CN114063088A - 激光雷达的接收单元、激光雷达及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光雷达的接收单元，包括：接收透镜，配置成可接收并会聚激光雷达的回波；光波导器件阵列，包括多个光波导器件，每个光波导器件包括入射端面和出射端面，所述入射端面位于所述接收透镜的焦平面上，配置成可接收经所述接收透镜会聚的回波并将所述回波耦入所述光波导器件中；探测单元阵列，包括多个探测单元，每个探测单元位于所述光波导器件阵列中的一个光波导器件的出射端面上，从而构成多个接收通道；其中，所述光波导器件阵列在所述出射端面一侧的面积小于在所述入射端面一侧的面积。本发明还提供一种包括该接收单元的激光雷达，以及使用该激光雷达进行探测的方法。

Description

激光雷达的接收单元、激光雷达及其探测方法

技术领域

本发明大致涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种包括阵列传光器件的激光雷达的接收单元，包括该接收单元的激光雷达，以及使用该激光雷达进行探测的方法。

背景技术

通常对于阵列扫描型激光雷达，例如360°旋转式机械雷达或摆镜、旋转棱镜等扫描型激光雷达，通过水平旋转或摆动实现扩展水平视场，而垂直方向通过设置多个激光器和探测器对来实现扩展垂直视场。垂直视场的大小由像面高度和焦距共同决定，垂直视场和像面高度以及焦距的具体关系式为：FOV＝2*arctan(a/2f)，其中FOV为垂直视场，a为像面高度，f为焦距。可知，当垂直视场较大、焦距较长时，所需像面高度是较大的，通常可达几十毫米。对于激光雷达的探测性能，希望能够实现兼顾大视场和测远(对应较长焦距)，因此需要较大的像面高度。当前接收端的做法是使用分立探测器排成线列实现大的总像面高度，或者由多个线列探测器拼接实现。

这种由分立探测器排布或者由多个线列探测器拼接的方式实现大尺寸像面高度的方式，一方面增加了贴片等工艺步骤，另一方面不利于系统进一步的集成化。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种激光雷达的接收单元，包括：

接收透镜，配置成可接收并会聚激光雷达的回波；

光波导器件阵列，包括多个光波导器件，每个光波导器件包括入射端面和出射端面，所述入射端面位于所述接收透镜的焦平面上，配置成可接收经所述接收透镜会聚的回波并将所述回波耦入所述光波导器件中；

探测单元阵列，包括多个探测单元，每个探测单元位于所述光波导器件阵列中的至少一个光波导器件的出射端面上，从而构成多个接收通道；

其中，所述光波导器件阵列在所述出射端面一侧的面积小于在所述入射端面一侧的面积。

根据本发明的一个方面，其中所述光波导器件包括光纤，多个光纤的出射端面位于同一平面上，所述探测单元阵列中的探测单元位于同一平面上，所述光波导器件阵列中的任意两个光波导器件在所述出射端面一侧的间距小于其在所述入射端面一侧的间距。

根据本发明的一个方面，其中所述探测单元包括多个单光子雪崩二极管。

根据本发明的一个方面，其中所述探测单元阵列为线阵或面阵。

根据本发明的一个方面，所述接收单元还包括第一光纤固定具和第二光纤固定具，其中所述光纤的入射端面由所述第一光纤固定具固定，所述光纤的出射端面由所述第二光纤固定具固定。

根据本发明的一个方面，其中所述第一光纤固定具、第二光纤固定具具有刻槽，所述光纤设置于刻槽中，所述第一光纤固定具和所述第二光纤固定具具有相同或不同的刻槽密度。

根据本发明的一个方面，其中所述光纤通过胶接的方式固定在所述第一光纤固定具和所述第二光纤固定具上。

根据本发明的一个方面，其中所述光纤组成的所述光波导器件阵列通过拉锥工艺一体成型。

本发明还提供一种激光雷达，包括如上所述的接收单元。

根据本发明的另一个方面，所述激光雷达还包括多个发光单元，每个发光单元与其中一个光波导器件以及其中一个探测单元对应，每个发光单元发出的激光束被目标物反射的回波经所述接收透镜会聚后，被耦入与该发光单元相对应的光波导器件的入射端面上，并经所述相对应的光波导器件的出射端面出射，被与其相对应的探测单元接收，从而所述多个发光单元、所述光波导器件阵列与所述探测单元阵列构成多个探测通道。

