CN114114202A - 激光发射装置、包括其的激光雷达及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光发射装置，包括：发射单元，配置成可依次发射多个不同波长的连续激光；分光单元，设置在所述发射单元的光路下游，并配置成将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；扫描单元，设置在所述分光单元的光路下游，配置成接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

Description

激光发射装置、包括其的激光雷达及探测方法

技术领域

本发明大致涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种激光发射装置、包括其的激光雷达，以及使用该激光雷达进行探测的方法。

背景技术

调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave，FMCW)雷达，是指发射频率受特定信号调制的连续波雷达。FMCW雷达在扫频周期内发射频率变化的连续波，被目标物体反射后的回波与发射信号具有一定的频率差，目标的径向速度和距离可由测量的二者频率差处理后得到。差频信号频率较低，一般为kHz，因此硬件处理相对简单、适合数据采集并进行数字信号处理；并且，所需的连续波发射功率峰值较低、容易调制，这些都使得FMCW雷达成为一种常用的雷达方案。

目前的FMCW雷达采用单光源的连续波激光、配合振镜扫描的方案，水平方向的视场角(FOV)通常为40°左右。然而用于自动驾驶的前向雷达，水平方向的视场角通常需要120°左右。采用激光脉冲测距的混合固态雷达一般采用多个出射方向不同的光源实现视场拼接，但FMCW雷达的基本原理是相干探测，要求探测光和回波光具有极高的平行度，0.1°的夹角就会产生干涉条纹，覆盖目标物反射的信号造成测距误差甚至失效。因而FMCW雷达的光需要通过波导传输，才能够精确控制光的方向，保证收发光束完全平行。这样就不能采用改变激光器出光方向的方法增大视场角，导致FMCW雷达的水平FOV受限，不能满足自动驾驶等领域的使用需求。

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发射装置，包括：

发射单元，配置成可依次发射多个不同波长的连续激光；

分光单元，设置在所述发射单元的光路下游，并配置成将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；

扫描单元，设置在所述分光单元的光路下游，配置成接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元包括：

多个二向色镜，所述多个二向色镜沿连续激光的出射方向依次设置，其中每个二向色镜可反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其它波长的连续激光透射，所述多个二向色镜可反射的连续激光的波长不同。

根据本发明的一个方面，其中所述多个二向色镜分别将入射到其上的一个对应波长的连续激光反射至所述扫描单元。

根据本发明的一个方面，其中所述二向色镜的总数等于所述连续激光的波长的总数。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元还包括反射镜，所述反射镜沿连续激光的出射方向设置在所述多个二向色镜的光路下游，配置成可将经过所述多个二向色镜过滤的连续激光反射至扫描单元。

根据本发明的一个方面，其中所述反射镜与二向色镜的总数等于所述连续激光的波长的总数。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元包括：

光栅，配置成将所述多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转；

多个反射镜，配置成将偏转后的连续激光反射至所述扫描单元。

根据本发明的一个方面，其中所述发射单元包括：

多个光源，配置成可产生多个不同波长的连续激光；

光开关，配置成可控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的激光通过。

根据本发明的一个方面，其中所述发射单元与波导耦合，用于输出所述连续激光。

本发明还提供一种FMCW雷达，包括如上所述的激光发射装置。

根据本发明的一个方面，其中所述发射单元包括多个光源，配置成可产生多个不同波长的连续激光，光开关，配置成可控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的激光通过，其中，

所述光开关的切换频率为所述FMCW雷达的点频。

根据本发明的一个方面，所述FMCW雷达还包括耦合器、放大器、环形器、混频器和准直透镜，其中：

所述耦合器配置成接收所述发射单元发出的连续激光并分为两束；

所述放大器配置成从所述耦合器接收其中一束连续激光，放大后输出到所述环形器；

所述环形器配置成由第一端接收所述放大器输出的连续激光，由第二端将所述连续激光输出到所述准直透镜，并接收经目标物反射的回波，所述回波由环形器的第三端输出到所述混频器；

所述混频器配置成从所述耦合器接收另一束连续激光、以及从所述环形器的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号；

所述准直透镜配置成将所述环形器输出的连续激光准直后，输出到所述分光单元。

根据本发明的一个方面，其中所述扫描单元配置成可接收所述回波并将其扫描至所述分光单元，所述分光单元接收所述回波并将其偏转至所述准直透镜，经所述准直透镜汇聚到所述环形器，由所述环形器输出到所述混频器。

