CN113267777A - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种激光雷达，包括：激光发射模块、分光模块、扫描模块和接收模块；该激光发射模块，用于产生N种波长的脉冲激光束，其中，N≥2；该分光模块，用于将该激光发射模块发出的脉冲激光束按照波长分为N束入射光束，并传输至该扫描模块；该扫描模块，用于将该N束入射光束反射至三维空间，以及用于接收并反射该N束入射光束经三维空间中的待测目标反射后的回波；该接收模块，用于接收并处理该回波。由此，可以提供一种新的激光雷达。

Description

一种激光雷达

技术领域

本公开涉及激光探测技术领域，特别涉及一种激光雷达。

背景技术

本部分提供了与本公开相关的背景信息，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不可比拟的优势。激光雷达通过发射和接收激光束，分析激光束遇到目标对象后的折返时间，计算出目标对象与车的相对距离。

车载激光雷达作为感知周围信息的重要传感器。更大的视场角，更高的角度精度，更快的帧率是其追求的目标。由于受到脉冲光飞行时间的限制，光源重复频率的提升往往具有上限。为了进一步提升激光雷达的点频，多通道同时探测是必然选择。而在实际应用中，基于多通道同时探测的激光雷达由于通道串扰而形成的鬼像问题是当前车载激光雷达的一大共性问题，限制了其在自动驾驶行业中的应用。

发明内容

本公开提供了一种激光雷达，可以采用多种波长的脉冲激光束进行多个通道的同时探测，由于多个通道之间光的波长不同，可以减少通道之间的串扰。

本公开实施例提供了一种激光雷达，包括：激光发射模块、分光模块、扫描模块和接收模块；上述激光发射模块，用于产生N种波长的脉冲激光束，其中，N≥2；上述分光模块，用于将上述激光发射模块发出的脉冲激光束按照波长分为N束入射光束，并传输至上述扫描模块；上述扫描模块，用于将上述N束入射光束反射至三维空间，以及用于接收并反射上述N束入射光束经三维空间中的待测目标反射后的回波；上述接收模块，用于接收并处理上述回波。

在一些实施例中，上述接收模块包括N个接收子模块，每个接收子模块包括反射单元、会聚单元、滤波单元和探测单元；上述反射单元用于反射上述扫描模块反射后的回波；上述会聚单元用于会聚经上述反射单元的回波；上述滤波单元用于：从经上述反射单元的回波中，滤出上述N种波长中的一种波长的回波；上述探测器用于接收并处理经上述滤波单元滤出的回波。

在一些实施例中，上述激光发射模块包括光纤光栅外腔激光器；其中，上述光纤光栅外腔激光器，包括增益芯片以及光纤光栅，上述增益芯片以及光纤光栅构成上述光纤光栅外腔激光器的外腔；上述增益芯片，用于提供增益放大；上述光纤光栅上设置有N种选模结构，用于选模。

在一些实施例中，上述激光发射模块包括发射不同波长的N个半导体激光器，一个光合束器和一个光放大器，每个激光器产生对应于N种波长中的一种波长的脉冲激光束，上述光合束器用于将上述N个不同光源发出的激光合为一束，所述光放大器用于将所述光合束器发出的脉冲激光束进行放大。

在一些实施例中，上述N＝3。

在一些实施例中，上述N种波长在C波段内。

在一些实施例中，上述N种波长中任意两种波长的差值不小于20纳米。

在一些实施例中，上述分光模块包括双色镜以及单面镜，其中：

上述双色镜包括第一双色镜和第二双色镜，上述N种波长包括第一波长、第二波长和第三波长；上述第一双色镜，用于将上述第一波长的脉冲激光束传输至上述扫描模块以形成第一入射光束，且用于将上述第二波长和上述第三波长的脉冲激光束传输至上述第二双色镜；上述第二双色镜，用于将上述第二波长的脉冲激光束传输至上述扫描器件以形成第二入射光束，且用于将上述第三波长的脉冲激光束透过至上述单面镜；上述单面镜，用于反射上述第三波长的脉冲激光束至上述扫描模块以形成第三入射光束。

在一些实施例中，上述激光雷达包括放大模块，上述放大模块用于放大上述滤波模块滤出的脉冲激光束。

在一些实施例中，上述激光雷达还可以包括准直模块，上述准直模块用于对脉冲激光束进行准直并将脉冲激光束传输至上述分光模块。

由此可见，根据本公开的激光雷达，采用多种波长的脉冲激光束进行探测，由于多个通道之间光的波长不同，可以减少通道之间的串扰。

另一方面，对于通道之间机械结构件的设计，可以在通道隔离这方面降低要求(例如可以不用设置完全隔离的多个光通道，以及不用设置消光部件)，从而，可以降低激光雷达的设计成本、制造成本。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，将更好地理解本公开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是根据本公开的一些实施例的一种激光雷达的结构示意图；

