CN114895318A - 激光雷达系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达系统，可应用于自动驾驶、网联车等领域，其包括：激光器，第一分束模块，信号发生模块，第二分束模块，第一平衡相干探测模块，调制器，信号混合模块和处理控制模块。通过本发明提供的激光雷达系统，可实现高功率、远距离探测。

Description

激光雷达系统
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种激光雷达技术领域，更具体的，涉及一种激光雷达系统。
背景技术
光学相控阵(Optical Phased Array，OPA)的概念来源于微波相控阵，但相比微波相控阵有着明显的优势，OPA工作波段是以光波段的激光作为信息载体，避免了无线电波的干扰，而且激光光束的波束较窄，具备很好的保密性。相比大体积的电光相控阵，光学相控阵可以集成在一块芯片上，具有尺寸小、质量轻、灵活性好、功耗低等优势，这些优势使得OPA在自由空间光通信、光检测和测距、图像投影、激光雷达(LIDAR)等领域上有着极大的应用前景。
随着半导体工艺的进步，目前比较热门的OPA研究方向是光波导相控阵和微机电系统(MEMS)相控阵。光波导相控阵由于控制电压低、扫描角度大的特点受到研究人员的青睐。
激光雷达通过光束来探测周围环境，但是测量距离的原理有所不同，主要的是飞行时间原理(TOF)和调频连续波原理(FMCW)。
目前技术比较成熟的是TOF激光雷达技术，TOF激光雷达技术原理相对简单，激光器发射一个激光脉冲，并由计时器记录射出时间，回波光经接收器接收，并由计时器记录下返回时间，时间差就是光的飞行时间，便可计算出距离。但是其主要缺点是容易受环境光的影响，抗干扰能力弱，环境杂散光会带来信噪比的减低，很难与光学相控阵结合，由于TOF的峰值功率过高无法做到芯片化。
因此，现有技术需要进一步改进。
发明内容
本发明解决的技术问题是：通过光学相控阵与调频连续波技术的结合，解决光波导相控阵功率低，使得光学相控阵输出功率可达到30W，可提升其探测距离，从而实现高功率、远距离探测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种激光雷达系统，包括：
激光器，第一分束模块，信号发生模块，第二分束模块，第一平衡相干探测模块，调制器，信号混合模块和处理控制模块；
所述激光器，用于发射激光束，并将所述激光束传输至所述第一分束模块；
所述第一分束模块，用于将接收到的所述激光束分为本振光和第一信号光，并将所述本振光传输至所述调制器，将所述第一信号光传输至所述信号发生模块；
所述信号发生模块用于接收所述第一信号光，并将所述第一信号光输出形成二维阵列信号光；
所述第二分束模块用于接收所述二维阵列信号光并将其分成用于探测目标物体的探测信号光和用于调制所述第一信号光相位的调制信号光，所述探测信号光经所述探测目标散射返回为回波信号光；
所述回波信号光与所述本振光借由信号混合模块混合，混合后通过所述第一平衡相干探测模块进行相干探测，确定出目标信号；
所述处理控制模块接收所述目标信号，进而得到所述探测目标的距离和/或速度信息。
优选的，所述激光器为光纤激光器。
优选的，所述信号发生模块包括相位调制模块，光纤放大器和光纤密排阵列，所述第一信号光依次通过所述相位调制模块，所述光纤放大器和所述光纤密排阵列，从而形成所述二维阵列信号光。
优选的，所述相位调制模块为铌酸锂晶体。
优选的，所述激光雷达系统还包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一准直透镜设置在所述信号发生模块和所述第二分束模块之间，用于减小所述二维阵列信号光的发散角；所述第二准直透镜设置在所述第二分束模块的下游，用于减小所述调制信号光的发散角。
优选的，所述激光雷达系统还包括第二平衡相干探测模块和主动相位反馈系统，所述调制信号光依次通过所述第二平衡相干探测模块和所述主动相位反馈系统，回到所述相位调制器从而调制所述第一信号光的相位。
优选的，所述信号混合模块包括聚焦透镜和第三分束模块，所述回波信号光依次通过所述聚焦透镜后借由所述第三分束模块与所述本振光混合。
优选的，所述激光雷达系统还包括光纤准直发射器和准直合束系统，所述本振光依次通过所述光纤准直发射器和所述准直合束系统后借由述第三分束模块与所述本振光混合。
优选的，所述处理控制模块包括信号显示模块和信号处理模块，所述目标信号依次通过所述信号显示模块和所述信号处理模块，从而得到所述探测目标的距离和/或速度信息。
优选的，所述第一平衡相干探测模块和第二平衡相干探测模块为光电探测器。
本发明基于光学相控阵(OPA)与调频连续波技术(FMCW)提供了一种新的激光雷达系统。其中，光学相控阵采用了光纤光学相控阵，解决光波导相控阵功率低，使得光学相控阵输出功率可达到30W，可提升其探测距离。调频连续波技术基于相干原理，由于它只能接收到自己发出去的光(频率相同或相近)，因而不会受到各种“杂光”的干扰，如果返回的光不匹配最初传输的时间、频率和波长，FMCW激光雷达可以过滤掉那个数据点，可以实现更精确的目标检测。采用光纤光学相控阵(OPA)和调频连续波(FMCW)结合方案，从而实现高功率、远距离探测。
