CN115210603B - 激光雷达及激光雷达控制方法 - Google Patents

Abstract

一种激光雷达及激光雷达控制方法，该激光雷达包括调频光源(111)、光放大器(112)、至少一个环形器(113)、与每个环形器对应的光束操控模组(114)、数据处理模块(115)，数据处理模块(115)集成有至少一路探测光路(1151)。该激光雷达通过将探测光路(1151)所包括的器件集成在数据处理模块(115)中，不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，从而减小激光雷达的体积，降低成本。

Description

激光雷达及激光雷达控制方法

技术领域

本申请涉及探测技术领域，尤其涉及一种激光雷达及激光雷达控制方法。

背景技术

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW)激光雷达的测距原理是在扫频周期内发射频率线性变化的连续波作为出射信号，出射信号的一部分作为本振信号，其余部分向外出射进行探测，被物体反射后返回的回波信号与本振信号有一定的频率差，通过测量频率差可以获得被探测目标与雷达之间的距离信息。激光雷达由于其探测距离远，测距精度高的特点，被广泛应用于自动驾驶、机器人、航空测绘等领域。

相关技术中，FMCW激光雷达的系统构成比较复杂，采用了大量的分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接。

发明内容

本申请实施例提供了一种激光雷达及激光雷达控制方法，可以使激光雷达实现高集成度的系统架构，减小激光雷达的体积。所述技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括：调频光源、光放大器、至少一个环形器、与每个环形器对应的光束操控模组、数据处理模块，所述数据处理模块集成有至少一路探测光路，其中：

所述调频光源，与每路探测光路相连接；

所述光放大器包括一个输入端口和至少一个输出端口，每个输出端口分别与每个环形器的第一端口相连接，所述输入端口与所述每路探测光路相连接；

每个环形器的第二端口分别与所述每个环形器对应的光束操控模组相连接，每个环形器的第三端口分别与所述每路探测光路相连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种激光雷达控制方法，所述方法包括：

调频光源产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至数据处理模块；

所述数据处理模块将所述调频连续波信号进行分光处理，得到第一发射光信号，并将所述第一发射光信号传输至光放大器；

所述光放大器将所述第一发射光信号进行放大处理，得到至少一个第二发射光信号，并将所述至少一个第二发射光信号传输至每个环形器；

所述每个环形器将所述第二发射光信号传输至与所述每个环形器对应的光束操控模组；

每个光束操控模组将所述第二发射光信号进行调整后，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标后反射回来的反射光信号，并将所述反射光信号传输至所述环形器，以使所述环形器将所述反射光信号传输至所述数据处理模块；

所述数据处理模块基于至少一个反射光信号，以及将所述调频连续波分光处理后得到的第一本振光信号，得到所述探测目标对应的至少一个状态信息。

本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

在本申请一个或多个实施例中，激光雷达包括调频光源、光放大器、至少一个环形器、与每个环形器对应的光束操控模组、数据处理模块，所述数据处理模块集成有至少一路探测光路。本申请实施例中的激光雷达通过将探测光路所包括的器件集成在数据处理模块中，不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，从而减小激光雷达的体积，降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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。

图1是本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图；

图4是本申请实施例提供的又一种激光雷达的结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种激光雷达控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本申请实施例的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，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。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

对于激光雷达，如FMCW激光雷达，通过相干探测原理来实现测速测距，系统在扫频周期内发射频率线性变化(三角波或锯齿波)的连续激光，物体反射的回波光和参考臂上的本振光发生干涉，产生的拍频信号被光电探测器探测，通过测量拍频信号的频率来计算目标的距离和速度。

FMCW激光雷达具有利用相干探测原理，测距精度高；与直接探测的方式相比，抗干扰性强；可以同时测量速度和距离；以及连续光发射，不需要很高的峰值功率，系统功耗低，人眼安全等优点，被广泛应用于自动驾驶、机器人、航空测绘等领域。

相关技术中，FMCW激光雷达使用了大量的光电器件，采用了分立器件的方式，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，导致系统组成比较复杂，激光雷达系统架构的集成度很低，成本很高，体积很大。

下面结合具体的实施例对本申请实施例提供的激光雷达进行详细介绍。

需要说明的是，本申请实施例提供的激光雷达，可以包括：调频光源、光放大器、至少一个环形器、与每个环形器对应的光束操控模组、数据处理模块，所述数据处理模块集成有至少一路探测光路和一路校准光路。

