CN113267763A - 一种可用于fmcw激光雷达的发射装置以及激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种可用于FMCW激光雷达的发射装置和激光雷达，该发射装置包括光梳产生模块和分光模块；该光梳产生模块，用于产生多边带的光梳；该分光模块包括N个分光子模块，每个分光子模块的输入为该多边带的光梳，输出为单一波长的激光光束，其中，N≥2。根据本申请的可用于FMCW激光雷达的发射装置，技术效果至少可以包括提供了一种新的激光雷达发射装置。

Description

一种可用于FMCW激光雷达的发射装置以及激光雷达
技术领域
本申请涉及激光探测技术领域，特别涉及一种可用于FMCW激光雷达的发射装置以及激光雷达。
背景技术
本部分提供了与本申请相关的背景信息，这些信息并不必然构成现有技术。
在自动驾驶技术中，环境感知系统是基础且至关重要的一环，是自动驾驶汽车安全性和智能性的保障，环境感知传感器中激光雷达在可靠度、探测范围、测距精度等方面具有无可比拟的优势。
FMCW车载激光雷达基于相干光探测原理，具有探测灵敏度高，抗干扰能力强，能同时提供距离和速度信息等优点，是目前激光雷达各技术路线中的热点。在激光雷达的发展中，更高的角度分辨率，更大的视场角，更高的帧率是激光雷达所追求的目标，实现这些目标的基础是lidar必须具备更高的点频。而为了获得更高的点频，需要对收发探测进行多路复用。FMCW采用连续光信号进行收发测量，在时域上不具备复用的可能；频谱的复用意味着整个系统工作带宽的倍增，同时探测器带宽和频谱计算量也会相应骤增。因此相对可行的方案是采用空间上的多路复用。
在实际应用中发现，多路复用时，不同通道间的串扰问题非常严重，尽管采用消光漆和设置通道间挡板可大大降低通道串扰，然而遇到被测物是高反物体时，通道串扰产生的鬼像问题仍然难以克服。
申请内容
本申请提供了可用于FMCW激光雷达的发射装置以及激光雷达，可以采用多种波长的激光光束进行探测，由于激光光束的波长不同，可以减少各个激光光束之间的串扰。
第一方面，本申请实施例提供了一种可用于FMCW激光雷达的发射装置，包括：光梳产生模块和分光模块；上述光梳产生模块，用于产生多边带的光梳；上述分光模块包括N个分光子模块，每个分光子模块的输入为上述多边带的光梳，输出为单一波长的激光光束，其中，N≥2。
在一些实施例中，上述光梳产生模块包括第一激光器和第一电光调制器；上述第一激光器，用于发出单一波长且波长可调谐的激光；上述第一电光调制器，用于将上述第一激光器发出的激光调制成多边带的光梳型激光光束，其中每一个边带具有和第一激光器相同的调谐特性，也就是说除了波长不一样，其他特性如线宽，调频斜率，调频范围都是一样的。
在一些实施例中，上述光梳产生模块还包括第二电光调制器；上述第二电光调制器，用于对上述第一电光调制器发出的多边带激光进行进一步的光谱整型，以减小边带间的功率差异。
在一些实施例中，发射装置还包括第一分束器；上述第一分束器，用于将上述光梳产生模块发出的激光分为N路，且一一各自输入至N个分光子模块。
在一些实施例中，每个分光子模块包括第二激光器和第一环形器；第一环形器包括三个端口，第一环形器的第一端口的输入为上述光梳；第一环形器的第二端口与第二激光器连通，第二端口的输出为第一端口输入的光梳；第二端口的输入为第二激光器输出的单一波长的激光；第三端口的输出为第二端口输入的单一波长的激光。
在一些实施例中，上述第二激光器为分布式反馈激光器，适于利用注入锁定技术，从输入的多边带的光梳型激光光束中分离出相应单一波长的激光光束。
在一些实施例中，上述发射装置，包括N个第二分束器，第二分束器用于将分光子模块输出的单一波长的激光分为至少两束；第二分束器发出的上述至少两束的激光包括参考光束和扫描光束；上述扫描光束，用于对三维空间进行扫描；上述参考光束，输入至发射装置的探测模块，用于提供三维空间中障碍物探测的参考信息。
在一些实施例中，上述发射装置，还包括第二环形器；第二环形器包括三个端口，第二环形器的第一端口的输入为第二分束器发出的扫描光束；上述第二环形器的第二端口的输出为第一端口输入的扫描光束，上述第二环形器的第二端口的输入为基于扫描光束的回波；上述第二环形器的第三端口的输出为第二端口输入的回波。
第二方面，本申请实施例提供了一种FMCW激光雷达，其特征在于，包括第一方面上述的发射装置。
