CN113267762A - 激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种激光雷达，包括：脉冲激光发射模块，分束单元，扫描模块和接收模块；脉冲激光发射模块发射包括至少一个波长脉冲激光的初始脉冲激光束；分束单元用于将初始脉冲激光束分为至少一束入射激光束，并传输至扫描模块；扫描模块用于将至少一束入射激光束反射至激光雷达之外的空间中；接收模块包括光电信号转换单元与波长非线性变换单元，其中波长非线性变换单元用于将由入射激光束经空间中的待测目标反射而生成的回波激光束调整至与光电信号转换单元匹配的波长的待处理激光束；光电信号转换单元接收经波长非线性变换单元调整后的待处理激光束并根据待处理激光束生成电信号。改善了激光雷达的灵敏度。

Description

激光雷达

技术领域

本申请涉及激光探测领域，尤其涉及激光雷达。

背景技术

激光雷达通过发射和接收激光光束，分析激光光束遇到探测目标后的折返时间，计算出探测目标与激光雷达所在地(比如车辆、低空飞行直升机、固定探测设备等)的相对距离，并收集探测目标表面大量密集的点的三维坐标、反射率等信息，复建出探测目标的三维模型。

发明内容

本申请提供了一种激光雷达，通过使用脉冲激光发射模块出射的入射激光束进行物体检测，对待测目标返回的回波激光束进行和频处理，将回波激光束的波长调整至光电信号转换单元匹配的波长，从而入射激光束与由回波激光束转换至的携带了待测目标的信息的待处理激光束的波长不同，可以选择对人眼安全度较高的激光束为入射激光束，再将回波激光束通过和频调整至光电信号转换单元易于处理的波长的待处理激光束，从而改善激光雷达的灵敏度。

本申请实施例提供了一种激光雷达，脉冲激光发射模块，分束单元，扫描模块和接收模块；所述脉冲激光发射模块发射包括至少一个波长脉冲激光的初始脉冲激光束；所述分束单元用于将所述初始脉冲激光束分为至少一束入射激光束，并传输至所述扫描模块；所述扫描模块用于将所述至少一束入射激光束反射至所述激光雷达之外的空间中；所述接收模块包括光电信号转换单元与波长非线性变换单元，其中所述波长非线性变换单元用于将所述回波激光束调整至与所述光电信号转换单元匹配的波长的待处理激光束；所述光电信号转换单元接收经所述波长非线性变换单元调整后的待处理激光束并根据所述待处理激光束生成电信号。

本申请实施例提供的激光雷达，通过使用脉冲激光发射模块出射的入射激光束进行物体检测，对待测目标返回的回波激光束进行和频处理，将回波激光束的波长调整至光电信号转换单元匹配的波长，从而入射激光束与由回波激光束转换至的携带了待测目标的信息的待处理激光束的波长不同，可以选择对人眼安全度较高的激光束为入射激光束，再将回波激光束通过和频调整至光电信号转换单元易于处理的波长的待处理激光束，从而达到了改善激光雷达的灵敏度的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本申请实施例提供的激光雷达的一个示意性结构图；

图2为本申请实施例提供的激光雷达的另一个示意性结构图；

图3为本申请实施例提供的激光雷达的又一个示意性结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实现长距离探测一直是车载雷达追求的目标。经过近几年的发展，目前，基于雪崩二极管(Avalanche photodiodes，APD)的探测器的车载雷达的探测距离能达到200米@10％反射率。但由于受到发射端人眼安全的限制，接收端收光孔径的设计局限，现阶段系统优化基本已到极致，难以有更大的距离性能的突破。

为了使激光可以测量更远距离内的待测物体，通常的做法是(1)进一步提升发射功率。缺点：功耗提升，人眼安全有风险。(2)扩大接收孔径。缺点：相应的扫描机构尺寸增加，机械可靠性降低。

为了改善上述问题，本申请提出了以下方案，实现了在不提升功耗或扫描机构尺寸的前提下，实现了较好的远距离探测效果。

车载激光雷达常用的工作波长主要集中在905nm和1550nm，这主要由于这两个波段上已经成熟的半导体工艺技术以及人眼安全问题的考量。

请结合图1，图1示出了提供的激光雷达的一个示意性结构图。

如图1所示，激光雷达100包括脉冲激光发射模块11，分束单元，扫描模块13和接收模块。

上述脉冲激光发射模块11可以包括产生脉冲的脉冲激光源111，以及脉冲激光放大器112。这里的脉冲激光源发出的激光可以包括各种波长的脉冲激光源。脉冲激光放大器112可以是掺铒光纤放大器。

