CN111856508A - 一种窄线宽滤波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种窄线宽滤波激光雷达，通过采用外腔反馈的方式压窄激光线宽，并将出射激光的频率或波长锁定在所述外腔反馈元件选定的范围内，减少环境温度变化对激光信号波长的影响，在此基础上，进一步的使用窄线宽滤波元件对回波信号进行滤波处理，从而大幅度的滤除背景光噪声，提高激光雷达的探测灵敏度和探测距离，同时，配合具有差异化滤波参数或具有弧形结构的滤波元件，提高了在不同回波入射角度下滤波元件滤波效果的一致性，使得本发明的窄线宽滤波激光雷达在整个视场角度内具有基本上相同的灵敏度和探测可靠度。

Description

一种窄线宽滤波激光雷达

技术领域

本发明涉及一种激光雷达，具体涉及一种压缩激光线宽，并利用窄带滤波器抑制背景光干扰以提高探测精度、探测距离和探测可靠性的激光雷达。

背景技术

现有的多线脉冲飞行时间TOF(time of flight)激光雷达，为获得高的垂直分辨率，存在两类解决方案。第一类以velodyne（US8767190）为代表，使用多个激光阵列和光电检测器阵列以获取高的垂直分辨率。但该类方案中，激光阵列与检测器阵列的组装调试极其复杂，且随分辨率要求的提高，其组装调试难度将呈指数级上升，另外该类激光雷达的可靠性也较低。另一类方案，采用单个激光和PD检测单元，借助于同轴扫描机构例如MEMS或galvo振镜，在视场角度（FOV）内进行一个维度或者两个维度的扫描，振镜同时作为出射激光与回波信号的反射单元。该类方案可以极大的简化激光雷达结构，降低组装调试成本。但该类方案存在一个难以调和的矛盾。即，为获取高的分辨率，要求扫描机构具有较小的设备尺寸，从而可以进行稳定快速的旋转，缩短单次扫描时间；而为获取清晰可靠的回波信号，或者为获取高的探测灵敏度或足够远的探测距离，则要求用于反射回波信号的振镜具有较大的尺寸以向检测器反射足够多的回波光子。

现有技术中存在为解决上述第二类方案矛盾点的尝试，如使用高灵敏度的检测器，如雪崩二极管APD或单光子雪崩二极管SPAD，SiPM等以获得更高的检测灵敏度。但由于这些器件具有接近单光子的极高的检测灵敏度，容易受到背景光的干扰，而极大的限制了其探测灵敏度和探测距离。

由于车载激光雷达的主要应用场景在户外，其背景光主要为阳光。而激光波长相比于阳光更窄。基于该特性，现有技术中普及的抑制背景光噪声的方法是用滤波片。

一般而言，如图1所示，常用的脉冲半导体激光器的谱宽在10nm左右，而光谱中心位置会随环境温度的变化而移动约0.3nm/K。对于车载激光雷达而言，由于季节变化、使用场景改变等因素，导致激光雷达实际应用场景的环境温度可能产生约100K的变化幅度。因此，现有技术中的滤波片通常具有至少40nm的线宽，以应对环境温度改变导致的光谱中心位移。显然，这种措施所预留的滤波片线宽余量仍允许大量的背景光透过，实际能产生的滤波效果有限。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种窄线宽滤波激光雷达，其能够大幅度滤除背景光噪声，提高激光雷达的检测灵敏度和探测距离。

具体的，所述窄线宽滤波激光雷达包括激光器、准直透镜、扫描机构、汇聚透镜、检测单元及信号处理电路等常规的激光雷达部件，还包括窄带滤波元件。所述滤波元件对回波激光信号进行滤波处理，选择性的允许波长在其线宽范围内的光线透过，而滤除线宽范围外的杂波。所述检测单元优选为高灵敏度检测器。

