CN114879208A - 一种调频连续波激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种调频连续波激光雷达系统，包括：激光光源，配置为产生一个或多个波长的激光光束，所述激光光束以预定模式周期性调制；光分配网络，配置为接收所述激光光束后形成多个子光束，并将所述多个子光束分别分配于多个光路通道；激光雷达光芯片，包括多个激光收发装置，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，所述激光收发装置配置为探测环境物体的距离和速度；其中，所述多个光路通道的每两个光路通道以预设间距集成地设置于所述芯片上，所述预设间距用于保证所述多个光路通道的光信号互不干扰。本发明提高了激光雷达系统的集成度，提升雷达整体性能。

Description

一种调频连续波激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种调频连续波（FMCW）激光雷达系统。
背景技术
激光雷达系统已经广泛应用于障碍物探测、距离探测等方面，例如自动驾驶领域、智能机器人的避障领域等，激光雷达通过发射激光脉冲和接收从周围物体反射回的激光脉冲回波，并根据发射的脉冲和接收反射的脉冲之间的时间延迟来计算激光雷达到环境物体的距离。激光雷达可以在整个场景360度旋转扫描，以获得激光雷达周围的障碍物信息。
但现有的激光雷达在解决发射激光和接收激光的互相干扰方面存在困扰，激光雷达为了避免前向发射通路和反向接收通路之间的串扰，一般采用片外光学环路器将两个通路隔离，这就导致了雷达系统集成度不高，系统整体尺寸较大，不利于小型化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调频连续波（FMCW）激光雷达系统，解决了前向发射通路和反向接收通路之间的串扰，使激光雷达系统小型化的技术问题，具体如下。
本发明实施例提供一种调频连续波（FMCW）激光雷达系统，包括：
激光光源，配置为产生一个或多个波长的激光光束，所述激光光束以预定模式周期性调制；
光分配网络，配置为接收所述激光光束后形成多个子光束，并将所述多个子光束分别分配于多个光路通道；
激光雷达光芯片，包括多个激光收发装置，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，所述激光收发装置配置为基于所述子光束探测环境物体的距离和速度；
其中，所述多个光路通道的相邻两个光路通道以预设间距集成地设置于所述激光雷达光芯片上，所述预设间距用于确保所述多个光路通道的光信号互不干扰。
在一些实施例中，所述预设间距大于或等于20微米且小于100微米。
在一些实施例中，所述激光光源和所述光分配网络中的至少一个集成设置于所述激光雷达光芯片上。
在一些实施例中，所述激光收发装置包括：
分光器，配置为接收输入所述子光束，并将所述子光束分成第一子光束和第二子光束；
模式复用装置，包括三个端口，其中，第一端口接收所述第一子光束后通过第二端口发射所述第一子光束，所述第二端口接收基于所述第一子光束形成的第一探测光束，并将所述第一探测光束传输至第三端口；
混频器，配置为接收所述第二子光束和所述第一探测光束后形成混频光束；
平衡探测器，配置为接收所述混频光束后获取所述第二子光束和所述第一探测光束的频率差。
在一些实施例中，所述分光器包括以下任一项：定向耦合器、非对称多模干涉器、Y型分束器、绝热型分束器、热光开关或电光开关。
在一些实施例中，所述模式复用装置包括：偏振模式复用器、模式转换器或非互易模式复用器。
在一些实施例中，所述偏振模式复用器包括：基于耦合波导的偏振分束器、基于亚波长光栅结构的偏振分束器、基于多模干涉结构的偏振分束器、基于槽型波导的偏振分束器或基复合波导的偏振分束器；
在一些实施例中，所述非互易模式复用器包括：基于钇铁石榴石磁光波导的非互易模式复用器、基于光学非线性效应的非互易模式复用器或基于时空调制的非互易模式复用器。
在一些实施例中，所述激光收发装置还包括：光学天线，配置为从所述模式复用装置的第二端口接收所述第一子光束后发送所述第一子光束，以及，接收所述第一探测光束后传输至所述模式复用装置的第二端口。
在一些实施例中，所述光分配网络还配置为能够对分配到每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节；和/或，能够选择其中一个或多个光路通道连通。
