CN111880188B - 一种光学相干测距装置及方法 - Google Patents

一种光学相干测距装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学相干测距装置及方法，装置包括：发光单元、分束单元、混频接收单元以及信号处理单元，分束单元用于将发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；混频接收单元用于接收参考光和多角度信号光，将参考光分别和每个角度的信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光及信号光振幅成正比的输出信号；信号处理单元用于接收输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度。通过实施本发明，当需要测量的目标物体距离较远时，可以通过适当增加参考光的功率，从而扩大测距范围。同时可以将多个角度的信号光分别进行探测，实现了测距装置的多角度探测。

Description

一种光学相干测距装置及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种光学相干测距装置及方法。
背景技术
固态激光雷达具有小尺寸、低成本、低功耗、可靠性高、坚固耐用、适应性强等优点，认为是自动驾驶车规级的雷达传感器。固态激光雷达是一种依靠波的反射或接收来探测目标特性的传感器。目前，固态激光雷达目前基本分为三种，即基于光学相控阵(OpticalPhased Array,OPA)、闪光(Flash)以及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)三种方式实现。
其中，Flash方案基于宽发射角光源和探测器阵列实现对视场内多角度同时发射和接收，并基于飞行时间法(Time of flight,TOF)获得距离信息，发射端方案成熟，成本较低。然而，由于光源为多角度同时出射，且光源出射总功率受到人眼安全功率的限制，因此单位角度内发射功率有限，目标反射的光信号强度与目标距离成平方反比关系，而飞行时间法探测器阵列仅能够识别高于噪声限的信号，使探测距离受到限制。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种光学相干测距装置及方法，以解决现有的固态激光雷达探测距离受到限制的技术问题。
本发明实施例第一方面提供一种光学相干测距装置，该光学相干测距装置包括：发光单元、分束单元、混频接收单元以及信号处理单元，所述分束单元用于将所述发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，所述出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；所述混频接收单元用于接收所述参考光和所述多角度信号光，将所述参考光分别和每个角度的信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光及信号光振幅成正比的输出信号；所述信号处理单元用于接收所述输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度。
进一步地，所述发光单元包括：光源和调制模块，所述调制模块用于将光源输出的光束进行频率调制或振幅啁啾调制得到所述发光单元的输出光束。
进一步地，所述混频接收单元包括：扩束模块、会聚模块以及像素单元阵列，所述扩束模块获取所述参考光进行准直扩束后均匀分布的参考光束入射至所述像素单元阵列上；所述会聚模块获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束；所述像素单元阵列中的每个像素单元分别接收每个角度的信号光束，将得到的每个角度的信号光束分别和参考光束进行偏振分束、180度两相位混频以及探测后得到与参考光束信号振幅成正比的多个输出信号。
进一步地，所述像素单元包括：空间偏振分束器、空间光学混频器以及探测器，所述空间偏振分束器获取所述参考光束和信号光束进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号；所述空间光学混频器将所述两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号；所述探测器将所述四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号，将所述偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号振幅成正比的输出信号。
进一步地，所述空间偏振分束器包括：面光栅、超表面结构或衍射光学元件中的任意一种。
进一步地，所述空间光学混频器包括：衍射光学元件、衍射光栅、多模干涉器或超表面结构中的任意一种。
