CN115079132A - 一种探测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供了一种探测装置，可以应用于自动驾驶、智能驾驶、测绘、智能家居或者智能制造等领域。该探测装置包括激光光源、色散系统、发射光学系统和面阵探测器，其中，激光光源用于向色散系统发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；色散系统用于将第一光束进行分光得到第二光束，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束；发射光学系统用于发射分光束；面阵探测器用于接收分光束的回波光束；面阵探测器包括N个区域，N个区域用于接收波长连续变化的分光束。实施本方案可以同时获取不同波长的光束的回波光束，通过回波光束获取目标物体的光谱特性和空间距离。

Description

一种探测装置
技术领域
本方案涉及雷达技术，应用于自动驾驶、智能驾驶、测绘、智能家居或者智能制造领域，尤其涉及一种探测装置。
背景技术
激光雷达系统可以发射脉冲光并获得脉冲光在探测目标物体表面的回波信号，从而根据回波信号的频率变化或飞行时间获取目标物体的空间距离。由于激光雷达具有较高的探测效率和距离分辨能力，其广泛地应用于深空探测、交通出行和救灾抢险等诸多领域，在国防和民用领域发挥着重要作用。
激光雷达的光学系统由发射光学模块和接收光学模块组成，可以根据激光的发射方式将激光雷达进行分类，其中，激光的发射方法包括：机械旋转扫描式、微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)扫描、光学相控阵(opticalphased array，OPA)扫描和3D面阵闪光(Flash)等方式。相比于其他方式，3D flash激光雷达能够瞬间向一定视场空间内投射出面阵光束，不需要扫描不同的视场角。因此3D flash的方式在发射光束上具有更高的效率，将成为未来激光雷达发射的主流方式。
目前，3D flash激光雷达采用面光源或者衍射光学元件、微透镜阵列等实现瞬时间向空间所有视场内投射相同谱段的光束。该方法接收的回波信号只具备空间的距离信息，而无法获取目标物体的光谱特性。目前缺少一种具备同时探测目标物体的光谱特性和空间距离的探测装置。
发明内容
本申请实施例提供了一种探测装置。该探测装置包括：激光光源、色散系统、发射光学系统和面阵探测器，其中，激光光源用于向色散系统发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；色散系统用于将第一光束进行分光得到第二光束，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束；发射光学系统用于发射分光束；面阵探测器用于接收分光束的回波光束；面阵探测器包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域用于接收波长连续变化的分光束，N个区域接收的回波光束的波长范围不同。
本申请实施例可以同时获取不同波长的光束的回波光束，通过回波光束获取目标物体的光谱特性和空间距离。
第一方面，本申请实施例公开了一种探测装置，所述装置包括：
激光光源，用于向色散系统发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；
色散系统，用于将第一光束进行分光，得到第二光束，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束，第一方向垂直于第二光束的光轴；
发射光学系统，用于发射分光束；
面阵探测器，用于接收分光束的回波光束；
面阵探测器包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域互不交叠，N个区域用于接收分光束的回波光束，且N个区域接收的回波光束的波长范围不同，N为大于1的正整数。
本申请实施例中，通过色散系统对激光光源发射的光束进行分光，可以得到不同波长的光束(即第二光束)，通过发射光学系统向探测空间发射第二光束，即实现瞬间发射包括不同波长的光束，因而可以在发射一次第二光束后，得到不同波长的光束的回波光束，提升了获取不同波长的光束的回波光束的效率。其次，本申请通过色散系统可以将线阵光源发射的线阵光扩展为面阵光，其中，线阵光源与色散系统的组合等同于面阵光源，该方法避免了面阵光源或衍射光学元件等复杂光学元件的使用，可以降低探测装置的成本。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，装置还包括N个滤光装置，N个滤光装置对应于N个区域设置，且分别用于透过对应N个区域的分光束的回波光束。
其中，滤光装置可以为滤光片、滤光膜或量子点等只允许特定波长的光束透过的装置。本申请实施例通过滤光装置可以回波滤除杂散光，以保证不同区域接收到不同波长的回波光束，从而确保回波信号的准确。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，色散系统包括聚焦装置和凹面光栅，其中，聚焦装置用于将第二光束聚焦在发射光学系统的焦平面。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，色散系统包括凸面光栅。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括接收光学系统，其中：
