CN109507688B - 一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法 - Google Patents

一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，所述激光发射装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。本发明提供的激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置以及激光雷达探测装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。

Description

一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地，涉及一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法。
背景技术
激光探测技术主要应用于三维测量，能直接获取目标对象的三维空间信息，进而实现目标对象的三维重建。激光探测技术在数米到数千米距离范围内，测量精度在数毫米至分米量级，可以应用于国民经济的很多领域。激光发射装置作为激光探测技术中极为重要的部分，对于目标对象的三维测量有着决定性的影响。
激光雷达(LIDAR，Light Detection And Ranging)作为激光探测技术的一种具体应用，可以利用激光发射装置，以激光脉冲作为探测信号，通过测量物体反射光信号时间，进而测量特定方位角的目标距离，以获取目标对象的三维图像。因此，激光雷达目前在自动驾驶、航拍、测绘等领域有非常广泛的应用前景。
图1为现有技术中提供的一种激光雷达装置的结构示意图。如图1所示，激光雷达通常包括激光发射装置和回波接收处理装置。其中，激光发射装置包括激光器阵列101和发射光学系统102，回波接收处理装置包括接收光学系统103和阵列探测器104。其中，激光器101启动激光光源，产生特定方向的激光；发射光学系统102将其进行准直扩束处理，再发射出去；激光照射到目标对象后产生反射的回波信号；接收光学部件103接收反射的回波信号，由阵列探测器104对回波信号进行探测，从而生成目标对象的三维图像。
对于激光发射装置，现有技术中通常使用多个激光器，即激光器阵列。激光器阵列沿不同角度发出多束光，照射到目标对象。这种方式可以增加激光点云密度，提高空间角分辨率。但是，激光器和探测器数目的增加，造成成本高、体积大的缺陷。并且，现有技术中的这种多激光束角度通常是固定的，只能对这些激光头照射到的空间位置进行探测，对两束光之间的空间无法扫描，得到的目标对象的三维图像不够精细。并且，现有技术中还提供有机械式扫描和相控阵扫描式的方式，以实现对目标对象更精细的扫描，可是这种方式所需的硬件成本较高且硬件结构复杂。
发明内容
本发明提供一种克服现有技术中激光雷达成本高、体积大且得到的目标对象的三维图像不够精细的问题的激光发射装置、激光雷达探测装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种激光发射装置，所述激光发射装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
优选地，所述相位预控制器为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵；通过所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描。
优选地，所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描具体为：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度。
优选地，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。
优选地，所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大为T，其中，T为二维达曼光栅的周期。
根据本发明的另一个方面，提供一种激光雷达探测装置，所述激光雷达探测装置包括：上述的激光发射装置、接收光学系统和阵列探测器；所述激光发射装置，用于向目标对象发射激光束阵；所述接收光学系统，用于接收由所述目标对象反射的回波信号；所述阵列探测器，用于根据所述接收光学系统接收的所述回波信号，获取所述目标对象的三维图像。
优选地，所述阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器。
根据本发明的再一个方面，提供一种基于上述的激光雷达探测装置的激光雷达探测方法，所述方法包括：S1，向目标对象发射多束激光束阵；S2，接收由所述目标对象反射的回波信号；S3，根据所述回波信号获取所述目标对象的三维图像。
