CN110720049A - 相控阵检测装置、激光雷达和自动驾驶设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及雷达技术领域，公开了一种相控阵检测装置、激光雷达和自动驾驶设备。其中，该相控阵检测装置用于校准相控阵发射装置，包括：探测单元，设于相控阵发射装置的输出端，用于接收相控阵发射装置输出的多个探测信号，并将多个探测信号转换为电信号，其中，多个探测信号为相控阵发射装置发射的全部光信号的一部分；信号处理单元，与探测单元连接，用于根据电信号，生成控制信号；驱动电路，分别与信号处理单元、相控阵发射装置连接，用于根据控制信号，驱动相控阵发射装置；探测单元、信号处理单元和驱动电路持续工作直至相控阵发射装置满足预设初始状态。通过上述方式，能够校准相控阵，且无需外接摄像头和人工调制。

Description

相控阵检测装置、激光雷达和自动驾驶设备

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，特别涉及一种相控阵检测装置、激光雷达和自动驾驶设备。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征向量的雷达系统，其广泛应用于大气探测、城市测绘、海洋探测、自动驾驶、机器人技术、激光电视、激光三维成像等技术领域。

目前，相控阵激光雷达通过多个发射单元发射的光束，在空间上产生干涉形成远场光束，通过远场光束来实现物体探测，然后再通过调整发射单元所发射的光的相位差的大小，来调整远场光束的方向，从而实现360度扫描。

但是，在本申请发明人实现本申请的过程中，发现：相控阵激光雷达的光学相控阵存在相位误差，导致光斑成像质量很差，而目前校准相控阵通常采用外接摄像头接收光斑图像，将光斑图像转换为光斑的强度分布后，再通过算法来调整移相器，以得到理想的光斑分布。这种方法不仅需要外接摄像头，还需要人工调制。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种相控阵检测装置、激光雷达和自动驾驶设备，能够校准相控阵，且无需外接摄像头和人工调制。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种相控阵检测装置，用于校准相控阵发射装置，所述相控阵检测装置包括：探测单元，设于所述相控阵发射装置的输出端，用于接收所述相控阵发射装置输出的多个探测信号，并将所述多个探测信号转换为电信号，其中，所述多个探测信号为所述相控阵发射装置发射的全部光信号的一部分；信号处理单元，与所述探测单元连接，用于根据所述电信号，生成控制信号；驱动电路，分别与所述信号处理单元、所述相控阵发射装置连接，用于根据所述控制信号，驱动所述相控阵发射装置；所述探测单元、信号处理单元和驱动电路持续工作直至所述相控阵发射装置满足预设初始状态。

在一种可选的方式中，所述探测单元包括：若干阵列波导，设于所述相控阵发射装置的输出端，用于接收所述相控阵发射装置输出的所述多个探测信号；星型耦合器，设于所述若干阵列波导的输出端，用于将所述多个探测信号合成一总信号；探测器，设于所述星型耦合器的输出端，用于将所述总信号转换为所述电信号，并输出至所述信号处理单元。

在一种可选的方式中，所述星型耦合器设有若干输入波导和一输出波导，一所述输入波导分别连接一所述阵列波导，一所述输出波导连接所述探测器的输入端；所述输入波导将所述多个探测信号传输到所述输出波导，以使所述多个探测信号在所述输出波导合成为所述总信号。

在一种可选的方式中，各所述输入波导均匀排布在一圆弧上，所述输出波导设于所述圆弧的圆心，以使各所述输入波导到所述输出波导的距离相同。

在一种可选的方式中，各所述探测信号在所述星型耦合器中传播的距离相同。

在一种可选的方式中，所述信号处理单元包括：电压转换模块，与所述探测单元连接，用于将所述电信号转换为电压值；数模转换模块，与所述电压转换模块连接，用于根据所述电压值以及所述预设初始状态，生成所述控制信号，并输出至所述驱动电路。

在一种可选的方式中，所述装置还包括：初始状态存储单元，与所述信号处理单元连接，用于储存所述预设初始状态。

根据本申请实施例的再一个方面，提供了一种激光雷达，包括相控阵发射装置、相控阵接收装置、以及如上所述的相控阵检测装置，相控阵发射装置与所述相控阵检测装置连接，所述相控阵发射装置用于发射光信号，所述相控阵接收装置用于接收被测物体所反射的光信号。