接收光学系统，用于将回波光束聚焦于N个区域。
接收光学系统可以为多个透镜组成的光学系统，该光学系统具备聚焦的功能。具体的，不同波长的光束以不同的角度入射接收光学系统，光学系统会将不同角度的光束聚焦在不同的区域，从而实现将不同波长的光束的回波光束聚焦在N个区域的不同位置。处理器通过获取不同区域的信号，可以得到发射至目标物体反射后的不同波长的回波信号，可以实现对目标物体的光谱特性的研究，从而获取目标物体的材料等特性。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，发射光学系统包括沿光轴排列的至少一个柱面透镜或超环面透镜。
在一些实施例中，可以在光学发射系统中增加柱面透镜和超环面透镜，从而调节发射光学系统的焦距，可以控制发射光学系统发射光束的范围。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，激光光源为线阵光源，线阵光源的延伸方向垂直于第一方向。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，聚焦装置用于将分光束在发射光学系统的焦平面上聚焦形成二维矩形像面，二维矩形像面的宽平行于第一方向。
本申请实施例中，色散系统可以对线阵光源的线阵光进行色散，从而得到面阵光，该面阵光包括不同波长的光束，且不同波长的光束所在的空间位置不同。例如，该色散系统中光栅对线阵光进行色散，则可以得到的第二光束包括具有一定排列规律的多个分光束，通过该规律设置面阵探测器，从而使面阵探测器可以接收到不同波长的分光束的回波光束。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，发射光学系统以第一视场角和第二视场角发射分光束，第一视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第一焦距，第二视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第二焦距。
发射光学系统的焦距包括第一焦距和第二焦距，通过控制发射光学系统的焦距控制发射光学系统发射光束的视场角，有利于根据实际情况有效的调整探测空间。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，装置还包括处理器，处理器，用于根据通过多个像元接收到的回波光束，生成光谱，光谱指示多个像元分别对应的分光束被目标反射形成的回波光束的光强度。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，处理器还用于根据分光束的发射时间与面阵探测器中的像元接收到的回波光束的时间之间的时间差，确定像元探测到的目标的空间距离。
第二方面，本申请实施例公开了一种控制方法，包括：
控制激光光源向色散系统发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；
通过色散系统将第一光束进行分光，得到第二光束，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束，第一方向垂直于第二光束的光轴；
通过发射光学系统发射分光束；
控制面阵探测器接收分光束的回波光束；
面阵探测器包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域互不交叠，N个区域用于接收分光束的回波光束，且N个区域接收的回波光束的波长范围不同，N为大于1的正整数。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，装置还包括N个滤光装置，N个滤光装置对应于N个区域设置，该方法还包括：
通过N个滤光装置分别透过对应N个区域的分光束的回波光束。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，色散系统包括聚焦装置和凹面光栅，该方法具体包括：
通过聚焦装置将第二光束聚焦在发射光学系统的焦平面。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，色散系统包括凸面光栅。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，还包括接收光学系统，该方法还包括：
通过接收光学系统将回波光束聚焦于N个区域。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，发射光学系统包括沿光轴排列的至少一个柱面透镜或超环面透镜。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，激光光源为线阵光源，线阵光源的延伸方向垂直于第一方向。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，该方法具体通过聚焦装置将分光束在发射光学系统的焦平面上聚焦形成二维矩形像面，二维矩形像面的宽平行于第一方向。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，发射光学系统以第一视场角和第二视场角发射分光束，第一视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第一焦距，第二视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第二焦距。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，装置还包括处理器，该方法还包括：