本实施例中，脉冲激光发射模块11可以发射单波长脉冲激光的初始脉冲激光束。分束单元用于将初始脉冲激光束的一个波长的入射激光束反射至扫描模块13。扫描模块13用于将入射激光束反射至激光雷达之外的空间中。

在上述空间中，入射激光束以一定角度照射到待测目标上。待测目标会将入射到其表面的部分入射激光束进行反射，从而产生回波激光束。在一些应用场景中，扫描模块13可以用于接收入射激光束经空间中的待测目标反射后的回波激光束，例如扫描模块13可以是振镜、微振镜、摆镜或者转镜；在另一些应用场景中，扫描模块13也可以通过机械旋转的方式实现扫描，例如以上发射接收模块置于机械激光雷达的结构上，通过电机实现旋转。

接收模块包括光电信号转换单元142与波长非线性变换单元。波长非线性变换单元用于将由入射激光束经空间中的待测目标反射而生成的回波激光束调整至与光电信号转换单元142匹配的波长的待处理激光束。光电信号转换单元142接收经波长非线性变换单元调整后的待处理激光束，并根据待处理激光束生成电信号。在一些应用场景中，光电信号转换单元142还可以将上述电信号进行放大。

上述波长非线性变换单元可以包括泵浦激光器143、合束单元144和用于波长变换的非线性光学器件141。这里的泵浦激光器143可以用于产生待和频激光束。待和频激光束的波长可以用于和上述回波激光束的波长进行和频，并通过上述和频将上述回波激光束的波长非线性变换至与光电信号转换单元匹配的待处理激光束所对应的波长。所述待和频脉冲激光束可以包括至少一个波长的激光。需要说明的是，本申请中涉及到的待和频激光束与回波激光束进行和频，需要待和频激光与回波激光满足相位匹配条件。

合束单元144用于将上述待和频激光束与所述回波激光束进行合束。

非线性光学器件141可以将合束后的回波激光束与待和频脉冲激光束进行和频，将回波激光束的波长调整至与光电信号转换单元匹配的待处理激光束。

这里的合束单元可以是波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)。

非线性光学器件可以是利用非线性光学晶体做成的光学器件。非线性光学器件主要利用非线性晶体对射入其中的激光进行倍频、和频、差频等非线性过程，可以得到波长与入射光波长不同的激光，从而达到光频率变换的目的。

形成非线性光学器件的材料可以是氧化物晶体，如磷酸二氢钾(KDP)、磷酸二氘钾(KD*P)、磷酸二氢铵(ADP)、碘酸锂、铌酸锂等。这里的铌酸锂可以是周期极化铌酸锂(PPLN)。

此外，在扫描模块13与非线性变换单元之间还可以设置环形器152。另外在环形器152和扫描模块之间设置准直器151。在环形器152与非线性变换单元之间设置滤波片149。

需要说明的是，上述环形器还可以是任何可以分光的器件，例如半透半反镜、小孔反射镜等。

入射激光束可以经过环形器进入准直器151，由准直器151进行准直后入射到扫描模块13。扫描模块13将入射激光束反射至空间中。入射激光束在空间中被待测目标反射后形成回波激光束。回波激光束入射到扫描模块13上。扫描模块13将回波激光束反射至准直器151。经准直器151准直后的回波激光束入射到环形器152。回波激光束经环形器后进入滤波片149。经滤波片149滤波，可以对回波激光束去除一些杂波。经滤波片149的回波激光束可以入射至合束单元144。合束单元144将泵浦激光器143产生的待和频脉冲激光束与回波激光束进行合束。合束后的回波激光束与待和频激光束进入到非线性光学器件141后，被非线性光学器件141进行非线性处理，例如和频、倍频处理等，可以产生多个波长的脉冲激光束。上述多个波长的脉冲激光束中主要成分为待和频光，同时也由于其他非线性效应产生其他分光，例如待和频激光束的正受激拉曼光、反受激拉曼光，二倍频光，三倍频光，残余泵浦光等。待处理激光束可以是多个频率的脉冲激光束中与光电信号转换单元142可以处理的波长匹配的激光束。其他波长的激光可以视为干扰激光束。

