CN112147595A - 激光探测的装置、方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开了激光探测的装置、方法及系统。所述装置包括光源组件、接收透镜、相位调制器和光强探测组件，其中：所述光源组件用于发射探测信号至探测目标；所述接收透镜用于接收所述探测目标反射回来的第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度。本申请的激光探测装置避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。

Description

激光探测的装置、方法及系统
技术领域
本申请涉及探测技术领域，尤其涉及激光探测的装置、方法及系统。
背景技术
激光雷达是一种以激光为测量光源的主动式遥感仪器，具有测量距离远、精度高、分辨率高、可全天时测量等优点，在地理信息测绘、无人车自动驾驶、数字城市等领域发挥重要作用。随着自动驾驶技术的快速发展，激光雷达正由机械化向固态化逐步转变，而快闪(Flash)激光雷达作为可靠性高、技术相对成熟的固态激光雷达，在未来发展方向上占有重要地位。
Flash激光雷达是面阵式激光雷达成像系统，一般采用泛光或点阵方式照射前方物体，并通过雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)面阵接收器接收前方物体反射回来的激光脉冲信号，来确定前方物体三维坐标信息。为使每次可探测的像素点更多，分辨率更高，面阵式激光雷达需要大规模的APD阵列，而制备大规模APD阵列的技术难度非常高，其读出电路也非常复杂，成本很高，限制了Flash激光雷达的发展。因此，Flash激光雷达需要拓展新的探测架构。
发明内容
本申请实施例提供了激光探测的装置、方法及系统，可以实现低成本的激光探测。
第一方面，本申请实施例提供了一种激光探测模组，所述激光探测模组可以包括光源组件、接收透镜、相位调制器和光强探测组件，其中，所述光源组件用于发射探测信号至探测目标，这里的探测信号指的是激光束；所述探测信号被所述探测目标反射回来形成第一回波信号；所述接收透镜用于接收所述第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度。
该技术方案下，激光探测模组中设置有相位调制器，通过相位调制器后的回波信号的相位与飞行时间相关，从而使得回波信号的相位与探测距离相关。而回波信号的光强度可以反应其相位信息，进而可以反应探测距离，因此通过光强探测组件对回波信号的光强度探测就可以完成激光探测。这么做的好处是，可以通过探测光强度得到探测距离等探测信息，而不需要探测回波信号的整体波形，从而避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。相位调制器可以建立回波信号的调制相位和飞行时间之间的关系。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器，所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数，所述图像传感器包括N*M个像素。所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，具体包括：所述偏光组件用于对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；所述图像传感器用于探测所述第三回波信号的光强度。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量。每个所述第一偏光元件用于对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；所述图像传感器用于探测每个所述第三回波信号分量的光强度。
偏光组件的每个第一偏光元件组包括偏振方向不同的多个第一偏光元件，则可以使得第二回波信号通过偏光组件后被分为偏振方向不同的多个第三回波信号分量。根据相邻像素上探测得到的不同偏振方向的第三回波信号分量的光强度，可以得到这几个第三回波信号分量对应的调制相位，进而得到对应的飞行时间以及探测距离。并且，通过多个不同偏振方向的第三回波信号分量的光强度来确定探测距离，是更加准确的，提高了激光探测的准确度。而偏光组件包含N*M个第一偏光元件，使得第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量；图像传感器包括N*M个像素，能够探测这N*M个第三回波信号分量的光强度。激光探测模组能够实现和图像传感器同像素级别的探测，保证了激光探测的高分辨率。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。相比于现有技术中采用APD阵列的Flash激光雷达，采用CCD探测器和CMOS探测器的激光探测模组一次性可探测的像素点更多，分辨率更高，成本更低。
在可行的实施方式下，所述激光探测模组还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中。所述接收透镜接收第一回波信号，所述第一回波信号入射至所述第二偏光元件；所述第二偏光元件用于根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
该技术方案下，激光探测模组中还设置了第二偏光元件，可以使得入射至相位调制器的回波信号具有相同的偏振方向，进而可以避免偏振方向的不同对相位调制造成影响，从而提高激光探测模组的探测精度。
在可行的实施方式下，所述激光探测模组还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述光强探测组件之间的光路中，所述四分之一波片用于调整入射的第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
该技术方案下，激光探测模组中还设置了四分之一波片，可以使得即将入射至光强探测组件的回波信号的光能量在多个偏振方向分布更均匀。尤其对于光强探测组件包括偏光组件和图像传感器的情况，可以避免第二回波信号的光能量只集中在某个偏振方向上，而导致第二回波信号进入偏光组件后得到的很多第三回波信号分量的光能量很弱甚至为0，从而避免第三回波信号分量的光强度无法测量而导致的探测错误。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，所述激光器用于产生第一光信号；所述分光元件用于对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器用于探测所述第一光信号分量得到起始信号。
该技术方案下，由分光元件对激光器产生的光信号进行分束得到起始信号，并将该起始信号发送给控制器，从而确定飞行时间的起始时刻。这样做的好处是，可以避免确定的起始时刻有很大的误差，进而提高了探测的准确度。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器用于根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括K路所述第一光信号。
该技术方案下，光源组件中设置了多个激光器，其中的每个激光器负责一块FOV区域，则激光探测系统可以探测的FOV区域更大。而从另一个角度来说，对于探测固定大小的FOV区域，每个激光器发射出去的光信号可以不用扩束很大的面积，从而使得探测信号的能量也更加集中，提升了探测距离。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，1个分光元件和1个探测器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器用于根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，所述分光元件用于对K路第一光信号中的1路第一光信号进行分束得到探测信号分量和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器用于探测所述第一光信号分量得到起始信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括未被分束的K-1路所述第一光信号和所述探测信号分量。
该技术方案下，在任意一个激光器的光路中设置1个分光元件和1个探测器以获取起始信号，从而确定飞行时间的起始时刻，提高了探测的准确度。
第二方面，本申请实施例提供一种激光探测系统，所述系统包括：光源组件、接收透镜、相位调制器、偏光组件，光强探测组件和控制器，其中，所述光源组件用于发射探测信号发射至探测目标，这里的探测信号指的是激光束；所述探测信号被所述探测目标反射回来形成第一回波信号；所述接收透镜用于接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对入射的所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第二回波信号的光强度；所述控制器用于根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
该技术方案下，激光探测系统中设置有相位调制器，通过相位调制器后的回波信号的相位与飞行时间相关，从而使得回波信号的相位与探测距离相关。而回波信号的光强度可以反应其相位信息，进而可以反应探测距离，因此通过光强探测组件对回波信号的光强度探测就可以完成激光探测。这么做的好处是，可以通过探测光强度就可以得到探测距离等探测信息，而不需要探测回波信号的整体波形，从而避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。相位调制器可以建立回波信号的调制相位和飞行时间之间的关系。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器，所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数，所述图像传感器包括N*M个像素。所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，并将所述探测结果发送至所述控制器，具体包括：所述偏光组件用于对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；所述图像传感器用于探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量。每个所述第一偏光元件用于对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；所述图像传感器用于探测每个所述第三回波信号分量的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
在可行的实施方式下，所述控制器用于根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离，具体包括：所述控制器用于根据每个第三回波信号分量组中的第三回波信号分量的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
偏光组件的每个第一偏光元件组包括偏振方向不同的多个第一偏光元件，则可以使得第二回波信号通过偏光组件后被分为偏振方向不同的多个第三回波信号分量。控制器根据第三回波信号分量组的光强度，可以得到其中的第三回波信号分量对应的调制相位，进而得到对应的飞行时间以及探测距离。并且，通过多个不同偏振方向的第三回波信号分量的光强度来确定探测距离，是更加准确的，提高了激光探测的准确度。而偏光组件包含N*M个第一偏光元件，使得第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，图像传感器包括N*M个像素，能够探测这N*M个第三回波信号分量的光强度。激光探测系统能够实现和图像传感器同像素级别的探测，保证了激光探测的高分辨率。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。相比于现有技术中采用APD阵列的Flash激光雷达，采用CCD探测器和CMOS探测器的激光探测系统一次性可探测的像素点更多，分辨率更高，成本更低。