通过处理器根据通过多个像元接收到的回波光束，生成光谱，光谱指示多个像元分别对应的分光束被目标反射形成的回波光束的光强度。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，该方法还包括：
通过处理器还用于根据分光束的发射时间与面阵探测器中的像元接收到的回波光束的时间之间的时间差，确定像元探测到的目标的空间距离。
第三方面，本申请实施例提供了一种控制装置，包括控制单元。可选的，还包含处理单元。该控制装置用于实现第二方面或者第二方面的任意一种可能的实施方式所描述的方法。其中，所述控制单元和处理单元的数量可以为一个或者多个。
在一种可能的实施方式中，所述控制单元，用于控制激光光源向色散系统发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；
通过色散系统将第一光束进行分光，得到第二光束，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束，第一方向垂直于第二光束的光轴；
通过发射光学系统发射分光束；
所述控制单元，还用于控制面阵探测器接收分光束的回波光束；
面阵探测器包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域互不交叠，N个区域用于接收分光束的回波光束，且N个区域接收的回波光束的波长范围不同，N为大于1的正整数。
第四方面，本申请实施例公开了一种控制装置，包括至少一个处理器和通信接口，所述通信接口用于为所述至少一个处理器提供输入和/或输出，所述处理器用于执行计算机程序以实现第二方面或者第二方面的任意一种可能的实施方式所描述的方法。
第五方面，本申请实施例公开了一种激光雷达，所述激光雷达包含第一方面的或者第一方面的任意一种可能的实施方式所描述的装置。
第六方面，本申请实施例公开了一种终端，所述终端包含第一方面或者第一方面的任意一种可能的实施方式所描述的探测装置。
在第六方面的一种可能的实施方式中，上述终端可以为车辆、无人机、路侧单元、路口雷达或机器人等运输工具或智能终端。
第七方面，本申请实施例公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在一个或多个处理器上运行时，实现第二方面或第二方面的任意一种可能的实施方式所描述的方法。
第八方面，本申请实施例公开了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在一个或多个处理器上运行时，实现第二方面或第二方面的任意一种可能的实施方式所描述的方法。
需要说明的是，本申请第二方面、第三方面的部分可能实施方式与第一方面的部分实施方式构思一致，其所带来的有益效果可以参考第一方面的有益效果，因此不再赘述。
附图说明
下面对本申请实施例用到的附图进行介绍。
图1是本申请实施例提供的一种探测装置的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的两种线阵光源的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种第一方向的示意图；
图4是本申请实施例提供的一种色散系统的结构示意图；
图5A是本申请实施例提供的一种第一光束和第二光束的示意图；
图5B是本申请实施例提供的一种二维矩形像面的示意图；
图6A是本申请实施例提供的一种发射光学系统的立体示意图；
图6B是本申请实施例提供的一种发射光学系统的截面示意图；
图6C是本申请实施例提供的另一种发射光学系统的截面示意图；
图7是本申请实施例提供的一种发射光学系统发射第二光束的示意图；
图8是本申请实施例提供的一种接收光学模块的示意图；
图9是本申请实施例提供的一种第二光束与回波光束的示意图；
图10是本申请实施例提供的一种接收光学系统的结构示意图；
图11是本申请实施例提供的一种面阵探测器的示意图。
具体实施方式
本申请以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请实施例的限制。如在本申请实施例的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括复数表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，本申请实施例中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个所列出项目的任何或所有可能组合。
下面介绍本申请实施例中相关的一些概念。
1、激光雷达
激光雷达可以高精度地获取物体的距离、速度等信息，在现代军事和民用领域都扮演着重要的角色。