可以将经过非线性变换单元后的脉冲激光束经过第一准直透镜145、滤波片146和滤波片147以及第二准直透镜148。从而得到滤除掉其他干扰激光束的待处理脉冲激光束。待处理激光束可以被光电信号转换单元接收，从而被光电信号转换单元处理成电信号。由于回波激光束携带了待测目标表面信息，而由回波激光束生成的待处理激光束中也携带了待测目标表面信息。光电信号转换单元根据待处理激光束生成的电信号也包含了待测目标表面信息。通过对上述电信号进行分析处理，可以得到待测目标表面的数据。滤波器149的中心波长可与入射激光束的波长相同。滤波器149的透过带宽数nm，作用为滤除接收信号中除回波激光束之外的环境光。经过滤波器149滤波后的光信号和泵浦光通过WDM144合波，共同输入非线性光学器件141(例如PPLN)波导。非线性光学器件141输出的信号中包含了光电信号转换单元142(例如硅光电倍增器)探测所需的和频光子(也即由回波激光与泵浦光和频之后产生的待处理激光束中的光子)，也包含了噪声光，包括：泵浦光的正反受激拉曼光，二倍频，三倍频光，大量的残余泵浦光。其中和频光是探测所需要的。通过合理选择泵浦光的波长，使得所有噪声光波长尽可能远离和频光。可以将线性光学器件输出的光信号(包括和频光子以及干扰噪声光)通过多个高隔离度滤波片可以滤除所有干扰噪声光。被多个高隔离度滤波片透过的和频光可以被光电信号转换单元142接收。

这里的入射激光束的波长可以是不易被环境光干扰的、且对人眼安全的波长，例如1550nm等。这样，可以加大入射激光束的输出功率以加大探测范围，而不会引入对人眼的伤害。

上述泵浦激光器可以为1310nm分布式反馈激光器，或者为1950nm掺铥光纤激光器，或者为1950nm半导体激光器。

上述待处理激光束的波长例如可以为750nm。

上述光电信号转换单元例如可以为雪崩式光电二极(APD)、硅光电倍增器(Silicon Photomultiplier，SiPM)等。

在一些应用场景中，上述激光雷达Lidar可以是用于自动驾驶车辆的车载激光雷达。

当前激光雷达主要采用雪崩光电二极管做探测单元。APD有高响应速率、高灵敏度的特点，能够工作在近红外波段，其放大倍率为100倍以内。然而自动驾驶要求激光雷达具备百米量级的探测距离，APD不到100倍的放大倍率对于探测高速脉冲返回的微弱信号已经无法满足要求。

硅光电倍增器，具有10⁶级内部增益，即使单个光子入射也能够产生可读取信号，因此SiPM具备单光子级灵敏度。在激光功率较低、探测距离较远的情况下，SiPM也能探测到发射回来的微弱激光信号。由于SiPM具备单光子级灵敏度，并且SiPM可以工作于30V电压以下，更加适用于小型化的激光雷达。

但是SiPM探测器只适合于400-1000nm的波段，因此光源通常使用905nm或850nm半导体激光器。虽然SiPM具有单光子探测能力，然而，该波段较强的环境光同样可触发单光子计数，构成了探测器背景噪声的主要成分。综合下来，使用905nm的探测激光，SiPM作为光电转换单元对回波激光束进行处理时信噪比并没有提升多少。

1550nm波段的环境光功率密度比905nm波段的环境光功率密度低约3倍。另外1550nm光纤激光器通常具有种子源温控，出光波长稳定，接收端滤光片带宽可控制在10nm以内。1550nm波段的环境光噪声比起905nm波段的环境光噪声比可低一个数量级。相同功率下，1550nm的光子数比905nm多1.7倍，计数概率更高。另外，1550nm人眼安全阈值较高，更适合小孔径的接收系统。

然而，现阶段1550nm的单光子探测器中，铟镓砷APD的暗计数和后脉冲性能很差，而超导纳米线，量子点场效应管又都需要低温工作，因此，无法适用于车载lidar应用。