优选地，步骤S1进一步包括：S11，将激光进行准直扩束；S12，对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；S13，对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
优选地，步骤S12进一步包括：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。
本发明提供的一种激光发射装置、激光雷达探测装置及方法，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置以及激光雷达探测装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。
附图说明
图1为现有技术中提供的一种激光雷达装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例提供的一种激光发射装置的模块图；
图3为根据本发明实施例提供的未进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图；
图4为根据本发明实施例提供的一种相位预控制器的出射光到达二维达曼光栅分束器时在一维方向上的相位梯度示意图；
图5为根据本发明实施例提供的已进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图；
图6为根据本发明实施例提供的一种激光雷达探测装置的结构示意图；
图7为根据本发明实施例提供的一种激光雷达探测方法的流程图；
图8为根据本发明实施例提供的一种二维达曼光栅分束原理结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
激光探测技术主要应用于三维测量，能直接获取目标对象的三维空间信息，进而实现目标对象的三维重建。激光发射装置作为激光探测技术中极为重要的部分，对于目标对象的三维测量有着决定性的影响。为了提高对目标对象的扫描效率，现有技术中通常采用多个激光器以不同角度发射多束激光束的方式，照射到目标对象，但该种方式需采用多个激光器，极大地增加了硬件成本以及设备体积。并且，现有技术中多束激光束的角度通常是固定的，由此造成多束激光束之间的空隙部分未受到扫描，影响扫描精度。并且，现有技术中还提供有机械式扫描和相控阵扫描式的方式，以实现对目标对象更精细的扫描，可是这种方式所需的硬件成本较高且硬件结构复杂。
基于上述现有技术中的不足，本发明实施例提出一种激光发射装置，所述装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
具体地，此处结合附图对本发明实施例中的一种激光发射装置进行具体说明，图2为根据本发明实施例提供的一种激光发射装置的模块图，如图2所示，激光发射装置包括发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器。
进一步地，发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器依次设置于激光发射的光路中。其中，发射光学系统用于对激光进行准直扩束，相位预控制器对经过准直扩束之后的激光进行相位预调，二维达曼光栅分束器用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
需要说明的是，发射光学系统所接收的激光为单束激光，二维排布的激光束阵为多束激光。
需要说明的是，激光来自于激光器，但本实施例对激光的来源不作限定。激光器发出的激光的发散度极小，接近平行，但为了使得激光的平行度更高，此处设置发射光学系统。本实施例中的发射光学系统具有对激光进行准直的作用，其中，准直是指将激光的发散度进一步减小，以使得激光的平行度更高。
进一步地，本实施例中的发射光学系统还具有对经过准直之后的激光进行扩束的作用，其中，扩束是指将经过准直之后的激光的直径扩大至更大的数值，以实现较大直径的平行光束的输出。
本实施例中的相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调，使得相位预控制器的出射光在到达二维达曼光栅分束器时，在垂直于该出射光的发射方向的平面上存在特定的相位分布。
具体地，在进行相位调节前，出射光到达二维达曼光栅分束器时，在垂直出射光的发射方向的平面上，出射光的相位均相同，经过二维达曼光栅分束所获得的多束激光可以实现对目标对象的扫描，但是两束激光之间的空间无法得到扫描。而进行相位调节后，出射光到达二维达曼光栅分束器时，在垂直于出射光的发射方向的平面上，存在特定的相位分布。也就是说，在进行相位调节后，经过二维达曼光栅分束器后所产生的多束激光，与相位调节前产生的多束激光相比，照射在目标对象上的投影会产生微小的移动。
本实施例中的二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