激光雷达可以分为两大类，分别是机械式激光雷达和固态激光雷达。其中，机械激光雷达采用机械旋转部件作为光束扫描的实现方式，体积较大，扫描频率低，且长时间使用电机损耗较大。
目前，固态激光雷达的实现方式主要有三种，分别是微机电系统、面阵闪光技术和光学相控阵技术。
其中，MEMS主要原理为：通过MEMS把机械结构集成到体积较小的硅基芯片上，并且内部有可旋转的MEMS微振镜，通过微振镜改变单个发射器的发射角度，从而达到不用旋转外部结构就能扫描的效果。采用微振镜，达到了一定的集成度，但是受限于振镜的偏转范围。
OPA扫描技术的原理类似干涉，采用多个光源组成阵列，通过控制各光源发光时间差，合成具有特定方向的主光束。然后再加以控制，主光束便可以实现对不同方向的扫描。雷达精度可以做到毫米级，且顺应了未来激光雷达固态化、小型化以及低成本化的趋势，但难点在于如何把单位时间内测量的点云数据提高以及投入成本巨大等问题。
本申请实施例中，探测装置可以为激光雷达或者包括激光雷达内部的至少一个元件。
2、Flash激光雷达
Flash激光雷达采用的是面阵闪光技术，其原理是，在短时间内发射出一大片覆盖探测区域的激光束，再以高度灵敏的接收器采集不同方向反射回来的激光束，来完成对环境周围图像的绘制。Flash型激光雷达可以快速记录整个场景，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种麻烦。
具体的，Flash激光雷达发射的面阵激光照射到目标上，目标对入射光产生散射，由于物体具有三维空间属性，从而照射到物体不同部位的光具有不同的飞行时间，被焦平面探测器阵列探测，输出为具有深度信息的“三维”图像。
但是，目前的3D flash发射的方案和理念大多是采用面光源或者衍射光学元件、微透镜阵列瞬时间向空间所有视场内投射相同谱段的光束。这种接收的回波信号只具备空间的距离信息，而无法根据相邻像素的回波信号强弱判断其光谱特性，从而无法获得目标的材料性质等信息。
本申请实施例的探测装置可以是能够获得目标的光谱特性的Flash激光雷达。
3、色散
色散是复色光分解为不同波长的光而形成光谱的现象。色散元件包括棱镜和光栅等，棱镜利用光的折射原理，光栅利用光的衍射和干涉原理，来达到色散的目的。例如，复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成光谱。例如太阳光通过三棱镜后，产生自红到紫循序排列的彩色连续光谱。又例如，复色光通过光栅或干涉仪时，由于光的衍射和干涉作用，也能使各种色光分散。从广泛的意义上来说，色散不仅指光波分解成频谱，而且任何物理量只要随频率(或波长)而变，都称色散，例如旋光色散等。在一些实施例中，色散又可以称为光谱分束。
色散系统包括色散元件的光学系统，例如，成像光谱仪，成像光谱仪能够获取大量地物目标窄波段连续光谱图像的同时，获得每个像元几乎连续的光谱数据。
本申请实施例的探测装置利用色散的原理获取包含不同波长的分光束的光束，利用包含不同波长的分光束的光束探测目标物体，从而获取目标物体的光谱特性。
本申请实施例的探测装置可以通过同时发射不同波长的光束，并获取不同波长的光束经目标反射后的回波光束，根据回波光束可以获取该目标的光谱特性和空间距离。
请参见图1，图1是本申请实施例提供的一种探测装置的结构示意图，该探测装置10包括发射光学模块100和接收光学模块200。其中：
发射光学模块100，用于发射波长在第一方向上线性变化的光束，该光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束，其中，第一方向垂直于该光束的光轴。具体的，第一方向可以为与该光束的光轴垂直的平面上的任一方向。需要说明的是，供工艺或者器件性能角度来说，光束的波长在一定范围内，则可以理解为该光束的波长为线性变化。其中：
发射光学模块100可以包括激光光源101、色散系统102和发射光学系统103。其中，激光光源101可以为点光源，也可以为线阵光源；色散系统102可以为由凸面光栅和聚焦装置组成的光学系统，也可以为凹面光栅，还可以为包含棱镜的光谱成像仪等；发射光学系统103可以为球面镜组成的透镜组合。需要说明的是，本申请不对激光光源、色散系统和发射光学系统做具体限定，以实现本申请技术方案为准。
具体的，激光光源101向色散系统102发射第一光束，第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；色散系统102可以将上述第一光束进行分光，得到第二光束，其中，第二光束的波长在第一方向上线性变化，第二光束包含沿第一方向波长连续变化的分光束，第一方向垂直于第二光束的光轴，第一方向由色散系统对第一光束的色散方向决定；发射光学系统103将第二光束发射到探测空间，具体的，发射光学系统将第二光束中不同波长的光束以不同的发射角度发射至探测空间。
其中，第二光束的波长在第一方向上线性变化是指第二光束的波长在第一方向上具有一定范围，具体的，第一光束的波长在第一方向上可以是递增的，也可以递减的。例如，第二光束包括850nm、851nm和852nm的分光束，第二光束的光轴平行于地面，则第一方向垂直于地面，第二光束的波长在第一方向上递增或递减是指，三个分光束之中850nm的光束离地面距离最大，852nm的光束距地面最近，851nm的分光束位于850nm与852nm的光束之间。可以认为第二光束由多个沿第一方向波长连续变化的分光束组成，在第一方向的不同位置的分光束的波长不同。例如，激光光源发射的第一光束的波长范围为Anm～Fnm，第一光束经色散系统分光得到的第二光束的波长在第一方向上线性变化，可以认为第二光束包括多个分光束，上述多个分光束的波长范围互不相同，且每个分光束沿第一方向波长连续变化，例如，可以认为上述第二光束包括五个激光束，五个激光束的波段分别为Anm～Bnm、Bnm～Cnm、Cnm～Dnm、Dnm～Enm和Enm～Fnm，其中，0＜A＜B＜C＜D＜E＜F。其中，第一方向垂直于第二光束的光轴，例如，第二光束的光轴平行于与地面，则第一方向为垂直于地面。
