CN109343025B - 一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法，本发明实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，且本发明实施例采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，从而既提高探测精度又提高探测距离。

Description

一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，特别涉及一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法。
背景技术
激光雷达与微波雷达相比具有更短的波长、极高的分辨率及更轻的质量等。激光雷达按照对目标的激光辐射方式可分为扫描型激光雷达和非扫描型激光雷达。扫描型激光雷达的扫描方式可以分为机械式扫描和非机械式扫描，机械式扫描是采用反射或折射光学元件的旋转或周期性振动来改变光的方向，其响应速度和控制精度很难满足高性能激光雷达的需求，而且由于惯性扫描，其灵活性同样受到很大的限制。光学相控阵技术是一种新的电控光束偏转技术，通过控制辐射阵列各出射单元的相位关系来实现相干激光光束的偏转和扫描。由于采用电控扫描取代了机械转动，可实现高分辨率、高精确度、快速的光束扫描效果，但是其最大的缺点是栅瓣问题，导致扫描角度太小，只有几度左右，从而限制了其实用化的发展。非扫描激光雷达即闪光激光雷达，它是采用一次发射覆盖整个目标，回波信号由二维的探测器阵列接收。常见的非扫描激光雷达有采用光栅分光或利用激光单脉冲扩束发射，接受从目标返回的反射光直接获取三维图像。由于它不需要进行扫描，所以具有高帧频率、宽视场等特点，但闪光激光雷达的宽视场和探测距离是成反比的，即要提高闪光雷达的视场角，就需要将光束尽量发散，而光束能量的发散会带来探测距离的大大缩短。闪光激光雷达还有一个最大的难点是它的接收系统，闪光激光雷达通常采用焦平面雪崩光电二极管(APD)阵列接收。这就使得闪光激光雷达的探测精度受到APD阵元个数的限制。要实现较高的探测精度需要更密集及数量更大的APD阵列，这无疑增大了APD阵列的制作及读出电路设计的难度。
因此，如何在既能提高探测精度又能提高探测距离的前提下，实现激光雷达的发射及探测方案，成为了一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种激光雷达的发射系统，该系统既能提高探测精度，又能提高探测距离。
本发明实施例还提供一种激光雷达的探测系统，该系统能够既能提高探测精度，又能提高探测距离。
本发明实施例还提供一种激光雷达的探测方法，该方法既能提高探测精度，又能提高探测距离。
本发明实施例是这样实现的：
一种激光雷达的发射系统，包括：主激光器、从激光器阵列及周期性二值相位光栅，其中，
主激光器的输出端与从激光器阵列中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列)进行注入锁定；
从激光器阵列，用于根据主激光器的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；
周期性二值相位光栅与从激光器阵列的输出端相连接，用于接收从激光器阵列出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射。
一种激光雷达的探测系统，其特征在于，包括：透镜组及APD阵列，其中，
透镜组，用于接收不同方向的回波光束，将所接收的不同方向的回波光束聚焦在焦平面不同点上；
所述APD阵列位于所述透镜组焦平面上，用于探测在焦平面不同点上的回波信号。
一种激光雷达的探测方法，包括：
APD阵列探测得到聚焦在透镜组的焦平面上的回波光束，所述回波光束对应的出射光束采用权利要求1所述发射系统出射的；
采用APD阵列探测的回波信号的角度及所述出射光束采用的从激光器阵列中的相邻阵元之间的出射光束相位差确定物体方位。
如上可见，本发明实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，且本发明实施例采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，从而既提高探测精度又提高探测距离。
附图说明
图1为本发明实施例提供的激光雷达发射系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的激光雷达的探测系统示意图；
图3为本发明实施例提供的激光雷达的探测方法流程图；
