CN108802710A - 基于垂直腔面发射激光器的闪光激光探测与测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光探测技术领域，具体为一种基于垂直腔面发射激光器的闪光激光探测与测量系统。本发明系统由若干个基本模块重复平铺组成，为任意形状的面阵结构、筒状结构或立体包围结构；每个基本模块由2个VCSEL与2个光检测器组成，两者一一对应，VCSEL激光器用于对目标物体发出激光，光检测器用于接收从目标物体反射回的激光；基本模块中VCSEL与光检测器的排布方式有两种种：一种是VCSEL与光检测器平行分布，另一种是VCSEL与光检测器交错分布。本发明可以大幅提升获取的信息量以及探测速度。并且面阵式的激光雷达去掉了机械扫描的部分，结构更加自由紧凑，很大程度上减小了车载激光雷达的体积。

Description

基于垂直腔面发射激光器的闪光激光探测与测量系统
技术领域
本发明属于激光探测技术领域，具体涉及应用垂直腔面发射激光器的闪光激光探测与测量（FlashLight Detection And Ranging，简称Flash LiDAR）系统。
背景技术
目前，车载激光雷达大多是机械扫描式雷达，即多束激光通过并排绕轴旋转进行线扫描。利用机械扫描式雷达可以获得全方位的环境信息，但是机械式激光雷达因为运动部件较多，除了价格居高不下以外，还存在较多不足之处，特别是用于自动驾驶汽车上时，存在以下缺点：
1.结构复杂且较为笨重，过多的机械部件会造成磨损，不利于长时间运行，可靠性也会随着时间的推移逐渐降低，对于以安全为首位的自动驾驶汽车而言，无法接受；
2.系统的光路结构会降低反射信号接受比，使得信号接收比大幅降低；
3.由于机械式激光雷达系统需要进行精密的光学对准装配，大批量生产难度大。
随着无人驾驶汽车市场的发展，传统的扫描式雷达难以在制造成本、信息量获取速度以及成像速度、安全可靠性上满足市场需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于垂直腔面发射器的闪光激光探测与测量系统，记为：基于VCSEL的Flash LiDAR系统。
垂直腔面发射激光器（Vertical cavity surface emitting laser,简称VCSEL）具有发光面与电极垂直的特点，本发明利用该特点对VCSEL进行并联形成二维面阵结构，能一次性发射一整个面阵的激光光束，一次性发射光束数量的提升有助于一次性获取的信息量提升。
在此基础上，提出2个VCSEL激光器与2个光检测器按一定的排布方式组成基本模块，旨在使VCSEL激光器与光检测器一一对应，进一步使信息提取速度提升。排布方式分为两种：一种是2个VCSEL与2个光检测器平行分布，另一种是2个VCSEL与2个光检测器交错分布。VCSEL激光器对目标物体发出激光，光检测器接收从目标物体反射回的激光，通过处理得到的激光飞行时间获得LiDAR系统与目标物体的距离。
在此基础上，根据实际需求将若干基本模块自由组合，得到任意形状的面阵结构，筒状结构，以及立体包围结构的LiDAR系统。
本发明中，还可以在基本模块的VCSEL激光器和光检测器的上方安装透镜，用于对发射激光视场的调节，以及对接收光的汇聚，提高系统探测性能，同时增强信噪比。
本发明的有益效果是，可以大幅提升获取的信息量以及探测速度。并且面阵式的激光雷达去掉了机械扫描的部分，结构更加自由紧凑，很大程度上减小了车载激光雷达的体积。
附图说明
图1是本发明LiDAR系统一个子区域的示例性图。
图2是本发明LiDAR系统的基本模块的两种组合。
图3是由图2基本模块组成图1区域的示例性图。
图4是本发明LiDAR系统结构的示例性图。
图5是本发明在VCSEL发光器和光检测器的上方安装透镜的方式示意图。
图6是本发明在VCSEL面阵背面的驱动和信号接收电路控制分时发光与探测示意图。
具体实施方式
LiDAR系统包含但不仅包含VCSEL激光器103和光检测器104。VCSEL激光器103对目标物体发出激光，光检测器104接收从目标物体反射回的激光，通过处理得到的激光飞行时间获得LiDAR系统与目标物体的距离。
图1取本发明LiDAR系统的一个子区域101为例，该子区域101由4个基本模块102a-102d组成，在不需要特别说明的情况下，4个基本模块102a-102d每个统一记为基本模块102。本发明中的基本模块102由2个VCSEL激光器和2个光检测器组成，激光器和光检测器的排布方式有两种：发光器和光检测器两两平行（如图2（a）所示），或者发光器和光检测器两两交错（图2（b）所示）。基本模块102可以是VCSEL发光器103和光检测器104的独立器件自由组合而成，也可以是将VCSEL发光器103和光检测器104直接固定在同一芯片上。
本发明的LiDAR系统可由适当个数的基本模块102重复平铺组成，可以形成多种形状；例如，可以平铺成平面状，形状包含但不限于圆形、椭圆形、多边形等，如图4（a）所示；可以平铺成凹面状，如图4（d）所示；也可以进一步将平面结构升级成围起来的筒状，如图4（b）所示；或者围成立体图形，如图4（c）所示。本发明的重点在VCSEL发光器103和光检测器104的排布组合方式，即图2所示的基本模块102，具体形貌可以根据实际需要进行调整。图4（d）所示的碗形LiDAR系统结构中，发光芯片和探测芯片分布于内表面，既可以实现发射激光束的聚焦，也可以实现接受光信号的自然汇聚，十分有利于二次光学系统设计，从而实现高效的距离、速度以及角度探测。
通过在VCSEL发光器103和光检测器104的上方安装透镜501的方式，如图5所示，实现对发射激光视场的调节，以及对接收光的汇聚，提高系统探测性能，同时增强信噪比。透镜既可以安装在激光雷达系统外部，也可以通过MEMS技术直接集成在器件芯片上。
最终的面阵结构可以根据需要划分若干区域，通过在VCSEL面阵背面的驱动和信号接收电路控制分时发光与探测，形成相控阵控制策略。如图6所示，取面阵结构的一个子区域601，根据探测对象602特点以及探测要求，取若干基本模块102行成区域603，604，分别对探测对象602需要探测的区域605，606进行检测。该方案既可以降低激光雷达的功率损耗，又可以实现扫描跟踪功能。

Claims (2)

1.一种基于垂直腔面发射器的闪光激光探测与测量系统，其特征在于，由若干个基本模块重复平铺组成，为任意形状的面阵结构、筒状结构或立体包围结构；而每个基本模块由2个VCSEL激光器与2个光检测器组成，两者一一对应，VCSEL激光器用于对目标物体发出激光，光检测器用于接收从目标物体反射回的激光，通过处理得到的激光飞行时间获得系统与目标物体的距离；基本模块中VCSEL激光器与光检测器的排布方式有两种种：一种是2个VCSE激光器L与2个光检测器平行分布，另一种是2个VCSEL激光器与2个光检测器交错分布。
2.根据权利要求1所述的基于垂直腔面发射器的闪光激光探测与测量系统，其特征在于，在VCSEL激光器和光检测器的上方安装有透镜，用于对发射激光视场的调节，以及对接收光的汇聚，提高系统探测性能，同时增强信噪比。
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