CN114002703A - 一种三维成像的全固态激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

一种三维成像的全固态激光雷达装置涉及激光雷达技术领域，解决了现有激光雷达系统集成小型化和外接抗干扰能力均较弱的问题，该装置包括：包括可调谐半导体激光器阵列、发射芯片、光路透镜系统、激光接收芯片和数字处理系统，发射芯片和激光接收芯片均为光学相控阵，可调谐半导体激光器阵列能够发射激光光束阵列，发射芯片能够将可调谐半导体激光器阵列发射的激光光束阵列转变为具有相位差的扫描光束，经目标物反射得到的激光回波信号能够经光路透镜系统透射后被激光接收芯片接收，激光接收芯片能够处理激光回波信号得到模拟信号并将模拟信号发送至数字处理系统。本发明实现了集成小型化，实现高精度、高抗扰的三维成像功能。

Description

一种三维成像的全固态激光雷达装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种三维成像的全固态激光雷达装置。

背景技术

激光雷达是自动驾驶和机器人应用的主要传感器之一，对于无人驾驶汽车的重要性，就好比声呐系统对于鲸鱼、眼睛对于人类的作用，因此被称为智能汽车的眼睛。激光雷达主要通过向目标物体发射激光束扫描和接收从目标对象上反射回来的回波信号来测量目标的位置、速度等特征，同时由云计算系统处理这些信息，形成精度高达厘米级的3D环境地图。由于激光雷达系统的激光波长一般只有微米的量级，所以能够探测非常微小的目标、方向性强、响应快、量精度也远高于毫米波雷达及其他车载标准雷达，是目前智能汽车环境感测的最有效方案。

按有无机械旋转部件分类，激光雷达可以分成机械式激光雷达和固态激光雷达。传统的二维机械旋转式激光雷达重量重、价格昂贵、机械磨损大，其内部结构包含光学器件、电子元器件和激光器件等，繁多而分散，工艺难度大，尤其是精密组件调试过程复杂，难以实现批量生产和推广；对于固态激光雷达，尺寸较小、测量精度相对较高，可隐藏于车身内，不破坏美观等，目前最有望满足车规要求的激光雷达是采用光学相控阵(OPA)原理实现的全固态光学相控阵激光雷达，其内部没有任何宏观和微观的运动部件，因此不存在机械磨损，可靠性高，是公认的低成本、小型化激光雷达的理想选择。

目前，采用OPA式的全固态激光雷达其发射端和接收端都是大规模的光学相控阵，发射端用于完成二维的波束扫描，这一过程需要激光波长调谐和移相器分别控制一个维度来协同完成，控制难度大，另外发射端的移相器还需控制电路驱动，其功耗和面积随这些元件数量的增加而剧增；接收端用于接收和处理激光接触目标反射回来的回波信号，当遇到极端天气时，光能量受到折射率的影响，会导致接收端光信号的失真，造成激光雷达出现错误识别的现象。如何实现整体系统集成小型化以及如何提高雷达对外界环境的抗干扰能力，实现接收端光信号的高效耦合一直是激光雷达领域的重点和难点。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供一种三维成像的全固态激光雷达装置。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种三维成像的全固态激光雷达装置，包括可调谐半导体激光器阵列、发射芯片、光路透镜系统、激光接收芯片和数字处理系统，所述发射芯片和激光接收芯片均为光学相控阵，可调谐半导体激光器阵列能够发射激光光束阵列，发射芯片能够将可调谐半导体激光器阵列发射的激光光束阵列转变为具有相位差的扫描光束，发射芯片发射的扫描光束能够经过光路透镜系统透射后照射到目标物上，且经目标物反射能够得到激光回波信号，激光回波信号能够经光路透镜系统透射后被激光接收芯片接收，激光接收芯片能够处理激光回波信号得到模拟信号并将模拟信号发送至数字处理系统，数字处理系统能够通过处理模拟信号，通过数字处理系统对模拟信号的处理能够实现目标物的三维成像。

一种三维成像的全固态激光雷达系统，包括多个一种三维成像的全固态激光雷达装置，所述全固态激光雷达系统在一个维度上的视场角为360°。

本发明的有益效果是：

本发明的一种三维成像的全固态激光雷达装置通过可调谐半导体激光阵列代替传统的激光单管，输出的光能量更高，有利于极端天气光信号的穿透能力，提高了雷达对外界环境的抗干扰能力；利用通过光路透镜系统的光束整形技术实现发射芯片和激光接收芯片的高效耦合和集成小型化，通过激光接收芯片接收目标物反射回来的激光回波信号，提升雷达探测时的对于信号的灵敏度，本发明同时可实现整个全固态激光雷达高精度、高抗扰的三维成像功能。