附图说明
图1是本发明的基于OPA的FMCW激光雷达结构图。
其中，附图标记包括：
激光雷达系统100；激光器1；第一分束模块2；调制器3；调制器4；主动相位反馈系统5；光纤放大器6；光纤密排阵列7；信号显示器8；第一准直透镜9；第二准直透镜11；第一平衡相干探测模块17；第二平衡相干探测模块10；第二分束模块12；聚焦透镜13；准直合束系统14；光纤准直发射器15；第三分束模块16；信号显示模块18；信号处理模块19。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明设计了一种激光雷达系统，出射功率能够达到30W，实现5km～10km的探测距离。
请参阅图1所示，一种激光雷达系统100，包括：
激光器1，第一分束模块2，信号发生模块，第二分束模块12，第一平衡相干探测模块17，调制器3，信号混合模块和处理控制模块。
激光器1可发射激光束，若在沿激光束的发射方向的一定距离内存在探测目标，激光器1发射的激光束在到达探测目标后，在探测目标的表面发生反射，被反射的信号作为回波信号光返回至激光雷达的第一平衡相干探测模块17，第一平衡相干探测模块17可根据接收到的回波信号光和发射的激光束，确定出与目标物体相关的信息，例如与探测目标的距离。
本发明提供的额激光雷达系统可应用于自动驾驶、机器人、无人机、网联车等领域。
在一个具体的实施方式中，激光器1为光纤激光器，示例但不限制的，波长为1064nm。
第一分束模块2，用于接收激光器1发出的激光束，并将激光束分为本振光和第一信号光。示例的，第一分束模块2可以为第一分束器。
本申请中，第一信号光与本振光的分光比可以为1(即第一信号光与本振光的分光比为50：50)，也可以大于1，或者也可小于1。为了进一步提高对回波信号光的增益效果，第一分束器在对激光束进行分束时，可使第一信号光与本振光的分光比大于20，即第一信号光与本振光的功率之比大于20。示例的，可以在第一分束器的透射面设置增透膜，以实现第一信号光与本振光的分光比大于20。
具体的，第一分束模块2将激光束分为第一信号光和本振光。下面，分别介绍第一信号光的传输路径和本振光的传输路径。
第一信号光的传输路径
第一信号光传输至信号发生模块，信号发生模块接收到第一信号光后，将第一信号光输出形成二维阵列信号光。
在一个具体的实施方式中，信号发生模块包括相位调制模块3，光纤放大器6和光纤密排阵列7，第一信号光依次通过相位调制模块3，光纤放大器6和光纤密排阵列7，从而形成二维阵列信号光。
在一个优选的实施方式中，相位调制模块3为铌酸锂晶体；光纤放大器6为高功率光纤放大器；光纤密排阵列7为二维光纤密排阵列。
示例的，晶体相位调制器3对第一信号光的相位进行调制，产生相移并在光纤放大器6处进行功率放大，通过二维光纤密排阵列7的方式将光束形成二维阵列信号光。
在一个具体的实施方中，激光雷达系统100还包括第一准直透镜9和第二准直透镜11，第一准直透镜9设置在信号发生模块和第二分束模块12之间，具体的，第一准直透镜9设置在二维光纤密排阵列7和第二分束模块12之间。第二准直透镜11设置在第二分束模块12的下游，用于减小调制信号光的发散角。
二维阵列信号光通过第一准直透镜9，用于减小二维阵列信号光的发散角，继而通过第二分束模块12被分成用于探测目标物体的探测信号光和用于调制第一信号光的相位的调制信号光。
在一个具体的实施方式中，激光雷达系统100还包括第二平衡相干探测模块10和主动相位反馈系统5，调制信号光依次通过第二准直透镜11、第二平衡相干探测模块10和主动相位反馈系统5，回到相位调制器3从而调制第一信号光的相位。
而探测信号光经探测目标散射返回形成为回波信号光。
本振光的传输路径
本振光传输至调制器4，在本申请中，调制器4为声光调制器。声光调制器通常是指控制激光束强度变化的声光器件。声光调制是一种外调制技术，调制信号是以电信号(调幅)形式作用于电声换能器上，再转化为以电信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。
本振光通过调制器4后，与回波信号光借由信号混合模块混合，混合后通过第一平衡相干探测模块进行相干探测，确定出目标信号。处理控制模块接收所述目标信号，进而得到所述探测目标的距离和/或速度信息。
优选的，第一平衡相干探测模块和第二平衡相干探测模块为光电探测器。光电探测器是指利用材料的光电效应，将输入的光信号转换为电信号输出，即实现光电转换功能。
在一个具体的实施方式中，信号混合模块包括聚焦透镜13和第三分束模块16，回波信号光依次通过聚焦透镜13后借由第三分束模块16与本振光混合。
在另一个具体的实施方中，激光雷达系统100还包括光纤准直发射器15和准直合束系统14，本振光依次通过调制器4、光纤准直发射器15和准直合束系统14后借由第三分束模块16与本振光混合。