本发明实施例具有如下技术效果：
本发明实施例提供的调频连续波（FMCW）激光雷达系统，集成多个基于模式复用器的FMCW激光收发装置，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，且光路通道之间以预设间距设置于所述芯片上，所述预设间距用于保证所述多个光路通道的光信号互不干扰。提高了激光雷达系统的集成度，单位时间内获得更多的激光点云，有助于提高激光雷达的点云密度，提升雷达整体性能。
其中，每个激光收发装置集成了模式复用器以实现单个光学天线的发射和接收，进一步降低了发射和接收通路之间串扰。由于不需要片外的光学环路器，进一步提高了芯片的集成度，减小了系统尺寸。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明的一些实施例的激光调制波形示意图。
图2为本发明的一些实施例的激光雷达系统示意图。
图3为本发明的一些实施例的激光收发装置示意图。
图4为本发明的一些实施例的模式复用装置示意图。
图5为本发明的另外一些实施例的模式复用装置示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
本发明实施例提供一种调频连续波（FMCW）激光雷达系统，其中，FMCW(FrequencyModulated Continuous Wave)调频连续波，即激光光源发射出去的探测激光经过光学调制，形成具有周期性规律的调制激光，例如调制为三角波、锯齿波等。调制后的发射光的频率可以随时间变化，例如图1所示的三角波调制。调频光可以包括光频随时间增加的第一半周期和光频随时间减少的第二半周期。激光雷达系统将调制后的激光发射出去，在一段时间后从物体表面被反射，并由激光雷达系统接收。假设激光发射频率ft，激光接收到的反射激光频率fr，二者的频率之差为频率差fb，c为光速（常量），激光雷达系统与物体的距离为D，激光发射和接收时间差为td，则可以得到如下式（1）和式（2）：
Figure 56713DEST_PATH_IMAGE001
如图1所示，根据三角形相似原理，可以得到如下式（3）
Figure 521324DEST_PATH_IMAGE002
把式（2）代入式（3）得
Figure 97799DEST_PATH_IMAGE003
其中，ts为激光调制单元产生的三角调频波的周期的一半，fDEV为调频波扫频带宽。由此可以得出，FMCW雷达系统的探测距离D，在其他值确定的情况下是频率差fb的函数。
如图2所示，FMCW激光雷达系统包括：激光光源100、光分配网络200以及激光雷达光芯片300，激光雷达光芯片300包括多个激光收发装置，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，激光光源100产生的激光经过光分配网络200分配成N路激光，分别传输到集成了N个发射接收通道的激光雷达光芯片300，形成N个发射接收光路，对环境周围的物体进行探测，探测环境物体的距离和/或速度，其中，N为大于1的自然数，可选的N为1-16的自然数。
其中，激光光源100，集成设置于激光雷达芯片300上，也可以设置于激光雷达芯片300外，例如通过光纤或其他光学元器件将激光光源100发射出的激光耦合到芯片上，激光光源100配置为产生一个或多个波长的激光光束，激光光源100包括激光发射单元110、激光调制单元120以及激光放大单元130，设置于芯片外的激光发射单元110可以是分布反馈式激光器、光纤激光器、半导体激光器等等，集成设置于芯片上的激光发射单元110可以是混合集成的InP激光器、InGaAs激光器。激光调制单元120配置为对激光光束以预定模式周期性调制，例如调制为三角波或锯齿波，三角波周期性调制可以是对称三角波或非对称三角波。激光放大单元130可以包含掺铒光纤放大器、半导体光放大器等放大器，对激光器产生的光信号进行放大，以获得足够能量的发射光信号。
光分配网络200，配置为接收激光光源100发射的所述激光光束后形成多个子光束，并将所述多个子光束分别分配于多个光路通道，该光分配网络200可以集成于激光雷达芯片300上或者设置于激光雷达芯片300外；其中，光分配网络200可以为光功率分配网络，将接收到的总功率为P0的激光等分或不等分的分解为k个功率为P1、P2……Pk的光学支路，k为大于1的自然数，每一光学支路输入一个光学通道。光分配网络200可以为光波长分配网络，将接收到的含有s个波长的激光分解为s个光学支路，s为大于1的自然数，每一光学支路包含一个波长的激光，每一波长的激光输入一个光学通道，用于根据探测环境的需要进行波长的选择，例如大气环境选择1064nm红外激光进行探测，水下选择456nm蓝光进行探测，或者选择二者的结合进行复杂环境的探测。在一些实施例中，所述光分配网络200是波分复用网络，所述波分复用网络的每个输出端口对应输出一个波长的子光束。