以下实施例所描述的激光雷达，由上述所描述的部分器件或者全部器件所构成。

请参见图1，为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，下面以数据处理模块集成有一路探测光路对本申请实施例中的激光雷达进行解释说明。

如图1所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：调频光源111、光放大器112、环形器113、光束操控模组114、数据处理模块115，所述数据处理模块115集成有一路探测光路1151，除了组成激光雷达的各个器件，图1中还包括探测目标116。

所述调频光源111，与探测光路1151相连接，用于产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至所述探测光路1151。

所述光放大器112的输出端口与环形器113的第一端口相连接，所述光放大器112的输入端口与所述探测光路1151相连接，所述光放大器112用于将探测光路1151传输的第一发射光信号进行放大处理，得到第二发射光信号，并将所述第二发射光信号传输至所述环形器113。

所述环形器113的第二端口与所述光束操控模组114相连接，所述环形器113的第三端口与所述探测光路1151相连接，所述环形器113用于将所述第二发射光信号传输至所述光束操控模组114。

所述光束操控模组114，用于将所述第二发射光信号进行调整处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标116，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标116后反射回来的反射光信号，将所述反射光信号传输至所述环形器113，以使所述环形器113将所述反射光信号传输至所述探测光路1151。

所述探测光路1151，用于将所述调频连续波信号中的本振光信号和所述反射光信号进行混频处理，得到所述探测目标116的状态信息。其中，所述状态信息至少包括所述探测目标116对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状中的一种或多种。

基于以上器件和光路之间的连接关系，以下对本申请实施例的原理进行解释说明。

其中，调频光源可以是内调制激光光源、啁啾脉冲激光光源、外调制激光光源等光源，本申请实施例对光源不作限制。可以理解的是，将调频连续波信号传输至探测光路，可以理解为，将调频连续波信号传输至探测光路以使探测光路对调频连续波信号进行分光处理，还可使探测光路基于调频连续波信号得到探测目标的状态信息。探测光路中的光学分光器可以对调频连续波信号进行分光处理得到两路信号，比如，光学分光器可以简称为第一分光器，其中一路可以是本振光信号，另一路可以是探测光信号。本振光信号可以留在数据处理模块中，探测光信号可以照射至探测目标表面。为描述方便，在本申请实施例中，将探测光信号描述为第一发射光信号。

进一步的，一方面，本振光信号可以进入探测光路中的另一光学分光器，比如，另一光学分光器可以简称为第二分光器，第二分光器对本振光信号再次进行分光处理得到第一本振光信号，第一本振光信号可以留在数据处理模块中。另一方面，第一发射光信号可以进入光放大器中，以使光放大器可以对第一发射光信号进行光放大处理，得到第二发射光信号。

进一步的，第二发射光信号可以经环形器传输至光束操控模组，以使光束操控模组对第二发射光信号进行整形、准直以及扫描等处理后发射至探测目标表面，而处理后的第二发射光信号经探测目标反射后，可以得到反射光信号，反射光信号可以原路返回至光束操控模组，并经光束操控模组传输至环形器。

进一步的，环形器可以将反射光信号传输至探测光路，以使探测光路对第二分光器分光得到的第一本振光信号与反射光信号进行混频处理，进而可以得到探测目标的状态信息，而状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。

在本申请实施例中，当激光雷达包括一路探测光路时，可以将探测光路所包括的器件在硅基光电子等平台上面进行集成，不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，从而减小激光雷达的体积，降低成本。

请参见图2，为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，下面以数据处理模块集成有一路探测光路和一路校准光路对本申请实施例中激光雷达进行解释说明。

如图2所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：调频光源211、光放大器212、环形器213、光束操控模组214、数据处理模块215，所述数据处理模块215集成有一路探测光路2151和一路校准光路2152，除了组成激光雷达的各个器件，图2中还包括探测目标216。

本申请实施例中，所述调频光源211、所述光放大器212、所述环形器213、所述光束操控模组214以及所述探测光路2151之间的连接关系和各个器件的功能用途可参见图1对应的上述实施例的描述，在此不再赘述。