图4为本发明实施例一提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布一示意图；
图5为本发明实施例一提供的从激光器阵列102的单个阵元经过了周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；
图6为本发明实施例一提供的从激光器阵列102的单个阵元没有经过周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；
图7(a)为本发明实施例一提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；
图7(b)为本发明实施例一提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；
图8为本发明实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布二示意图；
图9(a)为本发明实施例二提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；
图9(b)为本发明实施例二提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；
图10为本发明实施例三提供的发射系统及探测系统的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布三示意图；
图12为本发明实施例三提供的发射系统选通工作模式示意图；
图13(a)为本发明实施例三提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；
图13(b)为本发明实施例三提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；
图14(a)为本发明实施例三提供的发射系统未扫描时且无周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；
图14(b)为本发明实施例三提供的发射系统扫描时且无周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；
图15为本发明实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布四示意图；
图16(a)为本发明实施例三提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；
图16(b)为本发明实施例三提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；
图17为本发明实施例提供的焦平面APD阵列探测角度示意图；
图18为本发明实施例五提供的一维的激光雷达发射系统及探测系统的结构示意图；
图19为本发明实施例六提供的二维的激光雷达发射系统及探测系统的结构示意图。
附图标记
101-主激光器
102-从激光阵列
103-周期性二值相位光栅
201-透镜组
202-APD阵列
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。
为了在既能提高探测精度又提高探测距离的前提下，实现激光雷达的发射及探测方案，本发明实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，目的在于在保证大范围探测角度的同时提高探测的距离和探测的精度。进一步地，本发明实施例在接收中采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，其中，采用APD阵列接收技术可以使得接收到的角度为粗角度，而在发射中采用的光学相控阵扫描技术采用的角度为精细角度，由发射系统相邻的阵元相位差得出，探测时上述两者相结合，在实现大的探测精度的同时大大减少了APD阵列的个数，极大程度上降低了APD阵列的制作难度。
图1为本发明实施例提供的激光雷达发射系统的结构示意图，包括：主激光器(101)、从激光器阵列102及周期性二值相位光栅103，其中，
主激光器101的输出端与从激光器阵列102中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列102进行注入锁定；
从激光器阵列102，用于根据主激光器101的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；
周期性二值相位光栅103与从激光器阵列102的输出端相连接，用于接收从激光器阵列102出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射。