附图说明

图1为本发明一种三维成像的全固态激光雷达装置的总体示意图。

图2为本发明一种三维成像的全固态激光雷达装置的发射芯片的示意图。

图3为本发明一种三维成像的全固态激光雷达装置的微透镜阵列示意图。

图4为本发明一种三维成像的全固态激光雷达装置的激光接收芯片示意图。

图5为本发明一种三维成像的全固态激光雷达装置的像素传感器单元的示意图。

图中：1、可调谐半导体激光器阵列，2、发射芯片，201、第一光分束网络，202、分束器，203、多模干涉耦合器，204、相控阵，205、移相器，206、天线，3、第一透镜组，4、微透镜阵列，5、第二透镜组，6、偏振片一，7、法拉第旋转器，8、透镜一，9、目标物，10、偏振片二，11、透镜二，12、物镜，13、激光接收芯片，1301、第二光分束网络，1302、延迟线组，1303、像素传感器阵列，1304、硅波导，1305、定向耦合器，1306、光栅耦合器，1307、pin光电二极管，1308、跨阻放大器，1309、电极，1310、信号输出端，14、数字处理系统。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

一种三维成像的全固态激光雷达装置，包括可调谐半导体激光器阵列1、发射芯片2、光路透镜系统、发射芯片2和数字处理系统14，发射芯片2和激光接收芯片13均为光学相控阵，可调谐半导体激光器阵列1能够发射激光光束阵列，发射芯片2能够将可调谐半导体激光器阵列1发射的激光光束阵列转变为具有相位差的扫描光束，发射芯片2发射的扫描光束能够经过光路透镜系统透射后照射到目标物上，且经目标物反射能够得到激光回波信号，激光回波信号能够经光路透镜系统透射后被激光接收芯片13接收，激光接收芯片13能够处理激光回波信号得到模拟信号并将模拟信号发送至数字处理系统14，数字处理系统14能够通过处理模拟信号，通过数字处理系统14对模拟信号的处理能够实现目标物的三维成像，也就是得到目标物的三维成像图像。

可调谐半导体激光阵列作为一种三维成像的全固态激光雷达装置的激光光源，工作波段为1500nm～1600nm之间，用于提供能量和实现光束在视场(视场为全固态激光雷达装置的视场)的纵向扫描，波长调谐纵向角度范围为15度。入射到发射芯片2的光束方向为纵向，横向垂直于纵向，如图1，横向和纵向均为平行于水平面的方向，纵向为水平向右的方向，横向是指垂直于纸面的方向。

发射芯片2为可扩展式的光学相控阵，能够对输入到其上的光束分束得到多路光信号并能够改变光信号相位使得光信号之间存在相位差，完成对视场中的另外一个维度扫描完成对视场中的横向扫描。也就是可调谐半导体激光阵列用于实现视场一个维度上的扫描，发射芯片2用于实现视场另一个维度上的扫描。

上述发射芯片2包括光栅耦合器、第一光分束网络201和相控阵204，具体示意图如图2所示。光栅耦合器用于将可调谐半导体激光阵列发射的激光光束阵列耦合到发射芯片2中得到光信号。第一光分束网络用于光信号分路，第一光分束网络包括分束器202和多模干涉耦合器203，光栅耦合器、分束器202和多模干涉耦合器203顺次设置，分束器202用于光束分束，将光栅耦合器耦合得到的单路光信号进行分束得到多路光信号，分束器202输出的光信号通过多模干涉耦合器203能够传输到相控阵204，多模干涉耦合器203能够减少光传输的损耗，使得入射到相控阵204的所有光信号的相位相同。多模干涉耦合器203可直接连接相控阵204，多模干涉耦合器203和相控阵204之间可连接其他装置，例如光学放大器、分束装置。入射到相控阵204的所有光信号的相位相同，相控阵204用于将第一光分束网络发射且入射到其上的光信号进行相位调控使得相控阵204出射的光信号之间存在相位差，相控阵204出射的存在相位差的光信号即为具有相位差的扫描光束，相控阵204包括移相器205和天线206，移相器205用于改变输入到其上光信号的相位，天线206用于发射经过移相器205调控后的光信号。光栅耦合器将可调谐半导体激光阵列发射的激光耦合进发射芯片2中，由分束器202将单路光信号分成多路光信号后，多路光信号再通过多模干涉耦合器203分配至相控阵204中，通过外接电路调控移相器205来改变相控阵中各天线206发出的光信号相位，产生相位差，经天线206发射，完成对视场中横向维度的扫描，横向扫描范围为120度。相控阵204为m(列)×n(行)的阵列，m和n均为大于1的整数，相控阵204阵列的每个相控单元包括一个移相器205和一个对应移相器205设置的天线206，移相器205和天线206均为m个，入射到每个移相器205上的光信号的相位相同，分束器202将入射到其上的光信号分为n路，多模干涉耦合器203为n个。上述移相器205为电驱动的热光调制，发射芯片2通过移相器205来改变相控阵204中各天线的光信号相位，产生相位差，完成对视场中的横向扫描。

