CN114814882A - 一种激光雷达和智能车辆 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种激光雷达和智能车辆，具体可以应用于智能车辆领域，其中，一种激光雷达可包括：激光器产生激光信号；光束整形模块对激光信号进行准直处理；分束模块对激光信号进行分束处理，得到探测信号和本振信号；接收模块接收回波信息并将回波信号传输至光学混频模块；光学混频模块对本振信号和回波信息进行混频处理得到第一拍频信号和第二拍频信号；差分接收单元对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分接收；第一拍频信号和第二拍频信用于确定目标物体的距离或速度中的至少一项。采用本申请实施例可以通过空间光路来传输信号，根据实际需求扩大接收口径，增加接收到的回波信号。

Description

一种激光雷达和智能车辆
本申请是分案申请，原申请的申请号是202080004707.3，原申请日是2020年7月30日，原申请的全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本申请涉及雷达探测领域，尤其涉及一种激光雷达和智能车辆。
背景技术
激光雷达(LiDAR)是通过探测目标的散射光特性来获取目标相关信息的光学遥感技术。LiDAR具有高测量精度、精细的时间和空间分辨率，能完成测绘、跟踪和成像识别等功能，在智能交通、自动驾驶、大气环境监测、地理测绘、无人机等领域具有广阔的应用前景。LiDAR按照调制方式可以主要分为三种：脉冲激光雷达(Pulsed LiDAR)，调幅连续波激光雷达(AMCW LiDAR)和相干激光雷达(Coherent LiDAR)。
对于相干激光雷达来说，发射的是线性调频激光信号，激光信号经目标反射后形成的回波信号被激光雷达接收，回波信号与本振信号将在探测器前端产生相干，生成频率为回波信号与本振信号瞬时频率之差的拍频信号，通过对拍频信号的分析可以得到目标的速度信息和距离信息。
常见的激光雷达通过光纤光路发射信号和接收信号，由于光纤尺寸的限制，会限制接收到的回波信号的能量，从而导致激光雷达探测的精度不高。
发明内容
本申请实施例公开了一种激光雷达光学系统，可以通过空间光路来传输信号，根据实际需求扩大接收口径，增加接收到的回波信号。
本申请实施例第一方面公开了一种激光雷达，包括：激光器，用于产生激光信号；光束整形模块，用于对激光信号进行准直处理；分束模块，用于对进行准直处理后的激光信号进行分束处理，得到探测信号和本振信号；接收模块，用于接收回波信号并将回波信息传输至光学混频模块；其中，回波信号为探测信号经目标物体反射回的信号；光学混频模块，用于对本振信号和回波信号进行光学混频得到第一拍频信号和第二拍频信号；第一拍频信号和第二拍频信号之间的相位差为180度；差分接收单元，用于对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分接收；第一拍频信号和第二拍频信号用于确定目标物体的目标信息。
上述方法中，通过光束整形模块、分束模块、接收模块和光学混频模块实现相干探测光路，可以增加接收回波信号的口径，还可以削弱对回波信号的光学串扰问题，从而可以接收到更多的回波信号的能量。因此，将本振信号和回波信号进行混频后可以得到更多的第一拍频信号和第二拍频信号的能量，提高了激光雷达对目标物体的探测精度。
可选地，分束模块包括分束镜和第一二分之一波片，第一二分之一波片设置于光束整形模块和分束镜之间，并且第一二分之一波片用于调整激光信号的偏振方向。
可选地，目标物体的目标信息包括距离或速度中的至少一项。
可选地，接收模块包括四分之一波片，在分束镜输出探测信号的一侧设置有四分之一波片，在光学混频模块输入回波信号的一侧设置有四分之一波片，并且四分之一波片用于对经过的回波信号和探测信号进行偏振态转换。
上述方法中，通过四分之一波片来改变回波信号和探测信号的偏振态，从而可以改善混频效率的问题。
可选地，在分束镜输出探测信号的一侧设置的四分之一波片，与光学混频模块输入回波信号的一侧设置的四分之一波片为同一个波片，或者，在分束镜输出探测信号的一侧设置的四分之一波片，与光学混频模块输入回波信号的一侧设置的四分之一波片为两个不同的波片。
可选地，光学混频模块包括合束镜和偏振分光棱镜，波片还包括第二二分之一波片，偏振分光棱镜包括第一偏振分光棱镜；第二二分之一波片设置于合束镜和第一偏振分光棱镜之间；分束镜、合束镜、第二二分之一波片和第一偏振分光棱镜设置于同一轴线上；合束镜，用于将进行偏振态转换的回波信号和本振信号合束到一个光路上；第二二分之一波片，用于将合束到一个光路上的回波信号和本振信号分别转换成第一45度偏振信号和第二45度偏振信号；其中，第一45度偏振信号和第二45度偏振信号为偏振方向正交的信号；第一偏振分光棱镜，用于对第一45度偏振光和第二45度偏振光进行混频处理得到相位差180度的第一拍频信号和第二拍频信号。
可选地，偏振分光棱镜包括第二偏振分光棱镜；分束镜和第二偏振分光棱镜设置于同一轴线上；第二偏振分光棱镜，用于对分别在两个光路上的本振信号和进行偏振态转换的回波信号进行混频处理得到相位差180度的第一拍频信号和第二拍频信号；回波信号和本振信号是偏振方向正交的信号。