在一种可选的方式中，所述相控阵发射装置包括：激光单元，用于输出激光信号；相控阵单元，设于所述激光单元的输出端，用于将所述激光信号分成若干光信号，并分别发射到空间中的不同位置；所述探测单元与所述相控阵单元连接。

在一种可选的方式中，所述相控阵单元包括：分光器，设于所述激光单元的输出端；若干移相器，设于所述分光器的输出端；若干发射天线，设于所述若干移相器的输出端，并连接所述探测单元。

根据本申请实施例的又一个方面，提供了一种自动驾驶设备，包括上述的激光雷达以及车体，所述激光雷达设置于所述车体。

在本申请实施例中，通过探测单元接收相控阵发射装置输出的多个探测信号，并将多个探测信号转换为电信号，信号处理单元根据电信号生成控制信号，驱动电路用于根据控制信号驱动相控阵发射装置100的移相器，直至相控阵发射装置中各路光信号之间的相位差为0，从而实现相控阵发射装置的相位校准，能够校准相控阵，且无需外接摄像头和人工调制。并且，相控阵检测装置仅仅接收相控阵发射装置没有发射出去的微弱信号就可以完成芯片上校准工作，不会对相控阵发射装置的正常工作产生影响。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1示出了本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种相控阵单元的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种相控阵检测装置的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种相控阵检测装置的结构示意图；

图5示出了图4中的星型耦合器的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的一种自动驾驶设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本申请的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本申请的保护范围。

图1示出了本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。该激光雷达300包括相控阵发射装置100和相控阵检测装置200。

其中，相控阵发射装置100与相控阵检测装置200连接，相控阵发射装置100用于发射若干光源信号，相控阵检测装置200用于校准相控阵发射装置100，以使相控阵发射装置100满足预设初始状态。

具体地，相控发射装置100包括：激光单元110和相控阵单元120。相控阵单元120设于激光单元110的输出端，激光单元110用于输出激光信号，相控阵单元120用于将激光信号分成若干光信号，并分别发射到空间中的不同位置。相控阵单元120还与相控阵检测装置200连接。

其中，激光单元110可以为固定波长的激光器阵列。例如，固定波长的激光器阵列有红宝石激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、氦氖激光器、氩离子激光器、集成于芯片的激光器等。在本实施例中，激光单元110产生若干激光信号，并将该激光信号输出至相控阵单元120。

在一些其他实施例中，激光单元110还可以为可调谐激光器，可以根据实际应用需求进行选择。

其中，如图2所示，相控阵单元120包括：分光器121、若干移相器122和若干发射天线123。分光器121设于激光单元110的输出端，若干移相器122设于分光器121的输出端，若干发射天线123设于若干移相器122的输出端。

其中，分光器121即光分路器。分光器121的输入端与激光单元110的输出端连接，分光器121的输出端与若干移相器122的输入端连接。其中，分光器121设有多个输出端，每个输出端均与一移相器122的输入端连接。例如，如图2所示，分光器121设有j个输出端，j个输出端与j个移相器122对应连接。

在本实施例中，分光器121用于将激光单元110输出的激光信号分成若干光信号，并将该若干光信号分别输出至若干移相器122。其中，分光器121对于激光信号进行平均分配，以使每一输出端输出的光信号是相同的。

其中，若干移相器122的输入端与分光器121的输出端连接，若干移相器122的输出端与若干发射天线123的输入端连接。在本实施例中，每个移相器122均接收分光器121输出的一光信号，并对该光信号进行相位调制，以改变光信号的相位。

其中，若干发射天线123的输入端与若干移相器122的输出端对应连接，例如，如图2所示，移相器122的数量为j，发射天线123的数量为j，j个发射天线123与j个移相器122对应连接。在本实施例中，若干发射天线123用于接收若干移相器122输出的若干光信号，并将该若干光信号发射到空间中的不同位置。即，每一发射天线123接收一移相器122输出的一光信号，并将光信号的一部分发射到空间。

其中，若干发射天线123还与相控阵检测装置200连接，若干发射天线123还用于将光信号的另一部分传输至相控阵检测装置200，以使相控阵检测装置200根据该光信号的另一部分对相控阵发射装置100进行校准。