进一步地，所述探测器包括：单光子雪崩二极管，雪崩光电二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管中的任意一种。
本发明实施例第二方面提供一种光学相干测距方法，该测距方法包括：将发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，所述出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；获取所述参考光和所述多角度信号光，将所述参考光分别和每个角度的信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光及信号光振幅成正比的输出信号；根据所述输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度。
进一步地，获取所述参考光和信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光信号振幅成正比的输出信号，包括：获取所述参考光和信号光进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号；将所述两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号；将所述四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号；将所述偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号振幅成正比的输出信号。
进一步地，获取所述参考光和信号光进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号，包括：获取所述参考光进行准直扩束后得到均匀分布的参考光束；获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束；将所述均匀分布的参考光束分别和多个角度的信号光束进行偏振分束得到多个偏振方向正交的两组偏振信号。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的光学相干测距装置，通过设置分束单元将发光单元输出的光束分为出射光和参考光，出射光照射到目标物体上反射得到多角度信号光，每个角度的信号光可以和参考光分别在混频接收单元中进行偏振、混频和探测得到与参考光振幅成正比的输出信号。当需要测量的目标物体距离较远时，可以通过适当增加参考光的功率，实现输出信号幅度控制，从而增大该光学相干测距装置的测距范围。同时可以将多个角度的信号光分别进行探测，实现了测距装置的多角度探测。
本发明实施例提供的光学相干测距装置，通过像素单元阵列的设置，可以同时测量多角度目标距离及移动速度；同时，由于环境光中可能包含与出射光相同的波长成分，则环境光与信号光叠加可能会导致探测器饱和而无法识别目标信号，该光学相干测距装置通过采用探测器将相同偏振态的2组信号分别取差分，可以对信号光中的环境光噪声进行抑制，因此，本发明实施例提供的光学相干测距装置，可以实现抗环境光干扰的功能。
本发明实施例提供的光学相干测距方法，通过将发光单元输出的光束分为出射光和参考光，出射光照射到目标物体上反射得到信号光，信号光可以和参考光进行偏振、混频和探测得到与参考光振幅成正比的输出信号。当需要测量的目标物体距离较远时，可以通过适当增加参考光的功率，实现输出信号幅度控制，从而增大该光学相干测距方法的测距范围。
本发明实施例提供的光学相干测距方法，可以同时测量多角度目标距离及移动速度；同时，由于环境光中可能包含与出射光相同的波长成分，则环境光与信号光叠加可能会导致探测器饱和而无法识别目标信号，该光学相干测距方法通过将相同偏振态的2组信号分别取差分，可以对信号光中的环境光噪声进行抑制，因此，本发明实施例提供的光学相干测距方法，可以实现抗环境光干扰的功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中光学相干测距装置的结构框图；
图2a为本发明实施例中光学相干测距装置的频率调制的原理图；
图2b为本发明另一实施例中光学相干测距装置的频率调制的原理图；
图3a为本发明实施例中光学相干测距装置的振幅啁啾调制的原理图；
图3b为本发明另一实施例中光学相干测距装置的振幅啁啾调制的原理图；
图4为本发明另一实施例中光学相干测距装置的结构框图；
图5为本发明另一实施例中光学相干测距装置的结构框图；
图6为本发明实施例中光学相干测距方法的流程图；
图7为本发明另一实施例中光学相干测距方法的流程图；