可选地，所述探测信号和本振信号的偏振态为线偏振态。
可选地，进行偏振态转化后的探测信号的偏振态为圆偏振态或椭圆偏振态。
可选地，回波信号的偏振态为圆偏振态或椭圆偏振态；进行偏振态转化后的回波信号的偏振态为线偏振态。
本申请实施例第二方面公开了一种智能车辆，包括：激光雷达以及处理器，激光雷达用于执行第一方面的激光雷达的功能，处理器用于基于激光雷达来智能驾驶。
上述方法中，智能车辆基于激光雷达来智能驾驶可以提高驾驶路线的精确度，增加驾驶安全系数。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种智能车辆的功能框图；
图2是本申请实施例提供的一种基于光纤光路的激光雷达的架构示意图；
图2A是本申请实施例提供的一种激光雷达的架构示意图；
图2B是本申请实施例提供的一种三角波产生的拍频信号的示意图；
图3是本申请实施例提供的一种拍频信号生成方法的流程示意图；
图3A是本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；
图3B是本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；
图3C是本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；
图3D是本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
本申请实施例提供了一种智能车辆001，请参见图1，图1是本申请实施例提供的一种智能车辆的功能框图。在一个实施例中，可以将智能车辆001配置为完全或部分地自动驾驶模式。例如，智能车辆001可以在处于自动驾驶模式中的同时控制自身，并且可通过人为操作来确定车辆及其周边环境的当前状态，确定周边环境中的至少一个其他车辆的可能行为，并确定该其他车辆执行可能行为的可能性相对应的置信水平，基于所确定的信息来控制智能车辆001。在智能车辆001处于自动驾驶模式中时，可以将智能车辆001置为在没有和人交互的情况下操作。
智能车辆001可包括各种子系统，例如行进系统102、传感器系统104、控制系统106、一个或多个外围设备108以及电源110、计算机系统112和用户接口116。可选地，智能车辆001可包括更多或更少的子系统，并且每个子系统可包括多个元件。另外，智能车辆001的每个子系统和元件可以通过有线或者无线互连。
行进系统102可包括为智能车辆001提供动力运动的组件。在一个实施例中，行进系统102可包括引擎118、能量源119、传动装置120和车轮/轮胎121。引擎118可以是内燃引擎、电动机、空气压缩引擎或其他类型的引擎组合，例如汽油发动机和电动机组成的混动引擎，内燃引擎和空气压缩引擎组成的混动引擎。引擎118将能量源119转换成机械能量。
能量源119的示例包括汽油、柴油、其他基于石油的燃料、丙烷、其他基于压缩气体的燃料、乙醇、太阳能电池板、电池和其他电力来源。能量源119也可以为智能车辆001的其他系统提供能量。
传动装置120可以将来自引擎118的机械动力传送到车轮121。传动装置120可包括变速箱、差速器和驱动轴。在一个实施例中，传动装置120还可以包括其他器件，比如离合器。其中，驱动轴可包括可耦合到一个或多个车轮121的一个或多个轴。
传感器系统104可包括感测关于智能车辆001周边的环境的信息的若干个传感器。例如，传感器系统104可包括定位系统122(定位系统可以是GPS系统，也可以是北斗系统或者其他定位系统)、惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)124、激光雷达126、激光测距仪128以及相机130。传感器系统104还可包括被监视智能车辆001的内部系统的传感器(例如，车内空气质量监测器、燃油量表、机油温度表等)。来自这些传感器中的一个或多个的传感器数据可用于检测对象及其相应特性(位置、形状、方向、速度等)。这种检测和识别是自主智能车辆001的安全操作的关键功能。
定位系统122可用于估计智能车辆001的地理位置。IMU 124用于基于惯性加速度来感测智能车辆001的位置和朝向变化。在一个实施例中，IMU 124可以是加速度计和陀螺仪的组合。例如：IMU124可以用于测量智能车辆001的曲率。
激光雷达126可利用无线电信号来感测智能车辆001的周边环境内的物体。在一些实施例中，用于发射探测信号来探测目标物体的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标物体发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标物体反射回来的信号(回波信号)与本振信号产生相干，生成频率为回波信号和本振信号瞬时频率之差的第一拍频信号和第二拍频信号。其中，第一拍频信号和第二拍频信号的相位差为180度。然后由差分接收单元对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分放大后输出给处理器，由处理器进行处理得到目标物体的速度、距离等信息。