根据本发明的一个方面，所述FMCW雷达还包括处理单元，配置成接收所述混频器输出的混频信号，进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

本发明还提供一种使用FMCW雷达进行探测的方法，包括：

通过发射单元依次发射多个不同波长的连续激光；

通过分光单元将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；

通过扫描单元接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元包括：多个二向色镜，所述多个二向色镜沿连续激光的出射方向依次设置，所述方法还包括：

通过每个二向色镜反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其它波长的连续激光透射，所述多个二向色镜分别将入射到其上的一个对应波长的连续激光反射至所述扫描单元。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元还包括：反射镜，所述反射镜沿连续激光的出射方向设置在所述多个二向色镜的光路下游，所述方法还包括：

通过所述反射镜将经过所述多个二向色镜过滤的连续激光反射至目标空间。

根据本发明的一个方面，其中所述分光单元包括：光栅和多个反射镜，所述方法还包括：

通过所述光栅将所述多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转；

通过所述多个反射镜将偏转后的连续激光反射至所述扫描单元。

根据本发明的一个方面，其中所述发射单元包括：多个光源和光开关，所述方法还包括：

通过所述多个光源产生多个不同波长的连续激光；

通过所述光开关控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的连续激光通过，所述光开关的切换频率为所述FMCW雷达的点频。

根据本发明的一个方面，其中所述FMCW雷达还包括：耦合器、放大器、环形器、混频器和准直透镜，所述方法还包括：

通过所述耦合器接收所述发射单元发出的连续激光并分为两束；

通过所述放大器从所述耦合器接收其中一束连续激光，放大后输出到所述环形器；

通过所述环形器的第一端接收所述放大器输出的连续激光，通过所述环形器的第二端将所述连续激光输出到所述准直透镜，并接收经目标物反射的回波，通过所述环形器的第三端将所述回波输出到所述混频器；

通过所述混频器从所述耦合器接收另一束连续激光、以及从所述环形器的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号；

通过所述准直透镜将所述环形器输出的连续激光准直后，输出到所述分光单元。

根据本发明的一个方面，所述探测方法还包括：通过所述扫描单元接收所述回波并将其扫描至所述分光单元，经所述分光单元偏转至所述准直透镜，经所述准直透镜汇聚到所述环形器，由所述环形器输出到所述混频器。

根据本发明的一个方面，其中所述FMCW雷达还包括处理单元，所述方法还包括：

通过所述处理单元接收所述混频器输出的混频信号进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

本发明的优选实施例提供了一种用于FMCW雷达的光发射装置，通过依次发射不同波长的连续波激光，并通过分光和扫描装置将不同波长的连续波探测信号偏转到不同的视场区域，从而扩大了FMCW雷达的探测视场范围，增加了FMCW雷达中的光源数量，克服了波导传输对光源数量和视场角度范围的限制。使得FMCW雷达更加适用于无人驾驶等领域。

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发射装置；

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光发射装置；

图3示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光发射装置；

图4示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光发射装置；

图5示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的激光发射装置；

图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的发射单元；

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发射装置；

图8示意性地示出了通过图7所示的激光发射装置进行探测生成的点云图；

图9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10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11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12示出了根据本发明的一个优选实施例的探测方法。

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。

根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，本发明提供一种用于FMCW雷达的激光发射装置10，包括：发射单元11、分光单元12和扫描单元13。发射单元11配置成可依次发射多个不同波长的连续激光，如图中所示，多个不同波长的连续激光的波长分别为λ1、λ2……λn。分光单元12设置在发射单元11的光路下游，并配置成将多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转。扫描单元13设置在分光单元12的光路下游，配置成接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与多个波长对应的多个视场区域。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，分光单元12包括多个二向色镜121。多个二向色镜121沿连续激光的出射方向依次设置，其中每个二向色镜121可反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其反射至扫描单元13，每个二向色镜121将对应波长的连续激光以外的其它波长的连续激光透射。

根据本发明的一个优选实施例，二向色镜的个数与不同波长连续激光的的波长数量相同，每个二向色镜分别将一种波长的连续激光反射，通过各二向色镜与激光传播方向以不同的夹角设置，使得不同波长的激光分别向不同的方向偏转。