其中，若干发射天线123可以为波导光栅结构。

在一些实施例中，该激光雷达300还包括：相控阵接收装置。相控阵发射装置100用于发射光信号，相控阵接收装置用于接收被测物体所反射的光信号。

在一些实施例中，该激光雷达300还可以包括：连接波导。连接波导根据需要设于各种器件之间，以实现光束的传播，并减少传播过程中的损耗。

在一些实施例中，相控阵单元120和相位检测装置200可以集成在同一芯片上，例如基于硅基CMOS工艺进行加工，从而有效减小激光雷达300的尺寸，提高集成度。

在本申请实施例中，通过在激光雷达300上设置相控阵发射装置100和相控阵检测装置200，相控阵检测装置200将相控阵发射装置100输出的少量的光信号导出，既可以对相控阵发射装置100进行校准，又不影响相控阵发射装置100的正常工作。

图3示出了本申请实施例提供的一种相控阵检测装置的结构示意图。该相控阵检测装置200用于校准相控阵发射装置100，如图3所示，该相控阵检测装置200包括：探测单元210、信号处理单元220和驱动电路230。

其中，探测单元210设于相控阵发射装置100的输出端，信号处理单元220与探测单元210连接，驱动电路230分别与信号处理单元220、相控阵发射装置100连接。探测单元210用于接收相控阵发射装置100输出的多个探测信号，并将多个探测信号转换为电信号，其中，多个探测信号为相控阵发射装置100发射的全部光源信号的一部分；信号处理单元220用于根据电信号，生成控制信号；驱动电路230用于根据控制信号，驱动相控阵发射装置100。探测单元210、信号处理单元220和驱动电路230持续工作直至相控阵发射装置100满足预设初始状态。通过以上方式，该相控阵检测装置200能够校准相控阵，且无需外接摄像头和人工调制。

探测单元210的输入端与相控阵发射装置100的输出端连接，探测单元210的输出端与信号处理单元120的输入端连接。在本实施例中，相控阵发射装置100发射多个光信号，其中，多个光信号的一部分发射到自由空间中，多个光信号的另一部分作为多个探测信号分别传输至探测单元210，探测单元210接收相控阵装置100输出的多个探测信号，并根据各个探测信号生成电信号，并将电信号输出至信号处理单元220。

具体地，如图4所示，探测单元210可以包括：若干阵列波导211、星型耦合器212和探测器213。若干阵列波导211设于相控阵发射装置100的输出端，星型耦合器212设于若干阵列波导211的输出端，探测器213设于星型耦合器212的输出端。

其中，阵列波导211的数量与相控阵发射装置100的发射天线123的数量相同，一阵列波导211的输入端连接一发射天线123的输出端，一阵列波导211的输出端连接星型耦合器212的输入端。例如，如图4所示，阵列波导211和发射天线123的数量均为j个，j个阵列波导211和j个发射天线123对应连接，j为大于2的整数。在本实施例中，阵列波导211将发射天线123末端的一部分没有发射出去的光信号导出作为探测信号，从而接收相控阵发射装置100输出的多个探测信号。

需要说明的是，发射天线123和若干阵列波导211不会引起额外的相位误差，并且进入星型耦合器212的各个探测信号的强度相同。

星型耦合器212的输入端与若干阵列波导211的输出端连接，星型耦合器212的输出端与探测器213的输入端连接。星型耦合器212用于将若干阵列波导211输出的多个探测信号合成一总信号，并输出至探测器213。

具体的，如图5所示，星型耦合器212设有若干输入波导2121和一输出波导2122，一输入波导2121分别连接一阵列波导211，一输出波导2122连接探测器213的输入端。其中，各输入波导2121均匀排布在一圆弧上，各输入波导2121之间的间距一致，输出波导2122设于圆弧的圆心，以使各输入波导2121到输出波导2122的距离相同，各输入波导2121的方向平行于圆心的连接线，以使探测信号在星型耦合器212中传播的距离都相等，不会引起额外的相位差。因此，探测信号能否干涉相长，完全取决于相控阵发射装置100中的移相器造成的相位。

在本实施例中，一输入波导2121接收一探测信号，则若干输入波导2121接收若干探测信号，全部输入波导2121将多个探测信号传输到输出波导2122，以使多个探测信号在输出波导合成为总信号。