本发明还提供一种使用如上所述的激光雷达进行探测的方法，包括：

发出探测光束；

将探测光束在目标物上反射的回波会聚到光波导器件阵列的光波导器件的入射端面上；

通过光波导器件传输雷达回波；

通过位于光波导器件的出射端面上的探测单元接收所述回波。

本发明的优选实施例提供了一种包括阵列传光器件的激光雷达的接收单元，该阵列传光器件可以包括光纤或其他光波导器件。在本发明的优选实施例中，采用小尺寸探测单元阵列作为激光雷达的接收探测器，而像面接收仍然维持较大尺寸。实现了激光雷达的大尺寸接收(大视场)、小尺寸探测，允许在系统的总体性能参数保持不变的情况下，使用集成度更高、性能更优的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列探测器，使雷达系统的集成化程度更高。本发明还提供一种包括该阵列传光器件的激光雷达，以及使用该激光雷达进行探测的方法。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光雷达的接收单元；

图2A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的多束光纤束在入射端面呈阵列排布；

图2B示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的多束光纤束在出射端面呈阵列排布；

图3示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的多个光纤在入射端面、出射端面通过光纤固定具固定；

图4a示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的位于入射端面、出射端面的光纤固定具具有相同的刻槽密度；

图4b示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的位于入射端面、出射端面的光纤固定具具有不同的刻槽密度；

图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的多个光纤通过拉锥工艺一体成型；

图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的在入射端面设置多个光纤固定具；

图7示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光雷达；

图8示出了根据本发明的一个优选实施例的激光雷达的探测方法。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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发明和简化描述，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发明的限制。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地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明一个优选实施例，如图1所示，本发明提供一种激光雷达的接收单元10，包括接收透镜11、光波导器件阵列12和探测单元阵列13。其中：接收透镜11配置成可接收并会聚激光雷达的回波L2，接收透镜11例如包括单个透镜，或者可以是多个透镜构成的透镜组。该接收透镜11的焦平面为像面焦平面14。激光雷达探测过程中，目标物的距离通常远远大于接收透镜11的焦距，因此可认为回波L2是来自无穷远处的平行光束，经过接收透镜11会聚后，不同方向的回波聚焦在像面焦平面14上，如图1所示，三个方向的回波L21、L22和L23分别会聚在像面焦平面14上的不同位置处，分别为点P1、P2和P3。

光波导器件阵列12包括多个光波导器件121，每个光波导器件121包括入射端面1211和出射端面1212。入射端面1211位于接收透镜11的焦平面14上，配置成可接收经接收透镜11会聚的回波并将回波耦入光波导器件121中。探测单元阵列13包括多个探测单元131，每个探测单元131位于光波导器件阵列12中的一个光波导器件121的出射端面1212上，即每个探测单元131与光波导器件阵列12中的一个光波导器件121的出射端面1212相对应，自出射端面1212出射的光投射到对应的探测单元131上，从而构成多个接收通道。此处探测单元131可以与对应的出射端面1212相贴合，也可以两者间有一定的空隙。因此，回波L2被接收透镜11会聚到其焦平面14上，并且被耦入到光波导器件121中，在光波导器件121中传播并从出射端面1212出射，然后照射到对应的探测单元131上，由探测单元131转换为电信号。上述给出的是一个出射端面1212与一个探测单元131相对应的情况，另外，一个探测单元131对应多个出射端面1212的情况，例如一个探测单元131分时地获得多个出射端面1212出射的光信号，构成多个接收通道，也在本发明的保护范围内。另外，上述入射端面1211位于接收透镜11的焦平面14上是指理想的情况，如因为安装等带来入射端面1211与焦平面14位置较小的偏差，同样在本发明的思想内。

如图1中的虚线框所示，光波导器件阵列12在出射端面一侧的面积小于在入射端面一侧的面积。本领域技术人员容易理解，本发明中，光波导器件阵列12在入射端面和出射端面一侧的面积，是指阵列中外围的多个光波导器件分别在入射端面或者出射端面一侧包络形成的区域的面积(如图2A、2B中的虚线区域)，而并非是指单个光波导器件在出射端面或者入射端面一侧的端面面积之和。优选地，光波导器件阵列12中的任意两个光波导器件121在出射端面1212一侧的间距d2小于其在入射端面1211一侧的间距d1(如图2A、2B中双箭头标志所示)。在一些实施例中，光波导器件阵列12在出射端面一侧的面积远小于在入射端面一侧的面积，例如在入射端面一侧的面积较出射端面一侧的面积可以达到数倍到数十倍。

对于激光雷达，为了提高探测性能，实现兼顾大的探测视场和较远的探测距离，需要具有较大的像面高度。参考图1描述，假设回波L21和L23分别代表了雷达探测视场范围的边界光束，在焦平面14上的会聚点分别为P1和P3，那么点P1和P3之间的距离即为像面高度。因此为了兼顾大的探测视场和较远的探测距离，点P1和P3之间需要具有较大的距离。如果将探测单元阵列13设置在焦平面14上，那么探测单元阵列13中相邻探测单元131之间必然需要间隔较大的距离，可能导致必须采用贴片工艺来对各个探测单元131进行单独处理，不利于提高探测单元阵列13的集成度。而本发明中通过设置单独的光波导器件阵列12，并且沿着回波传输的方向缩小光波导器件阵列12的面积，使得可以将光波导器件阵列12逐渐缩减为理想的探测单元阵列13所需的面积，提高接收探测单元阵列13的集成度，降低装配成本。通过这样的方式兼顾了大的探测视场、较远的探测距离以及探测单元阵列集成度的要求。

