CN114563793A - 一种分布式调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式调频连续波激光雷达，包括：光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块以及数据采集处理模块。本发明基于相干接收芯片和调频连续波光源构建了一种分布式调频连续波激光雷达，一是其针对汽车雷达应用，实现了光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块与数据采集处理模块的分离配置，给出了温控与散热分别处理的方式；二是基于光芯片的分布式调频连续波激光雷达，充分利用了光芯片上集成分束器、调制器、偏振滤波器、混频器、探测器以及放大器等器件带来的系统简化、稳定性好的特点，结合具体的连接方式，实现了既集成又合理分散的激光雷达。

Description

一种分布式调频连续波激光雷达

技术领域

本发明属于自动驾驶技术领域，尤其涉及一种分布式调频连续波激光雷达。

背景技术

调频连续波(FMCW，Frequency Modulated Continuous Wave)激光雷达是一种基于相干检测技术的距离和速度探测手段，可应用于自动驾驶、工业、港口、物流中心等场景。由于相干检测带来的信噪比优势，FMCW激光雷达可以探测更远的距离并提供更高的探测精度，是未来自动驾驶激光雷达的重要技术方案之一。

传统的飞行时间法(TOF，Time offlight)激光雷达已有多年发展，常见的TOF激光雷达将所有器件集中于一个壳体内，具有整机体积小、重量轻以及便于安装调试等优势。但TOF激光雷达具有如下固有缺点：

第一，为满足小体积设计目的，TOF激光雷达内部各个器件之间的距离设计的过近，尤其是由于光源与信号采集处理单元会产生大量热量，最终导致机体温度过高；

第二，TOF激光雷达的镜头必须布置于车体外侧，如车顶、车灯等位置，然而车灯所释放的热量会直接影响雷达的性能，但是若放置于车体外侧其他地方，也会受到阳光直射导致雷达自身温度过高，因此TOF激光雷达无法避免外部热量对激光器和探测器性能所产生的影响；

第三，自动驾驶技术方案一般需要配置多组雷达，因而相同或相似的物料需要多套，导致整机能耗大，产生资源浪费，且提升成本。

为解决车载雷达的散热和成本等问题，本领域技术人员将激光雷达中的各个器件或单元布置于车辆的不同位置，成为分布式激光雷达，且某些器件可以复用。但这些方案大多是针对TOF激光雷达进行制定，然而目前针对FMCW激光雷达的方案也未结合光芯片的特点给出具体的分布式解决方案，同时缺少具体的控温方式。基于光芯片的FMCW激光雷达具有一系列潜在优势，在系统复杂度、成本、可靠性和控制等方面都会相较于分立器件大大降低或简化。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种分布式调频连续波激光雷达。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种分布式调频连续波激光雷达，包括：光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块以及数据采集处理模块；所述光源模块、所述光束发射收集模块、所述相干接收模块以及所述数据采集处理模块呈分布式布置于车体上。

其中，所述相干接收模块包括：光纤阵列、相干接收芯片以及跨阻放大器；所述光纤阵列接收的本地参考光及信号光在所述相干接收芯片内进行干涉并转换为光电流，光电流经过所述跨阻放大器转换为电压信号并放大。

其中，所述相干接收芯片包括：边缘耦合器，用于接收所述光纤阵列输出的本地参考光以及信号光；偏振滤波器，设置于所述边缘耦合器的输出侧，使通过所述偏振滤波器的光的TM偏振被损耗；第一分束器，将所述本地参考光分为若干束；第二分束器，所述信号光与第一分束器分出的本地参考光在所述第二分束器中进行干涉；光电探测器，设置于所述第二分束器的输出侧，用于探测所述第二分束器输出的光。

其中，所述光源模块包括：调频连续波光源，用于输出调频连续波；光放大器，用于将所述调频连续波进行功率放大。

其中，所述调频连续波光源包括：具有调频功能的激光器以及用于向所述激光器施加调频信号的调频信号发生器。

其中，所述光源模块还包括：第三分束器，设置于所述调频连续波光源的输出侧，将所述调频连续波分出一束作为本地参考光接入所述相干接收模块，所述光放大器将所述第三分束器分出的另一束光进行功率放大。