为了实现Lidar探测距离的提升，本实施例提供了综合利用了1550nm波长探测光和SiPM各自的优势。利用波长为1550nm的光子进行收发，然后利用非线性和频效应进行频率上转换,将1550nm波段的光子转换到SiPM响应波段然后利用SiPM进行探测。

利用和频过程，可以将红外光子以99.9％的高效率上转换成为可见光光子，再利用SiPM光电处理单元进行探测。同时在非线性转换的过程中，上转换过程产生的和频光量子态与近红外信号光的量子态保持一致。因此，使用上述方法的进行探测的激光雷达，具有不需制冷，可集成，量子效率高；但非线性过程产生的噪声会导致高暗计数，限制了其传输距离。庆幸的是，在和频过程中，可以通过对泵浦光波长的合理选择以及有效的滤波，在不减少效率的基础上降低噪声。

周期极化铌酸锂(PPLN)波导具有大的非线性系数被广泛使用，是目前成熟的非线性变换单元。当一束弱光与一束强光在PPLN中产生和频信号时,弱光可以获得几乎完全的转换效率；利用波导对光的限制作用，产生高功率密度，降低泵浦阈值。

在这些可选的实现方式中，用在自动驾驶车辆的采用上述的激光雷达，使用环境光功率密度比较低的1550nm波长的激光束作为探测光，利用和频效应将回波激光束中的光子的波长调整至SiPM光电信号转换单元可以接收的波长，从而发射端可以采用较低功率发射探测激光，接收端采用单光子级灵敏度的SiPM光电转换单元，实现了使用较低功率探测激光，就可以探测较远的距离。

在本实施例中，通过使用不易被环境光干扰的、且对人眼安全的波长作为入射脉冲激光束，使用非线性变换单元将与入射脉冲激光束的波长相同的回波激光束非线性变换至光电信号转换单元可以接收的波长的待处理激光束。从而使得通过上述方案实现的激光雷达可以实现低环境噪声、高人眼安全阈值，高输出功率和低噪声光电信号转换单元的单光子探测能力，提高了激光雷达的灵敏度。

请参考图2，图2示出了本申请实施例的激光雷达的另一个示意性结构图。

与图1所示实施例相同，图2所示激光雷达200包括脉冲激光发射模块21，分束单元22，扫描模块23和接收模块。

在本实施例中，脉冲激光发射模块21发射可以发射包括至少两个波长脉冲激光的初始脉冲激光束。

分束单元22用于将初始脉冲激光束分为波长各不相同的至少两束入射激光束，并将上述至少两束入射激光束传输至扫描模块23。

分束单元22可以同时将不同波长的激光分成不同入射激光束，这样，可以对各回波激光束所携带的外界探测信号进行处理后进行视场拼接。

分束单元22也可以在不同时刻将不同波长的激光分成不同入射激光束，这样，可以实现高点频探测。

扫描模块23用于将上述至少两束入射激光束反射至激光雷达之外的空间中。在上述空间中，每一束入射激光束以一定角度照射到待测目标上。待测目标会将入射到其表面的部分入射激光束进行反射，从而产生回波激光束。在一些应用场景中，扫描模块23可以用于接收上述至少两束入射激光束各自经空间中的待测目标反射后的回波激光束。接收模块包括光电信号转换单元与波长非线性变换单元。波长非线性变换单元可以用于将由入射激光束经所述空间中的待测目标反射而生成的至少两个波长的回波激光束中的各波长回波激光束调整至与光电信号转换单元匹配的波长的待处理激光束。光电信号转换单元接收经波长非线性变换单元调整后的待处理激光束，并根据待处理激光束生成电信号。在一些应用场景中，光电信号转换单元还可以将上述电信号进行放大。

上述波长非线性变换单元可以包括泵浦激光器243、合束单元244和用于波长变换的非线性光学器件241。这里的泵浦激光器243可以用于产生至少两个待和频脉冲激光束。每一个待和频激光束的波长可以与至少两个波长的回波激光束的波长进行和频。并通过上述和频操作将上述各回波激光束的波长非线性变换至与光电信号转换单元匹配的待处理激光束所对应的波长。

合束单元244用于将上述各波长待和频脉冲激光束与各束回波激光束进行合束。合束单元244可以波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)。