需要说明的是，达曼光栅是一种能将单一光束分成若干等强度光束的衍射光学元件，将一束入射激光分束成NxM束激光阵且点阵光强度均匀分布的微结构光学元件，N和M为正整数。对所述激光器波长的所述达曼光栅的衍射图样为矩形分布规则点阵，点阵间距可通过设计达曼光栅来控制。由于达曼光栅制作简便衍射效率高，在并行刻写、图像复制等领域发挥着重大作用。通常，达曼光栅包括一维达曼光栅和二维达曼光栅，其中，一维达曼光栅在单色平面光波的照射下产生衍射光，且该衍射光只在一维方向上排列，占用空间较大；二维达曼光栅在单色平面光波的照射下产生衍射光，且该衍射光只在二维方向上排列，占用空间较小。
本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过二维达曼光栅分束器对单束激光进行分束以获取二维排布的激光束阵，既可以节约成本，又可以将出射的多束激光同时覆盖目标对象，保持激光扫描的效率。并且，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。
基于上述实施例，本实施例结合附图对上述实施例中的未对经过准直扩束之后的激光进行相位预调的情况作出一个具体的说明。图3为根据本发明实施例提供的未进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图，如图3所示，横坐标表示光出射角度的正弦值，纵坐标表示光的衍射效率。横坐标中心的0点为原点，围绕原点分布为1级衍射、2级衍射...15级衍射。图3中所示的激光雷达仅仅对各级次衍射对应的空间点进行了扫描，而没有对两点之间进行扫描。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的相位预控制器进行进一步说明，本实施例中的相位预控制器为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵；通过所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描。
具体地，相位预控制器用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调，相位预控制器可以为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵。
进一步地，压电微机械相控阵中的“压电”是指：如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之，对压电材料施加电压，它则会产生变形(称为逆压电效应)；“微机械”是指：利用半导体技术(特别是平板印制术，蚀刻技术)设计和制造微米领域的三维力学系统，以及微米尺度的力学元件；本实施例中的“相控阵”是指：利用相位控制激光束阵进行对目标对象进行扫描。
进一步地，液晶相控阵是指：利用液晶的电控双折射特性，即通过加载不同的电压值以控制液晶的双折射率，从而实现对光波的相位调制达到光束的偏转。
进一步地，电光晶体相控阵中的“电光晶体”是指具有电光效应的晶体材料，电光晶体相控阵是指：利用电光晶体的电光效应，即通过改变外电场，以控制晶体的折射率发生变化，从而实现对光波的相位调制达到光束的偏转。
本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过将相位预控制器与二维达曼光栅分束器配合，以使得对目标对象的扫描更加精细。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的压电微机械相控阵与二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描的过程进行具体说明。
所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描具体为：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度。
具体地，本实施例中的压电微机械相控阵优选为压电陶瓷微机械相控阵，其中，压电陶瓷是具有压电特性的电子陶瓷材料。压电陶瓷的位移(延展或收缩长度)随该压电陶瓷所加载的电压差的变化而变化，当该压电陶瓷所加载的电压差的ΔV时，压电陶瓷的位移为l＝d33ΔV，其中，l为压电陶瓷的的位移，d33为压电陶瓷的压电常数。需要说明的是，压电陶瓷的形变体现在该压电陶瓷的位移上。
本实施例中的二维达曼光栅分束器固定于压电陶瓷微机械相控阵的上方，在实际应用中，给压电陶瓷微机械相控阵加载一个特定的输入电压，使得该压电陶瓷微机械相控阵产生形变，进而使得在其上方的二维达曼光栅分束器倾斜，从而使得压电陶瓷微机械相控阵的出射光经过二维达曼光栅分束器时，在垂直出射光传播方向的平面内具有一个相位梯度。因此，当具有相位梯度的出射光经过二维达曼光栅分束器后，将在二维达曼光栅分束器的出射面产生多束激光，并且与原未经相位预控制器的多束激光相比，照射在目标对象上的投影会产生微小的移动。
本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过将相位预控制器与二维达曼光栅分束器配合，以使得对目标对象进行的扫描全面且精确。