在该发射系统中，当激光雷达一维扫描情况下，所述注入锁定的为一维边发射半导体激光器阵列或一维注入锁定垂直面发射激光器(VCSEL)阵列，即从激光器阵列102为一维的，这时，周期性二值相位光栅103为一维的；在二维扫描情况下采用注入锁定的二维VCSEL阵列，即从激光器阵列102为二维的，可以采用二维的VCSEL阵列，这时，周期性二值相位光栅103也为二维的。VCSEL阵列采用面发射结构，具有激光光束质量好、调制频率高、单纵模及低阈值等优点，易于进行二维方向上的排布，并且可以在VCSEL阵列表面与二维的周期性二值相位光栅103进行集成。
在该系统中，采用从激光器阵列102组成光学相控阵，且从激光器阵列102表面上具有周期性二值相位光栅103，使得从激光器阵列102中的每个阵元的出射光束在空间上产生衍射，进而相干叠加形成覆盖角度范围比较大的一维线阵或二维点阵。
在该系统中，本发明实施例的周期性二值相位光栅103是一种可以对入射激光光束产生0或π相位变化的光栅，对于设定每个光栅周期设置有设定个数的刻槽数及设定宽度的槽宽，将单个光栅周期在正交方向上进行重复设置可以形成二维的，因为对激光光束的相位调制是二值的，所以便于大规模生产加工。
在该系统中，周期性二值相位光栅103所设定的光栅周期对应从激光器阵列102中阵元的发射激光光束阵列，即其设定的光栅周期数与从激光器阵列102中阵元的个数相同，通过周期性二值相位光栅103可以改变从激光器阵列102出射激光光束时的远场光强包络，使得出射光束在离散点阵扫描过程中突破衍射包络的限制，产生一种幅度变化很小的离散扫描效果。根据光学相控阵理论，离散点阵的扫描效果可以恰好覆盖离散点阵的空隙，实现了大角度，全空间的覆盖效果。这样使用在保证大范围探测角度的同时利用较少的二维点阵配合相控阵的扫描方式实现了较大的探测距离和很高的探测精度。
在激光雷达进行探测时，如图2所示，图2为本发明实施例提供的激光雷达的探测系统示意图，该探测系统用于接收图1所示系统出射光束的回波光束，包括：透镜组201及APD阵列202，其中，
透镜组201，用于接收不同方向的回波光束，将所接收的不同方向的回波光束聚焦在焦平面不同点上；
所述APD阵列202位于所述透镜组201焦平面上，用于探测在焦平面不同点上的回波信号。
在本发明实施例中，所述APD阵列可以为InGaAs APD阵列或HgCdTe APD阵列。
图3为本发明实施例提供的激光雷达的探测方法流程图，其具体步骤为：
步骤301、APD阵列探测得到聚焦在透镜组的焦平面上的回波光束，所述回波光束对应的出射光束为所述发射装置出射的；
步骤302、采用APD阵列探测的回波信号的角度及所述出射光束采用的从激光器阵列中的相邻阵元之间的出射光束相位差确定物体方位。
在该方法中，还包括：再根据飞行时间确定物体距离。
在该方法中，当所述从激光器阵列为一维时，所述确定物体方位包括：
Figure BDA0001764063210000061
其中，N为APD阵列的阵元个数，d1为APD阵元间距，f为透镜组焦距，λ为光源波长，d2为发射阵列阵元之间的间距，相邻阵元的相位差
Figure BDA0001764063210000062
根据从激光器阵列的注入电流I得出，可表示为/>
Figure BDA0001764063210000063
其中I为注入电流。
在该方法中，当所述从激光器阵列为二维时，所述确定物体方位包括：
Figure BDA0001764063210000064
Figure BDA0001764063210000065
其中，N为APD阵列的阵元x方向个数，dx1为APD阵列的阵元x方向间距，M为APD阵列的阵元y方向个数，dy1为APD阵列的阵元y方向间距，f为透镜组焦距，λ为光源波长，dx2为x方向所述从激光阵列的阵元间距，dy2为y方向所述从激光阵列的间距，相邻阵元相位差根据从激光器阵列的注入电流I得出，表示为
Figure BDA0001764063210000066
其中I为注入电流。
以下举几个具体实施例说明
实施例一
该实施例使用波长为1.55微米(μm)的激光光源进行仿真，利用1×N个单元的从激光器阵列102，以及对应的周期性二值相位光栅103产生一种一维离散扫描的效果。选取从激光器阵列102的阵元间距和周期性二值相位光栅单元的周期都为10μm。据栅瓣位置角度公式dsinθ＝±nλ,可以计算出空间中可以产生1×13个点阵的激光光束，本发明实施例对周期性二值相位光栅103的结构进行设计，得到了图4所示的优化后周期性二值相位光栅单元103单周期相位分布一示意图，由于本发明中的激光雷达发射系统的远场光强是由从激光器阵列102的N个阵元的远场叠加而成，根据光学相控阵的理论，N个阵元在扫描过程中的远场光强包络即为单个阵元的远场光强分布，为了使得N个阵元在扫描过程中光束变化幅度比较小，本发明实施例通过模拟退火法对周期性二值相位光栅单元103的单周期相位拐点进行优化设计使得单个阵元远场光强分布的方差最小。