在可行的实施方式下，所述激光探测系统还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中。所述接收透镜接收第一回波信号，所述第一回波信号入射至所述第二偏光元件；所述第二偏光元件用于根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
该技术方案下，激光探测系统中还设置了第二偏光元件，可以使得即将入射至相位调制器的回波信号具有相同的偏振方向，进而可以减小偏振方向的不同对相位调制造成影响，从而提高激光探测系统的探测精度。
在可行的实施方式下，所述激光探测系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述光强探测组件之间的光路中，所述四分之一波片用于调整入射的第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
该技术方案下，激光探测系统中还设置了四分之一波片，可以使得即将入射至光强探测组件的回波信号的光能量在多个偏振方向分布更均匀。尤其对于光强探测组件包括偏光组件和图像传感器的情况，可以避免第二回波信号的光能量只集中在某个偏振方向上，而导致第二回波信号进入偏光组件后得到的很多第三回波信号分量的光能量很弱甚至为0，从而避免第三回波信号分量的光强度无法测量而导致的探测错误。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，所述激光器用于产生第一光信号；所述分光元件用于对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器用于探测所述第一光信号分量得到起始信号；所述控制器还用于根据所述起始信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
该技术方案下，由分光元件对激光器产生的光信号进行分束得到起始信号，并将该起始信号发送给控制器，由控制器根据该起始信号确定飞行时间的起始时刻。这样做的好处是，可以避免确定的起始时刻有很大的误差，进而提高了探测的准确度。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器用于根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括K路所述第一光信号。
该技术方案下，光源组件中设置了多个激光器，其中的每个激光器负责一块FOV区域，则激光探测系统可以探测的FOV区域更大。而从另一个角度来说，对于探测固定大小的FOV区域，每个激光器发射出去的光信号可以不用扩束很大的面积，从而使得探测信号的能量也更加集中，提升了探测距离。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，1个分光元件和1个探测器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器用于根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，所述分光元件用于对K路第一光信号中的1路第一光信号进行分束得到探测信号分量和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器用于探测所述第一光信号分量得到起始信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括未被分束的K-1路所述第一光信号和所述探测信号分量。
该技术方案下，在任意一个激光器的光路中设置1个分光元件和1个探测器以获取起始信号，从而确定飞行时间的起始时刻，提高了探测的准确度。
在可行的实施方式下，所述控制器还用于向所述光源组件发送光源驱动信号，所述光源驱动信号用于驱动所述光源组件工作；所述控制器还用于向所述相位调制器发送调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动所述相位调制器工作；所述控制器还用于根据所述光源驱动信号或者所述调制器驱动信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
在可行的实施方式下，所述控制器还用于根据所述探测结果和所述飞行时间的起始时刻确定所述飞行时间；所述控制器还用于根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
第三方面，本申请实施例提供一种激光探测方法，应用于激光探测系统，所述激光探测系统包括光源组件、接收透镜、相位调制器、光强探测组件和控制器。所述方法包括：所述光源组件发射探测信号至探测目标，这里的探测信号指的是激光束；所述探测信号被所述探测目标反射回来形成第一回波信号；所述接收透镜接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器；所述相位调制器对所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；所述光强探测组件探测所述第二回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第二回波信号的光强度；所述控制器根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
该技术方案下，相位调制后的回波信号的相位与飞行时间相关，从而使得回波信号的相位与探测距离相关。而回波信号的光强度可以反应其相位信息，进而可以反应探测距离，因此通过光强探测组件对回波信号的光强度探测就可以完成激光探测。这么做的好处是，可以通过探测光强度就可以得到探测距离等探测信息，而不需要探测回波信号的整体波形，从而避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。相位调制器对回波信号进行相位调制可以建立回波信号的调制相位和飞行时间之间的关系。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器，所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数，所述图像传感器包括N*M个像素。所述光强探测组件探测所述第二回波信号的光强度，并将所述探测结果发送至所述控制器，具体包括：所述偏光组件对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；所述图像传感器探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度。
在可行的实施方式下，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量。所述方法具体包括：每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；所述图像传感器探测每个所述第三回波信号分量的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
在可行的实施方式下，所述控制器根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离，具体包括：所述控制器根据每个第三回波信号分量组中的第三回波信号分量的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
偏光组件的每个第一偏光元件组包括偏振方向不同的多个第一偏光元件，则可以使得第二回波信号通过偏光组件后被分为偏振方向不同的多个第三回波信号分量。控制器根据第三回波信号分量组的光强度，可以得到其中的第三回波信号分量对应的调制相位，进而得到对应的飞行时间以及探测距离。并且，通过多个不同偏振方向的第三回波信号分量的光强度来确定探测距离，是更加准确的，提高了激光探测的准确度。而偏光组件包含N*M个第一偏光元件，使得第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，图像传感器包括N*M个像素，能够探测这N*M个第三回波信号分量的光强度。激光探测与图像传感器的探测可以是同像素级别的，保证了激光探测的高分辨率。
在可行的实施方式下，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。相比于现有技术中采用APD阵列的Flash激光雷达，采用CCD探测器和CMOS探测器的激光探测模组一次性可探测的像素点更多，分辨率更高，成本更低。
在可行的实施方式下，所述激光探测系统还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中。所述接收透镜接收第一回波信号，所述第一回波信号入射至所述第二偏光元件；所述第二偏光元件根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；所述相位调制器对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
该技术方案下，第二偏光元件对入射的回波信号进行光学过滤，使得第一偏振方向的光分量通过。这样可以使得即将入射至相位调制器的回波信号具有相同的偏振方向，进而可以避免偏振方向的不同对相位调制造成影响，从而提高激光探测系统的探测精度。
在可行的实施方式下，所述激光探测系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述光强探测组件之间的光路中，所述四分之一波片调整入射的第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
该技术方案下，四分之一波片对回波信号的偏振方向进行调整，可以使得即将入射至光强探测组件的回波信号的光能量在多个偏振方向分布更均匀。尤其对于光强探测组件包括偏光组件和图像传感器的情况，可以避免第二回波信号的光能量只集中在某个偏振方向上，而导致第二回波信号进入偏光组件后得到的很多第三回波信号分量的光能量很弱甚至为0，从而避免第三回波信号分量的光强度无法测量而导致的探测错误。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，所述激光器产生第一光信号；所述分光元件对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器探测所述第一光信号分量得到起始信号；所述控制器根据所述起始信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
该技术方案下，分光元件对激光器产生的光信号进行分束得到起始信号，并将该起始信号发送给控制器，由控制器根据该起始信号确定飞行时间的起始时刻。这样做的好处是，可以避免确定的起始时刻有很大的误差，进而提高了探测的准确度。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括K路所述第一光信号。
该技术方案下，光源组件中设置了多个激光器，其中的每个激光器负责一块FOV区域，则激光探测系统可以探测更大的FOV区域。而从另一个角度来说，对于探测固定大小的FOV区域，每个激光器发射出去的光信号可以不用扩束很大的面积，从而使得探测信号的能量也更加集中，提升了探测距离。
在可行的实施方式下，所述光源组件包括K个激光器，1个分光元件和1个探测器，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，所述分光元件对K路第一光信号中的1路第一光信号进行分束得到探测信号分量和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；所述探测器探测所述第一光信号分量得到起始信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括未被分束的K-1路所述第一光信号和所述探测信号分量。
该技术方案下，在任意一个激光器的光路中设置1个分光元件和1个探测器以获取起始信号，从而确定飞行时间的起始时刻，提高了探测的准确度。