光路透镜系统，用于匹配发射芯片2的发送功能和接收芯片的接收功能。光路透镜系统包括微透镜阵列4、物镜12、法拉第旋转器7和偏振片二10，还包括第一透镜组3、第二透镜组5、反射装置、透镜一8和透镜二11。发射芯片2、第一透镜组3、微透镜阵列4、第二透镜组3和反射装置顺次设置，透镜一8、法拉第旋转器7、偏振片二10、透镜二11、物镜12和激光接收芯片13顺次设置。发射芯片2发射的扫描光束出射到第一透镜组3，经过第一透镜组3对光束进行扩束后入射到微透镜阵列4中，通过微透镜阵列4让光束准直并行出射互不干扰，然后再经过第二透镜组5合束即对扫描光束进行汇聚，第二透镜组5合束后经过反射装置反射至偏振片二10，通过偏振片二10改变扫描光束的偏振方向后入射到法拉第旋转器7(此时通过偏振片二10反射至法拉第旋转器7)，法拉第旋转器7将扫描光束的偏振方向进行旋转后经过透镜一8汇聚，最后射向目标物9；目标物9对照射到其上的扫描光束反射得到激光回波信号，目标物9反射的激光回波信号，先经过透镜一8扩束再经过法拉第旋转器7旋转其偏振方向后入射到偏振片二10，经过偏振片二10改变激光回波信号的偏振方向(此时通过偏振片二10发生透射)后入射到在透镜二11上，经过物镜12合束耦合至激光接收芯片13，激光接收芯片13接收到激光回波信号。法拉第旋转器7用于光偏振旋转，经过法拉第旋转器7后且未入射到偏振片二10的激光回波信号的偏振方向与经过了偏振片二10且即将入射到法拉第旋转器7的扫描光束的偏振方向完全不同，也就是法拉第旋转器7对经过其上的光束的偏振方向的旋转不等于90°。其中，微透镜阵列4的示意图如图3所示，其形状可为方形、六边形、三角形、五边形等，本实施方式中每个微透镜单元为圆形；反射装置采用偏振片一6，偏振片有偏振片一6和偏振片二10共两组，偏振片用于将不同透射率的光信号分路；第一透镜组3和第二透镜组5的焦距相同，第一透镜组3对光束进行扩束，第二透镜组5对光束进行汇聚，本实施方式中第一透镜组3和第二透镜组5的结构相同，第二透镜组5相当于第一透镜组3的倒置。

激光接收芯片13为可扩展式像素传感器的光学相控阵，具体示意图如图4所示，激光接收芯片13包括第二光分束网络1301、延迟线组1302和像素传感器阵列1303。第二光分束网络1301能够分得的激光回波信号的路数、延迟线组1302的延迟线根数、像素传感器单元个数三者相等，且顺次一一对应设置。第二光分束网络1301用于对激光回波信号进行分束得到多路激光回波信号。延迟线组1302用于延时补偿接收的各路激光回波信号。像素传感器阵列1303为矩形面阵。其中像素传感器阵列1303的像素传感器单元如图5所示，像素传感器单元包括硅波导1304、定向耦合器1305、光栅耦合器1306、pin光电二极管1307和跨阻放大器1308，跨阻放大器1308上设有电极1309和信号输出端1310，激光接收芯片13通过信号输出端1310连接数字处理系统14。激光回波信号由光路透镜系统处理后耦合进激光接收芯片13中，由第二光分束网络1301将激光回波信号进行分束后，分束后的各路激光回波信号进入延迟线组1302，各路激光回波信号得到延时补偿，最后传输到像素传感器阵列1303中，延迟线组1302中每单根延迟线之间长度均不同。每个像素传感器单元对应一根延迟线，在单个像素传感器单元里，硅波导1304用于获得延迟线传输的激光回波信号，定向耦合器1305能够将硅波导1304的激光回波信号耦合进pin光电二极管1307当中，光栅耦合器1306用于吸收散射光，能够将视场散射的激光回波信号耦合进pin光电二极管1307当中，pin光电二极管1307能够将定向耦合器1305和光栅耦合器1306耦合到其中的激光回波信号转变为模拟信号，模拟信号传输至跨阻放大器1308，跨阻放大器1308能够放大模拟信号，放大后模拟信号最后从信号输出端1310输出至数字处理系统14。其中pin光电二极管1307的材料为锗，用于接收耦合进来的激光回波信号形成探测器。上述跨阻放大器1308用于放大光信号，且抑制噪声信号。