本发明一个方面提供一种激光稳频组件，用于将激光频率锁定在一较小的变化范围内。所述稳频组件可以是调温稳频等被动稳频组件，例如半导体温度控制元件，用于控制激光器在一稳定的温度范围内工作，从而抵消环境温度变化带来的影响。也可以是主动稳频组件，如衍射光栅或VBG体光栅等外腔反馈元件，将其布置在激光器的外腔，并配置成向激光器的谐振腔反馈激光，以压窄脉冲激光的线宽，并将所述激光的频率或波长锁定所述外腔反馈元件预定的范围内，以抑制激光波长的温度飘移。

本发明的另一个方面提供一种窄线宽滤波元件，其可以是布置在检测器前的滤波片或者是检测器元件表面的镀膜。所述窄线宽滤波元件与所述经稳频组件稳频的窄线宽激光相匹配，以允许其通过。

本发明的窄线宽滤波方案可用于同轴或非同轴激光雷达。用于同轴激光雷达时，所述激光雷达还包括反射镜或PBS与1/4玻片的组合元件；将所述窄带滤波元件布置在汇聚透镜（或接收透镜）与反射镜之间，所述滤波元件在其各处应该具有相同的滤波参数。

使用于非同轴激光雷达时，优选配备阵列化的检测器单元以使激光雷达能够获得更大的视场角度和更高的角分辨率。所述滤波元件布置在汇聚透镜与PD阵列之间，且其整体尺寸应当覆盖PD阵列中的每一个PD检测器与所述汇聚透镜边缘的连线，换言之，所述滤波元件的尺寸应当能够覆盖能够照射到PD阵列上的所有经汇聚透镜汇聚的回波光束。

由于窄带滤波片中心频率和谱宽依赖于入射光的入射角度，回波光束照射在PD阵列中不同位置的PD检测器时具有不同的入射角，均一化镀膜的平板状窄带滤波片不能实现相同的滤波效果，甚至肯出现滤波片中心区域与边缘区域之一不允许回波光束透过的情形。虽然通过加大滤波片的线宽可以保证照射到滤波片不同区域的回波光束均可通过，但这样显然会严重削减对背景光噪声的抑制效果。

对此，本发明提出两种解决方案。其一是采用非均一化滤波元件，即所述滤波元件在不同区域具有不同的滤波参数。所述的滤波参数优选在所述滤波片上呈同心环状分布，即在所述滤波片由中心至边缘的方向上存在若干个同心环，同一个同心环所对应的滤波片区域具有相同的滤波参数，所述同心环优选为圆环。上述的非均一滤波参数的滤波元件可通过例如在一个整体滤波片上进行多次环状镀膜的方式实现；或可以由若干呈同心环状布置的滤波单元构成的圆形阵列。所述圆形阵列中的滤波单元可以具有与所述环形阵列对应的环状结构，或是将所述环状结构进一步细分而成的扇形结构。其中，位于不同同心环上的滤波片具有不同的滤波参数，而位于同一个同心环上的滤波片则具有相同的滤波参数。

本发明提供的另一个解决方案是采用均一化的滤波元件，但所述滤波元件为朝向PD阵列突出的弧形。其中，所述弧形的滤波元件应满足PD阵列中的每一个PD检测器与汇聚透镜中心的连线均基本上垂直于滤波元件的表面，以使得经汇聚的回波光束在射向PD检测器中的每一个时均在所述滤波元件的表面形成基本上相同的入射角。所述的基本上垂直指的是PD检测器与汇聚透镜中心的连线与滤波元件表面形成的夹角θ在80-90度之间（包括端点值）。

上述的弧形滤波元件可以是一个整体的滤波片，或由若干个按上述方式弧形布置的小型滤波单元所组成的阵列。其中，各小型滤波单元可以是曲率与整体滤波元件的曲率相同的弧形滤波片或者是平板滤波片。当采用平板滤波片阵列时，其应当具有足够小的尺寸，以满足上述基本上垂直的要求。所述弧形滤波元件采用阵列结构时，所述滤波单元也可以采用如上述平板滤波元件阵列中的环形或扇形结构。