基于上述实施例，本实施例结合附图，对上述实施例中的压电微机械相控阵的出射光经过二维达曼光栅分束器时，在垂直所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度中的相位梯度的选取进行具体说明。
图4为根据本发明实施例提供的一种相位预控制器的出射光到达二维达曼光栅分束器时在一维方向上的相位梯度示意图，如图4所示，横坐标表示一维方向坐标，纵坐标表示出射光的相位。由图4可看出，此时的相位梯度dψ/dx＝2π/6T。
图5为根据本发明实施例提供的已进行相位预调的激光在经过二维达曼光栅分束器后的一维方向上的各级次衍射效率示意图，如图5所示，横坐标表示光出射角度的正弦值，纵坐标表示光的衍射效率。横坐标中心的0点为原点，围绕原点分布为1级衍射、2级衍射...15级衍射。其中，坐标平面中的实线代表未经相位预调的出射光在经过二维达曼光栅分束器后的各级次衍射效率与出射角度正弦值的对应关系，坐标平面中的虚线代表已经相位预调的出射光在经过二维达曼光栅分束器后的各级次衍射效率与出射角度正弦值的对应关系。
根据图5和上述说明可知，由于经过相位预调，多束激光的出射角度相较于未经相位预调的多束激光的出射角度，产生了微小变化，因此，经过相位预调后的多束激光照射在目标对象表面的区域，相较于未经相位预调的多束激光照射在目标对象表面的区域，产生了微小移动。因此，可利用相位预控制器，实现对目标对象的精细扫描，得到更高的方位精度。
需要说明的是，图4和图5相互对应，即图4表明的是已经相位预调的出射光在到达二维达曼光栅分束器时，在一维方向上的相位梯度，图5中虚线表明的是该出射光经过二维达曼光栅分束器后，在一维方向上的各级次衍射效率示意图。
结合图4和图5，可得：出射光在到达二维达曼光栅分束器时，其相位梯度为2π/6T，出射光经过二维达曼光栅分束器后，激光束阵整体向右移动了λ/6T。因此，在目标对象上的投影点移动λ/6T所对应相位梯度为2π/6T。那么要移动照射至原点的光束至离原点最近的第一个点处距离的一半时，其对应的相位梯度就应该为π/T，考虑到光束需要在原点左右扫描，因此这里可以设置为使相位梯度在±π/T的范围内变化。
本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过将相位梯度设置在[-π/T，+π/T]的范围内，以实现对目标对象的精细扫描，得到更高的方位精度。
基于上述实施例，本实施例中的所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大为T，其中，T为二维达曼光栅的周期。
具体地，在实际应用中，若相位预控制器为液晶相控阵或电光晶体相控阵，当液晶相控阵与二维达曼光栅结合、或电光晶体相控阵与二维达曼光栅结合，以实现对目标对象进行扫描时，与仅采用相控阵扫描的现有技术相比，其相控阵的阵元间距最大可以达到T，可以降低工艺难度和成本。
本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过将液晶相控阵与二维达曼光栅分束器配合、或电光晶体相控阵与二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描，使得激光发射装置的工艺难度和成本均有所降低。
基于上述实施例，本实施例将上述实施例中的激光发射装置应用在激光雷达中。
具体地，激光雷达为激光探测技术的一种具体应用，可以利用激光发射装置，以激光脉冲作为探测信号，通过测量物体反射光信号时间，进而测量特定方位角的目标距离，以获取目标对象的三维图像。
图6为根据本发明实施例提供的一种激光雷达探测装置的结构示意图，如图6所示，所述装置包括：上述实施例中的激光发射装置、接收光学系统和阵列探测器；所述激光发射装置，用于向目标对象发射多束激光束阵；所述接收光学系统，用于接收由所述目标对象反射的回波信号；所述阵列探测器，用于根据所述接收光学系统接收的所述回波信号，获取所述目标对象的三维图像。
具体地，激光发射装置包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器。激光发射装置的功能构造已在上述实施例中具体说明，本实施例中对此不再赘述。
激光发射装置将多束激光束阵发射至目标对象，目标对象将反射的回波信号传输至接收光学系统，接收光学系统将接收到的回波信号发送至阵列探测器，阵列探测器将对回波信号进行处理，最终获取目标对象的三维图像。
本发明实施例提供的一种激光雷达探测装置，通过激光发射装置，既可以节约成本，又可以将出射的多束激光同时覆盖目标对象，保持激光扫描的效率。并且，还可实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光雷达探测具有结构简单、紧凑和成本低等优点。通过接收光学系统和阵列探测器，以获取目标对象的三维图像。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的阵列探测器进行具体说明，阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器。