图8为本发明另一实施例中光学相干测距方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明实施例提供一种光学相干测距装置，如图1所示，该光学相干测距装置包括：发光单元101、分束单元102、混频接收单元103以及信号处理单元104，分束单元102用于将发光单元101输出的非准直光束分为出射光和参考光，出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；混频接收单元103用于接收参考光和多角度信号光，将参考光分别和每个角度的信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光及信号光强度成正比的输出信号；信号处理单元104用于接收输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离。
本发明实施例提供的光学相干测距装置，通过设置分束单元将发光单元输出的光束分为出射光和参考光，出射光照射到目标物体上反射得到多角度信号光，每个角度的信号光可以分别和参考光在混频接收单元中进行偏振、混频和探测得到与参考光振幅成正比的输出信号。当需要测量的目标物体距离较远时，可以通过适当增加参考光的功率，实现输出信号幅度控制，从而增大该光学相干测距装置的测距范围。同时可以将多个角度的信号光分别进行探测，实现了测距装置的多角度探测。
在一实施例中，发光单元包括：光源和调制模块，调制模块用于将光源输出的光束进行频率调制或振幅啁啾调制得到发光单元的输出光束。可选地，发光单元输出光束的中心波长范围为700nm-1600nm；光源相干长度不小于目标物体距离的2倍。具体地，对于频率调制(Frequency modulation continuous wave,FMCW)的调制方式，其光学频率和信号频率随时间变化如图2a和图2b所示；对于振幅啁啾调制(Chirped amplitude modulation,CAM)的调制方式，其振幅调制频率和信号频率随时间变化如图3a和图3b所示。其中，B表示光源波长或振幅啁啾调制频率带宽(当调制模块调制方式为FWCW时，B为光源波长；当调制模块调制方式为CAM时，B为振幅啁啾调制频率带宽)，T0为调制周期；fSig+表示上升沿信号频率，fSig-表示下降沿信号频率。
可选地，调制模块可以采用外调制方案或直调方案。当采用外调制方案时，调制模块用于将光源输出光束进行振幅啁啾调制得到所述发光单元的输出光束。调制模块包括与光源连接的光强度调制器和啁啾信号发生器，信号发生器产生频率呈三角波或锯齿波分布的正弦信号，加载到调制器上，改变调制器输出光束的振幅和强度；
当采用直调方案时，调制模块对光源施加电信号，改变光源输出光束的频率或振幅，得到发光单元的输出光束。光源为频率可调激光器，调制模块为信号发生器，调制模块输出信号加载至激光器上，使激光器输出光束的频率产生三角波形变化；或光源为直调激光器，调制模块为信号发生器，调制模块输出信号加载至激光器上，使激光器输出光束为振幅啁啾信号，即振幅为频率随时间呈三角波或锯齿波变化的正弦信号。
在一实施例中，如图4所示，混频接收单元103包括：扩束模块201、会聚模块202以及像素单元阵列203，扩束模块201获取参考光进行准直扩束后均匀分布的参考光束入射至像素单元阵列203上；会聚模块202获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束；像素单元阵列203中的每个像素单元204分别接收每个角度的信号光束，将得到的每个角度的信号光束分别和参考光束进行偏振、混频以及探测后得到与参考光束信号振幅强度成正比的多个输出信号。
可选地，扩束模块可以包括扩束透镜，扩束透镜可以将分光单元输出的参考光进行准直扩束后，以预设角度均匀入射至像素单元阵列的每个像素单元上。该预设角度可以是-10度到20度，以该角度范围入射至像素单元阵列可以更便于和信号光进行偏振和混频。
可选地，会聚模块可以包括会聚透镜，例如可以是球透镜，超透镜，菲涅尔透镜中的任何一种，或上述结构的组合。会聚透镜可以将目标物体反射的信号光会聚到像素单元阵列上。具体地，由于目前基于闪光(Flash)原理的固态激光雷达的光源通常是多角度同时出射，因此，会有多束光同时照射在目标物体上，经过目标物体的反射可以产生多束信号光，多束信号光可以分别经过会聚透镜进行会聚后分别进入到像素单元阵列的每个像素单元上与参考光进行偏振混频。具体地，会聚到每个像素单元上的信号光可以控制在小于90度的范围内，便于与参考光进行偏振和混频。由此，本发明实施例提供的光学相干测距装置可以实现多角度目标物体的探测。
可选地，像素单元阵列可以包括多个像素单元，每个像素单元对应入射角度为θ＝xi/f，其中xi为第i个像素相对接收透镜光心的横向偏移量，f为接收透镜的焦距，一维像素单元阵列可以实现多角度距离及速度同时测量，每个像素单元所对应的接收角宽度为dθ＝wi/f，其中wi为第i个像素的宽度。