图2是根据本公开的一些实施例的接收子模块的结构示意图；

图3是根据本公开的一些实施例的再一种激光雷达的结构示意图；

图4是根据本公开的一些实施例的激光发射模块的结构示意图；

图5是根据本公开的一些实施例的又一种激光雷达的结构示意图；

图6是根据本公开的一些实施例的分光模块和扫描模块的结构示意图；

其中：

1-激光发射模块，11-增益芯片、12-光纤光栅；2-分光模块，21-第一双面镜、22-第二双面镜、23-单面镜；3-扫描模块；4-接收模块，41-反射单元、42-会聚单元、43-滤波单元、44-探测单元；5-待测目标；6-放大模块；7-准直模块；81-第一入射光束、82-第二入射光束、83-第三入射光束。

具体实施方式

现在将结合附图对本公开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公开及其应用或用途。

在本公开的描述中，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公开和简化描述，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公开的限制。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，以便这里描述的本公开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。

请参考图1，本公开的实施例提供了一种激光雷达，包括激光发射模块1、分光模块2、扫描模块3和接收模块4。

在本实施例中，上述激光发射模块1，可以用于产生N种波长的脉冲激光束。

在这里，N≥2，换句话说，激光发射模块产生的激光光束可以是至少两种波长的。需要说明的是，N的数值可以根据实际应用场景设置，在此不做限定。

作为示例，可以平衡视场大小的需求以及雷达的体积需求，设置N的数值。

在本实施例中，上述分光模块2，可以用于将激光发射模块发出的脉冲激光束，按照波长分为N束入射光束，并传输至上述扫描模块3。换句话说，N束入射光束中的每束入射光束，均是单一波长。请参考图1，图1中分光模块出射的N束入射光束可以包括第一入射光束81、第二入射光束82和第三入射光束83。作为示例，上述第一入射光束81可以是1530纳米的激光光束，第二入射光束82可以是1550纳米的激光光束，上述第三入射光束83可以是1570纳米的激光光束。

在本实施例中，上述扫描模块3，可以用于将上述N束入射光束反射至三维空间，以及用于接收并反射N束入射光束经三维空间中的待测目标5反射后的回波。在这里，扫描模块的具体实现方式可以根据实际情况设置，例如可以是静电式振镜、电磁式振镜、摆镜、转镜等，在此不做限定。

在一些实施例中，上述分光模块可以将脉冲激光束分为N束入射光束，并入射至上述扫描模块，相应形成N个子扫描视场；横向N个子扫描视场平行排布，通过视场拼接扩大水平视场。作为示例，每个子扫描视场可以设置为20度；如果N为3，那么3个子扫描视场进行拼接，激光雷达的水平总视场能够达到60度。

在本实施例中，上述接收模块4，可以用于接收并处理上述回波。

可以理解，在激光雷达处于工作状态时，上述激光发射模块1可以发射包括N种波长的激光的脉冲激光束，激光发射模块1发射的激光脉冲束可以入射至分光模块2，分光模块2可以将上述脉冲激光束分为N束入射光束，每种入射光束可以是单一波长的脉冲激光束；入射光束可以被扫描模块3反射到三维空间进行探测，三维空间中的待测目标会发生反射，形成回波，由于入射光束包括多种波长，回波也可以包括这N种波长的激光光束；接收模块4可以接收并处理回波，得到需要的环境感知数据。

需要说明的是，图1中各个箭头的指向不代表光线的实际传输方向，仅是对各个模块之间光信号传递关系的示例性说明。

通常，采用单一波长的激光光束的激光雷达，如要实现水平视场的扩展，可以在激光雷达上设置多个通道，但是需要一些机械结构件的设计，例如设置隔板和涂消光漆，来隔断通道彼此之间的干扰光。作为示例，对采用一种波长的激光雷达的机械结构简单进行说明：激光雷达中可以设置N组光通道，每组光通道中通过设置的偏折棱镜让入射光束偏折至上述扫描模块；同时要确保光通道对应的回波光束返回到各自的光通道中，上述各个光通道相互之间隔离；接收模块还需要包括消光部件，消光部件可以设置在会聚单元和上述探测单元之间，用于防止不同通道之间的回波彼此串扰。