激光测距仪128可利用激光来感测智能车辆001所位于的环境中的物体。在一些实施例中，激光测距仪128可包括一个或多个激光源、激光扫描器以及一个或多个检测器，以及其他系统组件。
相机130可用于捕捉智能车辆001的周边环境的多个图像。相机130可以是静态相机或视频相机。
控制系统106为控制智能车辆001及其组件的操作。控制系统106可包括各种元件，其中包括转向系统132、油门134、制动单元136、传感器融合算法138、计算机视觉系统140、路线控制系统142以及障碍避免系统144。
转向系统132可操作来调整智能车辆001的前进方向。例如在一个实施例中可以为方向盘系统。
油门134用于控制引擎118的操作速度并进而控制智能车辆001的速度。
制动单元136用于控制智能车辆001减速。制动单元136可使用摩擦力来减慢车轮121。在其他实施例中，制动单元136可将车轮121的动能转换为电流。制动单元136也可采取其他形式来减慢车轮121转速从而控制智能车辆001的速度。
计算机视觉系统140可以操作来处理和分析由相机130捕捉的图像以便识别智能车辆001周边环境中的物体和/或特征。所述物体和/或特征可包括交通信号、道路边界和障碍物。计算机视觉系统140可使用物体识别算法、运动中恢复结构(Structure fromMotion，SFM)算法、视频跟踪和其他计算机视觉技术。在一些实施例中，计算机视觉系统140可以用于为环境绘制地图、跟踪物体、估计物体的速度等等。
路线控制系统142用于确定智能车辆001的行驶路线。在一些实施例中，路线控制系统142可结合来自传感器融合算法138、GPS 122和一个或多个预定地图的数据以为智能车辆001确定行驶路线。
障碍物规避系统144用于识别、评估和避免或者以其他方式越过智能车辆001的环境中的潜在障碍物。
当然，在一个实例中，控制系统106可以增加或替换地包括除了所示出和描述的那些以外的组件。或者也可以减少一部分上述示出的组件。
智能车辆001通过外围设备108与外部传感器、其他车辆、其他计算机系统或用户之间进行交互。外围设备108可包括无线通信系统146、车载电脑148、麦克风150和/或扬声器152。
在一些实施例中，外围设备108提供智能车辆001的用户与用户接口116交互的手段。例如，车载电脑148可向智能车辆001的用户提供信息。用户接口116还可操作车载电脑148来接收用户的输入。车载电脑148可以通过触摸屏进行操作。在其他情况中，外围设备108可提供用于智能车辆001与位于车内的其它设备通信的手段。例如，麦克风150可从智能车辆001的用户接收音频(例如，语音命令或其他音频输入)。类似地，扬声器152可向智能车辆001的用户输出音频。
无线通信系统146可以直接地或者经由通信网络来与一个或多个设备无线通信。例如，无线通信系统146可使用3G蜂窝通信，例如CDMA、EVD0、GSM/GPRS，或者4G蜂窝通信，例如LTE。或者5G蜂窝通信。无线通信系统146可利用WiFi与无线局域网(wireless localarea network，WLAN)通信。在一些实施例中，无线通信系统146可利用红外链路、蓝牙或ZigBee与设备直接通信。其他无线协议，例如：各种车辆通信系统，例如，无线通信系统146可包括一个或多个专用短程通信(dedicated short range communications，DSRC)设备，这些设备可包括车辆和/或路边台站之间的公共和/或私有数据通信。
电源110可向智能车辆001的各种组件提供电力。在一个实施例中，电源110可以为可再充电锂离子或铅酸电池。这种电池的一个或多个电池组可被配置为电源为智能车辆001的各种组件提供电力。在一些实施例中，电源110和能量源119可一起实现，例如一些全电动车中那样。
智能车辆001的部分或所有功能受计算机系统112控制。计算机系统112可包括至少一个处理器113，处理器113执行存储在例如存储器114这样的非暂态计算机可读介质中的指令115。计算机系统112还可以是采用分布式方式控制智能车辆001的个体组件或子系统的多个计算设备。
处理器113可以是任何常规的处理器，诸如商业可获得的CPU。替选地，该处理器可以是诸如ASIC或其它基于硬件的处理器的专用设备。尽管图1功能性地图示了处理器、存储器、和在相同块中的计算机的其它元件，但是本领域的普通技术人员应该理解该处理器、计算机、或存储器实际上可以包括可以或者可以不存储在相同的物理外壳内的多个处理器、计算机、或存储器。例如，存储器可以是硬盘驱动器或位于不同于计算机的外壳内的其它存储介质。因此，对处理器或计算机的引用将被理解为包括对可以或者可以不并行操作的处理器或计算机或存储器的集合的引用。不同于使用单一的处理器来执行此处所描述的步骤，诸如转向组件和减速组件的一些组件每个都可以具有其自己的处理器，所述处理器只执行与特定于组件的功能相关的计算。