在一些实施例中，所述光分配网络200还配置为能够对分配到每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节。例如，通过设置至少1个光功率调节单元对每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节，使其相同或不相同，以满足每一光路通道上的激光探测需求，例如调节边缘的两路光路通道的激光功率强，用于探测更远的距离，调节中间光路通道的激光功率弱，避免光路通道之间的串扰；或者，调节奇数光路通道的激光功率强，偶数光路通道的激光功率弱，进一步避免相邻光路通道之间的光学串扰。
在一些实施例中，所述光分配网络200包括以下任一项：热光开关网络、电光开关网络、星形耦合器或级联多模干涉器网络。所述光分配网络配置为能够选择其中一个或多个光路通道连通。例如选择奇数光路通道连通，能够发射或接收激光，偶数光路通道不连通，不能够发射或接收激光，进一步避免相邻光路通道之间的光学串扰。也可以选择边缘的两路光路通道的连通，能够发射或接收激光，调节中间光路通道不连通，避免光路通道之间的串扰。例如选择奇数光路的各波长通道连通，能够发射或接收指定波长的激光，偶数光路通道不连通，不发射或接收指定波长的激光，进一步能够根据需要选择希望获得输出的波长进行发射，以满足复杂环境下激光探测的需求。或者，选择指定光学通道的指定波长和/或指定功率的激光输出，以满足特定情况下激光探测的需求，具体的选择可以根据应用场景的需要通过光分配网络控制，在此不做赘述。
激光雷达光芯片300包括多个激光收发装置（3001、3002、……300k），所述多个激光收发装置配置为基于所述子光束对障碍物进行探测，每个激光收发装置与每个光路通道对应地光连接；其中，所述多个光路通道的相邻的两个光路通道以预设间距d集成地设置于所述芯片上，所述预设间距用于保证所述多个光路通道的光信号互不干扰。在一些实施例中，所述预设间距大于或等于20微米且小于100微米。实验证明，对于可见光到红外波长范围内的探测激光，在光路通道间距小于20微米的时候，会存在相互的串扰，因此，各光路通道的间距不能小于20微米。实验证明，小于100微米可以使得各光路通道在互不干扰的情况下，尽可能的形成较小的集成结构，从整体上缩小芯片的尺寸，提高了激光雷达系统的集成度，单位时间内获得更多的激光点云，有助于提高激光雷达的点云密度，提升雷达整体性能。当各光路通道的间距大于100微米后，激光雷达系统的集成度将会降低，浪费冗余空间，特别是当光路通道较多时，例如10条以上，激光雷达系统的整体尺寸偏大，不能满足常规领域的应用需求。
光路通道上的每个光路出射端口可以设置有光学导向结构，以将每个光路通道上的出射激光朝向不同或相同的方向发射并接收不同或相同方向的回波，使得雷达系统能够向需要的方向或角度反射探测激光，当不同的光学通道朝向不同的方向发射激光信号后，可以使得激光雷达覆盖更宽的探测范围。
在一些实施例中，如图3所示，激光收发装置3001（其余激光收发装置结构相同）包括通过光学连接的分光器310、模式复用装置320、混频器330以及平衡探测器340，所述光学连接可以是光纤、光波导等光学传输介质连接。分光器310、模式复用装置320、混频器330以及平衡探测器340集成于同一芯片上，保证了激光雷达系统尺寸的减小。
其中，分光器310包括三个端口，其中，分光器第一端口311接收从光分配网络200输入的激光子光束，并经分光器310将所述子光束分成第一子光束和第二子光束；所述第一子光束作为探测激光信号经分光器第二端口312传输至模式复用装置，所述第二子光束作为本征激光信号经分光器第三端口313传输至混频器330。
可选的，所述本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例可以是固定的，例如本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例为3:7，本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例也可以是可调的，例如当探测目标距离稍远时，应当适当提高探测激光信号的功率，但本振激光信号的功率应当满足其进行混频的最低阈值，例如本振激光信号与探测激光信号的功率分配比例调整为1:9，且本振激光信号的功率满足最低阈值，例如1mW，对阈值不做具体限定。