非线性光学器件241可以将合束后的回波激光束与待和频脉冲激光束进行和频，从而将回波激光束的波长调整至与光电信号转换单元匹配的待处理激光束。

具体地，非线性光学器件中，对于每一波长的回波激光束，可以与各个波长的待和频激光束进行倍频、和频、差频等非线性变换，从而得到多个波长的激光束。其中，与光电信号转换单元匹配的激光束为待处理激光束。这里待处理激光束可以有至少两个波长的待处理激光束。

此外，接收模块还包括设置在所述光电信号转换单元与所述波长非线性变换单元之间的第一准直透镜2442、滤波片、第二准直透镜。其中，与每一束回波激光束对应的待处理激光束，经过第一准直透镜、至少一个滤波片和第二准直透镜后传输至与该束回波激光束对应的光电信号转换单元。

也即，上述至少两个波长的待处理激光束可以通过准直透镜、滤波片等光学处理后进入各自对应的光电信号处理单元。

以图2所示的脉冲激光源211发出三个波长的脉冲激光信号为例。

除了与图1相同的脉冲激光发射模块21、分束单元22、接收模块、扫描模块之外，在扫描模块23与非线性变换单元之间还可以设置环形器2521、环形器2522、环形器2523。另外在环形器2521和扫描模块23之间设置准直器2511、在环形器2522和扫描模块23之间设置准直器2512。在环形器2523和扫描模块23之间设置准直器2513。在环形器与非线性变换单元之间可以设置滤波片249。

此外，图2中可以包括光电信号接收单元2421、光电信号接收单元2422和光电信号接收单元2423。上述光电信号接收单元可以对应不同波长的待处理激光束。

脉冲激光信号经过掺铒光纤放大器212之后成为包括三个波长的激光束的初始脉冲激光束。分束单元22将入射到其中的初始脉冲激光束按照波长进行分束。分束单元22可以是密集型光波复用器(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)。被分束单元22分出的第一波长的入射激光束可以通过环形器2521、准直器2511入射到扫描模块23。被分束单元22分出的第二波长的入射激光束可以通过环形器2522、准直器2512入射到扫描模块23。被分束单元22分出的第三波长的入射激光束可以通过环形器2523、准直器2513入射到扫描模块23。扫描模块23将每一波长的入射激光束反射中空间中。

在一些应用场景中，上述分束单元22可以分时段将不同波长的脉冲激光束分束到各自对应的环形器。

对于每一波长的入射激光束在空间中被待测目标反射后形成与与该波长入射激光束对应的回波激光束。以第一波长入射激光束束对应的第一波长的回波激光束为例。第一波长回波激光束由空间待测目标物体入射到扫描模块23上。扫描模块23将第一波长回波激光束反射至准直器2511。经准直器2511准直后的第一波长回波激光束入射到环形器2521。第一波长回波激光束经环形器2521后进入滤波片249。经滤波片249滤波，可以对第一回波激光束去除一些杂波。第一回波激光束、第二回波激光束、第三回波激光通过各自对应的环形器可以进入滤波片249进行滤波。通过滤光片249滤除掉杂波。

滤波器249的中心波长可与入射激光束的波长相同。滤波器249的透过带宽数nm，作用为滤除接收信号中除回波激光束之外的环境光。经过滤波器249滤波后的光信号和泵浦光通过WDM244合波，共同输入非线性光学器件241(例如PPLN)波导。非线性光学器件241输出的信号中包含了光电信号转换单元242(例如硅光电倍增器)探测所需的和频光子(也即由回波激光与泵浦光和频之后产生的待处理激光束中的光子)，也包含了噪声光，如：泵浦光的正反受激拉曼光，二倍频，三倍频光，大量的残余泵浦光。其中和频光子是探测所需要的。通过合理选择泵浦光的波长，使得所有噪声光波长尽可能远离和频光。可与将线性光学器件输出的光信号(包括和频光子以及干扰噪声光)通过多个高隔离度滤波片可以滤除所有干扰噪声光。被多个高隔离度滤波片透过的和频光可以被光电信号转换单元242接收。

经滤波片249的回波激光束可以入射至合束单元244。合束单元244将泵浦激光器243产生的待和频脉冲激光束与回波激光束进行合束。合束后的回波激光束与待和频激光束进入到非线性光学器件241后，被非线性光学器件241进行非线性处理，例如和频、倍频处理等。可以产生多个波长的脉冲激光束，例如待和频激光束的正反受激拉曼光，二倍频，三倍频光，残余泵浦光等。对于每一个波长的回波激光束，经过非线性光学器件之后，可以得到多个波长的脉冲激光束。待处理激光束可以是多个波长的脉冲激光束中与光电信号转换单元可以处理的波长匹配的激光束。