在可行的实施方式下，所述控制器向所述光源组件发送光源驱动信号，所述光源驱动信号用于驱动所述光源组件工作；所述控制器向所述相位调制器发送调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动所述相位调制器工作；所述控制器根据所述光源驱动信号或者所述调制器驱动信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
在可行的实施方式下，所述控制器根据所述探测结果和所述飞行时间的起始时刻确定所述飞行时间；所述控制器根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1为本申请实施例中一种激光探测模组的结构示意图；
图2为本申请实施例中相位调制器的相位调制示意图；
图3为本申请实施例中法拉第旋转器的相位调制示意图；
图4为本申请实施例中一种光源组件的结构示意图；
图5为本申请实施例中另一种光源组件的结构示意图；
图6为本申请实施例中另一种激光探测模组的结构示意图；
图7为本申请实施例中一种偏光组件和图像传感器的结构示意图；
图8为本申请实施例中另一种激光探测模组的结构示意图；
图9为本申请实施例中另一种激光探测模组的结构示意图；
图10为本申请实施例中一种激光探测系统的结构示意图；
图11为本申请实施例中另一种激光探测系统的结构示意图；
图12为本申请实施例中另一种激光探测系统的结构示意图；
图13为本申请实施例中一种激光探测方法的示意图；
图14为本申请实施例中另一种激光探测方法的示意图；
图15为本申请实施例中控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系，例如，A/B可以表示A或B；本申请中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A,B可以是单数或者复数。并且，为了便于清楚描述本申请实施例的技术方案，在本申请的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
还需要说明的是，除非特殊说明，一个实施例中针对一些技术特征的具体描述也可以应用于解释其他实施例提及对应的技术特征。例如，在一个实施例中关于回波信号的特征描述，可以适用于其他所有实施例中的回波信号。此外，为了更加明显地体现不同实施例中的组件的关系，本申请采用相同的附图编号来表示不同实施例中功能相同或相似的组件。
本申请实施例提供了激光探测的装置、方法及系统。本申请实施例可以应用在汽车上，作为智能驾驶系统的辅助部件，用于探测周围的车辆、行人和障碍物等；还可以应用在军事领域，用于战场侦察、电子对抗和跟踪测量等；还可以应用在环境科学领域，用于大气监测和风力预测等；此外，还可以应用在生物科学领域和遥感领域等。
如图1所示，本申请实施例提供一种激光探测模组100，其中，虚线箭头表示光信号的传输。该激光探测模组100包括：光源组件101，接收透镜103、相位调制器104、光强探测组件105。
其中，光源组件101用于发射探测信号至探测目标102。光源组件101包括至少一个激光器，所述激光器可以是半导体激光器、也可以是固体激光器、气体激光器或者液体激光器，所述激光器用于产生激光束。而所述探测信号是指光源组件101发出的激光束，可以是由激光器产生后直接输出的激光束，也可以是由激光器产生再经过其他光学部件做处理后输出的激光束。应理解，光源组件101可包括图1未示出的其他光学部件，具体可以参见图2、图3所示的光源组件，此处不予赘述。
探测目标102是在所述探测信号的光路上的某物体，探测目标102将所述探测信号反射回来形成第一回波信号，接收透镜103用于接收所述第一回波信号。其中，接收透镜103接收到的所述第一回波信号，可能是探测目标102反射回来的一部分或者全部光信号。所述第一回波信号入射至相位调制器104。
相位调制器104用于对所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至光强探测组件105。所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间(Time of Flight,TOF)相关，相当于给所述第二回波信号贴上了“时间标签”。而探测距离R与飞行时间成线性关系，因此，所述第二回波信号的相位与探测距离R相关，也相当于给所述第二回波信号贴上了“距离标签”。其中，飞行时间是指所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔，所述飞行时间可以称为所述探测信号的飞行时间，也可以称为所述第一回波信号的飞行时间。对于飞行时间和探测距离R之间的关系，可以用如下公式表示：
t＝R/2c
其中，t为飞行时间，c为光速。
所述光强探测组件105用于探测所述第二回波信号的光强度，并将所述光强度发送出去。所述光强度探测组件105包括图像传感器，所述图像传感器可以是电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。
应理解，本申请实施例的激光探测模组还可以包括图1未示出的其他光学部件，例如滤波片、第二偏光元件、四分之一波片等，具体可以参见本申请的其他图示的实施例。
在本申请实施例中，激光探测模组中设置有相位调制器，通过相位调制器进行相位调制后得到的回波信号的相位与飞行时间相关，从而使得回波信号的相位与探测距离相关。而回波信号的光强度可以反应其相位信息，进而可以反应探测距离，因此通过光强探测组件对回波信号的光强度探测就可以完成激光探测。这么做的好处是，可以通过探测光强度得到探测信息，而不需要探测回波信号的整体波形，从而避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。
下面对本申请的相位调制器104的功能、结构做介绍。如图2所示，为相位调制器104的相位调制示意图。其中，横坐标t表示时间，纵坐标
Figure BDA0002110493270000105
表示相位。在不同时间t进入相位调制器104的回波信号，被调制成不同的相位
Figure BDA0002110493270000106
而不同时间t则表示着不同的飞行时间，则经过相位调制后的回波信号的相位信息与飞行时间相关。因此，相位调制器104的相位调制建立起了回波信号的飞行时间和回波信号的相位信息之间的对应关系。而相位信息可以根据光强探测器探测到的光强度做运算来得到，进而飞行时间也可以得到了。
相位调制器104可以是电光调制器，也可以是磁光调制器，也可以是其他能够实现对进入的光信号进行相位调制功能的器件。首先，对电光调制器进行介绍。电光调制器又可以包括普克尔盒(pockels cell)或者克尔盒(kerr cell)。
普克尔盒利用普克尔效应来控制回波信号的偏振态，从而达到控制回波信号相位的目的。普克尔效应是指一级电光效应：晶体折射率的变化与外加电压(或电场)成线性关系。
克尔盒利用克尔效应来控制回波信号的偏振态，从而达到控制回波信号相位的目的。克尔效应是指二级电光效应：晶体折射率的变化与外加电压(或电场)的平方成线性关系。
而普克尔盒和克尔盒都是通过在晶体上施加电压来控制回波信号的偏振态的。当施加变化电压时，普克尔盒和克尔盒能够改变晶体的相位延迟量，也就相当于电压控制的波片。下面以普克尔盒为例，给出相关的计算公式，也可以通过该计算公式进一步理解图2中各参数的含义
普克尔盒调制相位可以表示为：
Figure BDA0002110493270000101
其中，
Figure BDA0002110493270000102
Vπ是半波电压；Tr是施加电压的上升时间；n0是普克尔盒的晶体的折射率；r63是普克尔盒的晶体的电光系数；τ0是相位调制器触发延迟时间。由公式(1)可以得到，普克尔盒的调制相位
Figure BDA0002110493270000103
与时间t是线性关系。
磁光调制器具体可以是法拉第旋转器(Faraday rotator)。如图3所示，为法拉第旋转器进行相位调制的示意图。法拉第旋转器可以是钇铁石、榴石等晶体，其功能可作为磁光介质，利用磁致旋光效应，控制回波信号的偏振态。将法拉第旋转器置入磁场中，通过设置随时间变化的磁场B(t)，就可以得到调制相位随时间变化的关系，如下：
Figure BDA0002110493270000104
其中，B(t)＝C0(t-τ0)；V是Verdert常数，与回波信号的波长λ相关；d是回波信号的光波与磁场相互作用的长度，即磁光介质的厚度；B(t)是磁场朝着回波信号中的光波传播方向的分量；C0为磁场随时间变化的系数，其大小与变化磁场的形成方式相关；τ0是触发延迟时间。
法拉第旋转器通过创建随时间单调变化的磁场强度，从而建立起调制相位
Figure BDA0002110493270000111
与时间t的关系。例如，可以用通电线圈或其他方法来形成变化的磁场强度。
如图4所示，为本申请实施例提供的光源组件101-1的结构示意图，其中，虚线箭头表示光信号的传输，实线箭头表示电信号的传输。光源组件101-1可以包括：激光器101a，准直透镜101b和扩束透镜101d。光源组件101-1还可以包括：分光元件101c和探测器101e。
为方便描述，这里先介绍光源组件101-1不包括分光元件101c和探测器101e的场景。
1)场景一(不包括分光元件101c和探测器101e)
激光器101a用于接收光源驱动信号，并根据所述光源驱动信号产生激光束，将所述激光束称为第一光信号。所述第一光信号入射至准直透镜101b。准直透镜101b用于对入射的所述第一光信号进行准直，以形成平行光束。准直过的所述第一光信号入射至扩束透镜101d。所述扩束透镜101d用于对入射的准直过的所述第一光信号进行扩束，以使得形成的探测信号的光束直径更大，并将所述探测信号发射出去。
下面接着介绍光源组件101-1包括分光元件101c和探测器101e的场景。
2)场景二(包括分光元件101c和探测器101e)
激光器101a和准直透镜101b的结构和作用具体参见场景一，这里不再赘述。准直过的第一光信号入射至分光元件101c。分光元件101c用于使得准直过的所述第一光信号分为两个光束。其中一个光束为探测信号，所述探测信号入射至扩束透镜101d。所述扩束透镜101d用于对所述探测信号进行扩束，以使得所述探测信号的光束直径更大。
另一个光束称为第一光信号分量，被探测器101e探测得到起始信号。所述起始信号可以用于确定飞行时间。具体地，所述起始信号被发送至控制器108，所述控制器108根据所述起始信号确定所述探测信号被发射出去的时刻，也就是飞行时间的起始时刻。所述起始信号还可以用于产生调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动相位调制器104(图1所示)开始工作。具体可以参考图11所示实施例，此处不予赘述。
分光元件101c具体可以是偏振分光棱镜。具体地，所述偏振分光棱镜用于使得入射的所述第一光信号分为两个不同偏振方向的光束，例如所述探测信号是水平偏振的光束，而所述第一光信号分量是垂直偏振的光束。
其中，准直透镜101b可以置于分光元件101c和扩束透镜101d之间光路中，本申请实施例不对此进行限定。
应理解，对于场景一来说，光源组件101-1不包括分光元件101c和探测器101e。这种情况下，光源组件101-1不产生起始信号，而由控制器108直接根据光源驱动信号或者调制器驱动信号来确定飞行时间的起始时刻。关于控制器108的描述具体参见图10所示实施例，此处不予赘述。
并且，为使实施例描述更加清楚，本申请采用了第一光信号来描述光源组件中激光器产生的光信号，用以区分所述光源组件最终发射出去的探测信号。而本申请并不限制所述第一光信号与所述探测信号是不同的光信号，例如光源组件只包含激光器，则所述第一光信号与所述探测信号描述的是同一种光信号。
如图5所示，为本申请实施例提供的光源组件101-2的结构示意图，其中，虚线箭头表示光信号的传输，实线箭头表示电信号的传输。光源组件101-2可以包括：K个激光器101a、K个准直透镜101b和K个扩束透镜101d，所述K为正整数。光源组件101-2还可以包括：1个分光元件101c和1个探测器101e。应理解，当K等于1时，图5所示的光源组件101-2结构与图4所示的光源组件101-1相同，这里不做赘述，因此这里主要介绍K大于等于2时光源组件101-2的结构。