在一些实施例中，激光雷达还包括探测模块，适于接收参考光束以及被三维空间中障碍物反射回的回波光束，并进而根据上述参考光束与回波光束，输出障碍物信息。
由此可见，根据本申请的提供的可用于FMCW激光雷达的发射装置，通过利用光梳产生模块产生光梳、再从光梳中分出单一波长的激光，可以提供多种波长的连续波进行探测，由于探测用的激光光束的波长不同，可以减少各个激光光束之间的串扰。
另一方面，利用光梳产生模块产生光梳、再从光梳中分出单一波长的激光光束，可以避免使用可调谐激光器阵列，不使用调谐激光器阵列，可以减低激光器的发射装置的成本。
附图说明
根据以下参照附图的详细描述，将更好地理解本申请的前述及另外的特征和特点，这些附图仅作为示例并且不一定是按比例绘制。在附图中采用相同的附图标记指示相同的部件，在附图中：
图1是根据本申请的可用于FMCW激光雷达的发射装置的一种实施例的结构示意图；
图2是根据本申请的分光模块的示例性结构示意图；
图3是根据本申请的发射装置的另一种实施例的示例性结构示意图；
图4是根据本申请的第一电光调制器的输入和输出的示意图；
图5是根据本申请的第二电光调制器的输入和输出的示意图；
图6是根据本申请的第一环形器的各个端口情况的示意图；
图7是一种FMCW激光雷达的结构示意图；
其中：
1-光梳产生模块，11-第一激光器、12-第一电光调制器、13-第二电光调制器；2-分光模块，21-第一分光模块、211-一号第二激光器、212-一号第一环形器，22-第二分光模块、221-二号第二激光器、222-二号第二环形器；3-第一分束器；4-第二分束器；5-第二环形器；6-探测模块；71-一号第三激光器、72-二号第三激光器、73-三号第三激光器；8-放大器；9-第三分束器；10-第三环形器。
具体实施方式
现在将结合附图对本申请的优选实施方式进行详细描述。以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本申请及其应用或用途。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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申请和简化描述，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申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
结合图1所示，本申请的实施例提供一种可用于调频连续波(FrequencyModulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达的发射装置。上述发射装置可以包括光梳产生模块1和分光模块2。
在本实施例中，FMCW激光雷达可以指发射频率受线性调制的连续波激光雷达。调频连续波激光雷达通过测量回波信号与发射信号的频率差的方法来得到目标的距离和速度信息。
在本实施例中，上述发射装置可以用于发射多波长的调频连续波。
在本实施例中，上述光梳产生模块，可以用于产生多边带的光梳，光梳中每一个边带具有相同的调谐特性。
在这里，光梳，也可以称为光频梳(Optical Frequency Comb，OFC)。光梳可以是以下离散的、等间距或者非等间距频率的像梳子一样的形状的光谱。作为示例，请参考图5，图5示出了激光光束的频谱成分；图5示出的激光光束可以包括五种频率的激光，相邻频率之间的间距相等。
在这里，对于光梳产生模块的具体结构，可以根据实际场景进行设置，在此不做限定。
在这里，对光梳的各种参数，例如光梳中各个梳齿的波长值(也可以换算成频率)或者相邻梳齿之间的距离，不做限定。
在本实施例中，上述分光模块2可以包括N个分光子模块；在这里，上述N个分光子模块中的每个分光子模块的输入，可以是上述多边带的光梳，上述每个分光子模块的输出可以是单一波长的激光光束。在这里，上述N≥2，即上述N的取值可以是2或者大于2的自然数。
在这里，分光子模块的个数，可以与光梳的频率个数一致。分光子模块的个数可以根据实际情况设置，例如可以是8个、16个等。
需要说明的是，本实施例提供的发射装置，通过利用光梳产生模块产生光梳，然后将光梳经分光得到单一波长的激光光束，可以提供一种新的发射装置，这种新的发射装置可以用于FMCW激光雷达上。