波长非线性变换单元将三束回波激光束分别与待和频脉冲激光束进行和频，将所述三束回波激光束调整至光电信号转换单元匹配的待处理激光束。第一回波激光束、第二回波激光束和第三回波激光束分别对应的可以被光电信号处理单元接收的待处理激光束的波长可以不相同。

接收模块包括设置在所述光电信号转换单元与所述波长非线性变换单元之间的第一准直透镜2442、第一滤波片2443、第二滤波片2444、第三滤波片2445、、第二准直透镜2441、第三准直透镜2446和第四准直透镜2447。

与第一束回波激光束对应的第一待处理激光束经所述第一准直透镜2442、所述第一滤波片2443、所述第二滤波片2444和所述第二准直透镜2441后传输至第一光电信号转换单元2421。

与第二束回波激光束对应的第二待处理激光束经所述第一准直透镜2442、所述第一滤波片2443、被所述第二滤波片2444反射、被所述第三滤波片2445反射入所述第三准直透镜2446后，然后由所述第三准直透镜2446传输至第二光电信号转换单元2422。

与第三束回波光束对应的第三待处理光束经所述第一准直透镜2442、所述第一滤波片2443、被所述第二滤波片2444反射入所述第三滤波片2445，经所述第三滤波片2445透射后入射至所述第四准直透镜2447，由第四准直透镜2447传输至第三光电信号转换单元2423。

经过上述光学处理，得到滤除掉其他干扰激光束的第一波长待处理脉冲激光束、第二波长待处理激光束、第三波长待处理激光束。第一波长待处理脉冲激光束、第二波长待处理激光束、第三波长待处理激光束可以分别被第一光电信号转换单元2421、第二光电信号转换单元2422、第三光电信号转换单元2423接收，被光电信号转换单元处理成电信号。由于各回波激光束携带了待测目标表面信息，而由回波激光束生成的待处理激光束中也携带了待测目标表面信息。光电信号转换单元根据待处理激光束生成的电信号也包含了待测目标表面信息。通过对上述电信号进行分析处理，可以得到待测目标表面的数据。

这里的入射激光束的波长可以是不易被环境光干扰的、且对人眼安全的波长，例如上述三个波长分别为1549.32nm、1550.12nm、1550.92nm等。这样，可以加大入射激光束的输出功率以加大探测范围，而不会引入对人眼的伤害。此外，将三个波长设置为不同、且设置在1550nm左右，一方面可以避免上述三个波长的入射激光束、回波及激光束之间发生串扰。

上述泵浦激光器可以为1310nm分布式反馈激光器，或者为1950nm掺铥光纤激光器，或者为1950nm半导体激光器。

上述光电信号转换单元例如可以为雪崩式光电二极、硅光电倍增器等。

图2所示的激光雷达也可以用于自动驾驶车辆的车载激光雷达。

在本实施例中，通过除了可以实现实施例1所实现的优点之外，本实施例通过使用多波长激光器和多波长泵浦激光器，并使用分束单元和合束单元，实现了多通道复用。对多波长回波激光束通过使用相同的非线性器件，可以将多个波长回波激光束分别调整至易被光电信号处理单元处理的待处理激光束。

请继续参考图3，其示出了本申请实施例提供的激光雷达的又一个示意性结构图。

在本实施例中，与图2不同的是，激光雷达300中的脉冲激光发射模块31发射可以发射一个波长脉冲激光的初始脉冲激光束。分束单元32用于将初始脉冲激光束分为至少两束波长相同的入射激光束，并将至少两束入射激光束传输至扫描模块33。上述扫描模块33用于将上述至少两束入射激光束反射至激光雷达之外的空间中。在上述空间中，每一束入射激光束以一定角度照射到待测目标上。待测目标会将入射到其表面的部分入射激光束进行反射，从而产生回波激光束。扫描模块33用于接收上述至少两束入射激光束各自经空间中的待测目标反射后的回波激光束。

与图2不同的是，本实施例中，对于每一束回波激光束，设置一个合束单元、一个非线性光学器件，各束回波激光束可以共用一个泵浦激器343。泵浦激光器343可以产生待和频脉冲激光束。