接收光学模块200，用于接收发射光学模块100发射的光束的回波光束。其中：
接收光学模块200可以包括接收光学系统201和面阵探测器202。其中，接收光学系统201可以是一个透镜组合，用于将回波光束聚焦于面阵探测器202；面阵探测器202，用于接收回波光束。应理解，发射光学系统将第二光束中不同波长的光束以不同的发射角度发射至探测空间，则接收光学系统可以接收到不同角度入射的回波光束，将不同角度入射的回波光束聚焦在面阵探测器的不同区域，也即是，将不同波长的分光束的回波光束聚焦在面阵探测器的不同区域。
其中，面阵探测器202可以包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域互不交叠，N个区域用于接收波长连续变化的分光束，且N个区域接收的回波光束的波长范围不同，其中，N为大于1的正整数。可以理解的，每一个区域对应第二光束中一段波长范围的分光束，也即是，每一个像元对应一定波长的光束。
可选地，该探测装置10还可以包括N个滤光装置。其中，N个滤光装置对应于N个区域设置，且分别用于透过对应N个区域的分光束的回波光束，即，第i个滤光装置只允许第i个区域对应的分光束的回波光束透过，i为不大于N的正整数。滤光装置可以为滤光片、滤光膜或量子点等。应理解，通过滤光装置可以滤除杂散光，以保证不同区域接收到不同波长的回波光束。
在一些实施例中，该探测装置10还可以包括处理器300，处理器300可以根据回波光束得到目标物体的光谱特性和空间距离。具体的，处理器300用于根据通过多个像元接收到的回波光束，生成光谱，光谱指示多个像元分别对应的分光束被目标反射形成的回波光束的光强度，例如，有q个像元对应的分光束被目标物体反射，q个像元分别位于N个区域中不同的区域，处理器可以获取q个像元接收的回波光束的光强度，根据q个像元对应的分光束的波长和q个像元接收到的回波光束的光强，得到该目标物体的光谱；处理器还用于根据N个分光束的发射时间与面阵探测器202中的像元接收到的回波光束的时间之间的时间差，确定像元探测到的目标的空间距离，其中，空间距离可以为该探测装置10距目标物体的距离。应理解，在获取目标物体的光谱特性后，可以根据目标物体的光谱特性解译目标物体的材料等性质。
以下介绍本申请实施例提供的一种探测装置300。
探测装置300可以包括线阵光源310、色散系统320、发射光学系统330、接收光学系统340和面阵探测器350。其中：
线阵光源310用于向色散系统320发射第一光束，该第一光束为波长范围属于第一波段的复色光。例如，第一光束可以为波长范围为850nm～950nm的激光束。其中，该线阵光源的延伸方向垂直于第一方向，在线阵光源的延伸方向上，该线阵光源具有一定长度；在第一方向上，线阵光源的宽度较小，类似于点光源的性质。需要说明的是，宽度越窄的线阵光源经色散元件进行分光后，分辨率越高。
请参见图2，图2是本申请实施例提供的两种线阵光源的结构示意图。如图2所示，线阵光源可以为如图2中(A)所示的长条形的矩形光源，线阵光源的延伸方向平行于矩形光源的长，第一方向平行于矩形光源的宽；也可以为如图2中(B)所示的多个点光源排列形成的光源。
色散系统320，用于在第一方向上将线阵光源310发射的第一光束进行分光，得到第二光束，因此，第二光束的波长在第一方向上线性变化，其中，第一方向垂直于第二光束的光轴，第二光束包含沿所述第一方向波长连续变化的分光束。可以理解的，线阵光源310发射的第一光束经色散系统320分光后生成的第二光束为面阵光。
请参见图3，图3是本申请实施例提供的一种第一方向的示意图。请参见图3，图中X轴、Y轴与Z轴两两垂直，假设如图3所示的六面体，可以用于表征第二光束，第二光束为由线阵光源发出，从图3的左侧发射至右侧，第二光束的光轴平行于Z轴，图3中的六面体为从X轴方向截取的部分第二光束，则光轴垂直于X轴与Y轴所形成的平面。应理解，由于激光光源发出的光束呈发散光束，故图3中的六边体在X轴的横截面的面积从左侧至右侧逐渐增加。例如，色散系统在X轴方向对第一光束进行色散时，则X轴为第一方向，第二光束的波长在第一方向上线性变化；又例如，色散系统在Y轴方向对第一光束进行色散时，则Y轴为第一方向，第二光束的波长在第一方向上线性变化。
色散系统320可以包括凹面光栅321和聚焦装置322。其中，聚焦装置322用于将凹面光栅321分光后的分光束聚焦在发射光学系统330的焦平面上，聚焦装置322可以为凹面镜和透射聚焦镜头等。
请参见图4，图4是本申请实施例提供的一种色散系统的结构示意图。如图4所示，该色散系统(也可称为光谱分束系统)包括凸面光栅和凹面反射镜，图中从线阵光源发出的光线为第一光束，经凹面镜和凹面光栅后由该凹面镜反射得到的光线为第二光束。具体的，线阵光源将第一光束发射至凹面镜，凹面镜将第一光束聚焦在凸面光栅上；凹面光栅将第一光束进行分光，将分光后的激光束发射至凹面镜上；凹面镜再将分光后的激光束进行聚焦，得到第二光束。需要说明的是，凹面镜可以将第二光束聚焦在发射光学系统330的焦平面上，在发射光学系统330的焦平面上形成二维矩形像面，则二维矩形像面是色散系统320的像面，也是发射光学系统330的物面。