其中，所述光源模块还包括：第四分束器，设置于所述第三分束器的输出侧；所述第三分束器分出的另一束光经所述第四分束器分为若干束后，再经所述光放大器进行功率放大。

其中，所述调频连续波光源包括：窄线宽激光器以及光芯片；所述光芯片包括：调制器；所述窄线宽激光器输出的单一频率激光经过所述调制器调制为所述调频连续波。

其中，所述光芯片还包括：第五分束器以及路由器；所述第五分束器设置于所述调制器的输出侧，将所述调频连续波分出一束作为本地参考光接入所述相干接收模块，所述第五分束器分出的另一束光经由所述路由器输出，再经所述光放大器进行功率放大。

其中，所述光束发射收集模块包括：准直器以及光束扫描前端；所述光束扫描前端用于发出所述调频连续波以及接收所述信号光。

其中，所述光束发射收集模块还包括：环形器；所述光源模块发出的发射光束经过所述环形器进入所述准直器，再进入所述光束扫描前端进行发射，同时所述信号光通过所述光束扫描前端进入所述准直器，再经过所述环形器导入所述相干接收模块。

其中，所述光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块以及数据采集处理模块中的任意一个模块或任意两个模块或任意三个模块或全部模块配置有温度控制单元。

本发明所带来的有益效果：本发明基于相干接收芯片和调频连续波光源构建了一种分布式调频连续波激光雷达，一是其针对汽车雷达应用，实现了光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块与数据采集处理模块的分离配置，给出了温控与散热分别处理的方式；二是基于光芯片的分布式调频连续波激光雷达，充分利用了光芯片上集成分束器、调制器、偏振滤波器、混频器、探测器以及放大器等带来的系统简化、稳定性好的特点，结合具体的连接方式，实现了既集成又分布的激光雷达。

附图说明

图1是本发明激光雷达在其中一种实施例中的结构示意图；

图2是本发明相干接收模块的结构示意图；

图3是本发明相干接收芯片的结构示意图；

图4是本发明光源模块在其中一种实施例中的结构示意图；

图5是本发明激光雷达在另一种实施例中的结构示意图；

图6是本发明基于调制器的调频连续波光源的结构示意图；

图7是本发明基于调制器的光源模块的结构示意图；

图8是本发明一发四收非同轴激光雷达的结构示意图；

图9是本发明N通道相干接收芯片的结构示意图；

图10是本发明光束发射收集模块位于不同位置时的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。

在一些说明性的实施例中，如图1、5、8、10所示，本发明提供一种分布式调频连续波激光雷达，其应用于自动驾驶领域，具体包括：光源模块1、光束发射收集模块2、相干接收模块3以及数据采集处理模块4。

本发明所提供的分布式调频连续波激光雷达可具有多个光发射通道以及多个光接收通道，一般情况下本发明不限定光发射端和光接收端的通道数量，最少为一个，且光发射端和光接收端的通道数量不要求相等。

本文以四个发射通道及四个接收通道为例说明本发明的技术方案。

光源模块1、光束发射收集模块2、相干接收模块3以及数据采集处理模块4呈分布式布置于车体上，即各个模块设置在车辆上的不同位置处，分布式也可以理解为，四个模块没有集成于某一个外壳内，四个模块通过光缆，电缆等线材连接，分散的布置于车辆所需位置处。且本发明不同的功能模块执行不同的控温策略，针对性的温控策略在提升散热效果的同时还可兼顾到雷达整体能耗的控制。

各个模块在空间位置的排布上，本发明限定光源模块1、光束发射收集模块2与数据采集处理模块4三者之间间隔较远，相干接收模块3与数据采集处理模块4间隔较近，相干接收模块3与数据采集处理模块4之间的数据链为高速模拟信号，距离上不宜过远，例如可限定两者之间的连接线长度不超过10cm。

其中，光源模块1、光束发射收集模块2与相干接收模块3三者通过光缆连接，数据采集处理模块4通过电缆分别与光源模块1、相干接收模块3连接。光源模块1在数据采集处理模块4的控制下发射调频连续波，一束作为本地参考光通过光缆接入相干接收模块3，另一束进行功率放大，放大后的四路光汇入光缆，再连接到光束发射收集模块2进行发射。目标物体反射的信号光进入光束发射收集模块2，再经过光缆导入相干接收模块3，信号光与本地参考光在相干接收模块3中进行干涉和探测后输出至数据采集处理模块4。