具体的，处理控制模块包括信号显示模块18和信号处理模块19，目标信号依次通过信号显示模块18和信号处理模块19，从而得到探测目标的距离和/或速度信息。
下面通过一个具体的实施方式来说明本发明提供的激光雷达系统的工作模式。
请参阅图1所示，激光器1(激光种子源)为光纤激光器，波长为1064nm。经过第一分束器将光束分为55束，其中53路光束经过LiNbO3晶体相位调制器对其相位进行调制，产生相移并在光纤放大器处进行功率放大，通过光纤密排的方式将50路光束形成二维阵列，其余剩下5路光束则用来反馈调制锁相控制和本振光。
阵列光束通过准直透镜使光束的发散角减小，再经过第二分束器将光分为两部分，一部分用远场探测目标，另一部分经过探测器接收，利用FPGA控制板对相位进行调控，实现远场光束偏转。远场目标散射返回的激光回波信号光经过聚焦透镜和准直合束系统与另一束相干性同样好的激光(本振光)与之混合，在光电探测器表面发生干涉，进行混频，在信号处理系统中对中频信号进行处理，通过对两个信号的拍频测量就可以得到探测目标的距离和速度信息。参阅图1所示，F0和fs分别表示中频信号的上下频率，利用这两个数值可以计算出探测目标的距离和速度。
本发明提供的激光雷达系统，采用光纤光学相控阵，可实现光束大功率传播，最高功率可40w，可实现大功率的光束扫描；同时还具有阵列光束的响应时间短，传输效率高，光束传输距离远等特点。由于阵元大间距，可实现多波束扫描，较大的视场角(FOV)。另外，本发明提供的激光雷达系统结合了FMCW技术，FMCW的抗干扰能力很强，信噪比较高，FMCW得到的数据质量高，FMCW技术与OPA技术融合度较高，从而实现高功率、远距离探测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统包括：
激光器，第一分束模块，信号发生模块，第二分束模块，第一平衡相干探测模块，调制器，信号混合模块和处理控制模块；
所述激光器，用于发射激光束，并将所述激光束传输至所述第一分束模块；
所述第一分束模块，用于将接收到的所述激光束分为本振光和第一信号光，并将所述本振光传输至所述调制器，将所述第一信号光传输至所述信号发生模块；
所述信号发生模块用于接收所述第一信号光，并将所述第一信号光输出形成二维阵列信号光；
所述第二分束模块用于接收所述二维阵列信号光并将其分成用于探测目标物体的探测信号光和用于调制所述第一信号光相位的调制信号光，所述探测信号光经所述探测目标散射返回为回波信号光；
所述回波信号光与所述本振光借由信号混合模块混合，混合后通过所述第一平衡相干探测模块进行相干探测，确定出目标信号；
所述处理控制模块接收所述目标信号，进而得到所述探测目标的距离和/或速度信息。
2.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述信号发生模块包括相位调制模块，光纤放大器和光纤密排阵列，所述第一信号光依次通过所述相位调制模块，所述光纤放大器和所述光纤密排阵列，从而形成所述二维阵列信号光。
4.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述相位调制模块为铌酸锂晶体。
5.根据权利要求3所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一准直透镜设置在所述信号发生模块和所述第二分束模块之间，用于减小所述二维阵列信号光的发散角；所述第二准直透镜设置在所述第二分束模块的下游，用于减小所述调制信号光的发散角。
6.根据权利要求5所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括第二平衡相干探测模块和主动相位反馈系统，所述调制信号光依次通过所述第二平衡相干探测模块和所述主动相位反馈系统，回到所述相位调制器从而调制所述第一信号光的相位。
7.根据权利要求1所述的激光雷达系统，其特征在于，所述信号混合模块包括聚焦透镜和第三分束模块，所述回波信号光依次通过所述聚焦透镜后借由所述第三分束模块与所述本振光混合。
8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括光纤准直发射器和准直合束系统，所述本振光依次通过所述光纤准直发射器和所述准直合束系统后借由述第三分束模块与所述本振光混合。
9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述处理控制模块包括信号显示模块和信号处理模块，所述目标信号依次通过所述信号显示模块和所述信号处理模块，从而得到所述探测目标的距离和/或速度信息。
10.根据权利要求6所述的激光雷达系统，其特征在于，所述第一平衡相干探测模块和第二平衡相干探测模块为光电探测器。
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