在此处所描述的各个方面中，处理器可以位于远离该车辆并且与该车辆进行无线通信。在其它方面中，此处所描述的过程中的一些在布置于车辆内的处理器上执行而其它则由远程处理器执行，包括采取执行单一操纵的必要步骤。
在一些实施例中，存储器114可包含指令115(例如，程序逻辑)，指令115可被处理器113执行来执行智能车辆001的各种功能，包括以上描述的那些功能。存储器114也可包含额外的指令，包括像行进系统102、传感系统104、控制系统106和外围设备108中的一个或多个发送数据、从其接收数据、与其交互和/或对其进行控制的指令。
除了指令115以外，存储器114还可存储数据，例如道路地图、路线信息，车辆的位置、方向、速度以及车辆周围目标物体(比如说其他车辆)的速度、位置等其它这样的数据，以及其他信息。这种信息可在智能车辆001在自主、半自主和/或手动模式中操作期间被智能车辆001和计算机系统112使用。
用户接口116，用于向智能车辆001的用户提供信息或从其接收信息。可选地，用户接口116可包括在外围设备108的集合内的一个或多个输入/输出设备，例如无线通信系统146、车载电脑148、麦克风150和扬声器152。
计算机系统112可基于从各种子系统(例如，行进系统102、传感器系统104和控制系统106)以及从用户接口116接收的输入来控制智能车辆001的功能。例如，计算机系统112可利用来自控制系统106的输入以便转向系统132来避免由传感器系统104和障碍规避系统144检测到的障碍物。在一些实施例中，计算机系统112可操作来对智能车辆001及其子系统的许多方面提供控制。
可选地，上述这些组件中的一个或多个可与智能车辆001分开安装或关联。例如，存储器114可以部分或完全地与智能车辆001分开存在。上述组件可以按有线和/或无线方式来通信地耦合在一起。
可选地，上述组件只是一个示例，实际应用中，上述各个模块中的组件有可能根据实际需要增添或者删除，图1不应理解为对本申请实施例的限制。
上述智能车辆001可以为轿车、卡车、摩托车、公共汽车、船、飞机、直升飞机、割草机、娱乐车、游乐场车辆、施工设备、电车、高尔夫球车、火车、和手推车等，本申请实施例不做特别的限定。
可以理解的是，图1中的智能车辆功能图只是本申请实施例中的一种示例性的实施方式，本申请实施例中的智能车辆包括但不仅限于以上结构。
目前，常用的激光雷达如图2所示的基于光纤光路的激光雷达的架构示意图，从图2可以看出基于光纤光路的激光雷达包括激光器、1×2光纤耦合器、光纤环形器和2×1光纤耦合器。激光器发出的激光信号经过光纤耦合进入光路，经过1×2光纤耦合器将激光信号分为探测信号和本振信号两部分，探测信号经光纤环形器后出射至目标物体，经目标物体反射后形成的回波信号经透镜耦合进光纤，经光纤环形器接收后再与本振信号经过2×1光纤耦合器产生拍频信号，然后拍频信号被探测器接收后由差分放大电路进行处理。
因为发射探测信号和接收回波信号都需要经过光纤环形器，光纤环形器的存在可能会对接收到的回波信号造成串扰现象；并且回波信号需要经过透镜耦合进入光纤，由于光纤尺寸的限制，透镜的口径不能过大，会限制接收到的回波信号的能量，从而导致激光雷达探测的精度不高。
为解决上述问题，本申请提出了一种激光雷达，请参见图2A，图2A是本申请实施例提供的一种激光雷达的架构示意图，该激光雷达包括激光器200、光束整形模块201、分束模块202、接收模块203、光学混频模块204、差分接收单元205、模拟数字转换器(Analogdigital converte，ADC)206和处理器207。
本申请实施例中的激光雷达能够应用于智能交通、自动驾驶、大气环境监测、地理测绘、无人机等各种领域，能够完成距离测量、速度测量、目标跟踪、成像识别等功能。
激光器200产生激光信号，激光器产生的激光信号可以是调频连续波(FrequencyModulated Continuous Wave，FMCW)信号，其激光频率的调制波形可以是锯齿形，也可以是三角波，或者其他形式的波形。当激光器200生成的激光信号是FMCW信号时，激光器200可以是调频激光器(Tunable Laser，TL)，如分布反馈激光器(Distributed Feedback Laser，DFB)、激光二极管(Laser diode，LD)、光纤激光器和垂直腔面发射激光器(VerticalCavity Surface Emitting Laser，VCSEL)等。可以理解的是，激光信号可以称为激光脉冲、激光束、激光或者其他名称，只要含义相同，均属于本申请实施例的保护范围。在本申请实施例中，激光器200生成的激光信号用于对目标物体210的速度或距离中的至少一种进行测量。
光束整形模块201，用于对激光器200产生的激光信号进行准直处理，进行准直处理后的激光信号可以满足预设的光斑尺寸、发散角和束腰半径，等光学特性要求。需要说明的是，光束整形模块201可以为透镜，即由一个或者两个以上透镜组成。
分束模块202，用于对进行准直处理后的激光信号进行分束处理，分束处理得到探测信号和本振信号；其中，将激光信号进行分束处理得到的探测信号和本振信号的能量、偏振态，等光学特性都是一致的，都与由激光器200产生的激光信号的光学特性相同。
