CN111435161A - 一种激光雷达系统及其光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光雷达系统及其光学系统，包括多个器件组；每一个器件组包括一个光发射器、一个光探测器、一个相位调制器和一个相位解调器；相位调制器位于与其同组的光发射器的出光口处，用于对光发射器出射的探测光进行相位调制；相位解调器位于与其同组的光探测器的入光口处，用于对目标物体反射的探测光进行相位解调；其中，不同组的相位调制器进行相位调制后的探测光的相位不同，相位解调器仅对与其同组的相位调制器进行相位调制后的探测光进行相位解调，从而可以在光源模组以及激光雷达系统的组装过程中，不需要人工对准，即可实现同一组光发射器和光探测器之间的精确对准，提高了激光雷达的生产效率，降低了组装成本。

Description

一种激光雷达系统及其光学系统
技术领域
本发明涉及雷达技术领域，更具体地说，涉及一种激光雷达系统及其光学系统。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较并做适当处理后，获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状等参数信息，以实现对飞机、导弹等目标的探测、跟踪和识别。
激光雷达需要在水平方向和垂直方向上有一定的视场角，以自动驾驶上的激光雷达为例，一般需要在水平方向上有360度的视场角，在垂直方向上有20度～30度的视场角。为了实现在垂直方向上的视场角，一般需要在垂直方向上部署多线的“激光器-光探测器”组合，每一线的“激光器-光探测器”组合之间间隔0.5度到1度。为了保证不同线之间不发生信号串扰，如一线激光器的光被另一线的光探测器测量到，激光器和光探测器之间必须进行精确对准。
现有技术中大多通过人工对准，来实现激光器和光探测器之间的精确对准，但是，这样会导致激光雷达的组装成本较高，生产效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种激光雷达系统及其光学系统，以解决现有的激光雷达组装成本高、生产效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种光学系统，包括多个器件组；
每一个所述器件组都包括一个光发射器、一个光探测器、一个相位调制器和一个相位解调器；
所述相位调制器位于与其同组的光发射器的出光口处，用于对所述光发射器出射的探测光进行相位调制，以使经过调制后的探测光照射到目标物体上；
所述相位解调器位于与其同组的光探测器的入光口处，用于对所述目标物体反射的探测光进行相位解调，以使经过相位解调后的探测光照射到所述光探测器上；
其中，不同组的相位调制器进行相位调制后的探测光的相位不同，所述相位解调器仅对与其同组的相位调制器进行相位调制后的探测光进行相位解调。
可选地，所述相位调制器包括轨道角动量调制器；
所述相位解调器包括轨道角动量解调器。
可选地，同一器件组的所述轨道角动量调制器和所述轨道角动量解调器的相位分布相反。
可选地，同一组的轨道角动量解调器和轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值相等但正负相反；
不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数不同。
可选地，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数不同包括：
不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值相等但正负相反；或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值不相等但正负相同；或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值不相等且正负相反。
可选地，所述轨道角动量调制器为第一螺旋相位阶梯板，所述轨道角动量解调器为第二螺旋相位阶梯板，同一器件组的所述第一螺旋相位阶梯板和所述第二螺旋相位阶梯板的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一螺旋相位阶梯板的拓扑量子数不同。
可选地，所述轨道角动量调制器为第一空间光调制器，所述轨道角动量解调器为第二空间光调制器，同一器件组的所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一空间光调制器的拓扑量子数不同。
可选地，所述轨道角动量调制器为第一亚波长光栅，所述轨道角动量解调器为第二亚波长光栅，同一器件组的所述第一亚波长光栅和所述第二亚波长光栅的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一亚波长光栅的拓扑量子数不同。
可选地，还包括位于所述相位解调器和所述光探测器之间的光阑。