为方便描述，这里先介绍光源组件101-2不包括分光元件101c和探测器101e的场景。
1)场景一(不包括分光元件101c和探测器101e)
所述K个激光器101a(101a-1～101a-K)中每个激光器接收对应的一路光源驱动信号，并根据所述光源驱动信号产生一路对应的第一光信号。所述K路光源驱动信号是同步的。K路第一光信号中的每一路第一光信号入射至对应的一个准直透镜101b。
每个准直透镜101b对入射的第一光信号进行准直以形成一束平行光束。例如，激光器101a-K产生的第一光信号入射至准直透镜101b-K，所述准直透镜101b-K对入射的所述第一光信号进行准直以形成一束对应的平行光束；激光器101a-2产生的第一光信号入射至准直透镜101b-2，所述准直透镜101b-2对入射的所述第一光信号进行准直以形成一束对应的平行光束。每一路准直过的所述第一光信号入射至一个对应的扩束透镜101c。
每个所述扩束透镜101c对入射的准直过的所述第一光信号进行扩束，以使得形成的探测信号的光束直径更大，并将所述探测信号发射出去。K路所述探测信号有不同的视场角(Fieldof View,FOV)，因此所述K路探测信号可以探测不同FOV区域的探测目标。为使附图更直观，图5以点划线来表示K路探测信号对应的FOV。
例如，所述准直透镜101b-K准直过的第一光信号入射至扩束透镜101c-K，所述扩束透镜101c-K对入射的准直过的所述第一光信号进行扩束形成第K探测信号。所述第K探测信号可以用于探测图中标K的FOV区域中的探测目标；所述准直透镜101b-2准直过的第一光信号入射至扩束透镜101c-2，所述扩束透镜101c-2对入射的准直过的所述第一光信号进行扩束形成第二探测信号。所述第二探测信号可以用于探测图中标2的FOV区域中的探测目标。
通过对光源组件101-2中上述组成部分进行结构设计和组装调试，可以使得所述K个激光器101a中每个激光器负责的FOV区域无缝拼接，从而形成一块大的FOV区域。应理解，K个所述FOV区域也可以在边缘处有部分重叠区域，并不影响光源组件101-2的正常工作。
对于光源组件101-2，可以认为向探测目标发送的探测信号包括K路探测信号。而这K路探测信号被光路上的某些探测目标反射回来形成一路回波信号，因为接收透镜103在接收回波信号时并不区分是由哪一路探测信号返回的回波信号。接收透镜103接收的回波信号经过相位调制器104的相位调制之后，光强探测组件105对相位调制后的回波信号进行光强度探测，即可完成激光探测。对于回波信号的处理具体可以参考图1、图6-图14所示实施例，这里不予赘述。
该场景下，光源组件101-2不产生起始信号，而由控制器108直接根据光源驱动信号或者调制器驱动信号来确定飞行时间的起始时刻。关于控制器108的描述具体可以参见图12所示实施例，这里不予赘述。
下面接着介绍光源组件101-2包括分光元件101c和探测器101e的场景。
2)场景二(包括分光元件101c和探测器101e)
应理解，分光元件101c和探测器101e可以设置在激光器101a-1～激光器101a-K中任意一个激光器的光路中。图5中，以分光元件101c和探测器101e设置在激光器101a-1的光路中为例进行展示。并且，准直透镜101b-1可以置于分光元件101c和扩束透镜101d-1之间光路中，本申请实施例不对此进行限定。
对于没有在光路中设置分光元件101c和探测器101e的激光器101a-2～激光器101a-K，对应的各光学部件在光路中所处的位置、对光信号的作用等，与在光源组件101-2不包括分光元件101c和探测器101e的情况中介绍的相同，此处不再赘述。
对于在光路中设置了分光元件101c和探测器101e的激光器101a-1，对应的各光学部件在光路中所处的位置、对光信号的作用等，与图4所示实施例场景二中的类似，请参考图4所示实施例中的描述，此处不再赘述。
需要说明的是，每个激光器101a-1～激光器101a-K对应的光路中都可以设置1个分光元件101c和1个探测器101e，也就是可以得到K路起始信号，本申请实施例不对此进行限定。然而，激光器101a-1～激光器101a-K的K路光源驱动信号是同步的，也就是最终探测得到的K路起始信号也是同步的。因此，选择在任意一个激光器的光路中设置1个分光元件101c和1个探测器101e就可以达到获取起始信号的目的，并且这样可以节省K-1个分光元件101c和K-1个探测器101e，从而节省了很多成本。
如图6所示，本申请实施例提供另一种激光探测模组600，其中，虚线箭头表示光信号的传输。该激光探测模组600包括：光源组件101、接收透镜103、相位调制器104、偏光组件105a和图像传感器105b。光源组件，接收透镜和相位调制器可参考图1所示实施例的相关描述，且相位调制器可参考图2、图3所示实施例的相关描述，光源组件的具体结构可参考图4、图5所示实施例的相关描述，此处不再赘述。与图1的主要区别之一是，本实施例中的光探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b。
偏光组件105a包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，所述N为正整数，所述M为大于等于2的正整数。其中，所述第一偏光元件是用于得到与自身偏振方向相同的光束的光学滤波器。偏光组件105a用于对入射的第二回波信号进行偏光得到第三回波信号。
所述M个第一偏光元件可以是相邻的。具体地，对于其中的任意一个第一偏光元件，有其中的另一个第一偏光元件与之相邻。
图像传感器105b包括N*M个像素，所述第三回波信号入射到图像传感器105b，图像传感器105b用于探测所述第三回波信号的光强度。
具体地，所述第二回波信号入射到偏光组件105a，则可以被分为N*M个第二回波信号分量。其中，每个所述第二回波信号分量入射至一个对应的第一偏光组件。因此，N*M个所述第一偏光元件对应N*M个所述第二回波信号分量。
每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量；每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；因此，所述第三回波信号包括N*M个所述第三回波信号分量，且N*M个所述第三回波信号分量对应图像传感器105b的N*M个像素。
图像传感器105b探测每个所述第三回波信号分量的光强度。因此，图像传感器105b可用于探测N*M个像素上对应的N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
应理解，可能有某些第一偏光元件没有接收到光信号，也就是所述第二回波信号中没有光入射到这些第一偏光元件。则可以理解为这些第一偏光元件对应的第二回波信号分量的光强度为0。同样地，可以理解为这些第一偏光元件对应的第三回波信号分量的光强度为0。本申请实施例包括上述特殊情况。
在本申请实施例中，在图1所示实施例的基础上，光强探测组件具体包括偏光组件和图像传感器。偏光组件中的每个偏光元件组包含M个偏振方向不同的偏光元件。通过相位调制器后的回波信号的相位与飞行时间相关，该回波信号通过该偏光组件后，被分为了N*M个回波信号分量，并且由每个偏光元件组得到的M个回波信号分量的偏振方向不同。图像传感器探测N*M个回波信号分量的光强度。根据图像传感器相邻像素上M个偏振方向不同的回波信号分量的光强度可以得到对应探测点的飞行时间，进而得到探测距离。因此本申请实施例中的激光探测模组至少可以得到N个探测点的探测距离，实现了高分辨率、低成本的激光探测。
如图7所示，为偏光组件105a和图像传感器105b的具体结构的示意图。为使示意图展示清楚，在图7中，M示例性取值为4。偏光组件105a包括N个第一偏光元件组，对应图中的P1、P2、…PN。每个第一偏光元件组包括4个第一偏光元件，并且所述4个第一偏光元件的偏振方向不相同。以P1为例进行说明，第一偏光组件P1包括4个第一偏光元件分别是P1θ1、P1θ2、P1θ3和P1θ4，其中θ1、θ2、θ3、θ4分别为对应的第一偏光元件的偏振角度，本申请实施例中以偏振角度来表示偏振方向。
图像传感器105b包括N*4个像素，所述像素与所述第一偏光元件一一对应。依然以P1为例，P1θ1对应像素11，P1θ2对应像素12，P1θ3对应像素13，P1θ4对应像素14。
当第二回波信号入射到所述偏光组件105a，则可以被分为N*4个第二回波信号分量。每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量；每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；图像传感器105b探测每个所述第三回波信号分量的光强度。
举例来讲：第二回波信号分量11入射至P1θ1，P1θ1对其进行偏光得到偏振方向为θ1的第三回波信号分量11，所述第三回波信号分量11入射到图像传感器105b中对应的像素11，图像传感器105b探测所述第三回波信号分量11的光强度；第二回波信号分量12入射至P1θ2，P1θ2对其进行偏光得到偏振方向为θ2的第三回波信号分量12，所述第三回波信号分量12入射到图像传感器105b中对应的像素12，图像传感器105b探测所述第三回波信号分量12的光强度；其余也是类似，这里不再赘述。因此，第二回波信号通过所述偏光组件105a得到的第三回波信号包括N*4个第三回波信号分量，而图像传感器105b可以探测所述N*4个第三回波信号分量的光强度。
根据相邻像素上探测得到的4个偏振方向不同的第三回波信号分量的光强度可以得到1个对应的探测点的探测距离、探测光强度等探测数据。以每个第一偏光组件对应的4个第三回波信号分量举例来说，根据像素11、像素12、像素13和像素14上的4个第三回波信号分量的光强度可以得到探测点11的探测数据；根据像素21、像素22、像素23和像素24上的4个第三回波信号分量的光强度可以得到探测点13的探测数据；…根据像素N1、像素N2、像素N3和像素N4上的4个第三回波信号分量的光强度可以得到探测点(i-1)(j-1)的探测数据。这样可以得到N个探测点的探测数据。应理解，在图7中，在图像传感器105b标出探测点，是为了更清楚地展示根据图像传感器105b的哪些像素得到探测目标的探测点的探测数据。而探测点的个数能够表示激光探测模组的探测精度。
进一步地，对于不同第一偏光组件，也有相邻像素上探测得到的4个偏振方向不同的第三回波信号分量，也可以根据这样的4个第三回波信号分量得到1个对应的探测点的探测数据。例如，根据像素12、像素21、像素24和像素13上的4个第三回波信号分量的光强度可以得到探测点12的探测数据。也就是激光探测模组可以得到大于N个探测点的探测数据。
总结起来，第三回波信号的N*4个第三回波信号分量可以分为L个第三回波信号分量组，L为大于等于N的正整数。分组的方法是，图像传感器105b中相邻的4个像素上探测得到的4个第三回波信号分量为一组，且每个第三回波信号分量组包括的4个第三回波信号分量的偏振方向不同。由上述描述可知，一个第三回波信号分量可以被同时分到多个组中去。根据每个第三回波信号分量组的光强度可以确定对应的探测点的探测数据，因此，激光探测模组可以得到L个探测点的探测数据。
如图7所示，图像传感器105b包括i*j个像素，这是从图像传感器105b自身结构的角度来描述的；而从图像传感器105b与偏光组件105a对应的角度来描述，图像传感器105b包括N*4个像素。在激光探测模组的结构设计中，保证i*j＝N*4。则本申请实施例的激光探测模组一次性可以得到(i-1)*(j-1)个探测点的探测数据，也就是L＝(i-1)*(j-1)。那么，本申请实施例的激光探测模组一次性可以探测(i-1)*(j-1)个像素，也就是图7中的探测点11、探测点12、…探测点(i-1)(j-1)。因此激光探测模组可以实现与图像传感器同像素级别的探测。并且，本申请的激光探测模组的灰度探测与图像传感器相同，例如，图像传感器的灰度探测为12-bit，那么激光探测模组的灰度探测也可以达到12-bit。
如图8所示，本申请实施例提供另一种激光探测模组800，其中，虚线箭头表示光信号的传输。该激光探测模组800包括：光源组件101、接收透镜103、第二偏光元件106、相位调制器104和光强探测组件105。光源组件，接收透镜、相位调制器和光强探测组件可参考图1所示实施例的相关描述，且相位调制器的可参考图2-图3所示实施例的相关描述，光源组件的具体结构可参考图4-图5所示实施例的相关描述，此处不再赘述。这里主要介绍第二偏光元件106的功能、位置和结构。