在一实施例中，如图5所示，像素单元阵列203中的每个像素单元204包括：空间偏振分束器301、空间光学混频器302以及探测器303，空间偏振分束器301获取参考光束和信号光束进行偏振得到偏振方向正交的两组偏振信号；空间光学混频器302将两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号；探测器303将四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号，将偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号振幅成正比的输出信号。
在一实施例中，空间偏振分束器可以是面光栅、超表面结构或衍射光学元件中的任意一种。具体地，空间偏振分束器可以将参考光束和信号光束进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号，其偏振面分别与入射面平行和垂直；因此，空间偏振分束器的功能是将平行与垂直于入射平面的光束以不同角度出射并实现空间分离，从而得到两组偏振信号。
在一实施例中，空间光学混频器包括：衍射光学元件、衍射光栅或超表面结构中的任意一种。两组偏振信号分别经过空间光学混频器后，各形成相差为0度及180度的2组信号，形成共4组信号；因此，空间混频器的功能是将不同角度入射的2组光信号本振光ELoc和信号光
Figure BDA0002623676810000101
输出形成2组混频信号，振幅分别为/>
Figure BDA0002623676810000102
和/>
Figure BDA0002623676810000103
即各包含2组入射信号功率的分量，且分量之间的相位差为-90度及90度。
在一实施例中，探测器包括：单光子雪崩二极管，雪崩光电二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管中的任意一种。可选地，由于空间光学混频器输出信号包含四组信号探测器，探测器可以选择2x2平衡探测器阵列。每个探测器接收空间光学混频器输出的双偏振双相位差四组信号中的一组。其中，相同偏振态探测器的信号电路形成平衡探测。具体地，探测器的功能是将入射光信号转为电流信号，相同偏振态的2组信号分别取差分后，在信号频段带通滤波后放大输出，得到两组偏振态不同的信号。将两组偏振态不同的信号通过平方求和合成为总输出信号。
在一实施例中，当发光单元中的调制模块的调制方式为光源波长随时间呈线性变化的FMCW调制时，混频器2组输出信号之间强度差
Figure BDA0002623676810000113
Figure BDA0002623676810000114
其中/>
Figure BDA0002623676810000115
随时间呈锯齿或三角函数变化，因此信号强度差dI是振幅正比于本振光振幅及信号振幅的正弦信号。当发光单元中的调制模块的调制方式为光源波长随时间呈线性变化的CAM调制时，混频器2组输出信号强度差的低频分量正比于/>
Figure BDA0002623676810000116
因此信号强度差同样为振幅正比于本振光振幅及信号振幅的正弦信号。对于以上两种光源调制方式，由于目标物体移动导致反射信号中叠加多普勒频移，从而在与参考光相干叠加信号中的频率上升和下降沿产生不同的频差。
在一实施例中，信号处理单元用于接收输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离。具体地，由于像素单元阵列包含多个像素单元，对于每一个像素单元而言，若光源调制波形为三角波，则光源波长/振幅啁啾调制参数与目标距离R和速度v之间满足以下关系，如图2所示：
Figure BDA0002623676810000111
Figure BDA0002623676810000112
其中，c为真空光速，λ0为真空中心波长，fSig为信号频率，B为光源波长或振幅啁啾调制频率带宽(当调制模块调制方式为FWCW时，B为光源波长；当调制模块调制方式为CAM时，B为振幅啁啾调制频率带宽)，T0为调制周期；Δf为上升沿信号频率fsig+与下降沿信号频率fSig-之差。
本发明实施例提供的光学相干测距装置，通过像素单元阵列的设置，可以同时测量多角度目标距离及移动速度；同时，由于环境光中可能包含与出射光相同的波长成分，则环境光与信号光叠加可能会导致探测器饱和而无法识别目标信号，该光学相干测距装置通过采用探测器将相同偏振态的2组信号分别取差分，可以对信号光中的环境光噪声进行抑制，因此，本发明实施例提供的光学相干测距装置，可以实现抗环境光干扰的功能。
在一实施例中，本发明实施例提供的光学相干测距装置可以采用以下结构实现相干测距。其中发光单元中的光源为中心波长780nm的窄线宽单横模直调激光器，激光器输出光振幅经电流直接调制，其调制频率随时间呈三角波分布；分束单元采用镀有半透半反膜的棱镜，形成信号端90％出射功率，参考端10％出射功率。