其中，星型耦合器212输出的总信号的强度大小由多个探测信号的相位关系决定，当多个探测信号的相位差为2π的整数倍时，多个探测信号会在输出波导2122干涉相长，使得输出功率最大，此时，相控阵发射装置100向空间中的0角度的位置发射光信号；而当多个探测信号的相位差为不为2π的整数倍时，输出波导2122中有部分探测信号不能干涉相长，则输出功率不是最大，相控阵发射装置100向空间中发射的光信号偏移0角度的位置。

其中，探测器213可以为光接收器。探测器213用于接收星型耦合器212输出的总信号，并将总信号转换为电信号，并输出至信号处理单元220。具体的，探测器213根据总信号的相位关系转换为电信号。

信号处理单元220可以为控制处理电路。信号处理单元220的输入端与探测器213连接，信号处理单元220的输出端与驱动电路230的输入端连接。信号处理单元220用于根据电信号，生成控制信号，并输出至驱动电路230。

具体的，请再参阅图4，信号处理单元220包括电压转换模块221和数模转换模块222。其中，电压转换模块221可以为多变量算法模块，数模转换模块可以为多路数模转换器。电压转换模块221与探测单元213连接，数模转换模块222分别与电压转换模块221、驱动电路230连接。电压转换模块221用于将探测单元213输出的电信号转换为电压值，并输出至数模转换模块222。数模转换模块222用于根据电压转换模块221输出的电压值以及预设初始状态，生成控制信号，并输出至驱动电路230。其中，预设初始状态可以为使得移相器122之间相位差为0时的预设电压值。则数模转换模块222生成控制信号具体实施方式可以为：将电压转换模块221输出的电压值分别与预设电压值比较，若电压值不等于预设电压值，则计算电压值与预设电压值的差值，并根据其差值得到控制信号。

其中，电压转换模块221可以采用FPGA实现，具体算法可以使用粒子群算法等多变量优化算法，并将目标函数设置为探测器213输出的电流值或电压值最大。

驱动电路230可以为多路驱动电路。驱动电路里230的输入端与数模转换模块222的输出端连接，驱动电路230的输出端与各个移相器122连接。驱动电路230用于根据数模转换模块222输出的控制信号，分别控制相控阵发射装置100中的各个移相器122，以使得相控阵发射装置100中各路光信号之间的相位差为0，从而实现相控阵发射装置100的相位校准。

需要说明的是，驱动电路230进行一次驱动并不一定能够实现相控阵发射装置100的相位校准，探测单元210、信号处理单元220和驱动电路230持续工作，通过多次调节移相器122，使其能够得到相位差为0的相位排布，则相控阵发射装置100满足预设初始状态，从而完成相控阵发射装置100的相位校准。

在一些实施例中，请再参阅图4，相位阵检测装置200还可以包括：初始状态存储单元240。初始状态存储单元240与信号处理单元220中的数模转换模块222连接，初始状态存储单元240用于储存预设初始状态，数模转换模块222还用于从初始状态存储单元240获取预设初始状态。

在一些实施例中，探测单元210、信号处理单元220、驱动电路230和初始状态存储单元240可以集成在同一芯片上，例如基于硅基CMOS工艺进行加工，从而有效减小雷达300的尺寸，提高集成度。

在本申请实施例中，相控阵检测装置200通过探测单元210接收相控阵发射装置100输出的多个探测信号，并将多个探测信号转换为电信号，信号处理单元220根据电信号生成控制信号，驱动电路230用于根据控制信号驱动相控阵发射装置100的移相器122，直至相控阵发射装置100中各路光信号之间的相位差为0，从而实现相控阵发射装置100的相位校准，能够校准相控阵，且无需外接摄像头和人工调制。并且，相控阵检测装置200仅仅接收相控阵发射装置100没有发射出去的微弱信号就可以完成芯片上校准工作，不会对相控阵发射装置100的正常工作产生影响。

图6示出了本申请实施例提供的一种自动驾驶设备的结构示意图。如图6所示，自动驾驶设备500包括激光雷达300和车体400，激光雷达300设置于车体400。

其中，本实施例中的激光雷达300与上述实施例中的激光雷达300的结构和功能均相同，对于激光雷达300的具体结构和功能可参阅上述实施例，此处不再一一赘述。

对于自动驾驶设备500能够探测周边物体的方位和距离，并且基于周边物体的方位和距离进行决策，从而能够实现自动驾驶等等。

在本申请实施例中，通过自动驾驶设备500中的激光雷达300实现相控阵的校准，无需外接摄像头和人工调制，并且，相控阵检测装置200仅仅接收相控阵发射装置100没有发射出去的微弱信号就可以完成芯片上校准工作，不会对相控阵发射装置100的正常工作产生影响。