图1示出了激光雷达的接收系统原理，不同接收视场(即接收视场的主光线与接收透镜的光轴﹝未示出，即图中沿着水平方向的轴线﹞所成的角度不同)的目标物反射的回波，如图1中的回波L21、L22、L23所示的，经接收透镜11会聚后，到达像面焦平面14处(即接收透镜11的焦平面)，在相应的接收视场的光线会聚点处放置光波导器件121，用于接收反射回波，经接收透镜11会聚的光束通过光波导器件121的入射端面1211进入光波导器件121传输，光波导器件121的另一端与探测单元阵列13对接，光波导器件121的出射光束由相应的探测单元131响应，转换为电信号。

根据本发明一个优选实施例，光波导器件121包括光纤，多个光纤构成所述光波导器件阵列12。光纤的数量例如与激光雷达的通道数相同，光纤的入射端面1211位于接收透镜11的焦平面14上，光波导器件阵列12在入射端面一侧的分布如图2所示，光纤的入射端面1211在接收透镜11的焦平面14上呈阵列排布。该多个光纤的出射端面位于同一平面上，探测单元阵列13中的多个探测单元131位于同一平面上。回波L2被耦入光纤后，在光纤内通过全反射的方式向前传播，最终通过光纤的出射端面出射。

根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，激光雷达的接收单元10还包括第一光纤固定具15和第二光纤固定具16，光波导器件121包括光纤，该多个光纤的入射端面1211由第一光纤固定具15固定，该多个光纤的出射端面1212由第二光纤固定具16固定。优选地，多个光纤的出射端面1212为平直端面，即出射端面的法线方向垂直于出射端面，探测单元阵列13基本垂直于出射端面的法线方向，确保从每个光纤出射的光基本能够充分入射到对应的探测单元上。

根据本发明的一个优选实施例，如图4a、4b所示，第一光纤固定具15、第二光纤固定具16具有刻槽，多个光纤设置于刻槽中。图4a示出了第一光纤固定具15和第二光纤固定具16具有相同的刻槽密度，其中在第一光纤固定具15中，相邻光纤之间间隔的刻槽数目大于第二光纤固定具16中相邻光线之间间隔的刻槽数目。图4b示出了第一光纤固定具15和第二光纤固定具16具有不同的刻槽密度。不论采用何种刻槽密度的固定方式，只要能确保在接收透镜11的焦平面14上，即光纤在入射端面一侧的间距大于在出射端面一侧，即探测单元阵列13侧的间距即可，例如间距可以达到数倍到数十倍。

根据本发明的一个优选实施例，该多个光纤也可以通过胶接的方式固定在第一光纤固定具15和第二光纤固定具16上。

根据本发明的一个优选实施例，如图5所示，多个光纤组成的光波导器件阵列12通过拉锥工艺一体成型。采用拉锥光纤束，预先设定入射端和出射端光纤间的间距，利用拉锥工艺可一体成型。光纤束的入射端和出射端均可以根据像面尺寸要求和探测单元阵列尺寸要求，进行相对较自由的排布。

根据本发明的一个优选实施例，探测单元131包括一个或多个单光子雪崩二极管(SPAD)，探测单元阵列13为线阵或者面阵，即多个探测单元131形成线阵或面阵。SPAD阵列中包括多个“子集”(对应探测单元阵列13包括多个探测单元131)，每个“子集”包括至少一个SPAD。该SPAD“子集”的数目例如与激光雷达的通道数以及光波导器件121的数量相对应，例如64线激光雷达包括：64个SPAD“子集”(对应于64个探测单元131)、64个激光器以及64个光波导器件121，构成64条探测通道。探测单元阵列13例如也可以是APD等探测器组成的。

与多个SPAD“子集”相对应地，多个光波导器件121的排布可以是线阵或者面阵。光波导器件121包括光纤，当多个光纤是二维线阵排布时，对于采用光纤固定具固定的方式，可以通过设置多个光纤固定具，多个光纤固定具上的光纤交错排布，如图6所示，实现光纤入射端面在接收透镜焦平面上的二维排布，在实现大像面尺寸的同时进一步提高分辨率。