在一些实施例中，所述分光器310包括以下任一项可供选择应用：定向耦合器、非对称多模干涉器、Y型分束器、绝热型分束器、热光开关或电光开关。对任一器件的选择可根据光分配网络分配的激光传输信号的功率、波长等因素选择应用，对此不做赘述。
模式复用装置320也包括三个端口，其中，模式复用装置第一端口321与分光器第二端口312光连接，用于接收所述第一子光束后传输至模式复用装置第二端口322，第一子光束作为探测激光信号经模式复用装置第二端口322发射出去，模式复用装置第二端口322接收基于所述第一子光束经过环境物体反射后形成的第一探测光束，并将反射的所述第一探测光束传输至模式复用装置第三端口323，其中，第一子光束与反射后形成的第一探测光束的光学性质不同，因此，模式复用装置320仅能使具有模式一的第一子光束从模式复用装置第一端口321传输至模式复用装置第二端口322，且模式复用装置320仅能使具有模式二的第一探测光束从模式复用装置第二端口322传输至模式复用装置第三端口323，并不能传输至模式复用装置第一端口321，即第一子光束和第一探测光束为模式不同的光，可选的，第一子光束和第一探测光束偏振方向不同，例如o光或e光；或者，第一子光束和第一探测光束的光学模式不同，例如为横电模或横磁模。
在一些实施例中，所述模式复用装置包括偏振模式复用器；其中，所述偏振模式复用器包括以下至少之一：基于耦合波导的偏振分束器、基于亚波长光栅结构的偏振分束器、基于多模干涉结构的偏振分束器、基于槽型波导的偏振分束器或基复合波导的偏振分束器；采用上述波导型偏振模式复用器，能够保证激光互不干扰的单向传输的同时，可以提高器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
在一些实施例中，所述模式复用装置包括模式转换器；如图4所示，其中，模式转换器中，第一子光束的光学模式为TEn或TMn模式，第一探测光束的光学模式为TEm或TMm模式，其中n≠m，且n、m为大于3的自然数。采用上述模式转换器，由于光学模式发生了变化，能够保证激光互不干扰的单向传输，减小了器件尺寸，提高了器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
在一些实施例中，所述模式复用装置包括非互易模式复用器，如图5所示。其中，所述非互易模式复用器包括以下至少之一：基于钇铁石榴石磁光波导的非互易模式复用器、基于光学非线性效应的非互易模式复用器或基于时空调制的非互易模式复用器。探测光由端口1到端口2和反射光由端口2到端口1的过程中具有不同的损耗，由此可以得到该光学非互易模式复用器的非互易比率。非互易模式复用器的非互易性体现在正向和反向传播通路的损耗不同。正向传播时第一端口321到第二端口322的损耗很小，反向传播时第二端口322到第一端口321的损耗极大，第二端口322到第三端口323的损耗很小，因此出射激光和返回激光可以互不干扰的在各自的路径中传输。采用上述非互易模式复用器，能够保证激光互不干扰的单向传输的同时，可以提高器件的集成度，使得激光收发装置整体尺寸减小，进一步使得光路通道在20-100微米范围内，仍然能够互不干扰的传输光学信号。
混频器330，混频器330也包括三个端口，混频器第一端口331与分光器第二端口312光连接，配置为接收所述第二子光束；混频器第二端口332与模式复用装置第三端口323光连接，配置为接收所述反射后的所述第一探测光束，第二子光束与第一探测光束形成混频光束从混频器第三端口333输出；其中，所述混频器330可以是定向耦合器或多模干涉器。
平衡探测器340，平衡探测器340包括两个端口，平衡探测器输入端口与混频器第三端口333光连接，配置为接收所述混频光束后获取所述第二子光束和所述第一探测光束的频率差，然后将该频率差通过输出端口输出至处理器，根据上述公式（4），处理器可以计算出FMCW激光雷达系统到环境物体的距离和速度。
在一些实施例中，所述激光收发装置还包括光学天线350，配置为从所述模式复用装置第二端口322接收所述第一子光束后并发射所述第一子光束，以及，接收所述第一探测光束后将其传输至所述模式复用装置第二端口322。光学天线350可以为光纤、光波导器件结构，其集成设置于芯片边缘，例如在光纤、光波导器件的出射端设置具有透镜结构的发射、接收端面，使得激光能够经过准直后沿预设方向传输。反射光也能够精准的通过光学天线350接收并传输到模式复用装置。