如图2所示，相干接收模块3包括：光纤阵列31、相干接收芯片32以及跨阻放大器33。光纤阵列31接收来自光源模块1的本地参考光以及来自光束发射收集模块2的信号光，本地参考光与信号光在相干接收芯片32内进行干涉并转换为光电流，光电流经过跨阻放大器33转换为电压信号并放大。被放大的电压信号经过高速数据电缆传输至数据采集处理模块4，再输出给主控模块。在一些情况下，电压信号输入到数据采集处理模块4之前还需要再做一次放大。

如图3所示，相干接收芯片32包括：边缘耦合器321、偏振滤波器322、第一分束器323、第二分束器324、光电探测器325。

边缘耦合器321，用于接收光纤阵列31输出的本地参考光以及信号光。偏振滤波器322，设置于边缘耦合器321的输出侧，使通过偏振滤波器322的光的TM偏振被损耗，同时TE偏振无损耗或低损耗的通过。第一分束器323，用于将本地参考光分为若干束。第二分束器324，信号光与第一分束器分出的本地参考光在第二分束器324中进行干涉。光电探测器325，设置于第二分束器324的输出侧，用于探测第二分束器324输出的光。

相干接收芯片32具有5个光输入端，即5个边缘耦合器321，对应于5通道的光纤阵列31。左边的边缘耦合器321输入本地参考光，后接一个偏振滤波器322，经过1×4的第一分束器323后分为四束，右边四个边缘耦合器321输入信号光，每个边缘耦合器321后接一个偏振滤波器322，通过偏振滤波器322的光只有TE偏振，TM偏振的绝大部分被损耗掉。信号光与本地参考光分别在四个2×2的第二分束器324中进行干涉，然后输出到光电探测器325中。每个2×2的第二分束器324对应两个光电探测器325。在一些场合中，2×2分束器也被称之为180度混频器。

在一些说明性的实施例中，如图4和图5所示，光源模块1包括：调频连续波光源11、光放大器12、第三分束器13、第四分束器14。

调频连续波光源11包括：激光器及调频信号发生器。

激光器本身具有调频功能，只需外加一个调频信号即可，如线性变化(交变)的电压或电流信号，或其他复杂的交变电压或电流信号。如外腔激光器，交变的电压信号施加于外腔激光器的腔体，导致腔长发生变化，从而导致激光频率发生变化；又如DFB激光器，交变的电流信号施加于DFB激光器本身，导致激光频率发生变化。此两种实现调频的方式为常规方法。调频信号发生器用于向激光器施加调频信号。

调频连续波光源11输出调频连续波。第三分束器13，设置于调频连续波光源11的输出侧，将调频连续波光源11输出的调频连续波分为两束，分出一束作为本地参考光接入相干接收模块3的相干接收芯片32内，光放大器12将第三分束器13分出的另一束光进行功率放大。第四分束器14，设置于第三分束器13的输出侧，第三分束器13分出的另一束光首先经第四分束器14分为若干束后，再经光放大器12进行功率放大，放大后的四路光汇入光缆，再连接到光束发射收集模块2进行发射。此时第三分束器13与第四分束器14为光纤分束器。光放大器12可以为基于半导体的SOA放大器或光纤放大器。

在一些说明性的实施例中，如图1和图6所示，是光源模块1的另一种具体实施方式，也是调频连续波光源11的另一种具体实施方式，此时，光源模块1包括：调频连续波光源11及光放大器12。

调频连续波光源11包括：电驱动芯片与调频信号发生器、窄线宽激光器以及光芯片。光芯片包括：调制器111。窄线宽激光器输出的单一频率激光经过调制器进行调制，并调制为调频连续波输出。

窄线宽激光器不具备调频功能，或具备调频功能但调频时光源性能如线宽会变宽，或调频时功率会波动。窄线宽激光器工作在静态模式会输出功率稳定的单一频率激光，通过耦合的方式进入光芯片，光芯片上有调制器，通过调制器实现调频功能，调制器输出的光信号即为调频连续波。此方式中，窄线宽激光器可以为DFB激光器、DBR激光器、半导体外腔激光器或光纤激光器。需要指出，本方案通过调制器实现调频功能，调制器不局限于IQ调制器，也可以是单独的MZ调制器，或其他调制器。使用调制器实现光频率的偏移或调节已有较多文献报告，此处不再赘述。