根据本发明的一个优选实施例，如图2所示，分光单元12还包括反射镜122，反射镜122沿连续激光的出射方向设置在多个二向色镜121的光路下游，配置成可将经过多个二向色镜121过滤的连续激光反射至扫描单元13，其中反射镜122与二向色镜121的总数等于连续激光的波长的总数。通过各二向色镜及反射镜与激光传播方向以不同的夹角设置，使得不同波长的激光分别向不同的方向偏转。分光单元包括与波长数量相同的多个二向色镜的技术方案，以及分光单元包括总数与波长数量相同的多个二向色镜和反射镜的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

如图3所示，根据本发明的一个优选实施例，发射单元11采用三个光源的连续波激光，波长分别为λ1、λ2、λ3，发射单元11依次发射波长为λ1、λ2、λ3的连续波激光，用以测量目标物体的距离和/或速度。二向色镜121-1只反射波长为λ1的探测光，二向色镜121-1将波长为λ1的探测光反射至扫描单元13，并将波长为λ2、λ3的探测光透射。二向色镜121-2只反射波长为λ2的探测光(也可以设置二向色镜121-2反射波长为λ1和λ2的探测光，但因为二向色镜121-1已经将波长为λ1的探测光反射了，到达二向色镜121-2的只有波长为λ2、λ3的探测光)，二向色镜121-2将波长为λ2的探测光反射至扫描单元13，并将波长为λ3的探测光透射。设置在二向色镜121-1和二向色镜121-2光路下游的是反射镜122，波长为λ3的探测光可透过两个二向色镜121-1、121-2，之后入射到反射镜122上，波长为λ3的探测光被反射镜122反射至扫描单元13。三路探测光均被导向扫描单元13，经过扫描单元13反射后出射。发射单元11依次发射三路探测光，三路探测光依次被导向扫描单元13后，以不同的角度出射到目标空间，以探测目标空间内的目标物。

在扫描单元13的一个转动周期内，三路探测光可覆盖相比于单光源探测更宽的视场范围，优选地，通过三路探测光对应的水平视场区域依次拼接，获取三倍于单光源探测视场区域的探测范围。通过将二向色镜121-1、二向色镜121-2和反射镜122的角度进行调整，即可实现不同光源(即对应不同波长的连续波激光)出射光的角度控制。例如，一个光源对应的探测光在扫描单元13的一个转动周期内，可在扫描单元13的不同角度被多次反射后覆盖40°的水平视场角(FOV)，三个光源分别以不同的角度入射到扫描单元13上，即可被扫描单元13反射至不同的水平FOV区域，三个光源对应的水平FOV实现依次拼接，可达到120°的水平角度大视场探测。

可选地，相邻两个FOV区域可以有一定的重叠，以保证扫描视场的连续性。例如，以雷达正前向为水平0°视场，一个波长的连续激光可随着扫描单元13的转动被反射至-20°至20°的水平视场，另一波长的连续激光可被扫描单元反射至15至55°的水平视场。

其中，扫描单元13优选地包括二维振镜、摆镜、转镜中的一种或多种。

根据本发明的一个优选实施例，如图4所示，分光单元12包括光栅123、多个反射镜122。光栅123配置成将多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转。多个反射镜122配置成将偏转后的连续激光反射至扫描单元13。

由光栅方程：d(sinα+sinβ)＝mλ可知，对于相同的光谱级数m，以同样的入射角α投射到光栅上的不同波长λ1、λ2、λ3的入射光，衍射光以不同的衍射角β出射。这就说明，对于给定的光栅，构成同一级光栅光谱中的不同波长谱线都不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开,实现分光。

通过设置光栅123，可以使不同波长的探测光向不同的方向出射。根据本发明的一个优选实施例，如图5所示，沿着光栅123的出光侧三个波长分别为λ1、λ2、λ3的衍射光的出光方向分别设置反射镜122-1、反射镜122-2、反射镜122-3，分别将探测光引导至扫描单元13。发射单元11依次发射三个不同波长的连续波激光，用以测量目标物体的距离和/或速度。三个不同波长的探测光入射到光栅123上，沿三个不同的衍射角出射，在三个不同方向的出射光的光路下游设置反射镜122-1、反射镜122-2、反射镜122-3，分别将三个方向的出射光反射至扫描单元13，由于三个不同波长的探测光入射到扫描单元13的角度不同，可由扫描单元13将其反射至不同的视场区域。