请参见图5A，图5A是本申请实施例提供的一种第一光束和第二光束的示意图。如图5A所示，图中第二方向平行于第一光束的光轴，线阵光源发射的第一光束为波长范围为850nm～950nm的复色光，第一光束的光轴平行于图中的第二方向；该第一光束经过色散系统后，色散为波长在第一方向上线性变化的第二光束，第二光束的光轴平行于图中的第二方向，具体的，在第一方向上，该第二光束顶端的光束的波长为850nm，底部的波长为950nm，其间的光束的波长由顶部至底部逐渐递增。需要说明的是，在实践中，由于第一光束为复色光，第二光束为波长连续变化的包括多个不同波长的分光束的光束，人眼可以识别第一光束为一个颜色的光束，第二光束在第一方向上具有不同的颜色变化。
请参见图5B，图5B是本申请实施例提供的一种二维矩形像面的示意图。如图5B所示，Y轴方向为第一方向，第一方向平行于二维矩形像面的宽；Z轴方向平行于二维矩形像面的宽。为描述第二光束在第一方向的波长变化情况，图中示意性的将第二光束划分为多个分光束，其中，每一个分光束的波长是连续变化的，每一个分光束的波长范围不同，分别为第一波段、第二波段，以此类推，直到第N波段。在二维矩形像面中，每一个Y轴的一个位置对应一个波长，同一个Y轴位置时的光束具有相同的波长。例如，第一光束的波长范围可以为850nm～950nm，则色散得到的850nm和950nm的分光束分别聚焦于二维矩形像面的Y轴方向的上下两侧，两侧之间的分光束在Y轴方向的位置随波长而线性变化。
在一些实施例中，色散系统可以不改变线阵光源的长度，二维矩形像面在XOY面上X方向的长度可以与线阵光源的长度一致，二维矩形像面的X方向可以代表空间维度；色散系统对第一光束的Y轴方向进行扩展，在Y轴方向，色散系统对不同波长的光束进行了分离，扩展了线阵光源在Y轴方向的宽度，二维矩形像面在XOY面上Y方向的宽度遵循衍射定律，由色散系统的分光性能决定。需要说明的是，由于可以Y方向不同位置的光束的波长不同，根据Y方向不同位置的光束的回波光束可以得到目标物体的光谱，因此二维矩形像面的Y方向可以代表光谱维度。在一些实施例中，二维矩形像面在X和Y方向的长度分别为1.43mm和0.30mm。
需要说明的是，常规的发射光学模块需要采用面阵光源或者衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)、微透镜阵列(MA)等光学元件，成本较高。本申请通过色散系统将线阵光扩展为面阵光，线阵光源与色散系统的组合等同于面阵光源，从而实现3D flash的发光方式，该方法避免了面阵光源或DOE、MA等复杂光学元件的使用，可以降低成本。
发射光学系统330用于将经过色散系统320分光得到的第二光束发射到探测空间。应理解，色散系统320中的聚焦装置可以将第二光束聚焦在发射光学系统330的焦平面上，在该焦平面生成二维矩形像面，即二维矩形像面是发射光学系统的物面。
请参见图6A，图6A是本申请实施例提供的一种发射光学系统的立体示意图。如图6A所示，左侧为探测空间，右侧是发射光学系统，可以看到该发射光学系统由多个透镜组成，发射光学系统将第二光束发射到左侧的探测空间，也即是，发射光学系统将二维矩形像面投射至探测空间的矩形视场中，该发射光学系统成倒立放大的像。
假设图6A所示的发射光学系统水平放置，发射光学系统的光轴平行于第二光束的光轴，则第一方向为垂直方向。设定水平方向为Z轴，第一方向为Y轴，与YOZ垂直的方向为X轴，则发射光学系统在YOZ和XOZ两个截面内的投影分别如图6B与图6C所示，
请参见图6B，图6B是本申请实施例提供的一种发射光学系统的截面示意图。图6B为发射光学系统在YOZ平面的横截面，由于发射光学系统成倒立放大的像，可以看到第二光束的波长变化发生了翻转。如图6B所示，在经过发射光学系统之前，第二光束在第一方向上的波长变化是从850nm递增至950nm，在经过发射光学系统之后，第二光束在第一方向上的波长变化是从950nm递减至850nm。
请参见图6C，图6C是本申请实施例提供的另一种发射光学系统的截面示意图。图6C为发射光学系统在YOZ平面的横截面。可以理解的，该图也可以认为为同一波长的激光束的发射示意图。
具体的，发射光学系统330用于以第一视场角和第二视场角将色散系统320发射的第二光束发射到探测空间，第一视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第一焦距，第二视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第二焦距。其中，第一视场角和第二视场角可以相同，也可以不同。需要说明的是，上述第一视场角和第二视场角又可以称为矩形视场角。
请参见图7，图7是本申请实施例提供的一种发射光学系统发射第二光束的示意图。如图7所示，发射光学系统将第二光束以水平视场角和垂直视场角将分光束发射到探测空间，水平视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第一焦距，垂直视场角对应二维矩形像面的宽和发射光学系统的第二焦距，该探测空间为矩形视场。应理解，发射光学系统瞬间将上述聚焦后的激光束发射到探测空间，也即是将二维矩形像面以flash的方式发射到探测空间的矩形视场。