混频接收单元中，扩束模块采用平凸透镜，对参考光准直，并倾斜入射至像素单元阵列；会聚模块采用单个双凸面透镜，每个入射角度的信号光会聚到对应的像素单元上；在每个像素单元中，光束依次通过偏振分束器和混频器后，入射至光探测器上。
空间偏振分束器由超表面构成，其单元结构为位于氧化硅衬底层上的硅四棱柱，通过设置波面不同位置处硅棱柱的长和宽，可以使偏振方向与入射面垂直的光束向一侧偏转，而偏振方向与入射面平行的光束向反向偏转，从而使两个正交偏振方向的光束空间分离。
空间光学混频器由条形衍射光栅构成，该条形衍射光栅可以通过位于氧化硅层上的硅刻蚀制备而成，通过选择光栅的周期，可使0级衍射及1级衍射角度分别对应探测器位置，通过改变硅层厚度及光栅占空比，可使衍射效率设计值为50％，从而实现0度和180度混频。
探测器阵列选择2x2硅基PIN探测器，其中同一偏振态光束所对应的2个探测器构成平衡探测器，信号取差分后，在信号频段带通滤波后放大输出，两个偏振态信号通过平方求和合成为总信号输出。混频接收单元输出信号经信号处理单元进行频谱分析，可以换算出目标距离。
像素单元阵列中各单元空间偏振分束器位于同一层，构成偏振分束器阵列，可由半导体工艺单次制备；像素单元阵列中各单元空间光学混频器位于同一层，构成混频器阵列，可由半导体工艺单次制备；像素单元阵列中各单元探测器阵列位于同一层，构成探测器阵列，可由半导体工艺单次制备。
本发明实施例还提供一种光学相干测距方法，如图6所示，该测距方法包括如下步骤：
步骤S11：将发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；可选地，发光单元包括：光源和调制模块，调制模块用于将光源输出的光束进行频率调制或振幅啁啾调制得到发光单元的输出光束。可选地，发光单元输出光束的中心波长范围为700nm-1600nm；光源相干长度不小于目标物体距离的2倍。具体地，对于频率调制(Frequency modulation continuous wave,FMCW)的调制方式，其光学频率和信号频率随时间变化如图2a和图2b所示；对于振幅啁啾调制(Chirped amplitudemodulation,CAM)的调制方式，其振幅调制频率和信号频率随时间变化如图3a和图3b所示。
步骤S12：获取参考光和所述多角度信号光，将参考光分别和每个角度的信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光及信号光强度成正比的输出信号。
步骤S13：根据输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度。具体地，光源波长/振幅啁啾调制参数与目标距离R和速度v之间满足以下关系，如图2所示：
Figure BDA0002623676810000141
Figure BDA0002623676810000142
其中，c为真空光速，λ0为真空中心波长，fSig为信号频率，B为光源波长或振幅啁啾调制频率带宽(当调制模块调制方式为FWCW时，B为光源波长；当调制模块调制方式为CAM时，B为振幅啁啾调制频率带宽)，T0为调制周期；Δf为上升沿信号频率fsig+与下降沿信号频率fSig-之差。
本发明实施例提供的光学相干测距方法，通过将发光单元输出的光束分为出射光和参考光，出射光照射到目标物体上反射得到信号光，信号光可以和参考光进行偏振、混频和探测得到与参考光振幅成正比的输出信号。当需要测量的目标物体距离较远时，可以通过适当增加参考光的功率，实现输出信号幅度控制，从而增大该光学相干测距方法的测距范围。
在一实施例中，如图7所示，步骤S12获取参考光和信号光进行偏振、混频以及探测后得到与参考光信号强度成正比的输出信号，包括如下步骤：
步骤S21：获取参考光和信号光进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号；具体地，两组偏振信号的偏振面分别与入射面平行和垂直。
步骤S22：将两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号。
步骤S23：将四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号。
步骤S24：将偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号强度成正比的输出信号。
在一实施例中，如图8所示，步骤S21获取参考光和信号光进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号，包括如下步骤：
步骤S31：获取参考光进行准直扩束后得到均匀分布的参考光束。
步骤S32：获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束。
步骤S33：将均匀分布的参考光束分别和多个角度的信号光束进行偏振分束得到多个偏振方向正交的两组偏振信号。