根据本发明的一个优选实施例，使其中一个波长的探测光经过光栅123出射后直接照射到扫描单元13的表面，而由光栅123将其他不同波长的探测光按照不同的角度进行偏转，在其他不同波长的探测光的出射光路上依次设置多个反射镜122，由反射镜122将其反射至扫描单元13，这样的实施例也在本发明的保护范围之内。例如，使波长为λ1的探测光经过光栅123偏转后，直接照射到扫描单元13的表面，而由光栅123将波长为λ2和λ3的探测光按照不同的角度进行偏转，在波长为λ2的探测光的光路上设置反射镜122-1，在波长为λ3的探测光的光路上设置反射镜122-2，由反射镜122-1、反射镜122-2将波长为λ2的探测光、波长为λ3的探测光以不同的角度反射至扫描单元13。

本领域技术人员容易理解，图4和图5中的实施例中，光栅123为透射式光栅，通过反射式光栅依次将不同波长的探测光偏转，也在本发明的保护范围之内。

根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，发射单元11包括：多个光源111、光开关112。多个光源111配置成可产生多个不同波长的连续激光，如图中所示的波长为λ1、λ2……λn的连续波激光。光开关112配置成分别与多个光源111耦合，可每一时段只有一个波长的连续激光通过，例如，可以以一定的时间间隔，控制不同波长的连续激光依次通过。

FMCW雷达采用窄线宽激光器，调制带宽为几个Hz，电流需要保持稳定，因此激光器处于持续发光的稳定状态，不适宜采用通断驱动电流的方式控制发光状态，因此只能通过光开关控制出光。例如使用液晶快门、光阀、数字微透镜阵列等光开关器件，均是硅光技术中的成熟器件，不增加额外的成本。通常光开关器件的反应速度约200ns，可以满足光源的切换速度要求。

根据本发明的一个优选实施例，其中光开关112的切换频率为FMCW雷达的点频。即，某一波长的激光通过光开关112，分成本振光和探测光两部分，本振光输出至混频器(图未示)，探测光经过分光单元12和扫描单元13调整方向后出射。探测光经目标物反射获得的回波光，经过扫描单元13和分光单元12后也导入混频器，与本振光混合得到拍频信号，用于后续计算目标物的距离和/或速度。完成一次探测后，光开关112进行切换，使得另一波长的激光通过光开关112出射，在另一角度进行扫描采样。重复上述步骤，可使得不同波长的激光依次进行扫描采样。

根据本发明的一个优选实施例，如图7所示，发射单元11采用三个光源111，设三个光源111发射的连续波激光的波长分别为λ1、λ2、λ3，三路光都连接到3×1光开关112。3×1光开关112控制波长为λ1、λ2、λ3的光依次通过，用于测距和/或测速，每次只有一路光通过，切换时间为一个点频周期。

例如，光开关出光侧设置与光源个数相同的出光端口1/2/3，每个出光端口均通过波导耦合至输出路径，将探测光输出至分光单元。

在同一采样周期内，发射单元11依次发射三个不同波长的连续波激光，通过分光单元12依次向不同的角度偏转、扫描单元13向目标区域扫描，依次射向不同的视场区域。图8示意性地示出了三个不同波长光源对应的扫描视场及采样点分布。

如图8所示，以雷达正前向为水平0°视场，则图8所示的波长为λ1的探测光在扫描单元13的扫描作用下被反射至-60至20°的视场，波长为λ2的探测光被扫描单元13反射至-20°至20°的视场，波长为λ3的探测光被扫描单元13反射至20°至60°的视场。

图7的实施例中，3×1光开关112控制波长为λ1的探测光通过，经过分光单元12偏转、扫描单元13扫描后，波长为λ1的探测光被目标物体反射的回波被接收、采样和处理，生成采样点λ1-1。完成一次采样后，3×1光开关112控制波长为λ2的探测光通过，并对回波进行第二次采样和处理，生成采样点λ2-1。

在一个优选实施例中，三个光源切换的速度非常快(一个采样周期)，可以认为波长为λ1的探测光被扫描单元13反射后，至波长为λ2的探测光入射到扫描单元13的这段时间内，扫描单元13基本上处于一个瞬时位置，三个波长的光束因为入射角度不同而近乎同时地分别偏转至不同的视场扫描点；而不是依赖于扫描单元依次扫过三个角度，将不同波长的光束进行不同角度的偏转。扫描单元的作用主要是对于在每一个波长的探测光束，使其在所对应的视场范围内，以一定的路径进行扫描，获得二维视场。