具体的，可以通过以下公式得到上述水平视场角θx和垂直视场角θy：
Figure BDA0002977436110000101
其中，fx和fy分别为发射光学系统X视场的焦距(即第一焦距)和Y视场的焦距(第二焦距)，X与Y分别为二维矩形像面的空间维度的长度(即为二维矩形像面的长)和光谱维度的长度(即二维矩形像面的宽)。由公式可知，在二维矩形像面确定(也可以称为空间维度和光谱维度的长度确定)后，可以通过调整发射光学系统X视场和Y视场的焦距控制发射的矩形视场角。
在一些实施例中，发射光学系统fx和fy均可以为0.85mm，在X轴和Y轴两个方向的发射视场角可以不同，例如，二维矩形像面在X轴和Y轴两个方向的长度分别为1.43mm和0.3mm时，则根据上述公式可以得到，发射光学系统在X方向的视场角为80°，Y方向的视场角为40°，在5米远处，该发射光学系统发射的第二光束覆盖的范围为：8.39m x1.76m的矩形区域。
可选地，该发射光学系统330还可以包括柱面透镜或超环面透镜等光学元件，进一步控制发射视场在长度和宽度方向的发射角度范围。
请参见图8，图8是本申请实施例提供的一种接收光学模块的示意图。如图8所示，接收光学模块包括接收光学系统340和面阵探测器350，接收光学系统340将接收到的光束聚焦在面阵探测器350上。
请参见图9，图9是本申请实施例提供的一种第二光束与回波光束的示意图。如图9所示，图9为XOY平面上的示意图，图中以第二光束中的两个波段的分光束为例，图中以带箭头的实线表示红光和红光的回波光束，以带箭头的虚线代表蓝光和蓝光的回波光束，红光和蓝光经发射光学系统以不同的发射角度发射在目标物体上，在目标物体上发射漫反射，进而，接收光学系统接收了以不同角度入射的红光的回波光束和蓝光的回波光束，接收光学系统将不同的角度入射的光束聚焦面阵探测器Y轴方向的不同位置，将同一角度入射的光束聚焦在面阵探测器Y轴方向的同一位置。
接收光学系统340用于接收发射光学系统330发射的第二光束的回波光束，将回波光束聚焦于面阵探测器350。具体的，接收光学系统340将以不同角度入射的光束分别聚焦在面阵探测器的不同位置。
请参见图10，图10是本申请实施例提供的一种接收光学系统的结构示意图。如图10所示，该接收光学系统340由多个透镜组成，图中不同灰度的线条代表了不同波长的回波光束，回波光束从左侧入射接收光学系统，接收光学系统成倒立缩小的像，第二光束在第一方向的波长变化发生了翻转，可以参见上述发射光学系统340的成像情况，此处不再赘述。需要说明的是，发射光学系统330可以放大第二光束，接收光学系统340将第二光束的回波光束进行聚焦。
面阵探测器350用于接收第二光束的回波光束。具体的，面阵探测器可以包括N个区域，N个区域中设置阵列排列的多个像元，N个区域互不交叠，N个区域用于接收波长连续变化的分光束，且N个区域接收的回波光束的波长范围不同。
请参见图11，图11是本申请实施例提供的一种面阵探测器的示意图。如图11所示，该面阵探测器包括N×M个探测像元组成，面阵探测器在第一方向上可以划分为N行，在第一方向的垂直方向可以划分为M列。其中，一行像元为一个区域，每一行像元用于接收一个波长范围的分光束的回波光束。需要说明的是，该面阵探测器的区域与第二光束相对应，也即是与二维矩形像面相对应，若第二光束为图5A和图5B所示的第二光束，则该面阵探测器的第N行可以用于接收图5B中的第一波段的激光束的回波光束，第N-1行可以用于接收图5B中的第二波段的激光束的回波光束，以此类推，第一行可以用于接收图5B中的第N波段的激光束的回波光束。
优选的，本申请实施例还可以包括N个滤光装置。其中，N个滤光装置对应于N个区域设置，且分别用于透过对应N个区域的分光束的回波光束。
在一种实现中，该滤光装置可以为滤光膜。具体的，N个滤光片中的第i个滤光膜设置于所述N个区域中的第i个区域面向探测空间的一侧，所述第i个滤光膜用于透过所述第二光束中的第i束分光束的回波光束，i为不大于N的正整数。例如，该滤光装置可以为滤光膜，请参见图11，探测器的每个像元351的表面可以镀有具有特定中心波长和特定波长截止范围的膜层352。具体的，在面阵探测器的每一行的像元镀相同的截止膜层，不同行的像元镀不同膜层，即面阵探测器150上的Y位置相同的一行像元具有相同的波段透过特性，不同Y位置的像元具有不同波段的透过特性。例如，第一波段为anm～bnm，第N行用于接收图5B中的第一波段的激光束的回波光束，则镀在第N行的滤光膜的中心波长为1/2(a+b)nm，波长截止范围为anm～bnm。可以理解的，为了区别特定视场的回波波段，采用在面阵探测器不同区域镀不同截止带宽的滤光膜的方式进行特定的波段选择，实现了同时接收不同光谱的信号的功能。
在另一种实现中，该滤光装置可以为量子点，将不同透过特性的量子点设置在不同的区域上，只允许该区域对应的分光束的回波光束。
在一些实施例中，该探测装置还可以包括处理器，处理器用于获取面阵探测器获取的数据，对数据进行处理，从而得到目标物体的空间距离和光谱信息。具体的，面阵探测器可以根据N个分光束的发射时间与面阵探测器中的像元接收到的回波光束的时间之间的时间差，确定像元探测到的目标的空间距离；根据通过多个像元接收到的回波光束，生成光谱，光谱指示多个像元分别对应的分光束被目标反射形成的回波光束的光强度。