另外，单光子雪崩二极管(SPAD)探测器的灵敏度非常高，并且与CMOS制造工艺兼容，成本低且能够显著提升系统集成化程度。目前的SPAD阵列多数尺寸只有几个毫米，如果直接布置在接收透镜11的焦平面14上，不利于实现激光雷达大视场。本发明中，通过设置单独的光波导器件阵列12，并且沿着回波传输的方向缩小光波导器件阵列12的面积，逐渐缩减为理想的SPAD阵列所需的面积，在确保了激光雷达大视场和较远探测距离的同时，提高了探测单元阵列的集成度。

根据本发明的一个优选实施例，如图7所示，本发明还提供一种激光雷达20，包括以上所述的接收单元10。激光雷达20包括多个发光单元21，每个发光单元21与其中一个光波导器件121以及其中一个探测单元131对应，激光雷达20例如还包括出射透镜22，每个发光单元21发出的激光束经出射透镜22准直后出射至外部空间，被目标物反射的回波经接收透镜11会聚后，被耦入与该发光单元21相对应的光波导器件121的入射端面1211上，并经相对应的光波导器件121的出射端面1212出射，被与其相对应的探测单元131接收，从而多个发光单元21、光波导器件阵列12与探测单元阵列13构成多个探测通道。

根据本发明的一个优选实施例，如图8所示，本发明还提供一种使用以上所述的激光雷达20进行探测的方法，包括：

在步骤S801中，发出探测光束；

在步骤S802中，将探测光束在目标物上反射的回波会聚到光波导器件阵列的光波导器件的入射端面上；

在步骤S803中，通过光波导器件传输雷达回波；

在步骤S804中，通过位于光波导器件的出射端面上的探测单元接收所述回波。

本发明的优选实施例提供了一种包括阵列传光器件的激光雷达的接收单元，该阵列传光器件可以包括光纤或其他光波导器件。在本发明的优选实施例中，采用小尺寸探测单元阵列作为激光雷达的接收探测器，而像面接收仍然维持较大尺寸。实现了激光雷达的大尺寸接收(大视场)、小尺寸探测，允许在系统的总体性能参数保持不变的情况下，使用集成度更高、性能更优的SPAD阵列探测器，使雷达系统的集成化程度更高。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光雷达的接收单元，包括：

接收透镜，配置成可接收并会聚激光雷达的回波；

光波导器件阵列，包括多个光波导器件，每个光波导器件包括入射端面和出射端面，所述入射端面位于所述接收透镜的焦平面上，配置成可接收经所述接收透镜会聚的回波并将所述回波耦入所述光波导器件中；

探测单元阵列，包括多个探测单元，每个探测单元位于所述光波导器件阵列中的至少一个光波导器件的出射端面上，从而构成多个接收通道；

其中，所述光波导器件阵列在所述出射端面一侧的面积小于在所述入射端面一侧的面积。

2.如权利要求1所述的接收单元，其中所述光波导器件包括光纤，多个光纤的出射端面位于同一平面上，所述探测单元阵列中的探测单元位于同一平面上，所述光波导器件阵列中的任意两个光波导器件在所述出射端面一侧的间距小于其在所述入射端面一侧的间距。

3.如权利要求1或2所述的接收单元，其中所述探测单元包括多个单光子雪崩二极管。

4.如权利要求1或2所述的接收单元，其中所述探测单元阵列为线阵或面阵。

5.如权利要求2所述的接收单元，还包括第一光纤固定具和第二光纤固定具，其中所述光纤的入射端面由所述第一光纤固定具固定，所述光纤的出射端面由所述第二光纤固定具固定。

6.如权利要求5所述的接收单元，其中所述第一光纤固定具、第二光纤固定具具有刻槽，所述光纤设置于刻槽中，所述第一光纤固定具和所述第二光纤固定具具有相同或不同的刻槽密度。

7.如权利要求5所述的接收单元，其中所述光纤通过胶接的方式固定在所述第一光纤固定具和所述第二光纤固定具上。

8.如权利要求2所述的接收单元，其中所述光纤组成的所述光波导器件阵列通过拉锥工艺一体成型。

9.一种激光雷达，包括如权利要求1-8中任一项所述的接收单元。

10.如权利要求9所述的激光雷达，还包括多个发光单元，每个发光单元与其中一个光波导器件以及其中一个探测单元对应，每个发光单元发出的激光束被目标物反射的回波经所述接收透镜会聚后，被耦入与该发光单元相对应的光波导器件的入射端面上，并经所述相对应的光波导器件的出射端面出射，被与其相对应的探测单元接收，从而所述多个发光单元、所述光波导器件阵列与所述探测单元阵列构成多个探测通道。

11.一种使用如权利要求9或10中任一项所述的激光雷达进行探测的方法，包括：

发出探测光束；

将探测光束在目标物上反射的回波会聚到光波导器件阵列的光波导器件的入射端面上；

通过光波导器件传输雷达回波；

通过位于光波导器件的出射端面上的探测单元接收所述回波。

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