接收模块203，包括扫描器203A，扫描器203A也称2D扫描器。接收模块203用于对探测信号的偏振态进行转换，并由扫描器203A将探测信号按照一定的角度发射出去；发射信号发射出去之后，被目标物体210反射回来形成回波信号；这时，扫描器203A还用于接收该回波信号，接收模块203还用于对接收到的回波信号的偏振态进行转换，然后将该回波信号汇聚到光学混频模块处。接收模块203中用于发射的模块和用于接收的模块可以是相对独立的模块。接收模块203一般由一个望远光学系统组成，其望远光学系统可以包括开普勒型、伽利略型、牛顿型、卡塞格林型等望远光学系统中的至少一种。
光学混频模块204，用于对接收模块203接收到的回波信号和通过分束模块202分出的本振信号进行混频处理得到第一拍频信号和第二拍频信号。光学混频模块具有半透半反的性质，也即对接收到的信号进行反射处理和折射处理形成两束信号。其中，第一拍频信号和第二拍频用于确定目标物体的距离或速度中的至少一项。通过光学混频模块204进行混频处理得到的拍频信号包括第一拍频信号和第二拍频信号，第一拍频信号和第二拍频信号之间的相位差为180度。需要说明的是，拍频信号是频率为本振信号和回波信号瞬时频率之差的信号。拍频信号也可称为拍波信号、差频信号等，本申请实施例对拍频信号的名称不做任何限制。
探测器211和探测器212，其中，通过探测器211的光敏面来接收光学混频模块204产生的第一拍频信号，通过探测器212的光敏面来采集光学混频模块204接收的第二拍频信号。
差分接收单元205，用于对探测器211和探测器212上接收到的第一拍频信号和第二拍频信号进行差分接收得到一路拍频信号。差分接收得到的信号可以大幅地降低噪声，提高信噪比，从而提高雷达探测系统的测量精度。
模拟数字转换器ADC206，用于对拍频信号进行采样，这样采样实质是将模拟信号转换为数字信号的过程。
处理器207，该处理器可以包括数字信号处理器(Digital signal processor，DSP)、中央处理器(CPU)、加速处理器(APU)、图像处理单元(GPU)、微处理器或微控制器等具有计算能力的器件，附图以DSP为例来介绍，该处理器用于对采样得到的拍频信号进行处理，从而得到目标物体210的速度、距离等信息。
本申请实施例中，目标物体210也称反射物，目标物体210可以是扫描器扫描方向上的任何物体，例如，可以是人、山、车辆、树木、桥梁等等，图1是以车辆为例进行了示意。
本申请实施例中，对采样得到的拍频信号进行处理，从而得到目标物体210的速度、距离等信息的操作，可以由一个或多个处理器207，例如，由一个或多个DSP来完成，当然也可以由一个或多个处理器207结合其他器件来完成，例如，一个DSP结合一个或多个中央处理器CPU来共同完成。处理器207对拍频信号进行处理时，可以具体通过调用计算机可读存储介质存储的计算机程序来实现，该计算机可读存储介质包括但不限于是随机存储记忆体(random access memory，RAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read only memory，EPROM)、或便携式只读存储器(compact disc read-only memory，CD-ROM)，其可以配置在处理器207中，也可以独立于处理器207。
本申请实施例中，上述提及的某些器件可以是单份，也可以是多份，例如，激光器200可以是一个，也可以是多个，当为一个激光器200时，这一个激光器200可以在时域上交替发射正斜率的激光信号和负斜率的激光信号；当存在两个激光器200时，其中一个发射正斜率的激光信号，另一个发射负斜率的激光信号，两个激光器200可以同步发射激光信号。
如图2B所示，以该激光信号频率的调制波形为三角波线性调频为例，回波信号经过一段飞行时间之后与本振信号混频，这段飞行时间就是激光信号分出的探测信号从出射开始至回波信号返回的时间，回波信号经过飞行时间后与本振信号生成的拍频信号在一定时间内是恒定的，其中，拍频信号为差分接收单元对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分接收后得到的拍频信号，这段时间即为拍频时间。拍频信号能准确反映目标物体的距离和速度信息，拍频信号需要包括对应于正斜率的拍频f1和对应于负斜率的拍频f2，与目标物体的速度相关的频谱f速度可以表示为f速度＝(f1-f2)/2，与目标物体的距离相关的频率f距离可以表示为f距离＝(f1+f2)/2。得到和f速度和f距离后就可以计算得到目标物体(与激光雷达)的距离和目标物体的移动速度。
请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种拍频信号生成方法的流程示意图，该流程可以基于图2A所示的激光雷达来实现，该方法包括但不限于如下步骤：
步骤S300：光束整形模块对激光器生成的激光信号进行准直处理。