第二偏光元件106设置在接收透镜103和相位调制器104之间的光路中，且第二偏光元件106的偏振方向为第一偏振方向。
接收透镜103接收第一回波信号，所述第一回波信号入射至第二偏光元件106。第二偏光元件106用于根据所述第一偏振方向对入射的所述第一回波信号进行光学过滤，使得所述第一回波信号中具有第一偏振方向的第一回波信号分量从第二偏光元件106出射。所述第一回波信号分量入射至相位调制器104。
相位调制器104用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关。
在激光探测模组中设置第二偏光元件，可以使得即将入射至相位调制器的回波信号具有相同的偏振方向，进而可以避免偏振方向的不同对相位调制造成影响，从而提高激光探测模组的探测精度。
需要说明的是，当光源组件101中包括分光元件101c，且分光元件101c是偏振分光棱镜时，第二偏光元件106的所述第一偏振方向与分光元件101c分光得到的探测信号的偏振方向相同。例如，分光元件101c分光得到的所述探测信号是垂直偏振的光束，则第二偏光元件106的所述第一偏振方向为垂直方向，则所述第一回波信号分量具有垂直偏振态。关于分光元件101c的描述可以参见图4、图5所示实施例。这样做的好处是，可以保证最大的能量利用率。
应理解，在图8所示的实施例中，第二偏光元件106会对入射的第一回波信号做一些光学处理，为区别入射的所述第一回波信号和处理后得到的信号，这里将处理后得到的信号称为第一回波信号分量。对于其他未包括第二偏光元件106的实施例，没有做这样的区分。当其他实施例与图8所示的实施例结合，即在其他实施例中也设置第二偏光元件106时，需要对其他实施例做一些适应性修改，本领域技术人员能够理解，这里不再赘述。
另外，激光探测模组800还可以包括滤光片，所述滤光片可以设置在接收透镜103和光强探测组件105之间的光路中的任何位置。所述滤光片用于滤除背景光，提高回波信号的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。
如图9所示，本申请实施例提供另一种激光探测模组900，其中，虚线箭头表示光信号的传输。该激光探测模组900包括：光源组件101、接收透镜103、相位调制器104、四分之一波片107和光强探测组件105。光源组件，接收透镜、相位调制器和光强探测组件可参考图1所示实施例的相关描述，且相位调制器可参考图2、图3所示实施例的相关描述，光源组件的具体结构可参考图4、图5所示实施例的相关描述，光强探测组件的具体结构可参考图6、图7所示实施例的相关描述，此处不再赘述。应理解，激光探测模组900可以和图8所示实施例相结合，即激光探测模组900还可以包括第二偏光元件106。这里主要介绍四分之一波片107的功能、位置和结构。
四分之一波片107设置在相位调制器104和光强探测组件105之间的光路中。对于光强探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b的情况，四分之一波片107设置在相位调制器104和偏光组件105a之间的光路中。
相位调制器104进行相位调制后得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至四分之一波片107；
四分之一波片107用于调整所述第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。所述椭圆偏振光包括圆偏振光。所述椭圆偏振光的光分量具有多个偏振方向，从而椭圆偏振光的光能量在多个偏振方向分布更均匀。
在激光探测模组中设置四分之一波片，可以使得即将进入光强探测组件的回波信号的光能量在多个偏振方向分布更均匀。尤其对于光强探测组件具体包括偏光组件和图像传感器的情况，若回波信号的光能量只集中在某个偏振方向上，会导致回波信号进入偏光组件后得到的很多第三回波信号分量的光能量很弱甚至为0，从而导致很多第三回波信号分量的光强度也无法测量。在激光探测模组中设置四分之一波片可以避免出现这样的探测错误。
如图10所示，本申请实施例提供一种激光探测系统1000，该激光探测系统又可以称为激光探测雷达。其中，虚线箭头表示光信号的传输，实线箭头表示电信号的传输。激光探测系统1000包括激光探测模组和控制器108，其中激光探测模组可以是图1-图9所示的任一激光探测模组，也可以是它们结合的激光探测模组，具体可以参考上文所述，这里不再赘述。
控制器108用于向光源组件101发送光源驱动信号。所述光源驱动信号用于驱动光源组件101工作。例如，所述光源驱动信号用于驱动光源组件101产生探测信号并将所述探测信号发送出去。
控制器108还用于向相位调制器104发送调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动所述相位调制器104工作。例如，调制器驱动信号驱动所述相位调制器104的电场或磁场等发生变化，从而对入射进来的光信号进行相位调制。
进一步地，所述光源驱动信号和所述调制器驱动信号是同步的，则光源组件101和相位调制器104同步工作。并且所述光源驱动信号和所述调制器驱动信号可以是脉冲信号。
控制器108还用于根据光源驱动信号或者所述调制器驱动信号确定激光探测系统1000向外发射探测信号的时刻，该时刻又可以称为飞行时间的起始时刻。
控制器108还用于接收光强探测组件105发送的探测结果，所述探测结果包括光强探测组件105探测到的回波信号的光强度；控制器108还用于根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的距离。
具体地，控制器108根据所述探测结果中的光强度和所述起始时刻确定所述探测信号的飞行时间，再根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的距离。
对于光源组件101发射的探测信号能够到达的FOV区域，也就是激光探测系统1000可以探测的FOV区域，控制器108可以得到整个FOV区域中的探测目标的探测距离以及这些探测目标返回的回波信号的光强度，因此控制器108可以绘制这个FOV区域的点云图像。
下面介绍控制器108在光强探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b的情况下如何工作。其中，激光探测模组的结构和功能具体可以参考图6、图7所示实施例，这里不再赘述。
控制器108接收图像传感器105b发送的探测结果，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。也就是所述探测结果包括图像传感器105b的每个像素上探测得到的光强度。
控制器108用于根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离。其中，所述第三回波信号的N*M个第三回波信号分量分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同。应理解，一个第三回波信号分量可以被同时分到多个组中去，只要满足上述分组条件即可，因此L是大于等于N的正整数。
具体地，相邻的M个像素是指，对于M个像素中任一个像素，有其中的另一个像素与之相邻。图7所示实施例具体描述了如何进行分组、以及相邻的M个像素具体可以是哪些等细节，请参考其中的描述，这里不再赘述。
控制器108还用于根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点的光强度，例如对其中的M个第三回波信号分量的光强度求平均值得到对应探测点的光强度。
应理解，探测点可以是对应整个探测目标，也可以是对应探测目标中的某个部分，探测点是从控制器108处理探测结果的角度来描述的，能够体现出激光探测系统1000的探测精度。
对于激光探测系统1000可以探测的FOV区域，控制器108可以得到整个FOV区域中的探测点的探测距离以及这些探测点的回波信号的光强度。因此控制器108可以绘制这个FOV区域的点云图像。
如图11所示，本申请实施例提供另一种激光探测系统1100，其中，虚线箭头表示光信号的传输，实线箭头表示电信号的传输。激光探测系统1100包括激光探测模组和控制器108，其中激光探测模组可以是图1-图9所示的任一激光探测模组，也可以是它们结合的激光探测模组，具体可以参考上文所述，这里不再赘述。与图10的主要区别之一是，本实施例中的光源组件101包括分光元件101c和探测器101e，用于得到起始信号，并向控制器108发送该起始信号。控制器108根据接收到的该起始信号确定飞行时间的起始时刻。
应理解，光源组件101可包括图11未示出的其他光学部件，具体可以参见图4所示的光源组件101-1，此处以介绍分光元件和探测器为主，对于其他光学部件不予赘述。
控制器108用于向激光器101a发送光源驱动信号，所述光源驱动信号可以是脉冲信号，用于驱动激光器101a工作。具体地，所述光源驱动信号用于驱动激光器101a产生第一光信号，所述第一光信号入射至分光元件101c。
分光元件101c使得所述第一光信号分为两个光束，其中一个光束为探测信号，另一个光束称为第一光信号分量；探测器101e根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送给控制器108。
控制器108还用于根据所述起始信号确定激光探测系统1100向外发射探测信号的时刻，该时刻又可以称为飞行时间的起始时刻。
控制器108还可以根据所述起始信号产生调制器驱动信号，并向相位调制器104发送所述调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动相位调制器104工作。应理解，控制器108也可以直接产生与光源驱动信号同步的调制器驱动信号，并直接向相位调制器104发送所述调制器驱动信号，而不一定要根据所述起始信号产生所述调制器驱动信号。
并且，激光探测系统1100还可以设置独立的电路模块来产生和发送调制器驱动信号，而不是由控制器108来完成。例如，探测器101e根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送至触发电路模块；所述触发电路模块根据所述起始信号产生同步的第一起始信号和调制器驱动信号，所述触发电路模块还将第一起始信号发送至控制器108，将调制器驱动信号发送至相位调制器104。
另外，控制器108还用于接收探测结果并对所述探测结果进行处理以得到点云图像，具体可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。并且，对于光强探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b的情况，控制器108的描述也可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。
在本申请实施例中，由分光元件对激光器产生的光信号进行分束得到起始信号，并将该起始信号发送给控制器，从而确定飞行时间的起始时刻。这样做的好处是，避免由于控制器自身产生的脉冲信号有抖动而造成根据这样的脉冲信号确定的起始时刻有很大的误差，从而提高了探测的准确度。
如图12所示，本申请实施例提供另一种激光探测系统1200，其中，虚线箭头表示光信号的传输，实线箭头表示电信号的传输。并且，为使多个激光器对应的FOV区域显示得更直观，图12以点划线来表示K路探测信号对应的FOV区域。
激光探测系统1200包括激光探测模组和控制器108，其中激光探测模组可以是图1-图9所示的任一激光探测模组，也可以是它们结合的激光探测模组，具体可以参考上文所述，这里不再赘述。与图10、图11的主要区别之一是，本实施例中的光源组件101包括多个激光器，可以发射多路探测信号，从而探测一个更大的FOV区域。
光源组件101可以包括K个激光器101a，所述K为正整数。光源组件101还可以包括1个分光元件101c和1个探测器101e。应理解，当K等于1时，图12所示的激光探测系统结构与图10、图11所示的激光探测系统相同，这里不做赘述。因此这里主要介绍K大于等于2时光源组件101-2的结构。另外，光源组件101还可以包括图12未示出的其他光学部件，具体可以参见图5所示的光源组件101-2，此处不予赘述。