例如，w个分光束被目标物体所反射，面阵探测器的w个行分别接收到了w个分光束的回波光束，处理器可以获取上述w个分光束的回波光束的光强度，取上述每一行的一个像元接收到的照射到目标物体的回波光束的光强度，以w个分光束的波长为横坐标，以分光束的回波光束的光强度为纵坐标，从而得到该目标物体的光谱。进而，处理器可以根据该目标物体的光谱与已知物体的光谱进行对比，从而确定该目标物体的材料，例如，该目标物体的光谱与A物质的光谱一致，则可以确定目标物体为A物质。
可以理解的，普通探测装置只具备测距功能，不具备获取光谱信息的能力，本申请实施例的探测装置通过发射系统和色散系统对具有一定波段的光束进行光谱分束，实现了不同视场角发射光束波段不同。
本申请实施例还提供了一种激光雷达，所述激光雷达包含探测装置。所述探测装置可以为前述的图1、图2(或)、图4、图6A(或图6B或图6C)、图8、图9或者图11等实施例中所描述的探测装置。
本申请实施例还提供了一种终端，所述终端包含前述的探测装置，例如图1、图2(或)、图4、图6A(或图6B或图6C)、图8、图9或者图11所示的探测装置。
可选的，上述终端可以为车辆、无人机、路侧单元、路口雷达或机器人等运输工具或智能终端。
在上述实施例中，全部或部分功能可以通过软件、硬件、或者软件加硬件的组合来实现。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。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(solidstate disk，SSD))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 (13)

1.一种探测装置，其特征在于，包括：
激光光源，用于向色散系统发射第一光束，所述第一光束为波长范围属于第一波段的复色光；
所述色散系统，用于将所述第一光束进行分光，得到第二光束，所述第二光束的波长在第一方向上线性变化，所述第二光束包含沿所述第一方向、波长连续变化的分光束，所述第一方向垂直于所述第二光束的光轴；
发射光学系统，用于发射所述分光束；
面阵探测器，用于接收所述分光束的回波光束；
所述面阵探测器包括N个区域，所述N个区域中设置阵列排列的多个像元，所述N个区域互不交叠，所述N个区域用于接收所述分光束的回波光束，且所述N个区域接收的回波光束的波长范围不同，N为大于1的正整数。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括N个滤光装置，所述N个滤光装置对应于所述N个区域设置，且分别用于透过对应所述N个区域的分光束的回波光束。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述色散系统包括聚焦装置和凹面光栅，其中，所述聚焦装置用于将第二光束聚焦在所述发射光学系统的焦平面。
4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述色散系统包括凸面光栅。
5.根据权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，还包括接收光学系统，其中：
所述接收光学系统，用于将所述回波光束聚焦于所述N个区域。
6.根据权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述发射光学系统包括沿光轴排列的至少一个柱面透镜或超环面透镜。
7.根据权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述激光光源为线阵光源，所述线阵光源的延伸方向垂直于所述第一方向。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述聚焦装置用于将所述分光束在所述发射光学系统的焦平面上聚焦形成二维矩形像面，所述二维矩形像面的宽平行于所述第一方向。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述发射光学系统以第一视场角和第二视场角发射所述分光束，所述第一视场角对应所述二维矩形像面的宽和所述发射光学系统的第一焦距，所述第二视场角对应所述二维矩形像面的宽和所述发射光学系统的第二焦距。
10.根据权利要求1-9任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括处理器，所述处理器，用于根据通过所述多个像元接收到的回波光束，生成光谱，所述光谱指示所述多个像元分别对应的分光束被目标反射形成的回波光束的光强度。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述处理器还用于根据所述分光束的发射时间与所述面阵探测器中的像元接收到的回波光束的时间之间的时间差，确定所述像元探测到的目标的空间距离。
12.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的探测装置。
13.一种终端，其特征在于，包括如权利要求1-11任一项所述的探测装置。
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