基于上述实施例，本发明实施例涉及一种基于上述实施例的激光雷达探测装置的激光雷达探测方法，图7为根据本发明实施例提供的一种激光雷达探测方法的流程图，如图7所示，所述方法包括：S1，向目标对象发射多束激光束阵；S2，接收由所述目标对象反射的回波信号；S3，根据所述回波信号获取所述目标对象的三维图像。
具体地，执行激光雷达探测方法所需用到的设备包括：激光发射装置、接收光学系统和阵列探测器。
其中，激光发射装置包括发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器。
二维达曼光栅分束器将二维排布的激光束阵照射至目标对象，目标对象随之产生反射信号，对于激光雷达，该反射信号称为回波信号。
接收光学系统接收回波信号，并将回波信号送至阵列探测器，阵列探测器将对回波信号进行处理，以获取目标对象的三维图像。其中，阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器。
本发明实施例提供的一种激光雷达探测方法，通过对目标对象更为全面、精细的扫描，以获取更加全面、精细的目标对象的三维图像。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的步骤S1进行进一步说明，步骤S1进一步包括：S11，将激光进行准直扩束；S12，对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；S13，对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
具体地，发射光学系统对激光进行准直扩束，并将进行准直扩束之后的激光送至相位预控制器，相位预控制器对经过准直扩束之后的激光进行相位预调，并将经过相位预调之后的激光送至二维达曼光栅分束器，二维达曼光栅分束器对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵。
本发明实施例提供的一种激光雷达探测方法，通过相位预控制器对单束激光进行相位预调，并通过二维达曼光栅分束器对经过相位预调的单束激光进行分束，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。
基于上述实施例，本实施例对上述实施例中的步骤S12进行进一步说明，步骤S12进一步包括：控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。
本发明实施例提供的一种激光发射方法，通过将相位预控制器与二维达曼光栅分束器配合，以使得对目标对象的扫描更加精细。
基于上述实施例，本实施例结合附图，对上述实施例中的二维达曼光栅分束器的分束比的设定方法作出具体说明。
图8为根据本发明实施例提供的一种二维达曼光栅分束原理结构图，如图8所示，二维达曼光栅的周期T大于激光器发射的激光波长λ，单个周期内的结构是一个二值化的相位光栅，具有2L个拐点(a1、b1...aL、bL均表示拐点)。
通常，光通过光栅后，其振幅和相位的变化的可由透过率函数t(x)表示，其中x是光栅平面的位置坐标。令光栅的透过率函数t(x)为相位二值化函数，通过其后的光相位分别为0或π。{(aL,bL)}为L组坐标，光通过{(aL,bL)}之间后，衍射光比其他位置的光延迟π。因此，透过率函数t(x)可以表示为：
Figure BDA0001409110150000131
光栅的远场光分布可由其透过率函数t(x)求解得到，T(m)为光通过光栅后m级衍射级次振幅，
Figure BDA0001409110150000132
各级次功率为P(m)＝|T(m)|2，引入评价函数
Figure BDA0001409110150000133
其中
Figure BDA0001409110150000134
代表衍射各级次平均功率，M为衍射最高级次。等号右侧第一项代表衍射各级次的不均匀性，第二项代表能量损失，α为两者间的权衡参数。为使衍射各级次能量分布均匀且衍射总效率最大，即寻找{(aL,bL)}使得E2最小。
另外，下面由光栅衍射公式(4)可求出光栅周期T，
Tsinθ＝mλ (4)
其中，T为光栅周期、θ为衍射角、m为衍射级次、λ为入射光波长905nm。为设计分束比为31×31的二维达曼光栅，由于最高衍射级次M＝15，假设最高衍射级次的衍射角θ＝75°，由式(4)求得光栅周期T＝14μm。
同时采用现有的模拟退火算法进行计算，发明人经过验算，假设这里取α＝0.8，最高衍射级次M＝15，计算得到{(aL,bL)}使得评价函数E2最小。经算法优化后得到各拐点位置，得到分束比为31的一维达曼光栅，并计算得到评价函数E2＝9.5×10-3，不均匀性为5.27×10-4，总衍射效率为78.74％，其各级次衍射效率如图3所示。将{(aL,bL)}同时应用于y方向，将得到31×31分束比的二维达曼光栅。