在一些实施例中，请参考图2，上述接收模块4还可以包括N个接收子模块，每个接收子模块包括反射单元41、会聚单元42、滤波单元43和探测单元44。在图2中，没有示出多个接收子模块，而是示出了接收子模块的中的通用结构。

在这里，上述反射单元41，可以用于反射扫描模块反射后的回波。上述反射单元可以位于分光模块和扫描模块之间。

在这里，上述会聚单元42，可以用于会聚经上述反射单元反射的回波。

在这里，上述滤波单元43可以用于：从经反射单元的回波中，滤出N中波长中的一种波长的回波，从而可以进一步地降低串扰，提高测距的精度。可以理解，不同接收子模块中的滤波单元滤出的激光的波长是不同的。

在这里，上述探测单元44，可以用于接收并处理经滤波单元滤出的回波。

可选的，反射模块反射的回波，可以先通过会聚单元，再通过滤波单元；也可以先通过滤波单元，再通过会聚单元。

作为示例，任意一组接收子模块可以包括依次设置的反射单元、会聚单元、滤波单元和探测单元。

作为示例，任意一组接收子模块可以包括依次设置的反射单元、滤波单元、会聚单元和探测单元。

在一些实施例中，请参考图3，上述反射单元41可以设置于上述入射光束从上述分光模块入射至上述扫描模块所形成的光路路径上。上述反射单元可以设置透光部，上述透光部可以用于透射入射光束。

在一些实施例中，上述反射单元可以是带有透光孔的反射镜，也可以称为小孔反射镜或者小孔光阑。

在一些实施例中，上述反射单元可以是具有透光区域的反射镜。带有透光区域的反射镜可以通过以下方式制备：在基片的一面镀增透膜；在基片的另一面，预设透光区域镀增透膜，在预设透射区域之外的区域，镀全反射膜。透光区域的形状是可选的，在此不做限定。

在一些实施例中，上述反射单元可以采用偏振分光片实现。

在一些实施例中，上述透光部的入射光束与经过上述扫描模块的反射后的回波共轴。

作为示例，激光雷达处于工作状态的时候，上述分光模块与上述扫描模块可以对应形成N个发射光路，上述扫描模块分别与上述N个接收模块对应形成N个接收光路；上述N个发射光路和上述N个接收光路一一对应，而且上述N个发射光路和上述N个接收光路可以部分共轴。

在一些实施例中，为了避免各个脉冲激光束发生串扰，可以设置多通道，使得各个脉冲激光束分别走不通通道。在使用多通道的情况下，每个通道可以允许一种波长的脉冲激光束从分光模块传输至扫描模块；此通道还可以允许扫描模块反射的回波传输至一个接收子模块。作为示例，请参考图3，第一双面镜21出射的激光光束经过第一通道传输至扫描模块，扫描模块反射的回波经第一通道到达第一双面镜对应的反射单元41；第二双面镜22出射的激光光束经第二通道传输至扫描模块，扫描模块反射的回波经第二通道达到第二双面镜对应的反射单元(未标号)；单面镜23出射的激光光束经第三通道传输至扫描模块，扫描模块反射的回波经第三通道达到单面镜对应的反射单元(未标号)。

需要说明的是，对于通道之间机械结构件的设计，可以在通道隔离这方面降低要求(例如不用设置完全隔离的多个光通道，不用设置消光部件)，从而，可以降低激光雷达的设计成本、制造成本。在一些实施例中，上述N种波长可以在C波段内。

在一些实施例中，上述N种波长中任意两种波长的差值不小于20纳米。作为示例，上述三种波长分别为1530纳米、1550纳米和1570纳米，以确保所有波长的探测光束尽量保持在大气窗口附近，提高激光雷达的探测性能。

需要说明的是，通过采用C波段内的间隔相对较远的波长，可以降低激光发射模块和接收模块中滤波器的制作成本。

在一些实施例中，请参考图3，上述激光雷达还可以包括放大模块6，上述放大模块6可以用于放大上述激光发射模块出射的脉冲激光束。

可选的，上述放大模块的实现方式可以根据具体应用场景设置，在此不做限定。作为示例，上述放大模块可以是掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber ApplicationAmplifier，EDFA)。

在一些实施例中，上述激光雷达还可以包括准直模块7，上述准直模块7用于对脉冲激光束进行准直并入射至上述分光模块。

在一些实施例中，激光雷达可以包括与激光发射模块耦合的光纤连接组件。上述激光发射模块可以用于发射上述脉冲激光束，光纤连接组件可以将激光发射模块发出的脉冲激光束传输至上述准直模块。