本发明实施例提供的光学相干测距方法，可以同时测量多角度目标距离及移动速度；同时，由于环境光中可能包含与出射光相同的波长成分，则环境光与信号光叠加可能会导致探测器饱和而无法识别目标信号，该光学相干测距方法通过将相同偏振态的2组信号分别取差分，可以对信号光中的环境光噪声进行抑制，因此，本发明实施例提供的光学相干测距方法，可以实现抗环境光干扰的功能。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (8)

1.一种光学相干测距装置，其特征在于，包括：发光单元、分束单元、混频接收单元以及信号处理单元，
所述分束单元用于将所述发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，所述出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；
所述混频接收单元用于接收所述参考光和所述多角度信号光，将所述参考光分别和每个角度的信号光进行偏振分束、混频以及探测后得到与参考光及信号光振幅成正比的输出信号；
所述信号处理单元用于接收所述输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度；
所述混频接收单元包括：像素单元阵列，所述像素单元阵列中的每个像素单元分别接收每个角度的信号光束，将得到的每个角度的信号光束分别和参考光束进行偏振分束、180度两相位混频以及探测后得到与参考光束信号振幅成正比的多个输出信号；
所述像素单元包括：空间偏振分束器、空间光学混频器以及探测器，
所述空间偏振分束器获取所述参考光束和信号光束进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号；
所述空间光学混频器将所述两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号；
所述探测器将所述四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号，将所述偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号振幅成正比的输出信号。
2.根据权利要求1所述的光学相干测距装置，其特征在于，所述发光单元包括：光源和调制模块，所述调制模块用于将光源输出的光束进行频率调制或振幅啁啾调制得到所述发光单元的输出光束。
3.根据权利要求1所述的光学相干测距装置，其特征在于，所述混频接收单元包括：扩束模块、会聚模块；
所述扩束模块获取所述参考光进行准直扩束后均匀分布的参考光束入射至所述像素单元阵列上；
所述会聚模块获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束。
4.根据权利要求1所述的光学相干测距装置，其特征在于，所述空间偏振分束器包括：面光栅、超表面结构或衍射光学元件中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的光学相干测距装置，其特征在于，所述空间光学混频器包括：衍射光学元件、衍射光栅、多模干涉器或超表面结构中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的光学相干测距装置，其特征在于，所述探测器包括：单光子雪崩二极管，雪崩光电二极管、硅光电倍增管或PIN光电二极管中的任意一种。
7.一种光学相干测距方法，其特征在于，包括：
将发光单元输出的非准直光束分为出射光和参考光，所述出射光照射在目标物体上反射形成多角度信号光；
获取所述参考光和所述多角度信号光，将所述参考光分别和每个角度的信号光进行偏振分束、混频以及探测后得到与参考光及信号光振幅成正比的输出信号；
根据所述输出信号进行频谱分析计算得到目标物体的距离及速度；
获取所述参考光和信号光进行偏振分束、混频以及探测后得到与参考光信号振幅成正比的输出信号，包括：
获取所述参考光和信号光进行偏振分束得到偏振方向正交的两组偏振信号；
将所述两组偏振信号经过混频得到相差为0度和180度的四组信号；
将所述四组信号中相同偏振态的两组信号分别进行差分，得到偏振态不同的两组信号；
将所述偏振态不同的两组信号进行平方求和得到与参考光信号振幅成正比的输出信号。
8.根据权利要求7所述的光学相干测距方法，其特征在于，获取所述参考光和信号光进行偏振得到偏振分束方向正交的两组偏振信号，包括：
获取所述参考光进行准直扩束后得到均匀分布的参考光束；
获取目标物体反射的不同角度的信号光分别进行会聚得到多个角度的信号光束；
将所述均匀分布的参考光束分别和多个角度的信号光束进行偏振分束得到多个偏振方向正交的两组偏振信号。
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