通常，采用一种波长的激光光束作为探测激光束的话，为防止不同通道间的串扰而产生鬼像，必须设计特殊的机械挡板尽可能地防止通道间的相互干扰，除此之外雷达内部还需涂消光漆，实际发现这些措施仅仅能减弱串扰大小，不能从根本上消除。
需要说明的是，本实施例提供的发射装置，可以发射多种波长的连续波，不同波长的调频连续波之间无法相干，彼此发生串扰的可能性极小，因此，可以无需设置复杂的通道间挡板。
需要说明的是，相比于多个波长中的每个单一波长均利用单独的可调谐激光器产生；本申请提供的利用光梳产生模块产生光梳、再从光梳中分出单一波长的激光，可以避免使用可调谐激光器阵列，不使用调谐激光器阵列，可以减低激光器的发射端的成本。
请参考图2，其示出了分光模块可以包括至少两个分光子模块，图中示出了第一分光子模块21和第二分光子模块22，六个小点代表未示出的分光子模块；如果分光子模块的数量为两个，六个小点也可以理解为空白，换句话说，六个小点不代表必然存在第一分光子模块和第二分光子模块之外的分光子模块。分光子模块的输入可以是光梳(多个波长的激光光束)，分光子模块的输出可以是单一波长的激光光束。在图2中，第一分光子模块21的输入可以是包含两种波长的激光光束(例如λ1和λ2)，输出可以是一种波长(例如λ1)的激光光束；在图2中，第二分光子模块22的输入可以是包含两种波长的激光光束(例如λ1和λ2)，输出可以是一种波长(例如λ2)的激光光束。需要说明的是，图2中的第一分光子模块和第二分光子模块的输入的波长数量是示意的，数量也可以大于2。
需要说明的是，分光模块的功能为将单一波长的激光光束从光梳中分离出来，能够实现上述功能的分光模块的具体结构可能是各种各样的，在此不做限定。在一些实施例中，请参考图3，图3示出了发射装置的一种可选的实现方式的示意图。
需要说明的是，发射装置中的光梳产生模块用于产生光梳。能够实现产生光梳功能的光梳产生模块的具体结构，可以是各种各样的，在此不做限定。
在一些实施例中，请参考图3，图3中上述光梳产生模块1可以包括第一激光器11和第一电光调制器12。
在这里，上述第一激光器11，可以用于发出单一波长且波长可调谐的激光。在这里，第一激光器的种类和结构可以根据实际应用场景设置，在此不做限定。
可以理解，电光调制器(Electro-Optic Modulator，EOM)的基础可以是是电光效应。基于电光效应的电光调制可以是将电信息加载到光载波上，使光参量随着电参量的改变而改变。电光调制的范围较广，对光场的幅度、频率、相位等参数，均可进行调制。
在这里，上述第一电光调制器12，可以用于将上述第一激光器发出的激光调制成多边带的光梳型激光光束。
请参考图4，其示出了第一电光调制器12的输入和输出的激光光束中波长的分布。在图4中，第一电光调制器12的输入为单一波长(例如λ0)的激光光束(即第一激光器发出的激光光束)，第一电光调制器12的输出为光梳型激光光束(例如，包括λ0、λ1、λ2、λ3和λ4五种波长的激光光束)；可以看出，箭头的两端分别指示第一电光调制器的输入和输出，。
在一些实施例中，上述光梳产生模块1还可以包括第二电光调制器13。
在这里，上述第二电光调制器，可以用于对第一电光调制器13发出的多边带激光进行进一步的光谱整型，减小边带间的功率差异。
请参考图5，其示出了经过图第二电光调制器的激光光束的光强示意图。在图5中，第二电光调制器输入可以是第一电光调制器输出的光梳型激光光束，(例如，包括λ0、λ1、λ2、λ3和λ4五种波长的激光光束)，可以看出，在纵向代表强度的情况下，第一电光调制器输出的光梳型激光光束中，有的波长的激光可强度较小；经过第二电光调制器的光梳型激光光束中，各个波长的激光的强度大致相同；可以看出，图5中由上到下的箭头两端，示出了第二电光调制器的输入和输出。作为示例，光学频率梳也可以基于锁模激光器产生。
在一些实施例中，请参考图3，上述发射装置，还可以包括第一分光器3。
在这里，上述第一分光器，可以用于将光梳产生模块发出的激光分为N路，且一一各自输入至N个分光子模块。在这里，N个分光子模块中的每个分光子模块的输入，可以是第一分光器输出的其中一路激光光束。
在一些实施例中，每个分光子模块可以包括第二激光器和第一环形器。在这里，上述第一环形器可以包括三个端口，上述第一环形器的第一端口的输入为光梳；第一环形器的第二端口与第二激光器连通，第二端口的输出为第一端口输入的光梳；第二端口的输入为第二激光器输出的单一波长的激光；第三端口的输出为第二端口输入的单一波长的激光。