在本申请实施例中，所述校准光路2152与所述探测光路2151相连接，用于对所述调频连续波信号进行光源校准。

可选的，所述校准光路2152可以包括分光器、光延迟线、耦合器以及平衡探测器等器件。

基于以上器件和光路之间的连接关系，以下对本申请实施例的原理进行解释说明。

其中，调频光源可以是内调制激光光源、啁啾脉冲激光光源、外调制激光光源等光源，本申请实施例对光源不作限制。可以理解的是，将调频连续波信号传输至探测光路，可以理解为，将调频连续波信号传输至探测光路以使探测光路对调频连续波信号进行分光处理，还可使探测光路基于调频连续波信号得到探测目标的状态信息。探测光路中的光学分光器可以对调频连续波信号进行分光处理得到两路信号，比如，光学分光器可以简称为第一分光器，其中一路可以是本振光信号，另一路可以是探测光信号。本振光信号可以留在本地，探测光信号可以照射至探测目标表面。为描述方便，在本申请实施例中，将探测光信号描述为第一发射光信号。

进一步的，一方面，本振光信号可以进入探测光路中的另一光学分光器，比如，另一光学分光器可以简称为第二分光器，第二分光器对本振光信号再次进行分光处理得到两路信号，一路作为第一本振光信号，可以留在数据处理模块中，另一路作为第二本振光信号，第二本振光信号可以作为校准光信号，可以传输至校准光路。另一方面，第一发射光信号可以进入光放大器中，以使光放大器可以对第一发射光信号进行光放大处理，得到第二发射光信号。

进一步的，一方面，校准光路所接收的第二本振光信号可以进行光延迟、混频等处理，作为调频光源的非线性校准信号。另一方面，第二发射光信号可以经环形器传输至光束操控模组，以使光束操控模组对第二发射光信号进行整形、准直以及扫描等处理后发射至探测目标表面，而处理后的第二发射光信号经探测目标反射后，可以得到反射光信号，反射光信号可以原路返回至光束操控模组，并经光束操控模组传输至环形器。

进一步的，环形器可以将反射光信号传输至探测光路，以使探测光路对第二分光器分光得到的本振光信号与反射光信号进行混频处理，进而可以得到探测目标的状态信息，而状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。

在本申请实施例中，当激光雷达包括一路探测光路和一路校准光路时，可以将探测光路所包括的器件和校准光路所包括的器件在硅基光电子等平台上面进行集成，不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，从而减小激光雷达的体积，降低成本。

请参见图3，为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，下面以数据处理模块集成有一路探测光路和一路探测光路对本申请实施例中的激光雷达进行解释说明。

如图3所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：调频光源311、光放大器312、环形器313、光束操控模组314、数据处理模块320，所述数据处理模块320集成有一路探测光路和一路校准光路，所述探测光路包括第一分光器322、第二分光器324、光混频器326、第二平衡探测器327，所述校准光路包括所述第一分光器322、所述第二分光器324、第三分光器328、光延迟线329、3dB耦合器330以及第一平衡探测器331，所述数据处理模块320，还集成有第一模式转换器321、第二模式转换器323以及第三模式转换器325。可以理解的是，数据处理模块320可以集成在芯片上，数据处理模块320中的各器件之间可以直接通过光波导相连。

所述调频光源311，通过所述第一模式转换器321与所述第一分光器322的输入端口相连接，用于产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至所述第一分光器322。

可选的，调频光源可以包括内调制激光光源，啁啾脉冲激光光源以及外调制激光光源等，本申请实施例对调频光源的光源类型不作限制。

所述第一分光器322的第一输出端口通过所述第二模式转换器323与所述光放大器312的输入端口相连接，所述第一分光器322的第二输出端口与所述第二分光器324的输入端口相连接，所述第一分光器322用于将所述调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号，并将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器324，以及将所述第一发射光信号传输至所述光放大器312。

所述光放大器312的输出端口与所述环形器313的第一端口相连接，所述光放大器312用于将所述第一发射光信号进行放大处理，得到第二发射光信号，并将所述第二发射光信号传输至所述环形器313。

所述环形器313的第二端口与所述光束操控模组314的输入端口相连接，所述环形器313的第三端口通过所述第三模式转换器325与所述光混频器326的第一输入端口相连接，所述环形器313用于将所述第二发射光信号传输至所述光束操控模组314。

所述光束操控模组314，用于将所述第二发射光信号进行调整处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标315，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标315后反射回来的反射光信号，将所述反射光信号传输至所述环形器313，以使所述环形器313将所述反射光信号传输至所述光混频器326。