引入评价函数
Figure BDA0001764063210000071
其中P(θ)为单周期阵元远场θ处对应的光强，n为统计的点数。本发明实施例优化得到一组拐点数据(0.71μm,1.56μm,2.27μm,3.17μm,4.47μm,6.11μm,9.85μm)。其相位分布函数如图4所示，得到的从激光器阵列102的单个阵元远场光强如图5所示，相较于图6没有加周期性二值相位光栅单元103情况下的单周期远场光强均匀性有很大提高。
激光雷达的发射系统扫描情况下的远场光强变化分析如下。
本实施例通过改变从激光器阵列102中相邻单元的相位使得入射到周期性二值相位光栅103中对应的相邻光栅单元的光束产生一个相位差
Figure BDA0001764063210000079
，第n个光栅单元的相位即为
Figure BDA0001764063210000072
通过改变/>
Figure BDA0001764063210000073
便可以实现光束点阵的相控阵式扫描，该扫描恰好覆盖了相邻栅瓣的间隙，形成了全空间而不仅仅是光束点阵的探测，探测的精度因此大大提高，由于从激光器阵列(102)的调相范围在[0，π]，根据相位的2π周期性，从激光器阵列102的调相范围无法覆盖到[(2k+1)π，(2k+2)π](k＝1，2，…)，所以对于/>
Figure BDA0001764063210000074
Figure BDA0001764063210000075
范围内的从激光器阵列102单元不工作，即只有/>
Figure BDA0001764063210000076
Figure BDA0001764063210000077
范围内的从激光器阵列102单元工作。产生的远场光强图如图7(a)及图7(b)所示。
实施例二
本实施例换用波长为905纳米(nm)的激光光源进行仿真，利用1×N个单元的的从激光器阵列102，以及对应的周期性二值相位光栅单元103产生一种一维离散扫描的效果。同样选取从激光器阵列102的阵元间距和周期性二值相位光栅单元的光栅周期都为10μm。根据栅瓣位置角度公式dsinθ＝±nλ可以计算出空间中可以产生1×23个点阵，接下来本实施例对周期性二值相位光栅单元103的结构进行设置，得到了图8所示的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布二示意图。由于本发明中的激光雷达发射系统的远场光强包络是由N个阵元的远场叠加而成，根据光学相控阵的理论，N个阵元在扫描过程中的远场光强包络即为单个阵元的远场光强分布，为了使得N个阵元在扫描过程中光束变化幅度比较小，本实施例可以通过模拟退火法对周期性二值相位光栅单元103的拐点进行优化设计使得单个阵元远场光强的方差最小来实现本发明的设计效果。
引入评价函数
Figure BDA0001764063210000078
其中P(θ)为单周期阵元远场θ处对应的光强，n为统计的点数。本发明实施例优化得到一组拐点数据(1.03μm,1.43μm,2.02μm,2.68μm,3.19μm,3.69μm,6.1μm,7.19μm,8.04μm,9.29μm,9.61μm)。其相位分布函数如图8所示。
激光雷达的发射系统扫描情况下的远场光强变化分析如下。
本实施例通过改变从激光器阵列102中相邻单元的相位使得入射到周期性二值相位光栅单元103中对应的相邻光栅单元的光束产生一个相位差
Figure BDA0001764063210000081
第n个光栅单元的相位即为/>
Figure BDA0001764063210000082
通过改变/>
Figure BDA0001764063210000083
便可以实现光束点阵的相控阵式扫描，该扫描恰好覆盖了相邻栅瓣的间隙，形成了全空间而不仅仅是光束点阵的探测，探测的精度因此大大提高，由于从激光器阵列(102)的调相范围在[0，π]，根据相位的2π周期性，从激光器阵列102的调相范围无法覆盖到[(2k+1)π，(2k+2)π](k＝1，2，…)，所以对于/>
Figure BDA0001764063210000084
Figure BDA0001764063210000085
范围内的从激光器阵列102单元不工作，即只有/>
Figure BDA0001764063210000086
Figure BDA0001764063210000087