在一些实施例中，上述激光发射模块可以只具有光源，光源发出的脉冲激光束直接入射至上述分光模块；或者，上述激光发射模块可以只包括光源和光纤连接组件，上述光源发出的脉冲激光束通过上述光纤连接组件传输后再入射至上述分光模块。

可选的，激光发射模块的设置方式可以根据实际情况设置，在此不做限定。

可选的，可以根据扫描密度的需求、激光雷达的散热问题、尺寸需求以及扫描模块的尺寸限制等，对激光发射模块进行设置。

在一些实施例中，激光发射模块可以发出多种波长的激光束。可以理解，能够发出多种波长激光束的激光发射模块，具体的结构可以是各种各样的，在此不做限定。

在一些实施例中，上述激光发射模块可以包括光纤光栅外腔激光器。请参考图4，其示出了可用于本公开的激光发射模块的光纤光栅外腔激光器的示例性结构。光纤光栅外腔激光器，可以包括增益芯片11以及光纤光栅12。

在这里，增益芯片11以及光纤光栅12可以构成激光光栅外腔激光器的外腔。在图4中，增益芯片也可以称为Gain chip，光纤光栅也可以称为多波长光纤光栅(Multi-wavelengthFiber Bragg Grating)。

在这里，上述增益芯片，可以用于提供增益放大。

在这里，上述光纤光栅上可以设置有N种选模结构，用于选模。

作为示例，上述激光发射模块中的光纤光栅外腔激光器处于电脉冲驱动工作状态的时候，增益介质可以对腔内光子进行增益放大；光纤光栅可以对增益放大的光进行波长选择，使得上述N种增益的光可以作为脉冲激光发出。

需要说明的是，如果上述激光发射模块采用光纤光栅外腔激光器，则激光发射模块中设置一个光纤光栅外腔激光器即可，从而可以减少所设置的激光器的数量，减少激光器所占空间、降低激光发射模块的成本。

在一些实施例中，上述激光发射模块也可以有发射不同波长的N个半导体激光器，一个光合束器(Nx1)和一个光放大器构成。每个激光器对应于N种波长中的一种波长的脉冲激光束。上述光合束器用于将上述N个不同光源发出的激光合为一束，该光放大器用于将光合束器发出的脉冲激光束进行放大。

作为示例，包括N个激光光源的激光发射模块处于工作状态的时候，可以先由每个光源产生一种波长的激光；然后，由光合束器将这N种波长的激光合为一束；再后，上述光放大器可以将上述光合束器输出的脉冲激光束进行放大。

在一些实施例中，上述分光模块可以包括双色镜和单面镜。

在这里，可以通过对双色镜参数的选择，实现双色镜使得上述3中波长中的其中一种波长的激光，被反射至扫描模块，其余波长从上述双色镜中透射。

在这里，上述单面镜可以设置在分光模块内部光路的最后位置，也就是说，N种波长的激光，经过一系列双色镜，最后透射光为单一波长的脉冲激光束；单面镜可以将这个单一波长脉冲激光束反射至扫描模块。

在一些实施例中，N可以等于3，换句话说，上述激光发射模块可以发出包括3种波长的激光的脉冲激光束。

在一些实施例中，激光发射模块可以发射3种波长的激光脉冲光束，这三种波长可以是第一波长、第二波长和第三波长。在这里，上述第一波长、第二波长和第三波长的具体数值可以根据实际情况设置，在此不做限定。

在一些实施例中，请参考图3，上述双色镜可以包括第一双色镜21和第二双色镜22。

在一些实施例中，第一双色镜21，用于将第一波长的脉冲激光束传输至扫描模块3以形成第一入射光束，且用于将第二波长和第三波长的脉冲激光束传输至第二双色镜22；第二双色镜22，用于将第二波长的脉冲激光束传输至扫描器件3以形成第二入射光束，且用于将第三波长的脉冲激光束透过至单面镜23；上述单面镜23，用于反射第三波长的脉冲激光束至上述扫描模块以形成第三入射光束。在这里，上述传输可以是透射，也可以是反射。

在图3中，第一入射光束、第二入射光束和第三入射光束用实线表示；第一入射光束的回波用虚线表示，第二入射光束的回波用虚线表示，第三入射光束的回波用虚线表示。图3中示出了三组接收子模块，以与第一双色镜21对应的接收子模块为例，将第一双色镜对应的接收子模块中的反射单元41、滤波单元43和探测单元44进行了标号示意；可以理解，与第二双色镜21对应的接收子模块虽然示出了，但是为了附图的简明，没有进行标号，与单面镜23对应的接收子模块虽然示出了，，但是为了附图的简明，没有进行标号。