具体地，激光雷达光学系统中的激光器200产生的激光信号的光斑能量在空间的分布一般不均匀，普遍都是中间高边缘低，典型的光斑能量在空间的分布为高斯分布。激光信号的光束在快轴方向和慢轴方向上具有不同的束腰位置和大小，从而激光信号形成快轴方向的光束和慢轴方向的像散光束，快轴方向的光束和慢轴方向的光束具有不同的发散角，快轴方向上的光束的发散角较大，慢轴方向上的光束发散角较小，以至于从激光器200发出的激光信号的光束具有不对称性，光束质量不高。为了保证本申请实施例中的激光雷达光学系统在使用过程中能够具有较高的精准度以实现灵敏的信息采集，并且要使得激光信号的光斑能量分布均匀且光束质量高，需要通过光束整形模块201对激光信号在快轴方向上的光束进行准直，且同时对慢轴方向上的光束进行均化。
请参见图3A所示的光束整形模块201，光束整形模块201可以由一个或者多个透镜组成，本申请实施例以由两个透镜组成的光束整形模块为例进行说明，在实际应用中可根据实际需求(比如光斑尺寸、发散角和束腰半径等具体要求)来选择相应的透镜。
步骤S301：分束模块对进行准直处理后的激光信号进行分束处理，得到探测信号和本振信号。
具体地，在本申请实施例中，激光雷达光学系统中的激光器200生成的激光信号是调频连续波激光信号，调频连续波激光信号携带的信息主要为频率信息，通过本振信号和回波信号进行相干得到拍频信号，通过拍频信号计算得到目标物体的距离或速度中的至少一项。因此，需要通过分束模块202对进行准直处理后的激光信号进行分束处理，得到探测信号和本振信号。其中，本振信号和探测信号为偏振方向相同的线偏振激光信号。
可选地，如图3A和图3B所示，分束模块202包括可选的第一二分之一波片2022和分束镜2021。光束整形模块201处理后的激光信号为线偏振激光信号，由可选的第一二分之一波片2022调整线偏振激光信号的偏振方向，经分束模块202中的分束镜2021对线偏振激光信号进行分束处理得到本振信号和探测信号。
可选地，如图3C和图3D所示，分束模块202包括第一二分之一波片2022和分束镜2021，通过调整第一二分之一波片2022的快轴与激光信号的线偏振方向的夹角可以调整经过第一二分之一波片的激光信号的角度。在申请实施例所提供的图3C和图3D中，第一二分之一波片2022用于将线偏振激光信号调整为偏振方向为45度的信号，因此经过分束镜2021分束处理后得到的本振信号和回波信号的偏振方向也是45度。
分束镜2021可以是偏振分光镜，或者是非偏振分光棱镜，也可以是半镀银棱镜，还可以是平板型分光镜片，如图3A所示的分束镜2021是本申请实施例提供的一个示例。激光信号经过分束镜2021的反射和折射，分束为两束或更多束信号。如图3A所示，在本申请实施例中，将由分束镜2021反射得到的信号为本振信号，将由分束镜2021折射得到的信号为探测信号。
需要说明的是，若激光器发出的激光信号为线偏振信号，则经过光整形模块进行光束整形后由分束模块进行分束处理；若激光器发出的激光信号不是线偏振信号时，需要在分束模块202之前将激光信号转换成线偏振信号。具体转换方式是在分束模块202之前设置波片(本申请实施例中没有具体图示出)，可以是在光束整形模块201和分束模块102之间设置波片，或者在激光器200和光束整形模块201之间设置波片。波片的数量和类别可根据实际情况进行选择，本申请实施例不做任何限制。
步骤S302：接收模块用于接收回波信号并将回波信号传输至光学混频模块。
具体地，在本申请实施例中，因为圆偏振态或者椭圆偏振态的探测信号具有更好的稳定性，所以由接收模块203出射至目标物体的探测信号的偏振态为圆偏振态或者椭圆偏振态。而经激光器200生成的激光信号经过光束整形模块201发射的激光信号的偏振态为线偏振态，所以由分束镜2021分束处理得到的探测信号的偏振态也为线偏振态，因此需要在分束镜2021输出探测信号的一侧设置四分之一波片(即1/4波片)，四分之一波片用于将探测信号的偏振态从线偏振态转换成圆偏振态。接收模块203接收探测信号经目标物体发射得到的回波信号，并将回波信号汇聚到光学混频模块204中与本振信号进行混频。为了提高混频效率，在回波信号与本振信号进行混频之前，需要在光学混频模块输入回波信号的一侧设置四分之一波片，四分之一波片用于将回波信号的偏振态从圆偏振态转换成线偏振态。
可选地，分束镜2021输出探测信号的一侧设置的四分之一波片，与光学混频模块输入回波信号的一侧设置的四分之一波片为同一波片。如图3A或者图3C所示，接收模块203包括偏振分光棱镜2031、四分之一波片2032、主镜2033、次镜2035。可选地，接收模块还包括次反射镜2034等光学器件。需要说明的是，接收模块203用于出射探测信号并接收回波信号。四分之一波片2032设置于偏振分光棱镜2031的折射出光面处，激光器200、光束整形模块201、分束模块202、偏振分光棱镜2031和四分之一波片2032设置于同一轴线上。探测信号经过偏振分光棱镜2031透射到四分之一波片2032后转化成偏振态为圆偏振态或者椭圆偏振态的探测信号，并经扫描器出射至目标物体上。反射信号经目标物体反射后得到回波信号，回波信号经扫描器接收至接收模块203，四分之一波片2032后转化成偏振态为线偏振态的回波信号，并通过偏振分光棱镜2031折射到由主镜2033、次反射镜2034和次镜2035组成的光学模组上，由上述光学模组将回波信号汇聚到光学混频模块204处与本振信号进行光学混频。