一种激光雷达系统，包括如上任一项的光学系统。
与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
本发明所提供的激光雷达系统及其光学系统，由于不同组的相位调制器进行相位调制后的探测光的相位不同，且相位解调器仅对与其同组的相位调制器进行相位调制后的探测光进行相位解调，因此，在光学系统以及激光雷达系统的组装过程中，不需要人工对准，即可实现同一组光发射器和光探测器之间的精确对准，从而提高了激光雷达的生产效率，降低了组装成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光学系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的螺旋相位阶梯板的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种轨道角动量调制器的调制过程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种轨道角动量解调器的解调过程示意图；
图5为本发明实施例提供的不同组的轨道角动量调制器和轨道角动量解调器的调制解调过程示意图。
具体实施方式
以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种光学系统，如图1所示，包括多个器件组，每一个器件组都包括一个光发射器10、一个光探测器11、一个相位调制器12和一个相位解调器13，相位调制器12位于与其同组的光发射器10的出光口处，相位解调器13位于与其同组的光探测器11的入光口处。
并且，相位调制器12用于对光发射器10的出光口出射的探测光进行相位调制，以使经过调制后的探测光照射到目标物体上。相位解调器13用于对目标物体反射的探测光进行相位解调，以使经过相位解调后的探测光照射到与其同组的光探测器11上。其中，不同组的相位调制器12进行相位调制后的探测光的相位不同，相位解调器13仅对与其同组的相位调制器12进行相位调制后的探测光进行相位解调。
如图1所示，第一器件组的相位调制器12对与其同组的光发射器10出射的探测光进行相位调制后，使得探测光a1照射到目标物体上，第二器件组的相位调制器12对与其同组的光发射器10出射的探测光进行相位调制后，使得探测光a2照射到目标物体上，探测光a1和a2的相位不同，目标物体对探测光a1和a2进行反射后，第一器件组的相位解调器13仅对探测光a1进行相位解调，使得探测光a1进入第一器件组的光探测器11中，第二器件组的相位解调器13仅对探测光a2进行相位解调，使得探测光a2进入第二器件组的光探测器11中，以此类推，不同器件组的光发射器10出射的探测光经过相应的相位调制器12和相位解调器13后只能进入同一组的光探测器11中。
基于此，即使不做严格的光学对准，各组的光发射器10和光探测器11之间也是一一对应的，可以避免不同线或不同组之间的信号串扰，从而在光学系统以及激光雷达系统的组装过程中，不需要人工对准，即可实现同一组的光发射器10和光探测器11之间的精确对准，提高了激光雷达的生产效率，降低了组装成本。
可选地，在图1所示的结构中，同一组的光发射器10和光探测器11在垂直方向Y上依次排列，不同组的光发射器10和光探测器11也在垂直方向Y上依次排列，以实现垂直方向Y上的视场角，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，可以根据水平方向X和垂直方向Y的视场角需求，设置光发射器10和光探测器11的位置和排列方式等。
可选地，本发明实施例中的光发射器10为激光器，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，光发射器10还可以是发光二极管等。可选地，还包括位于相位解调器13和光探测器11之间的光阑，以使光线的过滤等。
本发明实施例中，相位调制器12包括轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)调制器，相位解调器13包括轨道角动量解调器。
需要说明的是，轨道角动量是所有具有螺旋相位的光束的自然属性。将平面波光束或高斯光束经过一个螺旋相位分布的光学器件，就可以产生具有轨道角动量的螺旋相位光。如图2所示，将高斯光束转变为螺旋相位光的光学器件包括螺旋相位阶梯板，即轨道角动量调制器和轨道角动量解调器为螺旋相位阶梯板，当然，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，如图3至图5所示，轨道角动量调制器和轨道角动量解调器还可以为空间光调制器(Spatial Light Modulator，SLM)，或者，还可以为亚波长光栅等。