上述平板型元件的滤波参数设置和弧形滤波元件相对汇聚回波的角度设置均需满足一个前提，即经汇聚的回波光束在射向PD检测器时均能够透过滤波元件，且所述滤波元件对透过的光束滤波后能够起到基本上相同的实际滤波效果。所述基本上相同的实际滤波效果是指经滤波后的透过光中夹杂的背景光噪声的差异小于等于20%。

本发明相比于现有技术至少能够起到如下有益效果：利用反馈光栅等外腔反馈元件压窄激光线宽，并锁定出射激光的频率和波长，配合窄带滤波元件大幅削减背景光噪声，提高激光雷达探测的灵敏度和探测距离，同时，配合具有差异化滤波参数或具有弧形结构的滤波元件，提高了在不同回波入射角度下滤波元件滤波效果的一致性，使得本发明的窄线宽滤波激光雷达在整个视场角度内具有基本上相同的灵敏度和探测可靠度。

附图说明

图1为现有技术中的905nm波长脉冲半导体激光谱线图；

图2为本发明同轴布置的窄线宽滤波激光雷达示意图；

图3为PBS和1/4波片组合的示意图；

图4为使用平板滤波元件的非同轴窄线宽滤波激光雷达示意图；

图5为使用平板滤波元件的非同轴窄线宽滤波激光雷达的局部放大图；

图6为平板滤波元件的三种构建方式；

图7为使用弧形滤波元件的非同轴窄线宽滤波激光雷达示意图；

图8为使用弧形滤波元件的非同轴窄线宽滤波激光雷达的局部放大图。

图中：脉冲激光器1，准直透镜2，反馈光栅3，反射镜4，扫描机构5，窄带滤波片6，汇聚透镜7，PD检测器8，出射光9，反馈光10，回波11，PD阵列12，平板型滤波元件13，弧形滤波元件14，探测目标15，信号处理电路30，环形滤波单元131a，扇形滤波单元131b，弧形滤波元件的平板滤波单元141。

具体实施方式

实施例1。

如图2所示，一种窄线宽滤波激光雷达，其采用同轴布置的激光发射光路和检测光路，包括脉冲激光器1、准直透镜2、反馈光栅3、反射镜4、扫描机构5、窄带滤波片6、汇聚透镜7、PD检测器8和信号处理电路。上述各组件被布置成使得脉冲激光器1发出的光脉冲由准直透镜2准直，反馈光栅14部分反射由光栅结构决定的窄带的波长的反馈光10回激光腔内，迫使激光波长锁定在光栅选定的很窄的波长范围。出射光9经由反射镜4，再由扫描机构5射向不同的方向。回波11则由反射镜4反射经过窄带滤波片6，汇聚透镜7汇聚在PD检测器8上。PD信号经过信号处理电路计算飞行时间和距离。

其中，经所述反馈光栅3锁定的激光波长与窄带滤波片6相匹配，且优选所述反馈光栅3与所述窄带滤波片6具有相同的温度飘移系数，以保证在不同的环境温度下有相同的波长匹配。

所述的反射镜4可以是部分反射镜，或中间有孔的反射镜，让发射光束通过。也可以是偏振分束镜PBS和1/4波片的组合，如图3所示。

本实施例首先在所述同轴激光雷达系统上，利用反馈光栅3将出射光9的线宽被压缩至小于等于2nm；相应的，使用线宽为5nm的窄带滤波片6，且其允许透过的激光波长与被锁定的出射光9的波长相匹配。

采用反馈光栅3配合5nm带宽窄带滤波片的同轴激光雷达相比于未使用所述反馈光栅3和窄带滤波片6的激光雷达，其背景光噪声降低了约8倍，测量距离增加了2.8倍。

实施例2。

区别于实施例1的，本实施例采用非同轴的激光雷达布置方式，因而不包括反射镜4的结构。特别的，所述检测器为PD阵列12。如图4-5所示，所述窄带滤波片6为平板型滤波元件13，且被布置在PD阵列12与汇聚透镜7之间。所述平板型滤波元件具有足够的尺寸，以保证所述射向所述PD阵列12的回波均被滤波。