需要注意的是，除非另有说明，本申请实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本申请实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本实施新型实施例的描述中，技术术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请实施例的限制。

此外，技术术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实施新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，技术术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

在本实施新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本申请并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (11)

1.一种相控阵检测装置(200)，其特征在于，用于校准相控阵发射装置(100)，所述相控阵检测装置(200)包括：

探测单元(210)，设于所述相控阵发射装置(100)的输出端，用于接收所述相控阵发射装置(100)输出的多个探测信号，并将所述多个探测信号转换为电信号，其中，所述多个探测信号为所述相控阵发射装置发射的全部光信号的一部分；

信号处理单元(220)，与所述探测单元(210)连接，用于根据所述电信号，生成控制信号；

驱动电路(230)，分别与所述信号处理单元(220)、所述相控阵发射装置(100)连接，用于根据所述控制信号，驱动所述相控阵发射装置(100)；

所述探测单元(210)、信号处理单元(220)和驱动电路(230)持续工作直至所述相控阵发射装置(100)满足预设初始状态。

2.根据权利要求1所述的装置(200)，其特征在于，所述探测单元(210)包括：

若干阵列波导(211)，设于所述相控阵发射装置(100)的输出端，用于接收所述相控阵发射装置(100)输出的所述多个探测信号；

星型耦合器(212)，设于所述若干阵列波导(211)的输出端，用于将所述多个探测信号合成一总信号；

探测器(213)，设于所述星型耦合器(212)的输出端，用于将所述总信号转换为所述电信号，并输出至所述信号处理单元(220)。

3.根据权利要求2所述的装置(200)，其特征在于，所述星型耦合器(212)设有若干输入波导(2121)和一输出波导(2122)，一所述输入波导(2121)分别连接一所述阵列波导(211)，一所述输出波导(2122)连接所述探测器(213)的输入端；

所述输入波导(2121)将所述多个探测信号传输到所述输出波导(2122)，以使所述多个探测信号在所述输出波导(2122)合成为所述总信号。

4.根据权利要求3所述的装置(200)，其特征在于，各所述输入波导(2121)均匀排布在一圆弧上，所述输出波导(2122)设于所述圆弧的圆心，以使各所述输入波导(2121)到所述输出波导(2122)的距离相同。

5.根据权利要求3所述的装置(200)，其特征在于，各所述探测信号在所述星型耦合器(212)中传播的距离相同。

6.根据权利要求1所述的装置(200)，其特征在于，所述信号处理单元(220)包括：

电压转换模块(221)，与所述探测单元(210)连接，用于将所述电信号转换为电压值；

数模转换模块(222)，与所述电压转换模块(221)连接，用于根据所述电压值以及所述预设初始状态，生成所述控制信号，并输出至所述驱动电路(230)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装置(200)，其特征在于，所述装置(200)还包括：

初始状态存储单元(240)，与所述信号处理单元(220)连接，用于储存所述预设初始状态。

8.一种激光雷达(300)，其特征在于，包括相控阵发射装置(100)、相控阵接收装置、以及如权利要求1-7任一项所述的相控阵检测装置(200)，相控阵发射装置(100)与所述相控阵检测装置(200)连接，所述相控阵发射装置(100)用于发射光信号，所述相控阵接收装置用于接收被测物体所反射的光信号。

9.根据权利要求8所述的激光雷达(300)，其特征在于，

所述相控阵发射装置(100)包括：

激光单元(110)，用于输出激光信号；

相控阵单元(120)，设于所述激光单元(110)的输出端，用于将所述激光信号分成若干光信号，并分别发射到空间中的不同位置；

所述探测单元(210)与所述相控阵单元(120)连接。

10.根据权利要求9所述的激光雷达(300)，其特征在于，所述相控阵单元(120)包括：

分光器(121)，设于所述激光单元(110)的输出端；

若干移相器(122)，设于所述分光器(121)的输出端；

若干发射天线(123)，设于所述若干移相器(122)的输出端，并连接所述探测单元(210)。

11.一种自动驾驶设备(500)，其特征在于，包括如权利要求8-10任一项所述的激光雷达(300)以及车体(400)，所述激光雷达(300)设置于所述车体(400)。

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