举例来说，一个采样周期(波长为λ1-λ3的探测光循环采样一次)中，激光雷达分别在三个视场中进行了一次探测采样，在第二个周期中，探测光在扫描单元13作用下进行了一定角度的偏转。如图8所示，按照扫描顺序依次生成的采样点为：λ1-1、λ2-1、λ3-1、λ1-2、λ2-2、λ3-2……其中生成采样点λ1-2和生成采样点λ1-1的时间间隔，与生成采样点λ2-2和生成采样点λ2-1的时间间隔、生成采样点λ3-2和生成采样点λ3-1的时间间隔是相同的，故同一40°范围的视场内在不同周期的扫描点间隔均匀，能够实现整个视场的均匀扫描。多个周期的探测叠加实现了完整的120°视场范围的测距和/或测速。

根据本发明的一个优选实施例，本发明还提供一种FMCW雷达20，包括如上所述的激光发射装置10。

根据本发明的一个优选实施例，如图9所示，FMCW雷达20还包括耦合器21、放大器22、环形器23、混频器24和准直透镜25。其中耦合器21配置成接收发射单元11发出的连续激光并分为两束。放大器22配置成从耦合器21接收其中一束连续激光，放大后输出到环形器23。环形器23配置成由第一端接收放大器22输出的连续激光，由第二端将连续激光输出到准直透镜25，并接收经目标物反射的回波，回波由环形器23的第三端输出到混频器24。混频器24配置成从耦合器21接收另一束连续激光、以及从环形器23的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号。准直透镜25配置成将环形器23输出的连续激光准直后，输出到分光单元13。

根据本发明的一个优选实施例，扫描单元13配置成可接收雷达回波并将其扫描至分光单元12，分光单元12接收该回波并将其偏转至准直透镜25，经准直透镜25汇聚到环形器23，由环形器23输出到混频器24。

如图10所示，根据本发明的一个优选实施例，具有三个光源111的发射单元11，依次使其中一个波长的探测光通过3×1光开关112，探测光一部分被光耦合器21导入混频器(PD)24作为本振光，另一部分经过放大器(优选地为掺铒光纤放大器，EDFA)22放大、通过环形器23(也可以是其他的耦合器件，例如半透半反镜，这些都在本发明的保护范围之内)出射，经过透镜25准直后射入二向色镜121-1的表面。二向色镜121-1只反射波长为λ1的探测光；二向色镜121-2只反射波长为λ2的探测光(也可以反射波长为λ1和λ2的探测光，但因为二向色镜121-1已经将波长为λ1的探测光反射了，到达二向色镜121-2的只有波长为λ2和λ3的探测光)，波长为λ3的探测光可透过两个二向色镜121，然后入射到反射镜122上。三路光均被导向扫描单元13，经扫描单元13反射后出射。通过两个二向色镜121和反射镜122的角度调整，即可实现不同光源出射光的角度控制；每个光源对应40°的水平视场角(FOV)，三个光源产生的视场依次拼接，达到120°的完整探测范围。目标物体的反射光与探测光束同轴，被扫描单元13、二向色镜121、透镜25和环形器23导入混频器24，与本振光混频后输出混频信号。进行傅里叶变换以及目标物距离和速度的计算，计算功能由接收端的IC芯片实现。

如图11所示，根据本发明的又一个优选实施例，分光单元12也可以通过光栅123和反射镜122-1、122-2和122-3实现，FMCW雷达20的探测过程与上一实施例大致相同，在此不再赘述。

根据本发明的一个优选实施例，FMCW雷达20还包括处理单元26，配置成接收混频器24输出的混频信号，进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