如图3所示，脉冲激光信号经过掺铒光纤放大器212之后成为初始脉冲激光束。分束单元22将入射到其中的初始脉冲激光束按照进行分束。分束单元可以是各种用于将同一波长光信号进行分束的光学器件。如图3，初始脉冲激光束被分成三束入射激光束。被分束单元分出的第一束入射激光束可以通过环形器3521、准直器3511入射到扫描模块33。被分束单元分出的第二束入射激光束可以通过环形器3522、准直器3512入射到扫描模块33。被分束单元分出的第三束入射激光束可以通过环形器3523、准直器3513入射到扫描模块33。扫描模块33可以将每一波长的入射激光束反射中空间中。在一些应用场景中，扫描模块33可以接收由空间中的待探测目标对入射激光束反射后形成的回波激光束。

在一些应用场景中，上述分束单元32可以分时段将不同入射脉冲激光束分束到各自对应的环形器。

对于每一束的入射激光束在空间中被待测目标反射后形成与该波长入射激光束对应的回波激光束。以第一束入射激光束对应的第一的回波激光束为例。第一回波激光束由空间待测目标物体入射到扫描模块33上。扫描模块33将第一回波激光束反射至准直器3511。经准直器3511准直后的第一回波激光束入射到环形器3521。第一回波激光束经环形器3521后进入滤波片349。经滤波片349滤波，可以对第一回波激光束去除一些杂波。

经滤波片349的回波激光束可以入射至合束单元344。合束单元344将泵浦激光器343产生的待和频脉冲激光束与回波激光束进行合束。合束后的回波激光束与待和频激光束进入到非线性光学器件341后，被非线性光学器件341进行非线性处理，可以得到多个波长的脉冲激光束。待处理激光束可以是多个波长的脉冲激光束中与光电信号转换单元3421可以处理的波长匹配的激光束。

接收模块包括设置在所述光电信号转换单元3421与所述波长非线性变换单元之间的第一准直透镜3442、第一滤波片3443、第二滤波片3444、第二准直透镜3445。经过上述第一准直透镜3442、第一滤波片3443、第二滤波片3444、第二准直透镜3445，与第一回波激光束对应的待处理激光束被第一光电信号处理单元接收。

同理，经过上述非线性变换以及第一准直透镜、第一滤波片、第二滤波片和第二准直透镜后，上述第二束回波激光束以及第三束回波激光束分别被第二光电信号接收单元和第三光电信号接收单元接收并处理。

这里的入射激光束的波长可以是不易被环境光干扰的、且对人眼安全的波长，例如1550nm等。这样，可以加大入射激光束的输出功率以加大探测范围，而不会引入对人眼的伤害。

上述泵浦激光器可以为1310nm分布式反馈激光器，或者为1950nm掺铥光纤激光器，或者为1950nm半导体激光器。

上述待处理激光束的波长例如可以为750nm。

在本实施例中，通过除了可以实现实施例1所实现的优点之外，本实施例通过使用将同一波长的初始脉冲激光分束后形成多束入射激光束。对多束回波激光束分别进行非线性变换，可以将多束回波激光束分别调整至易被光电信号处理单元处理的待处理激光束。可以提高单脉冲激光源激光雷达的灵敏度。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：脉冲激光发射模块，分束单元，扫描模块和接收模块；

所述脉冲激光发射模块发射包括至少一个波长脉冲激光的初始脉冲激光束；

所述分束单元用于将所述初始脉冲激光束分为至少一束入射激光束，并传输至所述扫描模块；所述扫描模块用于将所述至少一束入射激光束反射至所述激光雷达之外的空间中；

所述接收模块包括光电信号转换单元与波长非线性变换单元，其中所述波长非线性变换单元用于将由入射激光束经所述空间中的待测目标反射而生成的回波激光束调整至与所述光电信号转换单元匹配的波长的待处理激光束；所述光电信号转换单元接收经所述波长非线性变换单元调整后的待处理激光束并根据所述待处理激光束生成电信号。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述波长非线性变换单元包括泵浦激光器、合束单元和用于波长变换的非线性光学器件；其中

所述泵浦激光器用于产生用于将所述初始脉冲激光束所对应的各波长激光非线性变换至所述待处理激光束所对应的各波长激光的待和频脉冲激光束，所述待和频脉冲激光束包括至少一个波长的激光；