所述第二分光器324的第一输出端口与所述光混频器326的第二输入端口相连接，所述第二分光器324的第二输出端口与所述第三分光器228的输入端口相连接，所述第二分光器324用于将所述第一本振光信号分为第二本振光信号和第三本振光信号，并将所述第二本振光信号传输至所述光混频器326，以及将所述第三本振光信号传输至所述第三分光器328。

述光混频器326的输出端口与所述第二平衡探测器327相连接，所述光混频器326用于将所述反射光信号和所述第二本振光信号进行混频处理，得到探测光信号，并将所述探测光信号传输至所述第二平衡探测器327。

所述第二平衡探测器327，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标315的状态信息，而状态信息可以包括探测目标315对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。

所述第三分光器328的第一输出端口与所述光延迟线329的输入端口相连接，所述第三分光器328的第二输出端口与所述3dB耦合器330的第一输入端口相连接，所述第三分光器328用于将所述第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，并将所述第一延迟光信号传输至所述光延迟线329，以及将所述耦合光信号传输至所述3dB耦合器330。

所述光延迟线329的输出端口与所述3dB耦合器330的第二输入端口相连接，所述光延迟线329用于将所述第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，并将所述第二延迟光信号传输至所述3dB耦合器330。

所述3dB耦合器330的输出端口与所述第一平衡探测器331相连接，所述3dB耦合器330用于将所述耦合光信号和所述第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，并将所述光源校准信号传输至所述第一平衡探测器331。

所述第一平衡探测器331，用于基于所述光源校准信号对所述调频连续波信号进行校准处理。

基于以上器件之间的连接关系，以下对本申请实施例的原理进行解释说明。

可以理解的是，调频光源可以产生调频连续波信号，调频方式也有多种，通常可以有三角波、锯齿波、编码调制或者噪声调频等。本申请实施例中，探测光路包含的所有器件和校准光路包含的所有器件可以集成在芯片上，而这些集成在芯片上的器件与调频光源、光放大器以及环形器进行连接时，会存在模场失配问题，为了解决这一问题，本申请实施例可以在这些器件之间加入模式转换器，比如，在调频光源与第一分光器之间可以通过第一模式转换器进行连接，在光放大器和第一分光器之间可以通过第二模式转换器进行连接，在环形器和光混频器之间可以通过第三模式转换器进行连接。

进一步的，可以将调频连续波信号通过第一模式转换器传输至第一分光器，以使第一分光器可以将调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号。第一分光器还可以将第一本振光信号传输至第二分光器，并将第一发射光信号传输至光放大器。

一方面，对于传输的第一发射光信号来说，光放大器可以对第一发射光信号进行放大处理，得到第二发射光信号，并将第二发射光信号传输至环形器。进一步的，环形器可以将第二发射光信号传输至光束操控模组。进一步的，光束操控模组可以对第二发射光信号进行整形、准直和扫描等处理，得到第三发射光信号，还可以将第三发射光信号发射至探测目标表面，而第三发射光经探测目标反射后所得到的反射光信号可以原路返回至光速操控模组，光束操控模组还可以将反射光信号传输至环形器。进一步的，环形器可以将反射光信号传输至光混频器。

另一方面，对于传输的第一本振光信号来说，第二分光器可以将第一本振光信号进行分光处理，得到第二本振光信号和第三本振光信号。进一步的，对于探测光路来说，第二分光器可以将第二本振光信号传输至光混频器；对于校准光路来说，第二分光器可以将第三本振光信号传输至第三分光器。

进一步的，对于探测光路来说，光混频器可以将第二本振光信号和反射光信号进行混频处理，得到探测光信号，还可以将探测光信号传输至第二平衡探测器。进一步的，第二平衡探测器可以通过对探测光信号进行探测，可以获取反射光信号的回波延时以及探测目标的状态信息，而状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。由于探测光信号为线性调频信号，其瞬时频率与时间成线性关系。当反射回来的反射光信号，也就是回波，当回波延时存在时，反射光信号与本振光信号间将产生正比于回波延时的瞬时频率差。在实际激光雷达系统中，该差频信号由反射光信号与本振光信号相干拍频获得。相干拍频时，产生的拍频信号可以被第二平衡探测器探测，第二平衡探测器通过测量拍频信号的频率来计算探测目标的距离和速度。