所述脉冲激光器1发出的光脉冲由准直透镜2准直，反馈光栅3部分反射由光栅结构决定的窄带的波长的反馈光10回激光腔内，迫使激光波长锁定在光栅选定的很窄的波长范围。出射光9经由扫描机构5射向不同的方向。回波11由汇聚透镜7汇聚后经过平板型滤波元件13射向PD阵列12。PD信号经过信号处理电路计算飞行时间和距离。

实施例3。

如图6A所示，所述的平板型滤波元件13可以是覆盖所述PD阵列12中所有PD检测器8的整片滤波片。区别于实施例2的是，所述整片的滤波片上具有若干呈同心圆环状分布的滤波区域，所述若干圆环相互邻接。同一圆环对应的滤波区域具有相同的滤波参数，不同圆环对应的滤波区域具有不同的滤波参数，以匹配经汇聚透镜7汇聚的的回波光束在平板型滤波元件13的不同区域所形成的差异化的入射角。上述滤波参数的设置应当满足照射在所述平板滤波元件13的不同区域的回波11均能透过所述平板型滤波元件13，且优选各区域能起到相同的实际滤波效果。

上述的在不同滤波区域具有不同滤波参数的平板型滤波元件13可通过差异化镀膜的方法制备，例如在通过黏贴附盖物多次镀膜的方式，对上述各同心圆环对应的区域分别镀膜等。

实施例4。

如图6B所示，区别于实施例3的是，所述平板型滤波元件13可以由若干环行滤波单元131a的阵列构成，如图5B中的b1、b2、b3、b4、b5；其中，b1为圆形滤波单元。上述环形滤波单元131a自身具有均一化的滤波参数，但不同的环形滤波单元131a之间的滤波参数不同。所述滤波参数的设置参照实施例3中的设置方式。各滤波单元之间优选采用无缝连接，如使用粘结剂、超声焊接等方式形成为一阵列整体。

实施例5。

如图6C所示，区别于实施例4的是，所述环形滤波单元131a可进一步划分为若干扇形滤波单元131b，如图5C中的b41、b42、b43、b44…b4n；其相互之间无缝连接，组成滤波环b4；采用这样的方式，分别组成例如4个滤波环，进一步的，上述4个滤波环与中心的圆形滤波单元b1相互之间无缝连接，构成平板型滤波元件13。且上述处于同一圆环上的若干扇形滤波单元131b具有相同的滤波参数，不同圆环所对应的滤波区域的滤波参数不同。所述滤波参数的设置参照实施例3中的设置方式。

虽然图6A-6C中均仅展示了具有5个同心环的情形，但这并不代表仅能使用5个同心环或优选使用5个同心环，图6A-6C仅是为便于表达本发明的构思的一个简化举例。

实施例6。

区别于实施例2的，如图7所示，本实施例的窄带滤波片6为弧形滤波元件14，所述的弧形滤波元件14被设置成向PD阵列12一侧凸出，使得来自汇聚透镜7的回波光束在射向所述PD阵列12中的任何一个PD检测器8时，其光束指向均基本上垂直于所述弧形滤波元件14的表面，进而避免由于激光光束在照射滤波元件的不同位置时具有不同光入射角而产生的滤波效果差异。换言之，所述窄带滤波片6的表面与自所述汇聚透镜的中心指向任一PD检测器8的中心的射线基本上垂直。所述的基本上垂直指的是上述射线与所述窄带滤波元件的表面形成的夹角不小于80度。