也就是说，通过本实施例设置的二维达曼光栅，可以将一束激光分成31×31束，而且这31×31束光的能量分布比较均衡，能量损失又比较小，且在空间上覆盖±75°的范围。
需要说明的是，本实施例仅以分束比为31×31为例，来说明如何设置一个满足要求的二维达曼光栅分束器，实际应用中，还可以根据实际情况设置其他分束比的二维达曼光栅分束器，本发明实施例对此不作限定。
综上，本发明实施例提供的一种激光发射装置，通过二维达曼光栅分束器对单束激光进行分束以获取二维排布的激光束阵，既可以节约成本，又可以将出射的多束激光同时覆盖目标对象，保持激光扫描的效率。并且，通过将相位预控制器设置于发射光学系统和二维达曼光栅分束器之间，使得二维排布的激光束阵照射在目标对象上的投影产生微小的移动，以实现对目标对象更为全面、精细的扫描。并且，该种激光发射装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。
本发明实施例提供的一种激光雷达探测装置，引入上述激光发射装置，通过接收光学系统和阵列探测器，出射多束激光同时覆盖目标对象并在一定范围内微小移动，实现对目标对象更为全面、精细的成像。并且，该种激光雷达探测装置具有结构简单、紧凑和成本低等优点。
本发明实施例提供的一种激光雷达探测方法，通过上述激光雷达探测装置，对目标对象更为全面、精细的扫描，以获取更加全面、精细的目标对象的三维图像。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种激光发射装置，其特征在于，包括：发射光学系统、相位预控制器和二维达曼光栅分束器；
所述发射光学系统，用于对激光进行准直扩束；所述准直为减小所述激光的发散度，以提高所述激光的平行度，所述扩束为将经过所述准直之后的所述激光的直径扩大；
所述相位预控制器，用于对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；
所述二维达曼光栅分束器，用于对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵；
所述相位预控制器，用于使所述激光束阵的两束激光之间的空间得到扫描；
所述相位预控制器为压电微机械相控阵、液晶相控阵或电光晶体相控阵；通过所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描；
所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大为T，其中，T为二维达曼光栅的周期；
所述压电微机械相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描具体为：
控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度；
所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。
2.一种激光雷达探测装置，其特征在于，包括：权利要求1所述的激光发射装置、接收光学系统和阵列探测器；
所述激光发射装置，用于向目标对象发射激光束阵；
所述接收光学系统，用于接收由所述目标对象反射的回波信号；
所述阵列探测器，用于根据所述接收光学系统接收的所述回波信号，获取所述目标对象的三维图像。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器。
4.一种基于权利要求2-3任一项所述的激光雷达探测装置的激光雷达探测方法，其特征在于，包括：
S1，向目标对象发射激光束阵；
S2，接收由所述目标对象反射的回波信号；
S3，根据所述回波信号获取所述目标对象的三维图像。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1进一步包括：
S11，将激光进行准直扩束；
S12，对经过准直扩束之后的激光进行相位预调；
S13，对经过相位预调之后的激光进行分束，以获取二维排布的激光束阵；
步骤S12进一步包括：
所述液晶相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合、或所述电光晶体相控阵与所述二维达曼光栅分束器配合，以实现对目标对象进行扫描时，所述液晶相控阵或所述电光晶体相控阵的阵元间距最大为T，其中，T为二维达曼光栅的周期。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S12进一步包括：
控制所述压电微机械相控阵的输入电压，以使得所述压电微机械相控阵发生形变，所述二维达曼光栅分束器根据所述形变发生倾斜，以使得所述压电微机械相控阵的出射光经过所述二维达曼光栅分束器时，在垂直于所述出射光传播方向的平面内具有二维分布的相位梯度，所述相位梯度在[-π/T，+π/T]范围内变化，其中，T为二维达曼光栅的周期。
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