进一步的，对于校准光路来说，第三分光器可以将第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，还可以将第一延迟光信号传输至光延迟线，并将耦合光信号传输至3dB耦合器。进一步的，光延迟线可以将第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，还可以将第二延迟光信号传输至3dB耦合器。进一步的，3dB耦合器可以将耦合光信号和第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，还可以将光源校准信号传输至第一平衡探测器。

进一步的，第一平衡探测器可以通过光源校准信号校准调频光源产生的调频连续波信号。

在本申请实施例中，当激光雷达包括一路探测光路和一路校准光路时，通过将探测光路所包括的器件和校准光路所包括的器件集成在芯片上时，并在调频光源与第一分光器、第一分光器与光放大器、环形器与光混频器之间采用模式转换器，可以降低这些器件之间的耦合损耗。不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，芯片上的器件之间可以通过光波导相连，可以降低激光雷达的尺寸，从而可以减小激光雷达的体积，还可以利用成熟的半导体工艺加工平台，从而可以降低成本。

请参见图4，为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图，以数据处理模块集成有至少两路探测光路和一路校准光路对本申请实施例中的激光雷达进行解释说明。

如图4所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：调频光源411、光放大器412、至少两个环形器(比如，环形器413、环形器415、环形器417等)、与每个环形器对应的光束操控模组(比如，光束操控模组414、光束操控模组416、光束操控模组418等)、数据处理模块420，所述数据处理模块420集成有至少两路探测光路和一路校准光路，每路探测光路包括第一分光器422、第二分光器424、光混频器(比如光混频器428、光混频器429、光混频器430等)以及第二平衡探测器(比如，与光混频器428对应的第二平衡探测器431、光混频器429对应的第二平衡探测器432、光混频器430对应的第二平衡探测器433)，所述校准光路包括所述第一分光器422、所述第二分光器424、第三分光器434、光延迟线435、3dB耦合器436以及第一平衡探测器437，所述数据处理模块420，还集成有第一模式转换器421、第二模式转换器423以及至少两个第三模式转换器(比如，第三模式转换器425、第三模式转换器426、第三模式转换器427等)。可以理解的是，数据处理模块420可以集成在芯片上，数据处理模块420中的各器件之间可以直接通过光波导相连。

所述调频光源411，通过所述第一模式转换器421与所述第一分光器422的输入端口相连接，用于产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至所述第一分光器422。

所述第一分光器422的第一输出端口通过所述第二模式转换器423与所述光放大器412的输入端口相连接，所述第一分光器422的第二输出端口与所述第二分光器424的输入端口相连接，所述第一分光器422用于将所述调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号，并将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器424，以及将所述第一发射光信号传输至所述光放大器412。

所述光放大器412可以包括一个输入端口和至少两个输出端口，每个输出端口与所述每个环形器(比如环形器413、环形器415、环形器417等)的第一端口相连接，所述环形器和所述光放大器412的输出端口一一对应，所述光放大器412用于将所述第一发射光信号进行放大处理，得到至少两个第二发射光信号，并将所述第二发射光信号传输至所述环形器，所述环形器与所述第二发射光信号一一对应。

所述每个环形器的第二端口与所述光束操控模组的输入端口相连接，所述环形器的第三端口通过所述第三模式转换器与所述光混频器的第一输入端口相连接，所述环形器和所述光束操控模组一一对应，所述环形器、所述第三模式转换器以及所述光混频器这三者之间也一一对应，所述环形器用于将所述第二发射光信号传输至光束操控模组。

每个光束操控模组(比如，光束操控模组414、光束操控模组416、光束操控模组418等)，用于将所述第二发射光信号进行调整处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标419，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标419后反射回来的反射光信号，将所述反射光信号传输至所述环形器，以使所述环形器将所述反射光信号传输至所述光混频器。

所述第二分光器424包括至少两个第一输出端口和一个第二输出端口，每个第一输出端口与所述光混频器的第二输入端口相连接，所述第二分光器424的第二输出端口与所述第三分光器434的输入端口相连接，所述第二分光器424用于将所述第一本振光信号分为至少两个第二本振光信号和一个第三本振光信号，并将所述每个第二本振光信号传输至每个光混频器，以及将所述第三本振光信号传输至所述第三分光器434，所述第二本振光信号和所述光混频器一一对应。

每个光混频器的输出端口与所述第二平衡探测器相连接，所述每个光混频器用于将所述反射光信号和所述第二本振光信号进行混频处理，得到探测光信号，并将所述探测光信号传输至所述第二平衡探测器，所述探测光信号和所述第二平衡探测器一一对应。