本发明实施例中，光发射器10即激光器出射的光束为高斯光束，高斯光束经过轨道角动量调制器调制后就会被转变为螺旋相位光，如图3所示，高斯光束经过具有螺旋相位分布exp(ilφ)的拓扑量子数1＝+4的空间光调制器后，被转变为螺旋相位光。其中，螺旋相位光的振幅分布与高斯光完全不同，它是一个环形的振幅分布。螺旋相位光经过轨道角动量解调器解调后就会转变为高斯光，如图4所示，螺旋相位光在经过另外一个具有螺旋相位分布exp(ilφ)的拓扑量子数1＝-4空间光调制器之后，可以变回高斯光。
其中，轨道角动量解调的关键是解调的轨道角动量解调器的相位分布与调制的轨道角动量调制器的相位分布正好相反。从数学上分析，如果轨道角动量调制的相位分布是exp(il0φ)，那么，解调的相位分布就必须是exp(-il0φ)，才能完全消除螺旋相位分布，恢复高斯相位分布。如果轨道角动量解调的相位分布exp(il′φ)中l′≠-l0，那么，螺旋相位分布就无法被完全消除，产生的光仍然为螺旋光。
因此，本发明实施例中，同一组的轨道角动量调制器和轨道角动量解调器的相位分布相反。可选地，同一组的轨道角动量解调器和轨道角动量调制器的拓扑量子数1的绝对值相等但正负相反，以使同一组的轨道角动量调制器和轨道角动量解调器的相位分布相反。并且，不同组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1不同，以使光发射器10和光探测器11一一对应，实现同一组的光发射器10和光探测器11之间的精确对准。
其中，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数不同包括：
不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1的绝对值相等但正负相反，如一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1＝+3、轨道角动量解调器的拓扑量子数1＝-3，另一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1＝-3、轨道角动量解调器的拓扑量子数1＝+3；
或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1的绝对值不相等但正负相同，如一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1＝+3、轨道角动量解调器的拓扑量子数1＝-3，另一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数1＝+6、轨道角动量解调器的拓扑量子数1＝-6；
或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数l的绝对值不相等且正负相反，如一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数l＝+3、轨道角动量解调器的拓扑量子数l＝-3，另一个器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数l＝-6、轨道角动量解调器的拓扑量子数l＝+6。
需要说明的是，无论轨道角动量调制器的拓扑量子数l是正是负，与其同组的轨道角动量解调器的拓扑量子数l的绝对值都与其相等、正负都与其相反。
可选地，本发明实施例中的轨道角动量调制器为第一螺旋相位阶梯板，轨道角动量解调器为第二螺旋相位阶梯板，同一器件组的第一螺旋相位阶梯板和第二螺旋相位阶梯板的拓扑量子数l绝对值相等但正负相反，不同器件组的第一螺旋相位阶梯板的拓扑量子数l不同。
或者，轨道角动量调制器为第一空间光调制器，轨道角动量解调器为第二空间光调制器，同一器件组的第一空间光调制器和第二空间光调制器的拓扑量子数l绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一空间光调制器的拓扑量子数l不同。
或者，轨道角动量调制器为第一亚波长光栅，轨道角动量解调器为第二亚波长光栅，同一器件组的第一亚波长光栅和第二亚波长光栅的拓扑量子数l绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一亚波长光栅的拓扑量子数l不同。
在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，第一器件组的光发射器10如1号激光器发出的高斯光在经过拓扑量子数l＝-4的空间光调制器即相位调制器12调制之后，形成螺旋相位光，该螺旋相位光被目标物体反射回到第一器件组的光探测器11的接收端，被拓扑量子数l＝+4的空间光调制器即相位解调器13解调后，恢复成了高斯光束，该高斯光束可以通过空间光调制器后面的圆形通光孔即光阑，被第一器件组的光探测器11即1号光探测器接收。
而如果有其它器件组的光发射器10(如2号激光器、3号激光器、…)的光进入第一器件组的接收端，由于相位解调器13与之不匹配，因此，这些光不能被相位解调器13，仍然是螺旋相位光，拥有环状的振幅分布，因而无法通过圆形通光孔即光阑，不能被第一器件组的光发射器10如1号光探测器接收。其它器件组的情况与第一器件组类似，在此不再赘述。这样就保证了每一个器件组的光发射器10和光探测器11是一一对应的，满足了激光雷达系统高精度的对准需求。