范围内的从激光器阵列102单元工作。产生的远场光强图如图9(a)及图9(b)所示。
实施例三
实施例三为从激光阵列102使用二维的情况。使用波长为1.55μm的激光光源进行仿真，将一维情况下的从激光器阵列102换成二维的VCSEL激光器阵列，主VCSEL激光器101通过空间馈光的方式对从VCSEL激光器102阵列进行注入锁定，如图10所示，图10为本发明实施例三提供的发射系统及探测系统的结构示意图。由于从VCSEL激光器102的垂直发射的特性使得非常容易和二维相位光栅进行集成。其阵元间距和二维的周期性二值相位光栅单元103的相位光栅的周期都为10μm，根据栅瓣位置角度公式dsinθ＝±nλ可以计算出空间中可以产生13×13个点阵，利用一维情况下优化得到的相位拐点数据在二维方向上拓展，如图11所示。
激光雷达的发射系统扫描情况下的远场光强变化分析如下。
二维情况下本实施例可以通过改变从VCSEL激光器102的阵元列在横向及纵向上的相邻单元的相位使得入射到周期性二值相位光栅单元103中对应的相邻光栅单元的光束产生相位差
Figure BDA0001764063210000088
第n行第m列单元相位为/>
Figure BDA0001764063210000089
当相位差/>
Figure BDA00017640632100000810
变化时，本实施例就可以获得二维点阵的二维扫描效果，该扫描恰好覆盖了相邻栅瓣的间隙，形成了全空间的探测，探测的精度因此大大提高。同样地，由于从VCSEL激光器102的调相范围也是[0，π]，根据相位的2π周期性，从VCSEL激光器102的调相范围无法覆盖到[(2k+1)π，(2k+2)π](k＝1，2，…)，所以对于/>
Figure BDA00017640632100000811
Figure BDA0001764063210000091
范围内的从激光器阵列102单元不工作，即只有/>
Figure BDA0001764063210000092
Figure BDA0001764063210000093
范围内的从激光器阵列102单元工作，其选通工作示意如图12所示，即当/>
Figure BDA0001764063210000094
时VCSEL阵列的选通工作方式。产生的扫描效果如图13(a)和13(b)所示。
与未加二值相位光栅时的扫描效果对比(如图14(a)和图14(b)所示)，从VCSEL激光器102阵列相控阵未扫描时和扫描时的点阵变化可以明显看出本发明实施例利用注入锁定VCSEL阵列和二值相位光栅的结合实现了很大的空间范围覆盖。
实施例四
实施例四为从激光阵列102使用二维情况。使用波长为905nm的激光光源进行仿真，将一维情况下的从一维的激光器阵列102换成二维的VCSEL激光器阵列，主VCSEL激光器101通过空间馈光的方式对从VCSEL激光器102阵列进行注入锁定，仍然设其阵元间距和二维相位光栅的周期都为10μm，根据栅瓣位置角度公式dsinθ＝±nλ可以计算出空间中可以产生23×23个点阵，利用一维情况下优化得到的相位拐点数据在二维方向上拓展，如图15所示。
激光雷达的发射系统扫描情况下的远场光强变化分析如下。
二维情况下本实施例可以通过改变从VCSEL激光器102的阵元列在横向及纵向上的相邻单元的相位使得入射到周期性二值相位光栅单元103中对应的相邻光栅单元的光束产生相位差
Figure BDA0001764063210000095
第n行第m列单元相位为/>
Figure BDA0001764063210000096
当相位差/>
Figure BDA0001764063210000097
变化时，本实施例就可以获得二维点阵的二维扫描效果，该扫描恰好覆盖了相邻栅瓣的间隙，形成了全空间的探测，探测的精度因此大大提高。同样地，由于从VCSEL激光器102的调相范围也是[0，π]，根据相位的2π周期性，从VCSEL激光器102的调相范围无法覆盖到[(2k+1)π，(2k+2)π](k＝1，2，…)，所以对于/>
Figure BDA0001764063210000098
Figure BDA0001764063210000099
范围内的从激光器阵列102单元不工作，即只有/>
Figure BDA00017640632100000910
Figure BDA00017640632100000911
范围内的从激光器阵列102单元工作，其效果如图16(a)和16(b)所示。
本发明实施例采用透镜组201的焦平面上的APD阵列202进行接收。采用背景技术时，APD阵列的技术难点在于读出集成电路的设计，而要实现N×N的点阵接收就需要N×N的APD阵元，而本发明实施例在发射系统中由于采用点阵扫描的形式可以通过较少的点阵实现大的分辨率，这就大大降低了APD阵列的制作难度。