作为示例，请参考图3，在图3中，示出了两个分光子模块，即第一分光子模块和第二分光子模块。第一分光子模块可以包括一号第二激光器211和一号第一环形器212；第二分光子模块可以包括二号第二激光器221和二号第一环形器222。
为了进一步清晰说明分光子模块的工作原理，请参考图6，其示出了第一环形器的输入和输出的示意图。在图6中，一号第一环形器212的第一端口的输入为光梳(例如包括λ1和λ2的激光光束)；一号第一环形器的第二端口与一号第二激光器211连通，第二端口的输出为第一端口输入的光梳，第二端口的输入为一号第二激光器输出的单一波长(例如λ1)的激光光束；第三端口的输出为第二端口输入的单一波长的激光光束。
需要说明的是，光梳的波长间隔(或者说频率间隔)较小的情况下，例如10GHz-20GHz，使用现有的密集型光波复用(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)难以实现有效分光。在这里，提出采用第二激光器和第一环形器组合的分光子模块，可以对较小波长间隔的光梳实现分光。
在一些实施例中，上述第二激光器为分布式反馈激光器(Distributed FeedbackLaser，DFB)，适于利用注入锁定技术，从输入的多边带的光梳型激光光束中分离出相应单一波长的激光光束。
需要说明的是，采用第一分束器进行分光，进入不同的分光子模块，每个分光子模块利用注入锁定技术分离出相应的波长；每个分布反馈式激光器的输出功率较高，能够满足单通道测距的功率需求，因此，发射装置无需额外布置掺铒光纤放大器(EDFA)，由此，可以减少发射装置成本，进而减少激光雷达的成本。
需要说明的是，分布式反馈激光器的成本远小于相同数量的可调谐窄线宽激光器，因此，设置第二激光器并且第二激光器使用分布式反馈激光器，可以使得发射装置的成本较低。在一些实施例中，请参考图3，图3中上述发射装置可以包括N个第二分束器4，上述第二分束器4用于将分光子模块输出的单一波长的激光分为至少两束。第二分束器发出的至少两束的激光可以包括参考光束和扫描光束。
在这里，上述扫描光束，可以用于对三维空间进行扫描。
在这里，上述参考光束，可以输入至激光雷达的探测模块，用于提供三维空间中的障碍物探测的参考信息。
可以理解，每个分光子模块之后均可以连接第二分束器。第二分束器的数量可以与分光子模块的数量一致。
在一些实施例中，上述发射装置还可以包括第二环形器5。
在这里，上述第二环形器可以包括三个端口，上述第二环形器的第一端口的输入为第二分束器发出的扫描光束；第二环形器的第二端口的输出为第一端口输入的扫描光束，第二环形器的第二端口的输入为基于扫描光束的回波；第二环形器的第三端口的输出为第二端口输入的回波。
在这里，每个第二分束器均可以连接一个第二环形器，换句话说，第二环形器的数量，可以与第二分束器的数量相同。
在一些实施例中，请参考图7，其示出了一种可用于FMCW激光雷达的发射装置。图7示出的发射装置使用多个可调谐窄线宽激光器发出多种频率的连续波，图7中示出了一号第三激光器71、二号第三激光器72和三号第三激光器73。一号第三激光器71、二号第三激光器72和三号第三激光器73中的每个第三激光器，可以输出单一波长的激光光束，三者输出的激光光束的波长各不相同。一号第三激光器71输出的单一波长激光光束输至放大器8，放大器输出的激光光束(单一波长)输出至第三分束器，第三分束器输出的两路激光光束分别输入至第三环形器10和探测模块6；第三环形器10可以包括三个端口，上述第三环形器的第一端口的输入为第三分束器发出的扫描光束；第三环形器的第二端口的输出为第一端口输入的扫描光束，第三环形器的第二端口的输入为基于扫描光束的回波；第三环形器的第三端口的输出为第二端口输入的回波；探测模块6可以接收参考光束以及被三维空间中的障碍物反射的回波光束，并进而根据上述参考光束与回波光束，输出障碍物信息。图7中的二号第三激光器72输出的激光光束的后续传输可以参考一号第三激光器71，三号激光器73输出的激光光束的后续传输可以参考一号第三激光器71，在此不再赘述。需要说明的是，图7中的六个小点，除了上述三个第三激光器之外，还可以设置更多的激光器，也就是说对于第三激光器的个数不做限定。图7中示出的发射装置中由于用了可调谐激光器阵列，因此会有成本较高的问题。