数字处理系统14包括数模转换器和现场可编辑门阵列(FPGA)，通过数模转换器将激光接收芯片13发送的模拟信号进行数字化，数字化后的数字信号再由FPGA做数字处理，实现目标物9的三维成像。

本实施方式的全固态激光雷达装置的水平视场角为120°，纵向视场角为15°，扫描最远距离为150m。

本发明另外一方面提供一种三维成像的全固态激光雷达系统，包括上述的一种三维成像的全固态激光雷达装置。优选的是多个三维成像的全固态激光雷达装置能够构成水平方向360度视场扫描，水平扫描视场均可叠加，应用多个三维成像的全固态激光雷达装置时，各全固态激光雷达装置扫描时扫描间隔互不干扰，也就是任意两个全固态激光雷达装置不同时进行扫描工作。依照上述具体的实施方式则需要至少三个三维成像的全固态激光雷达进行组合，水平视场角能够进行相互叠加，完成空间水平方向的图像拼接。

本发明的一种三维成像的全固态激光雷达装置可与其他雷达共用，以实现水平视场360°扫描，此时需要本发明的三维成像的全固态激光雷达装置对于其他雷达的接收信号不敏感，其他雷达也对于本发明的激光回波信号不敏感。

本发明的一种三维成像的全固态激光雷达装置通过可调谐半导体激光阵列代替传统的激光单管，输出的光能量更高，有利于极端天气光信号的穿透能力，提高了雷达对外界环境的抗干扰能力；利用通过光路透镜系统的光束整形技术实现与OPA芯片(发射芯片2和激光接收芯片13)的高效耦合和集成小型化，通过OPA芯片接收目标物9反射回来的激光回波信号，提升雷达探测时的对于信号的灵敏度，本发明同时可实现整个全固态激光雷达高精度、高抗扰的三维成像功能。

具体通过激光接收芯片13上的像素传感器阵列1303接收目标物9反射回来的激光回波信号，由波导网络分配到每一个pin光电二极管1307，对其信号放大再处理，提升雷达探测时的对于信号的灵敏度，同时可实现整个全固态激光雷达高精度、高抗扰的三维成像功能。

Claims (10)

1.一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，包括可调谐半导体激光器阵列(1)、发射芯片(2)、光路透镜系统、激光接收芯片(13)和数字处理系统(14)，所述发射芯片(2)和激光接收芯片(13)均为光学相控阵(204)，可调谐半导体激光器阵列(1)能够发射激光光束阵列，发射芯片(2)能够将可调谐半导体激光器阵列(1)发射的激光光束阵列转变为具有相位差的扫描光束，发射芯片(2)发射的扫描光束能够经过光路透镜系统透射后照射到目标物(9)上，且经目标物(9)反射能够得到激光回波信号，激光回波信号能够经光路透镜系统透射后被激光接收芯片(13)接收，激光接收芯片(13)能够处理激光回波信号得到模拟信号并将模拟信号发送至数字处理系统(14)，数字处理系统(14)能够通过处理模拟信号，通过数字处理系统(14)对模拟信号的处理能够实现目标物(9)的三维成像。

2.如权利要求1所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述发射芯片(2)包括光栅耦合器、第一光分束网络(201)和相控阵(204)，光栅耦合器用于将可调谐半导体激光阵列发射的激光光束阵列耦合到发射芯片(2)中得到光信号，第一光分束网络(201)用于将光栅耦合器耦合的光信号分路，相控阵(204)用于将第一光分束网络(201)发射且入射到其上的光信号进行相位调控使得相控阵(204)出射的光信号为具有相位差的扫描光束。