在一些实施例中，请参考图3，第一双色镜可以反射第一波长和第二波长的脉冲激光束，透射第三波长的脉冲激光束；上述第二双色镜可以反射第二波长的脉冲激光束，透射第一波长的脉冲激光束；上述反射镜可以用于反射第一波长的脉冲激光束。

在一些实施例中，请参考图5，第一双色镜21可以透射第三波长和第二波长的脉冲激光束，反射第一波长的脉冲激光束；上述第二双色镜可以透射第三波长的脉冲激光束，反射第二波长的脉冲激光束；上述单面镜用于反射第三波长的脉冲激光束。

通过对比图3和图5可以看出，根据激光发射模块和分光模块的相对位置不同，可能需要调整分光模块中各个双色镜的参数。具体的参数调整方式，本领域人员在上述公开内容的教导下可以推倒得到，在此不再赘述。

在这里，可以参考图6，其示出了分光模块和扫描模块的示例性结构。在图6中，第一双色镜21，用于将第一波长的脉冲激光束传输至扫描模块3以形成第一入射光束81，且用于将第二波长和第三波长的脉冲激光束传输至第二双色镜22；第二双色镜22，用于将第二波长的脉冲激光束传输至扫描器件3以形成第二入射光束82，且用于将第三波长的脉冲激光束传输至单面镜23；上述单面镜23，用于反射第三波长的脉冲激光束至上述扫描模块以形成第三入射光束83。

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公开的优选实施方式的激光雷达。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本公开的范围的情况下，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公开的保护范围内。

以上上述，以上实施例仅用以说明本公开的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，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公开各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种激光雷达，包括：激光发射模块、分光模块、扫描模块和接收模块；

所述激光发射模块，用于产生N种波长的脉冲激光束，其中，N≥2；

所述分光模块，用于将所述激光发射模块发出的脉冲激光束按照波长分为N束入射光束，并传输至所述扫描模块；

所述扫描模块，用于将所述N束入射光束反射至三维空间，以及用于接收并反射所述N束入射光束经三维空间中的待测目标反射后的回波；

所述接收模块，用于接收并处理所述回波。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，所述接收模块包括N个接收子模块，每个接收子模块包括反射单元、会聚单元、滤波单元和探测单元；

所述反射单元用于反射所述扫描模块反射后的回波；

所述会聚单元用于会聚经所述反射单元的回波；

所述滤波单元用于：从经所述反射单元的回波中，滤出所述N种波长中的一种波长的回波；

所述探测器用于接收并处理经所述滤波单元滤出的回波。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，所述激光发射模块包括光纤光栅外腔激光器；其中，所述光纤光栅外腔激光器，包括增益芯片以及光纤光栅，所述增益芯片以及光纤光栅构成所述光纤光栅外腔激光器的外腔；

所述增益芯片，用于提供增益放大；

所述光纤光栅上设置有N种选模结构，用于选模。

4.根据权利要求1所述的激光雷达，所述激光发射模块包括发射不同波长的N个半导体激光器，一个光合束器和一个光放大器，每个激光器产生对应于N种波长中的一种波长的脉冲激光束，上述光合束器用于将上述N个不同光源发出的激光合为一束，所述光放大器用于将所述光合束器发出的脉冲激光束进行放大。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，所述N＝3。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，所述N种波长在C波段内。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，所述N种波长中任意两种波长的差值不小于20纳米。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的激光雷达，所述分光模块包括双色镜以及单面镜，其中：

所述双色镜包括第一双色镜和第二双色镜，所述N种波长包括第一波长、第二波长和第三波长；

所述第一双色镜，用于将所述第一波长的脉冲激光束传输至所述扫描模块以形成第一入射光束，且用于将所述第二波长和所述第三波长的脉冲激光束传输至所述第二双色镜；

所述第二双色镜，用于将所述第二波长的脉冲激光束传输至所述扫描器件以形成第二入射光束，且用于将所述第三波长的脉冲激光束透过至所述单面镜；

所述单面镜，用于反射所述第三波长的脉冲激光束至所述扫描模块以形成第三入射光束。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，所述激光雷达包括放大模块，所述放大模块用于放大所述滤波模块滤出的脉冲激光束。

10.根据权利要求9所述的激光雷达，上述激光雷达还可以包括准直模块，上述准直模块用于对脉冲激光束进行准直并将脉冲激光束传输至所述分光模块。

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