所述合束单元用于将所述待和频脉冲激光束与所述回波激光束进行合束；

所述非线性光学器件将合束后的所述回波激光束与所述待和频脉冲激光束进行和频，将回波激光束的波长调整至与光电信号转换单元匹配的待处理激光束。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述初始脉冲激光束中激光的波长至少为两个波长，所述激光雷达还包括设置在扫描模块与所述合束单元之间的准直器与环形器；以及

所述分束单元用于将所述初始脉冲激光束分为波长各不相同的至少两束入射激光束，并将所述至少两束入射激光束传输至所述扫描模块；

所述扫描模块用于将所述至少两束入射激光束反射至所述激光雷达之外的空间中，入射激光束经所述空间中的待测目标反射而生成回波激光束；

每一束回波激光束经所述扫描模块反射后通过一个准直器入射环形器，并由该环形器将该束回波激光束导引至一合束单元；

所述合束单元用于将所述至少两束回波激光束与所述待和频脉冲激光束合束。

4.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述初始脉冲激光束的波长为一个，所述激光雷达还包括设置在扫描模块与所述合束单元之间的准直器与环形器；以及

所述分束单元用于将所述初始脉冲激光束分为波长相同的至少两束入射激光束，并将所述至少两束入射激光束传输至所述扫描模块；

所述扫描模块用于将所述至少两束入射激光束反射至所述激光雷达之外的空间中，入射激光束经所述空间中的待测目标反射而生成回波激光束；

所述每一束回波激光束经所述扫描模块反射后通过准直器入射至环形器，并由该环形器将该束回波激光束导引至一合束单元；

所述合束单元包括至少两个合束子单元，每一个合束子单元用于将与其对应的一束回波激光束与所述待和频脉冲激光束合束。

5.根据权利要求3或4之一所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模块还包括设置在所述光电信号转换单元与所述波长非线性变换单元之间的第一准直透镜、滤波片、第二准直透镜，其中

与每一束回波激光束对应的待处理激光束，经过所述第一准直透镜、至少一个滤波片和一个第二准直透镜后传输至与该束回波激光束对应的光电信号转换单元。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，分束单元将所述初始脉冲激光束分为三束入射激光束；所述合束单元用于将与所述三束入射激光束各自对应的回波激光束与所述待和频脉冲激光束脉冲激光束合束；所述波长非线性变换单元将三束回波激光束分别与待和频脉冲激光束进行和频，将所述三束回波激光束调整至光电信号转换单元匹配的待处理激光束；以及

所述接收模块包括设置在所述光电信号转换单元与所述波长非线性变换单元之间的第一准直透镜、第一滤波片、第二滤波片、第三滤波片、第二准直透镜、第三准直透镜和第四准直透镜，其中

与第一束回波激光束对应的第一待处理激光束经所述第一准直透镜、所述第一滤波片、所述第二滤波片和所述第二准直透镜后传输至第一光电信号转换单元；

与第二束回波激光束对应的第二待处理激光束经所述第一准直透镜、所述第一滤波片、被所述第二滤波片反射、被所述第三滤波片反射入所述第三准直透镜后，然后由所述第三准直透镜传输至第二光电信号转换单元；

与第三束回波激光束对应的第三待处理激光束经所述第一准直透镜、所述第一滤波片、被所述第二滤波片反射入所述第三滤波片，经所述第三滤波片透射后入射至所述第四准直透镜，由第四准直透镜传输至第三光电信号转换单元。

7.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，

所述脉冲激光发射模块还包括掺铒光纤放大器，用于将脉冲激光源发出的脉冲激光进行放大得到初始脉冲激光束；以及

分束单元为密集波分复用器，所述密集波分复用器用于将经过所述掺铒光纤放大器的至少两个波长不同的入射激光束传输至各波长入射激光束分别对应的发射通道；经所述发射通道的每一束入射激光束发射至环形器，经环形器入射至所述扫描模块。

8.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述初始脉冲激光束包括波长为为1550nm的脉冲激光。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，形成非线性光学器件的材料为周期极化铌酸锂。

10.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述泵浦激光器为1310nm分布式反馈激光器，1950nm掺铥光纤激光器，或1950nm半导体激光器。

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