容易想到，根据雷达不同应用场景的探测需求，也可以将不同波长的探测光沿竖直方向偏转到不同的角度入射扫描单元，进而实现竖直方向多个角度视场的拼接。

根据本发明的一个优选实施例，如图12所示，本发明还提供一种使用如上所述的FMCW雷达20进行探测的方法30，包括：

在步骤S301中，通过发射单元11依次发射多个不同波长的连续激光；

在步骤S302中，通过分光单元12将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；

在步骤S303中，通过扫描单元13接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

根据本发明的一个优选实施例，其中分光单元12包括：多个二向色镜121，多个二向色镜121沿连续激光的出射方向依次设置，方法30还包括：

通过每个二向色镜121反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其它波长的连续激光透射。

根据本发明的一个优选实施例，探测方法30还包括：通过多个二向色镜121将入射到其上的一个对应波长的连续激光反射至扫描单元13。

根据本发明的一个优选实施例，其中分光单元12还包括：反射镜122，反射镜122沿连续激光的出射方向设置在多个二向色镜121的光路下游，方法30还包括：

通过反射镜122将经过多个二向色镜121过滤的连续激光反射至目标空间。

根据本发明的一个优选实施例，其中分光单元12包括：光栅123和多个反射镜122，方法30还包括：

通过光栅123将多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转；

通过多个反射镜122将偏转后的连续激光反射至扫描单元13。

根据本发明的一个优选实施例，其中发射单元11包括：多个光源111和光开关112，方法30还包括：

通过多个光源111产生多个不同波长的连续激光；

通过光开关112控制不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的连续激光通过，光开关112的切换频率为FMCW雷达20的点频。

根据本发明的一个优选实施例，其中扫描单元13的扫描频率低于光开关112的切换频率，使得发射单元11在依次发射多个波长连续激光的同一周期内，扫描单元13的偏转角度基本不变。

根据本发明的一个优选实施例，其中FMCW雷达20还包括：耦合器21、放大器22、环形器23、混频器24和准直透镜25，方法30还包括：

通过耦合器21接收发射单元11发出的连续激光并分为两束；

通过放大器22从耦合器21接收其中一束连续激光，放大后输出到环形器23；

通过环形器23的第一端接收放大器22输出的连续激光，通过环形器23的第二端将连续激光输出到准直透镜25，并接收经目标物反射的回波，通过环形器23的第三端将雷达回波输出到混频器24；

通过混频器24从耦合器21接收另一束连续激光、以及从环形器23的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号；

通过准直透镜25将环形器23输出的连续激光准直后，输出到分光单元12。

根据本发明的一个优选实施例，探测方法30还包括：通过扫描单元13接收；雷达回波并将其扫描至分光单元12，经分光单元12偏转至准直透镜25，经准直透镜25汇聚到环形器23，由环形器23输出到混频器24。

根据本发明的一个优选实施例，其中FMCW雷达20还包括处理单元，所述方法30还包括：

通过处理单元接收混频器24输出的混频信号进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

本发明的优选实施例提供了一种激光发射装置，通过依次发射不同波长的连续波激光，并通过分光和扫描装置将不同波长的连续波探测信号偏转到不同的视场区域，从而扩大了雷达的探测视场。应用于FMCW雷达中，可增加FMCW雷达中的光源数量，克服了波导传输对光源和视场的限制，使得FMCW雷达更加适用于无人驾驶等领域。

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 (22)

1.一种激光发射装置，包括：

发射单元，配置成可依次发射多个不同波长的连续激光；

分光单元，设置在所述发射单元的光路下游，并配置成将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；

扫描单元，设置在所述分光单元的光路下游，配置成接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

2.如权利要求1所述的激光发射装置，其中所述分光单元包括：

多个二向色镜，所述多个二向色镜沿连续激光的出射方向依次设置，其中每个二向色镜可反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其它波长的连续激光透射，所述多个二向色镜可反射的连续激光的波长不同。

3.如权利要求2所述的激光发射装置，其中所述多个二向色镜分别将入射到其上的一个对应波长的连续激光反射至所述扫描单元。

4.如权利要求3所述的激光发射装置，其中所述二向色镜的总数等于所述连续激光的波长的总数。

5.如权利要求2所述的激光发射装置，其中所述分光单元还包括反射镜，所述反射镜沿连续激光的出射方向设置在所述多个二向色镜的光路下游，配置成可将经过所述多个二向色镜过滤的连续激光反射至扫描单元。

6.如权利要求5所述的激光发射装置，其中所述反射镜与二向色镜的总数等于所述连续激光的波长的总数。

7.如权利要求1所述的激光发射装置，其中所述分光单元包括：

光栅，配置成将所述多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转；

多个反射镜，配置成将偏转后的连续激光反射至所述扫描单元。

8.如权利要求1-7中任一项所述的激光发射装置，其中所述发射单元包括：

多个光源，配置成可产生多个不同波长的连续激光；

光开关，配置成可控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的激光通过。

9.如权利要求1-7中任一项所述的激光发射装置，其中所述发射单元与波导耦合，用于输出所述连续激光。

10.一种FMCW雷达，包括如权利要求1-9中任一项所述的激光发射装置。

11.如权利要求10所述的FMCW雷达，其中所述发射单元包括多个光源，配置成可产生多个不同波长的连续激光，光开关，配置成可控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的激光通过，其中，