可选地，分束镜2021输出探测信号的一侧设置的四分之一波片，与光学混频模块输入回波信号的一侧设置的四分之一波片为两个不同的波片。如图3B或者图3D所示，图3D是本申请实施例提供的另一种激光雷达光学系统的架构示意图。图3B或者图3D所示的接收模块203包括开孔主反射镜2036、第一四分之一波片2037、第二四分之一波片2038、主镜2033、次镜2035，等光学器件。可选地，接收模块还包括次反射镜2034等光学器件。需要说明的是，接收模块用于出射探测信号并接收回波信号。图3B和图3D所示的第一四分之一波片2037、第二四分之一波片2038的快轴与分束处理得到的探测信号的偏振方向成45度。第一四分之一波片2037设置于分束镜2021的折射出光面和开孔主反射镜2036的入射面之间，激光器200、光束整形模块201、分束模块202、开孔主反射镜2036和第一四分之一波片2037设置于同一轴线上。第二四分之一波片2038设置于接收模块203的出光面和光学混频模块204的入光面之间。探测信号经过第一四分之一波片2037转化成偏振态为圆偏振态或者椭圆偏振态的信号，经过开孔主反射镜2036和扫描器后出射至目标物体上。探测信号经目标物体反射后得到回波信号，回波信号经扫描器接收至接收模块203，由开孔主反射镜2036反射到由主镜2033、次反射镜2034和次镜2035组成的光学模组上，由上述光学模组将回波信号汇聚到第二四分之一波片2038处，由第二四分之一波片2038将回波信号的偏振态由圆偏振态或者椭圆偏振态转换成线偏振态，然后再出射至光学混频模块204处与本振信号进行光学混频。
步骤S303：光学混频模块对本振信号和回波信号进行光学混频得到第一拍频信号和第二拍频信号。
具体地，本申请实施例是利用本振信号与回波信号基于自由空间混频形成的干涉光光束来获取拍频信号中的信息，为了保证本振信号和回波信号充分的发生混频，需要在光学混频模块204中将本振信号和回波信号的光斑尺寸调整到基本保持一致，然后再对本振信号和进行偏振方向转换的回波信号进行混频处理得到第一拍频信号和第二拍频信号。因为光学混频模块具有半透半反性质，会对经过的信号进行透射处理和反射处理，所以对经过的本振信号和回波信号进行处理后得到第一拍频信号和第二拍频信号。其中，经过偏振方向转换的回波信号与本振信号是偏振方向正交的线偏振信号。
可选地，如图3A或者图3B所示，光学混频模块204包括光束整形透镜2042、光阑2043、合束镜2044、第二二分之一波片2045、第一偏振分光棱镜2046和第一透镜2047、第二透镜2048。其中，分束镜2021、合束镜2044、第二二分之一波片2045和第一偏振分光棱镜2046设置于同一轴线上。第二二分之一波片2045设置于合束镜2044和第一偏振分光棱镜2046之间，合束镜2044用于对本振信号与回波信号进行合束处理，第二二分之一波片2045的快轴与本振信号、回波信号的偏振方向的夹角为45°。本振信号通过光束整形透镜2042和光阑2043后整形成与回波信号的光斑尺寸一致的信号，由合束镜2044将进行偏振态转换的回波信号和本振信号合束到一个光路上后，由第二二分之一波片2045将合束到一个光路上的回波信号和本振信号分别转换成第一45度偏振信号和第二(45+90)度偏振信号。第一45度偏振信号和第二45度偏振信号在第一偏振分光棱镜2046处进行混频得到相位差为180度的第一拍频信号和第二拍频信号。
可选地，如图3C和图3D所示，光学混频模块204包括光束整形透镜2042、光阑2043、第二偏振分光棱镜2040和第一透镜2047、第二透镜2048。本振信号由光束整形透镜2042和光阑2043整形成与回波信号的光斑尺寸一致的信号，本振信号的偏振方向为45度。经过偏振态转化后的回波信号的偏振方向为(45+90)度，回波信号和本振信号为偏振方向正交的线偏振光，由第二偏振分光棱镜2040对分别在两路上的本振信号和回波信号进行混频处理得到相位差180度的第一拍频信号和第二拍频信号。
通过光学混频模块204得到的第一拍频信号和第二拍频信号分别通过第一透镜2047和第二透镜2048汇聚到探测器211和探测器212的光敏面上，然后由差分接收单元205对探测器211和探测器212上接收到的第一拍频信号和第二拍频信号进行差分放大得到一路拍频信号，经过差分放大得到的一路拍频信号，由差分接收单元205对探测器211和探测器212上接收的信号经差分放大后输出。经差分放大输出的信号可以大幅地降低噪声，提高信噪比，从而实现提高测量的精度。需要说明的是，第一45度偏振信号和第二45度偏振信号的偏振态为线偏振态。
需要说明的是，在本申请实施例中提及的波片，包括四分之一波片、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一二分之一波片以及第二二分之一波片可在与上述波片相邻的光学透镜的某一出光面或者某一入光面镀膜或者粘合波片来实现其功能。举例来说，对于图3A所示的四分之一波片2032可以在偏振分光棱镜2031的折射出光面处镀膜或者粘合波片来实现四分之一波片2032的功能；同理，第二二分之一波片2045可以在第一偏振分光棱镜的折射入光面处镀膜或者粘合波片来实现第二二分之一波片2045的功能。