本发明的激光雷达系统每次接收到回波信号后再进行下一个角度的扫描，如图16所示，图17为本发明实施例提供的焦平面APD阵列探测角度示意图。最终探测到的角度可以用APD阵列接收到的角度及激光雷达的发射系统的光学相控阵的扫描角度来联合决定，所以在实现大的探测精度的同时大大减少了APD阵列的个数，极大程度上降低了APD阵列的制作难度。
举两个具体实施例进行说明
实施例五
激光雷达系统的发射系统采用一维的从激光器阵列102及一维的周期性二值相位光栅103，实现一维离散线阵的相控阵式扫描效果，线阵个数为N，图18为本发明实施例五提供的一维的激光雷达发射系统及探测系统的示意图，如图18所示的为N＝4的情况，N为离散光束数目，实线代表偏转前离散光束的位置，虚线代表偏转后离散光束的位置，离散光束编号为1、2、3、4。焦平面上的APD阵列202放置的位置使得在未扫描时编号为1、2、3、4的光束回波信号恰好位于编号为1、2、3、4的APD阵列202的探测器中心。在某一时刻，若探测器的阵元n接收到回波信号，假如此时光束未扫描，则确定物体方位为
Figure BDA0001764063210000101
N为APD阵列202的阵元个数，d1为阵元间距，f为透镜组焦距。若此时光束处于扫描状态，则由相邻发射单元相位差
Figure BDA0001764063210000102
确定此时的扫描角度
Figure BDA0001764063210000103
λ为光源波长，d2为发射单元间距，相邻发射单元相位差
Figure BDA0001764063210000104
可以根据从激光器阵列102的注入电流I得出，可以表示为/>
Figure BDA0001764063210000105
其中I为注入电流。最终由APD阵列探测的角度θ1(粗角度)和由发射阵列相邻单元相位差确定的角度θ2(精细角度)来确定物体方位为
Figure BDA0001764063210000106
再根据飞行时间来探测物体距离；由于探测角度由焦平面APD阵列接收角度和发射阵列的扫描角度共同决定，所以可以在保证高精度的同时降低对焦平面APD阵列个数的要求，极大的降低了探测器阵列的制作难度。由于采取有源的离散光束扫描的形式，也会相较于传统闪光雷达大大提升探测距离。
实施例六
发射系统采用二维注入锁定激光器阵列或注入锁定VCSEL阵列+二维二值相位光栅，实现二维离散点阵相控阵式扫描效果，如图17所示，图17为本发明实施例六提供的二维的激光雷达发射系统及探测系统的结构示意图，点阵个数为N×N，仍采用N＝4的情况进行分析(发射系统只画出了4条出射光束)；实线代表偏转前离散光束的位置，虚线代表偏转后离散光束的位置，离散光束编号为11、12、……、43、44。焦平面APD阵列放置的位置使得在未扫描时编号为11、12、……、43、44的光束回波信号恰好位于编号为11、12、……、43、44的APD探测器中心。在某一时刻，若探测器nm接收到回波信号，假如此时光束未扫描，则确定物体方位为
Figure BDA0001764063210000111
N为焦平面探测器阵元x方向个数，dx1为焦平面探测器阵元x方向间距，M为焦平面探测器阵元y方向个数，dy1为焦平面探测器阵元y方向间距，f为透镜组焦距。若此时光束处于扫描状态，则由x方向相邻发射单元相位差
Figure BDA0001764063210000112
确定此时的扫描角度/>
Figure BDA0001764063210000113
Figure BDA0001764063210000114
由y方向相邻发射单元相位差/>
Figure BDA0001764063210000115
确定此时的扫描角度/>
Figure BDA0001764063210000116
λ为光源波长，dx2为x方向发射单元间距，dy2为y方向发射单元间距，相邻发射单元相位差可以根据从激光器的注入电流I得出，可以表示为/>
Figure BDA0001764063210000117
其中I为注入电流。最终由焦平面探测器阵列探测的角度θx1、θy1(粗角度)和由发射阵列相邻单元相位差确定的角度θx2、θy2(精细角度)来确定物体方位为
Figure BDA0001764063210000118
Figure BDA0001764063210000119
再根据飞行时间来探测物体距离；由于探测角度由焦平面APD阵列接收角度和发射阵列的扫描角度共同决定，所以可以在保证高精度的同时降低对焦平面APD阵列个数的要求，极大的降低了探测器阵列的制作难度。由于采取有源的离散光束扫描的形式，也会相较于传统闪光雷达大大提升探测距离。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种激光雷达的发射系统，其特征在于，包括：主激光器(101)、从激光器阵列(102)及周期性二值相位光栅(103)，其中，
