信号进行采样，得到目标数字信号，将所述目标数字信号传输至所述处理控制模块。
10.如权利要求2至9任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括相移器，所述相移器与所述两个平衡相干探测器中的任一个对应；
所述相移器，用于接收来自所述第二分束模块的其中一个第一本征光，并将接收到的所述第一本征光的相位改变90度，将相位改变后的第一本征光传输至对应的平衡相干探测器。
11.如权利要求1至10任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜与所述两个平衡相干探测器的其中一个对应，所述第二反射镜与所述两个平衡相干探测器中的另一个对应；
所述第一反射镜，用于将来自所述第三分束模块的其中一个第一回波光信号反射至对应的平衡相干探测器中；
所述第二反射镜，用于将来自所述第二分束模块的其中一个第一本征光反射至对应的平衡相干探测器中。
12.如权利要求7至9任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述与所述目标物体相关的信息包括距离；
所述处理控制模块，用于根据所述目标电信号，确定与所述目标物体相关的信息，包括：
接收来自所述模数转换器的所述目标数字信号；
根据所述目标数字信号，确定与所述目标物体的距离。
13.如权利要求1至12任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括光束发射模块和光束接收模块；
所述光束发射模块，用于接收来自所述调制器的所述调制后的信号光，并将所述调制后的信号光发射至所述探测区域；
所述光束接收模块，用于接收来自所述目标物体反射的所述回波光信号，并将所述回波光信号传输至所述平衡相干探测模块。
14.如权利要求13所述的激光雷达，其特征在于，所述光束发射模块用于将所述调制后的信号光发射至所述探测区域，包括：
将接收到的所述调制后的信号光扩展为面光束形式的调制后的信号光；
将所述面光束形式的调制后的信号光发射至所述探测区域。
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