本发明实施例提供的FMCW激光雷达系统，集成的多个基于模式复用器的FMCW激光发射接收装置组成多个光路通道，且光路通道之间以预设间距设置于所述芯片上，所述预设间距用于保证所述多个光路通道的光信号互不干扰。提高了激光雷达系统的集成度，单位时间内获得更多的激光点云，有助于提高激光雷达的点云密度，提升雷达整体性能。其中，每个光路通道上集成了模式复用器以实现单个光学天线的发射和接收，进一步降低了发射和接收通路之间串扰。由于不需要片外的光学环路器，进一步提高了芯片的集成度，减小了系统尺寸。
最后应说明的是：本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种调频连续波激光雷达系统，其特征在于，包括：
激光光源，配置为产生一个或多个波长的激光光束，所述激光光束以预定模式周期性调制；
光分配网络，配置为接收所述激光光束后形成多个子光束，并将所述多个子光束分别分配于多个光路通道；
激光雷达光芯片，包括多个激光收发装置，每个所述激光收发装置分别与对应的所述光路通道光连接，所述激光收发装置配置为基于所述子光束探测环境物体的距离和速度；
其中，所述多个光路通道的相邻两个光路通道以预设间距集成地设置于所述激光雷达光芯片上，所述预设间距用于确保所述多个光路通道的光信号互不干扰。
2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述预设间距大于或等于20微米且小于100微米。
3.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述激光光源和所述光分配网络中的至少一个集成设置于所述激光雷达光芯片上。
4.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述激光收发装置包括：
分光器，配置为接收输入所述子光束，并将所述子光束分成第一子光束和第二子光束；
模式复用装置，包括三个端口，其中，第一端口接收所述第一子光束后通过第二端口发射所述第一子光束，所述第二端口接收基于所述第一子光束形成的第一探测光束，并将所述第一探测光束传输至第三端口；
混频器，配置为接收所述第二子光束和所述第一探测光束后形成混频光束；
平衡探测器，配置为接收所述混频光束后获取所述第二子光束和所述第一探测光束的频率差。
5.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述分光器包括以下任一项：定向耦合器、非对称多模干涉器、Y型分束器、绝热型分束器、热光开关或电光开关。
6.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述模式复用装置包括：偏振模式复用器、模式转换器或非互易模式复用器。
7.根据权利要求6所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述偏振模式复用器包括：基于耦合波导的偏振分束器、基于亚波长光栅结构的偏振分束器、基于多模干涉结构的偏振分束器、基于槽型波导的偏振分束器或基复合波导的偏振分束器。
8.根据权利要求7所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述非互易模式复用器包括：基于钇铁石榴石磁光波导的非互易模式复用器、基于光学非线性效应的非互易模式复用器或基于时空调制的非互易模式复用器。
9.根据权利要求4所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述激光收发装置还包括：光学天线，配置为从所述模式复用装置的第二端口接收所述第一子光束后发送所述第一子光束，以及，接收所述第一探测光束后传输至所述模式复用装置的第二端口。
10.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达系统，其特征在于，所述光分配网络还配置为：
能够对分配到每个所述光路通道上的子光束的功率进行动态调节；和/或，
能够选择其中一个或多个光路通道连通。
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