具体的，所述弧形滤波元件14可以是整体呈弧形的单片滤波片，也可以是呈弧形布置的滤波单元的阵列。所述滤波单元的布置方式可参照实施例4-5中的布置方式。即所述滤波单元可以是圆环形或扇形。所不同的是，所述实施例4-5中的滤波单元均为平板结构。而应用于本实施例中的滤波单元除了可以是平板结构（如图8中的平板单元141）外，还可以是具有一定曲率的弧形结构，所述区域优选与所述弧线滤波元件14的曲率相同，以组装形成具有相同曲率的弧形滤波表面。上述的两种滤波单元形式均满足自汇聚透镜7的中心射向PD阵列12中任意一个PD检测器8的射向与所述弧线滤波元件14的表面基本上垂直，即其形成的夹角θ在80-90度之间。

此外，不同于实施例4-5的是，本实施例中的各滤波单元之间具有基本上相同的滤波特性。

考虑到大尺寸滤波片制造过程中均匀镀膜难以掌控及阵列化的滤波片安装调试复杂的技术问题，本实施例优选采用滤波片阵列，且所述滤波片的数量少于PD检测器的数量，以避免制造大尺寸滤波片所需面临的均匀镀膜问题，同时控制弧形滤波片阵列的组装调试难度。

本文中所述的滤波参数仅包括线宽及滤波范围；而滤波特性除包括上述参数外，还包括温度飘移系数参数等。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本发明不限于上述的特定实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，本领域技术人员通过常规替代、重新调整和简单变形等手段所能得到的其他实施方式均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种窄线宽滤波激光雷达，包括脉冲激光器、准直透镜、扫描机构、汇聚透镜、检测单元和信号处理电路，其特征在于：还包括外腔反馈元件和窄带滤波元件，所述外腔反馈元件被布置成可向激光器的谐振腔反射部分激光，以将出射激光锁定在反馈元件预定的激光线宽范围内，所述预定的激光线宽范围与所述窄带滤波元件相匹配，以使得所述出射激光的回波信号可以透过所述窄带滤波元件，且经所述窄带滤波元件滤波后能够起到基本上相同的实际滤波效果。

2.如权利要求1所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述外腔反馈元件为VBG体光栅、布拉格光栅或衍射光栅中的一种。

3.如权利要求1所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述预定的激光线宽范围小于等于2nm，同时所述窄线宽滤波器的线宽小于等于5nm。

4.如权利要求1所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述激光雷达还包括反射镜，出射激光的光路与回波光路同轴设置。

5.如权利要求1所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述出射激光的光路与回波光路不同轴设置，所述检测单元为PD阵列，所述PD阵列中的每一个PD检测器均在回波光路上被所述窄带滤波元件覆盖。

6.如权利要求5所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述窄带滤波元件为整片平板型滤波元件，且自其中心向外方向通过多次镀膜等方式形成有若干个具有不同滤波参数的同心圆环；同一圆环所对应的滤波元件区域具有相同的滤波参数。

7.如权利要求5所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述窄带滤波元件为由若干圆环形或扇形滤波单元的阵列构成的平板型滤波元件，所述窄带滤波元件的中心为圆形滤波单元；位于同一圆环上的滤波单元具有相同的滤波参数，位于不同圆环上的滤波单元具有不同的滤波参数。

8.如权利要求5所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述窄带滤波元件为整片的弧形滤波元件，所述弧线滤波元件朝向PD阵列一侧凸出，所述弧形被设置成使得经汇聚透镜汇聚的回波光束在指向所述PD阵列中的任一PD检测器时，均基本上与所述窄带滤波元件的表面垂直。

9.如权利要求5所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：所述窄带滤波元件为由若干圆环形或扇形滤波单元的阵列构成的弧形滤波元件，所述窄带滤波元件的中心为圆形滤波单元，各滤波单元具有基本上相同的滤波特性，所述滤波单元可以是平板结构或与所述弧线滤波元件具有相同曲率的弧形结构。

10.如权利要求7或9所述的窄线宽滤波激光雷达，其特征在于：组成阵列的若干滤波单元之间采用无缝连接。

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