如图7所示，光芯片还包括：第五分束器112以及路由器113。第五分束器112设置于调制器111的输出侧，1×2的第五分束器112将调频连续波光源11输出的调频连续波分为两束，分出一束作为本地参考光接入相干接收模块2的相干接收芯片32内，直接耦合输出至光纤阵列31中的一根光纤，第五分束器112分出的另一束光经由1×4的路由器113输出，路由器113可以控制这束光从它的四个输出端口之一输出，其他端口没有光输出。路由器113输出的光再经光放大器12进行功率放大，放大后的四路光汇入光缆，再连接到光束发射收集模块2进行发射。此实施例中，第五分束器112为片上分束器，路由器113为片上路由器。

如图1、图5、图10所示，光束发射收集模块2包括：准直器21、光束扫描前端22、环形器23。

光束扫描前端22用于发出来自光源模块1的调频连续波以及接收目标物体反射的信号光。光源模块1发出的发射光束经过环形器23进入准直器21，再进入光束扫描前端22进行发射，即光源模块1放大后的四路光汇入光缆，再连接到光束发射收集模块2的环形器23中，然后进入准直器21，最后通过光束扫描前端22进行发射，光束被汇聚到空间的不同方向，从而实现了光束扫描。目标物体反射的信号光通过光束扫描前端22进入准直器21，经准直器21接收后进入光纤，经过环形器23导入另一根光缆，经过此光缆导入相干接收模块3。

以上说明只以四个光发射通道、四个光接收通道为例，同时收发光路为同轴。如图8所示，本发明可以很方便的扩展到不同的收发通道数。如1发N收，N发M收，其中，1、M、N均指代通道数量，发指代光发射通道，收指代光接收通道。本发明的收发光路也可以不同轴。如图8所示，发射端只有一个光发射通道，接收端有N个光接收通道，发射和接收采用不同的准直器，非同轴，非同轴系统中不再需要环形器23。且发射端只有一个光发射通道，因此不再需要第四分束器14进行分束。

图9展示了相干接收模块3的扩展方式，相干接收芯片32为N通道，光纤阵列31为N+1通道。相干接收芯片32上有N+1个边缘耦合器321，N+1个偏振滤波器322，N个2×2的第二分束器324，2N个光电探测器325，一个1×N的第一分束器323。相应的，发射端的光源模块1的通道数扩展可通过更换图5中的第四分束器14实现，可以将1×4的第四分束器14更换为1×N的第四分束器14。

相似的，图1和图7所示的分布式激光雷达的通道数也可以扩展，相干接收模块3的扩展方式与前述相同。光源模块1扩展为N通道时，需将1×4的路由器113换为1×N的路由器113，光纤阵列31的通道数为N+1，准直器21、环形器23数目均为N+1，其余不变。

在一些说明性的实施例中，如图10所示，光束发射收集模块2也可布置于车体的不同位置，图10与图1、5所示不同的是，光束发射收集模块2可以有多个，每个光束发射收集模块2中的通道数应最少为1个，每个光束发射收集模块2位于车体的不同位置，可以对准的不同方向。而且，光束发射收集模块2可以具备多个通道，不同的通道可以布置于车体不同的位置，可以朝向不同的方向进行探测。

同样的，本发明所述的其他种类分布式激光雷达，也可以将光束发射收集模块2分为几组，可将其安装于车体的不同位置，可将其对准不同的方向进行探测。

本发明所使用的光纤分束器，也可以替换为基于光芯片的分束器。

本发明综合考量各个器件及模块的具体类型及特点，设计出激光雷达的整体架构和实施方式，使得激光雷达的分布式布置更加合理，本发明所提供的器件在各个模块区域的划分方式使得针对性的温控成为可能，从而大幅提高散热效率，而且本发明的结构设计还可兼顾到雷达整体的能耗问题，解决了雷达各个部分采用相同的温控模式所带来的能耗大的技术问题。除此之外，本发明各个模块的结构设计在实现高效率散热的同时，还提升了雷达的收发效率，降低暗电流或暗计数带来的不利影响，优化信噪比。

本发明将雷达中的器件或单元合理的分布，使其位于车的不同位置，成为分布式激光雷达，某些器件可以复用，不同的器件执行不同的控温策略。光源模块1、光束发射收集模块2、相干接收模块3以及数据采集处理模块4中的任意一个模块或任意两个模块或任意三个模块或全部模块配置有温度控制单元。