为方便描述，这里先介绍光源组件101不包括分光元件101c和探测器101e的场景。
1)场景一(不包括分光元件101c和探测器101e)
控制器108用于向K个激光器101a(101a-1～101a-K)中的每个激光器发送一路对应的光源驱动信号。所述光源驱动信号用于驱动对应的激光器工作。并且，K路光源驱动信号是同步的。例如，控制器108向激光器101a-K发送第K光源驱动信号，所述第K光源驱动信号驱动激光器101a-K工作。具体地，所述第K光源驱动信号驱动激光器101a-K产生第K探测信号，并将所述第K探测信号发射出去。
控制器108还用于向相位调制器104发送调制器驱动信号，所述调制器驱动信号用于驱动所述相位调制器104工作。进一步地，所述K路光源驱动信号和所述调制器驱动信号是同步的脉冲信号，则K个激光器101a和相位调制器104同步工作。
控制器108还用于根据K路光源驱动信号中任意一路光源驱动信号或者所述调制器驱动信号确定激光探测系统1200向外发射探测信号的时刻，该时刻又可以称为飞行时间的起始时刻。也正是因为所述K路光源驱动信号和所述调制器驱动信号是同步的，所以其中的任意一路信号都可以用于确定所述起始时刻。
另外，控制器108还用于接收探测结果并对所述探测结果进行处理以得到点云图像，具体可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。并且，对于光强探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b的情况，控制器108的描述也可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。
下面接着介绍光源组件101-2包括分光元件101c和探测器101e的场景。
2)场景二(包括分光元件101c和探测器101e)
应理解，分光元件101c和探测器101e可以设置在激光器101a-1～激光器101a-K中任一一个激光器的光路中。图12中，以在激光器101a-1的光路中设置分光元件101c和探测器101e为例进行展示。
控制器108用于向K个激光器101a(101a-1～101a-K)中的每个激光器发送一路对应的光源驱动信号。K路光源驱动信号是同步的。每个所述光源驱动信号用于驱动一个对应的激光器工作。
对于光路上没有分光元件101c的K-1个激光器101a，其中的每个激光器101a在对应的一路光源驱动信号的驱动下，产生并发射一路探测信号。
对于光路上有分光元件101c的激光器101a-1，激光器101a-1在第一光源驱动信号的驱动下，产生第一光信号，所述第一光信号入射至分光元件101c。分光元件101c使得所述第一光信号分为两个光束，其中一个光束为探测信号分量，另一个光束称为第一光信号分量；探测器101e根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送给控制器108。
对于光源组件101，可以认为向FOV区域的探测目标发送的探测信号包括K-1路所述探测信号和1路所述探测信号分量。
控制器108还用于根据所述起始信号确定飞行时间的起始时刻；控制器108还用于根据所述起始信号产生调制器驱动信号，并向相位调制器104发送所述调制器驱动信号；具体参见图11所示实施例，这里不再赘述。
另外，控制器108还用于接收探测结果并对所述探测结果进行处理以得到点云图像，具体可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。并且，对于光强探测组件105具体包括偏光组件105a和图像传感器105b的情况，控制器108的描述也可以参见图10所示实施例，这里不再赘述。
需要说明的是，每个激光器101a-1～激光器101a-K对应的光路中都可以设置1个分光元件101c和1个探测器101e，也就是可以得到K路起始信号，本申请实施例不对此进行限定。然而，激光器101a-1～激光器101a-K的K路光源驱动信号是同步的，也就是最终探测得到的K路起始信号也是同步的。因此，选择在任意一个激光器的光路中设置1个分光元件101c和1个探测器101e就可以达到获取起始信号的目的，并且这样可以节省K-1个分光元件101c和K-1个探测器101e，从而节省了很多成本。
本申请实施例中，激光探测系统的发射端包括多个激光器，其中，每个激光器负责一块FOV区域，则激光探测系统可以探测的FOV区域更大。而从另一个角度来说，对于探测固定大小的FOV区域，每个激光器发射出去的探测信号可以不用扩束很大的面积，从而使得探测信号的能量也更加集中，提升了探测距离。
如图13所示，本申请实施例提供一种激光探测方法，该方法可以应用于激光探测系统。所述激光探测系统可以包括光源组件101、接收透镜103、相位调制器104、光强探测组件105和控制器108。关于这些光学部件的结构和功能请参考上述实施例，这里不再赘述。所述激光探测方法可以包括以下步骤：
1301、光源组件101发射探测信号至探测目标；
在一种具体实现方式中，光源组件101接收控制器108发送的光源驱动信号，并根据所述光源驱动信号工作。
在一种具体实现方式中，光源组件101包括激光器101a、分光元件101c和探测器101e，所述方法还包括：
激光器101a产生第一光信号；
分光元件101c对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至探测器101e；
探测器101e根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送给控制器108。
在一种具体实现方式中，光源组件101包括K个激光器101a(101a-1～101a-K)，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括K路所述第一光信号。
在一种具体实现方式中，光源组件101包括K个激光器101a(101a-1～101a-K)，1个分光元件101c和1个探测器101e，K为大于等于2的整数。所述K个激光器中每个激光器根据接收的一路光源驱动信号产生一路第一光信号，分光元件101c对K路第一光信号中的一路第一光信号进行分束得到探测信号分量和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至探测器101e；探测器101e探测所述第一光信号分量得到起始信号，向所述探测目标发送的所述探测信号包括未被分束的K-1路所述第一光信号和所述探测信号分量。
具体内容可以参见图1、图4、图5、以及图10-图12等所示实施例，这里不再赘述。
1302、接收透镜103接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至相位调制器104，所述第一回波信号是所述探测信号被所述探测目标反射回来的光信号；
具体内容可以参见图1、图5等所示实施例，这里不再赘述。
1303、相位调制器104对所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至光强探测组件105；
在一种具体实现方式中，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。
在一种具体实现方式中，相位调制器104接收控制器108发送的调制器驱动信号，并根据所述调制器驱动信号工作。
具体内容可以参见图1-图3等所示实施例，这里不再赘述。
1304、光强探测组件105探测所述第二回波信号的光强度，并将探测结果发送至控制器108，所述探测结果包括所述第二回波信号的光强度；
在一种具体实现方式中，光强探测组件105包括偏光组件105a和图像传感器105b。其中，偏光组件105a包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数；图像传感器105b包括N*M个像素；
光强探测组件105探测所述第二回波信号的光强度，并将所述探测结果发送至控制器108，具体包括：
偏光组件105a对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；
图像传感器105b探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至控制器108，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度。
进一步地，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，所述方法具体包括：
每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；
图像传感器105b探测每个所述第三回波信号分量的光强度，并将探测结果发送至控制器108，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
具体内容可以参见图1、图6、图7等所示实施例，这里不再赘述。
1305、控制器108根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
在一种具体实现方式中，控制器108根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
在又一种具体实现方式中，控制器108根据步骤1301中得到的起始信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
在又一种具体实现方式中，控制器108根据根据光源驱动信号或者调制器驱动信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述光源驱动信号是用于驱动光源组件101工作的，所述调制器驱动信号是用于驱动相位调制器104工作的。
在又一种具体实现方式中，控制器108根据所述探测结果和所述飞行时间的起始时刻确定所述飞行时间；控制器108根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
具体内容可以参见图6、图7、图10-图12等所示实施例，这里不再赘述。
在本申请实施例中，通过相位调制器对接收到的回波信号进行相位调制，可以使得回波信号的相位与回波信号的飞行时间相关，从而使得回波信号的相位与探测距离相关。而回波信号的光强度可以反应其相位信息，因此再通过探测回波信号的光强度就可以得到相位信息，进而得到飞行时间、探测距离。这么做的好处是，可以通过探测光强度得到探测距离等探测信息，而不需要探测回波信号的整体波形，从而避免使用大规模APD阵列和复杂的读出电路，简化了激光探测的复杂度，降低了激光探测的成本。
如图14所示，本申请实施例提供另一种激光探测方法，该方法可以应用于激光探测系统。所述激光探测系统可以包括光源组件101、接收透镜103、第二偏光元件106、相位调制器104、四分之一波片107、光强探测组件105和控制器108。关于这些光学部件的结构和功能请参考上述实施例，这里不再赘述。
与图13的主要区别之一在于，本申请实施例中的激光探测系统包括第二偏光元件106和四分之一波片107等光学部件，并且本申请实施例会示例性地给出部分公式来进一步说明激光探测方法。
所述激光探测方法可以包括以下步骤：
1401、光源组件101发射探测信号至探测目标；
该步骤与图13所示实施例相同，具体参见图13所示实施例，这里不再赘述。
1402、接收透镜103接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至第二偏光组件106，所述第一回波信号是所述探测信号被所述探测目标反射回来的光信号；
具体内容可以参见图1、图8等所示实施例，这里不再赘述。
1403、第二偏光元件106对入射的第一回波信号进行偏光，使得所述第一回波信号通过第二偏光元件106后具有第一偏振方向，其中所述第一偏振方向为第二偏光元件106的偏振方向；
具体地，第二偏光元件106用于根据所述第一偏振方向对入射的所述第一回波信号进行光学过滤，使得所述第一回波信号中具有第一偏振方向的第一回波信号分量从第二偏光元件106出射。所述第一回波信号分量入射至相位调制器104。