需要说明的是，图5中，仅以第一器件组的轨道角动量调制器为拓扑量子数l为-4的第一空间光调制器、轨道角动量解调器为拓扑量子数为+4的第二空间光调制器，第二器件组的轨道角动量调制器为拓扑量子数l为-8的第一空间光调制器、轨道角动量解调器为拓扑量子数为+8的第二空间光调制器，第三器件组的轨道角动量调制器为拓扑量子数l为+8的第一空间光调制器、轨道角动量解调器为拓扑量子数为-8的第二空间光调制器，第四器件组的轨道角动量调制器为拓扑量子数l为-16的第一空间光调制器、轨道角动量解调器为拓扑量子数为+16的第二空间光调制器为例进行说明，本发明并不仅限于此。
本发明实施例还提供了一种激光雷达系统，包括如上任一项的光源模组。当然，该激光雷达系统还包括分析处理单元等，该分析处理单元与所有器件组的光探测器11连接，用于根据光探测器11的信号进行分析处理，获得目标物体的相关信息。该相关信息包括目标距离、方位、高度、速度、姿态甚至形状等参数信息，以实现对目标物体的探测、跟踪和识别。
本发明所提供的激光雷达系统及其光学系统，由于不同组的相位调制器进行相位调制后的探测光的相位不同，且相位解调器仅对与其同组的相位调制器进行相位调制后的探测光进行相位解调，因此，在光源模组以及激光雷达系统的组装过程中，不需要人工对准，即可实现同一组的光发射器和光探测器之间的精确对准，从而提高了激光雷达的生产效率，降低了了组装成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种光学系统，其特征在于，包括多个器件组；
每一个所述器件组都包括一个光发射器、一个光探测器、一个相位调制器和一个相位解调器；
所述相位调制器位于与其同组的光发射器的出光口处，用于对所述光发射器出射的探测光进行相位调制，以使经过调制后的探测光照射到目标物体上；
所述相位解调器位于与其同组的光探测器的入光口处，用于对所述目标物体反射的探测光进行相位解调，以使经过相位解调后的探测光照射到所述光探测器上；
其中，不同组的相位调制器进行相位调制后的探测光的相位不同，所述相位解调器仅对与其同组的相位调制器进行相位调制后的探测光进行相位解调。
2.根据权利要求1的系统，其特征在于，所述相位调制器包括轨道角动量调制器；
所述相位解调器包括轨道角动量解调器。
3.根据权利要求2的系统，其特征在于，同一器件组的所述轨道角动量调制器和所述轨道角动量解调器的相位分布相反。
4.根据权利要求3的系统，其特征在于，同一组的轨道角动量解调器和轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值相等但正负相反；
不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数不同。
5.根据权利要求4的系统，其特征在于，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数不同包括：
不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值相等但正负相反；或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值不相等但正负相同；或者，不同器件组的轨道角动量调制器的拓扑量子数的绝对值不相等且正负相反。
6.根据权利要求5的系统，其特征在于，所述轨道角动量调制器为第一螺旋相位阶梯板，所述轨道角动量解调器为第二螺旋相位阶梯板，同一器件组的所述第一螺旋相位阶梯板和所述第二螺旋相位阶梯板的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一螺旋相位阶梯板的拓扑量子数不同。
7.根据权利要求5的系统，其特征在于，所述轨道角动量调制器为第一空间光调制器，所述轨道角动量解调器为第二空间光调制器，同一器件组的所述第一空间光调制器和所述第二空间光调制器的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一空间光调制器的拓扑量子数不同。
8.根据权利要求5的系统，其特征在于，所述轨道角动量调制器为第一亚波长光栅，所述轨道角动量解调器为第二亚波长光栅，同一器件组的所述第一亚波长光栅和所述第二亚波长光栅的拓扑量子数绝对值相等但正负相反，不同器件组的所述第一亚波长光栅的拓扑量子数不同。
9.根据权利要求2的系统，其特征在于，还包括位于所述相位解调器和所述光探测器之间的光阑。
10.一种激光雷达系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的光学系统。
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