主激光器(101)的输出端与从激光器阵列(102)中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列(102)进行注入锁定；
从激光器阵列(102)，用于根据主激光器(101)的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；
周期性二值相位光栅(103)与从激光器阵列(102)的输出端相连接，用于接收从激光器阵列(102)出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射；
在一维情况下，所述周期性二值相位光栅(103)，还用于设定的光栅周期数与从激光器阵列(102)中阵元的个数相同；
或者，在二维情况下，所述周期性二值相位光栅(103)，还用于将单个光栅周期在正交方向上重复设置，形成二维。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从激光器阵列(102)采用的是一维时，所述周期性二值相位光栅(103)为一维的；
所述从激光器阵列(102)采用的是二维时，所述周期性二值相位光栅(103)为二维的。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述从激光器阵列(102)采用选通模式工作，具体包括：
在一维情况下，当
Figure FDA0004202743280000011
且/>
Figure FDA0004202743280000012
为相邻单元相位差时，第n个从激光器阵列(102)单元工作；
在二维情况下，当
Figure FDA0004202743280000013
且/>
Figure FDA0004202743280000014
为相邻行单元相位差，/>
Figure FDA0004202743280000015
为相邻列单元相位差时，第n行，第m列的从激光器阵列(102)单元工作。
4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述从激光器阵列(102)采用锁定垂直面发射激光器VCSEL阵列；
所述主激光器(101)采用VCSEL。
5.一种基于权利要求1所述发射系统的激光雷达的探测系统，其特征在于，包括：透镜组(201)及APD阵列(202)，其中，
透镜组(201)，用于接收不同方向的回波光束，将所接收的不同方向的回波光束聚焦在焦平面不同点上；
所述APD阵列(202)位于所述透镜组(201)焦平面上，用于探测在焦平面不同点上的回波信号。
6.如权利要求5所述的探测系统，其特征在于，所述APD阵列为InGaAs APD阵列或HgCdTe APD阵列。
7.一种基于权利要求1所述的发射系统的激光雷达的探测方法，其特征在于，包括：
APD阵列探测得到聚焦在透镜组的焦平面上的回波光束，所述回波光束对应的出射光束采用权利要求1所述发射系统出射的；
采用APD阵列探测的回波信号的角度及所述出射光束采用的从激光器阵列中的相邻阵元之间的出射光束相位差确定物体方位。
8.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，当所述从激光器阵列为一维时，所述确定物体方位包括：
Figure FDA0004202743280000021
其中，N为APD阵列的阵元个数，d1为APD阵元间距，f为透镜组焦距，λ为光源波长，d2为发射阵列阵元之间的间距，相邻阵元的相位差/>
Figure FDA0004202743280000022
根据从激光器阵列的注入电流I得出，可表示为/>
Figure FDA0004202743280000023
其中I为注入电流。
9.如权利要求7所述的探测方法，其特征在于，当所述从激光器阵列为二维时，所述确定物体方位包括：
Figure FDA0004202743280000024
Figure FDA0004202743280000025
其中，N为APD阵列的阵元x方向个数，dx1为APD阵列的阵元x方向间距，M为APD阵列的阵元y方向个数，dy1为APD阵列的阵元y方向间距，f为透镜组焦距，λ为光源波长，dx2为x方向所述从激光器阵列的阵元间距，dy2为y方向所述从激光器阵列的间距，相邻阵元相位差根据从激光器阵列的注入电流I得出，表示为
Figure FDA0004202743280000026
其中I为注入电流。
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