3.如权利要求2所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述第一光分束网络(201)包括分束器(202)和多模干涉耦合器(203)，分束器(202)能够将光栅耦合器耦合得到的单路光信号进行分束得到多路光信号，经过第一光分束网络(201)分束后入射到相控阵(204)的所有光信号的相位相同，相控阵(204)包括移相器(205)和天线(206)，多模干涉耦合器(203)位于分束器(202)和相控阵(204)之间，分束器(202)出射的多路光信号经过多模干涉耦合器(203)传输最终被移相器(205)接收，移相器(205)用于改变输入到其上光信号的相位，天线(206)用于发射经过移相器(205)调控后的光信号。

4.如权利要求1所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述光路透镜系统包括微透镜阵列(4)、物镜(12)、法拉第旋转器(7)和偏振片二(10)，所述发射芯片(2)发射的扫描光束通过微透镜阵列(4)准直后，通过偏振片二(10)改变扫描光束的偏振方向后入射到法拉第旋转器(7)，法拉第旋转器(7)将扫描光束的偏振方向进行旋转后射向目标物(9)，目标物(9)对照射到其上的扫描光束反射得到激光回波信号，目标物(9)反射的激光回波信号经过法拉第旋转器(7)旋转其偏振方向后入射到偏振片二(10)，经过偏振片二(10)改变激光回波信号的偏振方向后经过物镜(12)合束耦合至激光接收芯片(13)，所述法拉第旋转器(7)对经过其上的光束的偏振方向的旋转不等于90°。

5.如权利要求4所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述光路透镜系统还包括第一透镜组(3)、第二透镜组(5)、反射装置、透镜一(8)和透镜二(11)，所述发射芯片(2)、第一透镜组(3)、微透镜阵列(4)、第二透镜组(5)和反射装置顺次设置，透镜一(8)、法拉第旋转器(7)、偏振片二(10)、透镜二(11)、物镜(12)和激光接收芯片(13)顺次设置，第一透镜组(3)能够发散扫描光束，第二透镜组(5)能够汇聚扫描光束，反射装置能够将经过第二透镜组(5)汇聚后的扫描光束反射至偏振片二(10)，透镜一(8)能够汇聚扫描光束和能够发散激光回波信号，偏振片二(10)能够反射扫描光束和能够透射激光回波信号，透镜二(11)能够发散激光回波信号。

6.如权利要求1所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述激光接收芯片(13)包括顺次连接的第二光分束网络(1301)、延迟线组(1302)和像素传感器阵列(1303)，像素传感器阵列(1303)连接数字处理系统(14)，激光回波信号经光路透镜系统透射后进入第二光分束网络(1301)，第二光分束网络(1301)能够对激光回波信号进行分束，延迟线组(1302)能够延时补偿接收的各路激光回波信号，像素传感器阵列(1303)能够对延时补偿后的激光回波信号进行处理得到模拟信号并能够将模拟信号发送至数字处理系统(14)。

7.如权利要求6所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述延迟线组(1302)的单根延迟线之间的长度不同。

8.如权利要求7所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述像素传感器单元包括硅波导(1304)、定向耦合器(1305)、光栅耦合器(1306)、pin光电二极管(1307)和跨阻放大器(1308)，所述跨阻放大器(1308)上设有连接数字处理系统(14)的信号输出端(1310)，硅波导(1304)能够获得延迟线传输的激光回波信号，定向耦合器(1305)能够将硅波导(1304)的激光回波信号耦合进pin光电二极管(1307)当中，光栅耦合器(1306)能够将散射的激光回波信号耦合进pin光电二极管(1307)当中，pin光电二极管(1307)能够将耦合到其中的激光回波信号转变为模拟信号并将模拟信号传输至跨阻放大器(1308)，跨阻放大器(1308)能够放大模拟信号并能够将放大后模拟信号从信号输出端(1310)输出至数字处理系统(14)。

9.如权利要求1所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，其特征在于，所述数字处理系统(14)包括数模转换器和FPGA，通过数模转换器能够将激光接收芯片(13)发送的模拟信号进行数字化，数字化后的数字信号再由FPGA做数字处理以实现目标物(9)的三维成像。

10.一种三维成像的全固态激光雷达系统，其特征在于，包括多个如权利要求1至9中任意一项所述的一种三维成像的全固态激光雷达装置，所述全固态激光雷达系统在一个维度上的视场角为360°。

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