在图3所示的方法中，由波片、分束镜和偏振分光棱镜等光学模块组成的空间光路来实现相干探测接收光路，增加了接收回波信号的口径，从而可以接收到更多的回波信号的能量，增加雷达探测系统对目标物体探测的精度；通过发射接收模组中的偏振分光棱镜或者开孔主反射镜等光学模块来接收和探测信号，可以避免光学串扰带来的对接收回波信号的干扰；对探测信号和回波信号的偏振态进行转换可以提高光学混频效率。
上述实施例中所用，根据上下文，术语“当…时”可以被解释为意思是“如果…”或“在…后”或“响应于确定…”或“响应于检测到…”。类似地，根据上下文，短语“在确定…时”或“如果检测到(所陈述的条件或事件)”可以被解释为意思是“如果确定…”或“响应于确定…”或“在检测到(所陈述的条件或事件)时”或“响应于检测到(所陈述的条件或事件)”。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘)等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

Claims (12)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括：
至少一个激光器，用于产生激光信号；
光束整形模块，用于对所述激光信号进行准直处理；
分束模块，用于对进行准直处理后的所述激光信号进行分束处理，得到探测信号和本振信号；
接收模块，用于接收回波信号并将所述回波信号传输至光学混频模块，其中，所述回波信号为所述探测信号照射目标物体后形成的反射信号；
所述光学混频模块，用于对所述本振信号和所述回波信号进行光学混频得到第一拍频信号和第二拍频信号，其中，所述第一拍频信号和所述第二拍频信号之间的相位差为180度；
差分接收单元，用于对所述第一拍频信号和所述第二拍频信号进行差分接收；所述第一拍频信号和所述第二拍频信号用于确定所述目标物体的目标信息。
2.根据权利要求1所述的雷达，其特征在于，所述分束模块包括分束镜和第一二分之一波片，所述第一二分之一波片设置于所述光束整形模块和所述分束镜之间，所述第一二分之一波片用于调整所述激光信号的偏振方向。
3.根据权利要求1-2任一项所述的雷达，其特征在于，所述接收模块包括四分之一波片，在所述分束模块输出所述探测信号的一侧设置有四分之一波片，在所述光学混频模块输入所述回波信号的一侧设置有四分之一波片，所述四分之一波片用于对经过的所述回波信号和所述探测信号进行偏振态转换。
4.根据权利要求1-2任一项所述的雷达，其特征在于，所述接收模块包括扫描器，所述接收模块用于对所述探测信号的偏振态进行转换，将所述探测信号按照一定的角度发射；所述接收模块用于对所述回波信号的偏振态进行转换，将所述回波信号传输至光学混频模块。
5.根据权利要求1-4任一项所述的雷达，其特征在于，
所述分束模块输出所述探测信号的一侧设置的四分之一波片，与所述光学混频模块输入所述回波信号的一侧设置的四分之一波片为同一个波片，或者，
所述分束模块输出所述探测信号的一侧设置的四分之一波片，与所述光学混频模块输入所述回波信号的一侧设置的四分之一波片为两个不同的波片。
6.根据权利要求1-5任一项所述的雷达，其特征在于，所述光学混频模块包括合束镜、第一偏振分光棱镜和第二二分之一波片；所述第二二分之一波片设置于所述合束镜和所述第一偏振分光棱镜之间；所述分束镜、所述合束镜、所述第二二分之一波片和所述第一偏振分光棱镜设置于同一轴线上；
所述合束镜，用于将进行偏振态转换的所述回波信号和所述本振信号合束到一个光路上；
所述第二二分之一波片，用于将合束到一个光路上的所述回波信号和所述本振信号分别转换成第一45度偏振信号和第二45度偏振信号；其中，所述第一45度偏振信号和所述第二45度偏振信号为偏振方向正交的信号；
所述第一偏振分光棱镜，用于对所述第一45度偏振光和所述第二45度偏振光进行混频处理得到所述第一拍频信号和所述第二拍频信号。
7.根据权利要求1-6任一项所述的雷达，其特征在于，所述光学混频模块包括第二偏振分光棱镜；所述分束镜和所述第二偏振分光棱镜设置于同一轴线上；
所述第二偏振分光棱镜，用于对分别在两个光路上的所述本振信号和进行偏振态转换的所述回波信号进行混频处理，得到所述第一拍频信号和所述第二拍频信号。
8.根据权利要求1-7任一项所述的雷达，其特征在于，所述探测信号和所述本振信号的偏振态为线偏振态。
9.根据权利要求8所述的雷达，其特征在于，进行偏振态转换后的所述探测信号的偏振态为圆偏振态或椭圆偏振态。
10.根据权利要求8所述的雷达，其特征在于，所述回波信号的偏振态为圆偏振态或椭圆偏振态，进行偏振态转化后的所述回波信号的偏振态为线偏振态。
11.根据权利要求1-10任一项所述的雷达，其特征在于，所述目标信息包括距离或速度中的至少一项。
12.一种智能车辆，其特征在于，包括：激光雷达以及处理器，所述激光雷达用于执行权利要求1-11任一项所述的激光雷达的功能，所述处理器用于基于所述激光雷达智能驾驶。
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