若所述第一偏振方向为水平方向，则偏光使得所述第一回波信号分量具有水平偏振态，则偏光可以采用归一化的琼斯矩阵
Figure BDA0002110493270000221
来表示。
若所述第一偏振方向为垂直方向，则偏光使得所述第一回波信号分量具有垂直偏振态，则偏光可以采用归一化的琼斯矩阵
Figure BDA0002110493270000222
来表示。本申请实施例以垂直偏振态为例进行说明。
具体内容可以参见图8等所示实施例，这里不再赘述。
1404、相位调制器104对偏光后的第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至四分之一波片107；
所述偏光后的第一回波信号也就是1403步骤中的所述第一回波信号分量。
相位调制可以采用电光调制技术，也可以采用磁光调制技术。相位调制用琼斯矩阵可以表示为：
Figure BDA0002110493270000223
其中，α为相位调制器104的调制晶体的快轴与光轴之间的夹角，j为虚数符号，e是自然常数。
具体内容可以参见图1-图3等所示实施例，这里不再赘述。
1405、四分之一波片107调整所述第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光，调整后的所述第二回波信号入射至偏光组件105a；
调整偏转方向用琼斯矩阵可以表示为：
Figure BDA0002110493270000231
具体内容可以参见图1、图9等所示实施例，这里不再赘述。
1406、偏光组件105a对调整后的所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号，所述第三回波信号入射至图像传感器105b；
其中，偏光组件105a包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数。
所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量。每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至图像传感器105b上一个对应的所述像素上。
本申请实施例中，以M＝4为例进行说明，其中θ1、θ2、θ3、θ4分别为对应的第一偏光元件的偏振角度，本申请实施例中以偏振角度来表示偏振方向。
偏光组件105a中每个第一偏光元件的偏光用琼斯矩阵可以表示为：
Figure BDA0002110493270000232
其中，θ为该第一偏光元件对应的偏振角度。
具体内容可以参见图1、图6、图7等所示实施例，这里不再赘述。
根据矩阵光学运行，经过偏光组件105a后的第三回波信号分量的光能量可以表示为：
Figure BDA0002110493270000233
1407、图像传感器105b探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器108，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度；
为方便计算，这里示例性地取α＝45°，则根据公式(3)可以进一步得到所述第三回波信号分量的光强度为：
Figure BDA0002110493270000234
其中，
Figure BDA0002110493270000235
为相位调制器104的调制相位；I0为第一回波信号进入第二偏光元件106之前的光强度，也可以称为初始光强度；E*为E的共轭。
具体地，对于偏振角度为θ1的第一偏光元件，得到的第三回波信号分量的光强度可以表示为：
Figure BDA0002110493270000236
对于偏振角度为θ2的第一偏光元件，得到的第三回波信号分量的光强度可以表示为：
Figure BDA0002110493270000237
对于偏振角度为θ3的第一偏光元件，得到的第三回波信号分量的光强度可以表示为：
Figure BDA0002110493270000238
对于偏振角度为θ4的第一偏光元件，得到的第三回波信号分量的光强度可以表示为：
Figure BDA0002110493270000241
具体内容可以参见图1、图6、图7等所示实施例，这里不再赘述。
1408、控制器108根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
控制器108根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
控制器108还根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点的光强度，例如对其中的M个第三回波信号分量的光强度求平均值得到对应探测点的光强度。
下面以计算公式的形式，示例性地给出根据探测结果确定探测点的探测距离、探测光强度的方法。对于任意一个第三回波信号分量组，根据公式(6)和公式(8)可以得到：
Figure BDA0002110493270000242
为方便计算，这里示例性地取θ2+4＝，
Figure BDA0002110493270000243
则由上式可以得到：
Figure BDA0002110493270000244
同理，根据公式(5)和公式(7)可以得到：
Figure BDA0002110493270000245
同样地，这里示例性地取
Figure BDA0002110493270000246
则由上式可以得到：
Figure BDA0002110493270000247
根据公式(9)和公式(10)可以得到调制相位：
Figure BDA0002110493270000248
再结合相位调制器104的调制相位，就可以得到飞行时间。
对于相位调制器104为普克尔盒的情况，根据图2所示实施例中的公式(1)：
Figure BDA0002110493270000249
再结合公式(11)，可以得到时间t：
Figure BDA00021104932700002410
其中，若考虑飞行时间的起始时刻，飞行时间是所述时间t与所述飞行时间的起始时刻的差值。为方便计算，下面的公式推导未考虑所述飞行时间的起始时刻。因此飞行时间是公式(12)得到的时间t，进而可以得到所述第三回波信号分量组对应的探测点的探测距离和光强度分比为：
Figure BDA00021104932700002411
Figure BDA00021104932700002412
其中，c为光速。对应的探测点的光强度是所述第三回波信号分量组的各第三回波信号分量的平均光强度。
综上所述，对于任意一个第三回波信号分量组，根据公式(13)和公式(14)，可以计算得到对应的探测点的探测距离和光强度。那么对于L个第三回波信号分量组，同样可以根据公式(13)和公式(14)，可以计算得到L个对应的探测点的探测距离和光强度。控制器108根据所述L个对应的探测点的探测距离和光强度可以绘制点云图像。
对于相位调制器104为法拉第旋转器的情况，根据图3所示实施例中的公式(2)：
Figure BDA0002110493270000251
再结合公式(11)，可以得到时间t：
Figure BDA0002110493270000252
其中，若考虑飞行时间的起始时刻，飞行时间是所述时间t与所述飞行时间的起始时刻的差值。为方便计算，下面的公式推导未考虑所述飞行时间的起始时刻。因此飞行时间是公式(15)得到的时间t，进而可以得到所述第三回波信号分量组对应的探测点的探测距离和光强度分比为：
Figure BDA0002110493270000253
Figure BDA0002110493270000254
其中，c为光速。对应的探测点的光强度是所述第三回波信号分量组的各第三回波信号分量的平均光强度。
综上所述，对于任意一个第三回波信号分量组，根据公式(16)和公式(17)，可以计算得到对应的探测点的探测距离和光强度。那么对于L个第三回波信号分量组，同样可以根据公式(16)和公式(17)，可以计算得到L个对应的探测点的探测距离和光强度。控制器108根据所述L个对应的探测点的探测距离和光强度可以绘制点云图像。
应理解，本申请实施例的公式推导是示例性的，为方便计算过程的展现，一些参数取了一些特定值，但本申请的技术方案的实施并不限于这些特定值。并且在本申请实施例中，各个步骤的方法是示例性的，在本申请的技术方案的实施时，可以不包括其中的某些步骤，也可以包括一些其他的步骤。例如，激光探测系统可以不包括四分之一波片107，则步骤1405可以不执行；激光探测系统还可以包括滤光片，则在步骤1402-1406之间还包括执行滤光片滤除背景光的步骤。
如图15所示，为本申请实施例提供的控制器108的结构示意图。控制器108可以包括至少一个处理器108a和存储器108b。处理器108a和存储器108b可以经配置以彼此交互，使得处理器108a执行存储于存储器108b中的指令。处理器120可以是具有足够计算能力以实施本申请中描述的处理操作的任何类型处理器。例如，处理器108a可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignal processor，DSP)、专用集成电路(application-specific integrated circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器108b可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(random access memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(CompactDisc Read-Only Memory，CD-ROM)或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。存储器108b可以是独立存在，通过通信总线与处理器108a相连接。存储器108b也可以和处理器108a集成在一起。
其中，存储器108b用于存储编程指令，以供处理器108a来控制执行。处理器108a用于执行存储器108b中存储的存储编程指令。
当控制器108采用图15所示的形式时，图15中的处理器108a可以通过调用存储器108b中存储的计算机执行指令，使得控制器108可以实现本申请各实施例中的控制器108的功能，或者使得控制器108可以执行本申请方法实施例中的控制器108执行的方法。具体步骤请参见前述方法或其他实施例中的描述，此处不做赘述。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他模块可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
以上所述，仅为本申请示例性的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (30)

1.一种激光探测模组，其特征在于，所述激光探测模组包括光源组件、接收透镜、相位调制器和光强探测组件，其中：
所述光源组件用于发射探测信号至探测目标；
所述接收透镜用于接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器，所述第一回波信号是所述探测信号被所述探测目标反射回来的光信号；
所述相位调制器用于对入射的所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；
所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度。
2.根据权利要求1所述的激光探测模组，其特征在于，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。
3.根据权利要求1或2所述的激光探测模组，其特征在于，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器，
所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数，
所述图像传感器包括N*M个像素，
所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，具体包括：