对比而言，请参考图3，图3提供的方案中，采用单个可调谐激光器，通过级联外调制EOM(或其他实现形式)形成多边带光梳，由于光梳波长间隔极小，仅10-20GHz，远小于现有DWDM的波长间隔，因此无法实现波分，我们的方案中使用N分光子模块分光，进入不同通道，每个通道利用注入锁定技术分离出相应的波长。每个DFB激光器的输出功率较高，能够满足单通道测距的功率需求，因此无需额外的放大器。形成多通道的FMCW系统。图3提供的技术方案的技术效果可以包括：系统中只使用了一个可调谐激光器，而注入锁定中使用的DFB激光器芯片成本远小于相同数量的可调谐窄线宽激光器，因此具有低成本的优势；系统中没有使用EDFA，百毫瓦DFB的功率对于FMCW足够；EOM将来可用硅光子学集成，成本极低。在一些实施例中，请参考图3，发射端的第二分束器4和第二环形器4还可以与激光雷达的探测模块6连接。
本实施例可以提供一种FMCW激光雷达，上述FMCW激光雷达可以包括本申请提供的任意一种发射装置。
在一些实施例中，上述FMCW激光雷达，还可以包括探测模块。在这里，上述探测模块可以适于接收参考光束以及被三维空间中的障碍物反射的回波光束，并进而根据上述参考光束与回波光束，输出障碍物信息。
显而易见的是，通过将不同的实施方式及各个技术特征以不同的方式进行组合或者对其进行改型，可以进一步设计得出各种不同的实施方式。
上文结合具体实施方式描述了根据本申请的优选实施方式的扫描装置和包括其的激光雷达及操作方法。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本申请的范围的情况下，本领域技术人员参照上述描述可以想到多种变型和修改。这些变型和修改同样包含在本申请的保护范围内。
以上上述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种可用于FMCW激光雷达的发射装置，包括：光梳产生模块和分光模块；
所述光梳产生模块，用于产生多边带的光梳；
所述分光模块包括N个分光子模块，每个分光子模块的输入为所述多边带的光梳，输出为单一波长的激光光束，其中，N≥2。
2.根据权利要求1所述的发射装置，所述光梳产生模块包括第一激光器和第一电光调制器；
所述第一激光器，用于发出单一波长且波长可调谐的激光；
所述第一电光调制器，用于将所述第一激光器发出的激光调制成多边带的光梳型激光光束，其中每一个边带具有和第一激光器相同的调谐特性。
3.根据权利要求2所述的发射装置，所述光梳产生模块还包括第二电光调制器；
所述第二电光调制器，用于对所述第一电光调制器发出的多边带激光进行光谱整形，以减小边带间的功率差异。
4.根据权利要求1所述的发射装置，还包括第一分束器；
所述第一分束器，用于将所述光梳产生模块发出的激光分为N路，且一一各自输入至N个分光子模块。
5.根据权利要求4所述的发射装置，每个分光子模块包括第二激光器和第一环形器；
第一环形器包括三个端口，第一环形器的第一端口的输入为所述光梳；
第一环形器的第二端口与第二激光器连通，第二端口的输出为第一端口输入的光梳；
第二端口的输入为第二激光器输出的单一波长的激光；
第三端口的输出为第二端口输入的单一波长的激光。
6.根据权利要求5所述的发射装置，所述第二激光器为分布式反馈激光器，适于利用注入锁定技术，从输入的多边带的光梳型激光光束中分离出相应单一波长的激光光束。
7.根据权利要求1所述的发射装置，包括N个第二分束器，第二分束器用于将分光子模块输出的单一波长的激光分为至少两束；第二分束器发出的所述至少两束的激光包括参考光束和扫描光束；
所述扫描光束，用于对三维空间进行扫描；
所述参考光束，输入至发射装置的探测模块，用于提供三维空间中障碍物探测的参考信息。
8.根据权利要求7所述的发射装置，还包括第二环形器；
第二环形器包括三个端口，第二环形器的第一端口的输入为第二分束器发出的扫描光束；
所述第二环形器的第二端口的输出为第一端口输入的扫描光束，所述第二环形器的第二端口的输入为基于扫描光束的回波；
所述第二环形器的第三端口的输出为第二端口输入的回波。
9.一种FMCW激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的发射装置。
10.根据权利要求9所述的激光雷达，还包括探测模块，适于接收参考光束以及被三维空间中障碍物反射回的回波光束，并进而根据所述参考光束与回波光束，输出障碍物信息。
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