所述光开关的切换频率为所述FMCW雷达的点频。

12.如权利要求如权利要求10或11所述的FMCW雷达，还包括耦合器、放大器、环形器、混频器和准直透镜，其中：

所述耦合器配置成接收所述发射单元发出的连续激光并分为两束；

所述放大器配置成从所述耦合器接收其中一束连续激光，放大后输出到所述环形器；

所述环形器配置成由第一端接收所述放大器输出的连续激光，由第二端将所述连续激光输出到所述准直透镜，并接收经目标物反射的回波，所述回波由环形器的第三端输出到所述混频器；

所述混频器配置成从所述耦合器接收另一束连续激光、以及从所述环形器的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号；

所述准直透镜配置成将所述环形器输出的连续激光准直后，输出到所述分光单元。

13.如权利要求12所述的FMCW雷达，其中所述扫描单元配置成可接收所述回波并将其扫描至所述分光单元，所述分光单元接收所述回波并将其偏转至所述准直透镜，经所述准直透镜汇聚到所述环形器，由所述环形器输出到所述混频器。

14.如权利要求13所述的FMCW雷达，还包括处理单元，配置成接收所述混频器输出的混频信号，进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

15.一种使用FMCW雷达进行探测的方法，包括：

通过发射单元依次发射多个不同波长的连续激光；

通过分光单元将所述多个不同波长的连续激光按照其波长以不同的角度偏转；

通过扫描单元接收经偏转的连续激光并扫描出射到目标空间，以覆盖与所述多个波长对应的多个视场区域。

16.如权利要求15所述的探测方法，其中所述分光单元包括：多个二向色镜，所述多个二向色镜沿连续激光的出射方向依次设置，所述方法还包括：

通过每个二向色镜反射入射到其上的一个对应波长的连续激光，并将其它波长的连续激光透射，所述多个二向色镜分别将入射到其上的一个对应波长的连续激光反射至所述扫描单元。

17.如权利要求16所述的探测方法，其中所述分光单元还包括：反射镜，所述反射镜沿连续激光的出射方向设置在所述多个二向色镜的光路下游，所述方法还包括：

通过所述反射镜将经过所述多个二向色镜过滤的连续激光反射至目标空间。

18.如权利要求15所述的探测方法，其中所述分光单元包括：光栅和多个反射镜，所述方法还包括：

通过所述光栅将所述多个不同波长的连续激光按照不同的角度进行偏转；

通过所述多个反射镜将偏转后的连续激光反射至所述扫描单元。

19.如权利要求15-18中任一项所述的探测方法，其中所述发射单元包括：多个光源和光开关，所述方法还包括：

通过所述多个光源产生多个不同波长的连续激光；

通过所述光开关控制所述不同波长的连续激光依次通过，每一时段只有一个波长的连续激光通过，所述光开关的切换频率为所述FMCW雷达的点频。

20.如权利要求15-18中任一项所述的探测方法，其中所述FMCW雷达还包括：耦合器、放大器、环形器、混频器和准直透镜，所述方法还包括：

通过所述耦合器接收所述发射单元发出的连续激光并分为两束；

通过所述放大器从所述耦合器接收其中一束连续激光，放大后输出到所述环形器；

通过所述环形器的第一端接收所述放大器输出的连续激光，通过所述环形器的第二端将所述连续激光输出到所述准直透镜，并接收经目标物反射的回波，通过所述环形器的第三端将所述回波输出到所述混频器；

通过所述混频器从所述耦合器接收另一束连续激光、以及从所述环形器的第三端输出的雷达回波，混频后输出混频信号；

通过所述准直透镜将所述环形器输出的连续激光准直后，输出到所述分光单元。

21.如权利要求20所述的探测方法，还包括：通过所述扫描单元接收所述回波并将其扫描至所述分光单元，经所述分光单元偏转至所述准直透镜，经所述准直透镜汇聚到所述环形器，由所述环形器输出到所述混频器。

22.如权利要求21所述的探测方法，其中所述FMCW雷达还包括处理单元，所述方法还包括：

通过所述处理单元接收所述混频器输出的混频信号进行信号处理，以获得目标物的距离和速度。

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