本发明四个模块的分布式布置和温控方式如下：

光源模块1中的器件是雷达自发热的主要部位之一，可以将光源模块1布置于车体内部，也可以布置于车体外壳附近。光源模块1位于车体内部时，其可以免受外界环境的干扰，特别是阳光、灰尘、雨雪等的干扰，此时需要配置温度控制单元，使其温度不高于某个值，例如温度小于85℃，或小于30℃，或小于其他可预设的温度。当光源模块1位于车体外部时，可以将其外壳暴露于空气中，汽车行驶时，可以自动风冷散热，此时仍然可以配置温度控制单元，使其温度不高于预设的某个值。但此时由于汽车行驶时风冷散热十分高效，正常情况下温度控制单元的总功耗会显著降低，但缺点是光源模块1更容易受到外界阳光、灰尘、雨雪等的干扰。

光束发射收集模块2为多个时，也可布置于车体外部的不同位置处。

相干接收模块3发热较小，且其工作在常温或低温时，探测器暗电流低，最终雷达性能更好。相干接收模块3布置于车体内部，相干接收模块3可以配置制温度控制单元，将其温度控制在某个特定值以下，如温度小于85℃，或小于30℃，或小于其他预设的温度。

数据采集处理模块4是雷达自发热的另一主要部位，应与相干接收模块3做热隔离。

本发明的温度控制单元可以利用温度传感器以及任意风冷或液冷装置实现具体的温度控制功能，比如利用散热片实现降温。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (12)

1.一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块以及数据采集处理模块；

所述光源模块、所述光束发射收集模块、所述相干接收模块以及所述数据采集处理模块呈分布式布置于车体上。

2.根据权利要求1所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述相干接收模块包括：光纤阵列、相干接收芯片以及跨阻放大器；所述光纤阵列接收的本地参考光及信号光在所述相干接收芯片内进行干涉并转换为光电流，光电流经过所述跨阻放大器转换为电压信号并放大。

3.根据权利要求2所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述相干接收芯片包括：

边缘耦合器，用于接收所述光纤阵列输出的本地参考光以及信号光；

偏振滤波器，设置于所述边缘耦合器的输出侧，使通过所述偏振滤波器的光的TM偏振被损耗；

第一分束器，将所述本地参考光分为若干束；

第二分束器，所述信号光与第一分束器分出的本地参考光在所述第二分束器中进行干涉；

光电探测器，设置于所述第二分束器的输出侧，用于探测所述第二分束器输出的光。

4.根据权利要求3所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括：

调频连续波光源，用于输出调频连续波；

光放大器，用于将所述调频连续波进行功率放大。

5.根据权利要求4所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述调频连续波光源包括：具有调频功能的激光器以及用于向所述激光器施加调频信号的调频信号发生器。

6.根据权利要求5所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光源模块还包括：第三分束器，设置于所述调频连续波光源的输出侧，将所述调频连续波分出一束作为本地参考光接入所述相干接收模块，所述光放大器将所述第三分束器分出的另一束光进行功率放大。

7.根据权利要求6所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光源模块还包括：第四分束器，设置于所述第三分束器的输出侧；所述第三分束器分出的另一束光经所述第四分束器分为若干束后，再经所述光放大器进行功率放大。

8.根据权利要求4所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述调频连续波光源包括：窄线宽激光器以及光芯片；

所述光芯片包括：调制器；

所述窄线宽激光器输出的单一频率激光经过所述调制器调制为所述调频连续波。

9.根据权利要求8所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光芯片还包括：第五分束器以及路由器；所述第五分束器设置于所述调制器的输出侧，将所述调频连续波分出一束作为本地参考光接入所述相干接收模块，所述第五分束器分出的另一束光经由所述路由器输出，再经所述光放大器进行功率放大。

10.根据权利要求7或9所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光束发射收集模块包括：准直器以及光束扫描前端；所述光束扫描前端用于发出所述调频连续波以及接收所述信号光。

11.根据权利要求10所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光束发射收集模块还包括：环形器；所述光源模块发出的发射光束经过所述环形器进入所述准直器，再进入所述光束扫描前端进行发射，同时所述信号光通过所述光束扫描前端进入所述准直器，再经过所述环形器导入所述相干接收模块。

12.根据权利要求11所述的一种分布式调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光源模块、光束发射收集模块、相干接收模块以及数据采集处理模块中的任意一个模块或任意两个模块或任意三个模块或全部模块配置有温度控制单元。

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