所述偏光组件用于对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；
所述图像传感器用于探测所述第三回波信号的光强度。
4.根据权利要求3所述的激光探测模组，其特征在于，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，
每个所述第一偏光元件用于对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；
所述图像传感器用于探测每个所述第三回波信号分量的光强度。
5.根据权利要求1-4任一所述的激光探测模组，其特征在于，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。
6.根据权利要求1-5任一所述的激光探测模组，其特征在于，所述激光探测模组还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中，
接收的所述第一回波信号入射至所述第二偏光元件；
所述第二偏光元件用于根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；
所述相位调制器用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
7.根据权利要求1-6任一所述的激光探测模组，其特征在于，所述激光探测模组还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述光强探测组件之间的光路中，所述四分之一波片用于调整所述第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
8.根据权利要求1-7任一所述的激光探测模组，其特征在于，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，
所述激光器用于产生第一光信号；
所述分光元件用于对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；
所述探测器用于探测所述第一光信号分量得到起始信号。
9.一种激光探测系统，其特征在于，所述系统包括：光源组件、接收透镜、相位调制器、偏光组件，光强探测组件和控制器，其中，
所述光源组件用于发射探测信号发射至探测目标；
所述接收透镜用于接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器，所述第一回波信号是所述探测信号被所述探测目标反射回来的光信号；
所述相位调制器用于对入射的所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；
所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第二回波信号的光强度；
所述控制器用于根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其特征在于，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器，
所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数，
所述图像传感器包括N*M个像素，
所述光强探测组件用于探测所述第二回波信号的光强度，并将所述探测结果发送至所述控制器，具体包括：
所述偏光组件用于对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；
所述图像传感器用于探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，
每个所述第一偏光元件用于对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；
所述图像传感器用于探测每个所述第三回波信号分量的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述控制器用于根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离，具体包括：
所述控制器用于根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
14.根据权利要求9-13所述的系统，其特征在于，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。
15.根据权利要求9-14任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中，
接收的所述第一回波信号入射至所述第二偏光元件；
所述第二偏光元件用于根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；
所述相位调制器用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
16.根据权利要求9-15任一所述的系统，其特征在于，所述系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述偏光组件之间的光路中，所述四分之一波片用于调整所述第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
17.根据权利要求9-16任一所述的系统，其特征在于，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，
所述激光器用于产生第一光信号；
所述分光元件用于对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；
所述探测器用于根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送给所述控制器；
所述控制器用于根据所述起始信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
18.根据权利要求9-17任一所述的系统，其特征在于，
所述控制器还用于向所述光源组件发送光源驱动信号，所述光源驱动信号用于驱动所述光源组件工作；
所述控制器还用于根据所述光源驱动信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
19.根据权利要求9-18任一所述的系统，其特征在于，
所述控制器还用于根据所述探测结果和所述飞行时间的起始时刻确定所述飞行时间；
所述控制器还用于根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
20.一种激光探测方法，应用于激光探测系统，其特征在于，所述激光探测系统包括光源组件、接收透镜、相位调制器、光强探测组件和控制器，
所述方法包括：
所述光源组件发射探测信号至探测目标；
所述接收透镜接收第一回波信号，接收的所述第一回波信号入射至所述相位调制器，所述第一回波信号是所述探测信号被所述探测目标反射回来的光信号；
所述相位调制器对入射的所述第一回波信号进行相位调制得到第二回波信号，所述第二回波信号入射至所述光强探测组件；
所述光强探测组件探测所述第二回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第二回波信号的光强度；
所述控制器根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述第二回波信号的相位与所述第一回波信号的飞行时间相关，所述第一回波信号的飞行时间为所述探测信号被发射出去的时刻和所述第一回波信号被接收的时刻之间的时间间隔。
22.根据权利要求20或21任一所述的方法，其特征在于，所述光强探测组件包括偏光组件和图像传感器；所述偏光组件包括N个第一偏光元件组，每个所述第一偏光元件组包括M个第一偏光元件，所述M个第一偏光元件的偏振方向不相同，N为正整数，M为大于等于2的正整数；所述图像传感器包括N*M个像素；
所述光强探测组件探测所述第二回波信号的光强度，并将所述探测结果发送至所述控制器，具体包括：
所述偏光组件对所述第二回波信号进行偏光得到第三回波信号；
所述图像传感器探测所述第三回波信号的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括所述第三回波信号的光强度。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述第二回波信号包括N*M个第二回波信号分量，所述第三回波信号包括N*M个第三回波信号分量，
所述方法具体包括：
每个所述第一偏光元件对入射的所述第二回波信号分量进行偏光得到一个对应的第三回波信号分量，每个所述第三回波信号分量入射至一个对应的所述像素上；
所述图像传感器探测每个所述第三回波信号分量的光强度，并将探测结果发送至所述控制器，所述探测结果包括N*M个所述第三回波信号分量的光强度。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述控制器根据所述探测结果确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离，具体包括：
所述控制器根据每个第三回波信号分量组的光强度确定对应的探测点与所述激光探测系统的探测距离，其中，所述第三回波信号分为L个所述第三回波信号分量组，每个所述第三回波信号分量组包括M个第三回波信号分量，所述M个第三回波信号分量是所述图像传感器中相邻的M个像素探测得到的，并且所述M个第三回波信号分量的偏振方向不同，L为大于等于N的正整数。
25.根据权利要求20-24所述的方法，其特征在于，所述光强探测组件包括图像传感器，所述图像传感器包括电荷耦合器CCD探测器或者互补型金属氧化物半导体CMOS探测器。
26.根据权利要求20-25任一所述的方法，其特征在于，所述激光探测系统还包括第二偏光元件，所述第二偏光元件的偏振方向为第一偏振方向，所述第二偏光元件设置在所述接收透镜和所述相位调制器之间的光路中，所述方法还包括：
接收的第一回波信号入射至所述第二偏光元件，所述第二偏光元件根据所述第一偏振方向对所述第一回波信号进行光学过滤得到第一回波信号分量，所述第一回波信号分量入射至所述相位调制器；所述相位调制器用于对所述第一回波信号分量进行相位调制得到第二回波信号。
27.根据权利要求20-26任一所述的方法，其特征在于，所述激光探测系统还包括四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述相位调制器和所述偏光组件之间的光路中，所述方法还包括：
所述四分之一波片调整所述第二回波信号的偏振方向，调整后的所述第二回波信号是椭圆偏振光。
28.根据权利要求20-27任一所述的方法，其特征在于，所述光源组件包括激光器、分光元件和探测器，所述方法还包括：
所述激光器产生第一光信号；
所述分光元件对所述第一光信号进行分束得到所述探测信号和第一光信号分量，所述第一光信号分量入射至所述探测器；
所述探测器根据所述第一光信号分量得到起始信号，并将所述起始信号发送给所述控制器；
所述控制器根据所述起始信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
29.根据权利要求20-27任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述控制器向所述光源组件发送光源驱动信号，所述光源驱动信号用于驱动所述光源组件工作；
所述控制器根据所述光源驱动信号确定所述飞行时间的起始时刻，所述起始时刻为所述探测信号被发射出去的时刻。
30.根据权利要求20-29任一所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述控制器根据所述探测结果和所述飞行时间的起始时刻确定所述飞行时间；
所述控制器根据所述飞行时间确定所述探测目标与所述激光探测系统的探测距离。
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