每个第二平衡探测器，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标的距离信息。

所述第三分光器434的第一输出端口与所述光延迟线435的输入端口相连接，所述第三分光器434的第二输出端口与所述3dB耦合器436的第一输入端口相连接，所述第三分光器434用于将所述第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，并将所述第一延迟光信号传输至所述光延迟线435，以及将所述耦合光信号传输至所述3dB耦合器436。

所述光延迟线435的输出端口与所述3dB耦合器436的第二输入端口相连接，所述光延迟线435用于将所述第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，并将所述第二延迟光信号传输至所述3dB耦合器436。

所述3dB耦合器436的输出端口与所述第一平衡探测器437相连接，所述3dB耦合器436用于将所述耦合光信号和所述第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，并将所述光源校准信号传输至所述第一平衡探测器337。

所述第一平衡探测器437，用于基于所述光源校准信号对所述调频连续波信号进行校准处理。

基于以上器件之间的连接关系，以下对本申请实施例的原理进行解释说明。

本申请实施例中的所有探测光路包含的所有器件和校准光路包含的所有器件可以集成在芯片上，而这些集成在芯片上的器件与调频光源、光放大器以及环形器进行连接时，会存在模场失配问题，为了解决这一问题，本申请实施例可以在这些器件之间加入模式转换器，比如，在调频光源与第一分光器之间可以通过第一模式转换器进行连接，在光放大器和第一分光器之间可以通过第二模式转换器进行连接，在每个环形器和与环形器对应的光混频器之间可以通过第三模式转换器进行连接。

由于本申请实施例的系统架构可以集成多路探测光路和一路校准光路在芯片上，还可以包括多个环形器和与每个环形器对应的光束操控模组，当存在一对多的连接关系时，光放大器的每个输出端口可以连接一个环形器，每个环形器和光束操控模组一一对应连接，每个环形器和光混频器之间还可以通过第三模式转换器进行一一对应连接，第二分光器的每个输出端口和光混频器也一一对应连接。

调频光源可以产生可以将调频连续波信号，还可以通过第一模式转换器将调频连续波信号传输至第一分光器，以使第一分光器可以将调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号，第一分光器还可以将第一本振光信号传输至第二分光器，并将第一发射光信号传输至光放大器。

一方面，对于传输的发射光信号来说，光放大器可以对第一发射光信号进行放大处理，可以得到多个相同的第二发射光信号，并将每个第二发射光信号传输至环形器。进一步的，每个环形器可以将第二发射光信号传输至光束操控模组。进一步的，每个光束操控模组可以对第二发射光信号进行整形、准直和扫描等处理，得到第三发射光信号，还可以将第三发射光信号发射至探测目标表面，而第三发射光经探测目标反射后所得到的反射光信号可以原路返回至光速操控模组，光束操控模组还可以将反射光信号传输至环形器。进一步的，每个环形器可以将反射光信号传输至光混频器。

另一方面，对于传输的第一本振光信号来说，第二分光器可以将第一本振光信号进行分光处理，得到多个相同的第二本振光信号和第三本振光信号。进一步的，对于探测光路来说，第二分光器可以将每个第二本振光信号传输至光混频器；对于校准光路来说，第二分光器可以将第三本振光信号传输至第三分光器。

进一步的，对于每路探测光路来说，每个光混频器可以将第二本振光信号和反射光信号进行混频处理，得到探测光信号，还可以将探测光信号传输至第二平衡探测器。进一步的，每个第二平衡探测器可以通过对探测光信号进行探测，可以获取反射光信号的回波延时以及探测目标的状态信息，而状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。由于探测光信号为线性调频信号，其瞬时频率与时间成线性关系。当反射回来的反射光信号，也就是回波，当回波延时存在时，反射光信号与本振光信号间将产生正比于回波延时的瞬时频率差。在实际激光雷达系统中，该差频信号由反射光信号与本振光信号相干拍频获得。相干拍频时，产生的拍频信号可以被第二平衡探测器探测，第二平衡探测器通过测量拍频信号的频率来计算探测目标的距离和速度。

进一步的，对于校准光路来说，第三分光器可以将第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，还可以将第一延迟光信号传输至光延迟线，并将耦合光信号传输至3dB耦合器。进一步的，光延迟线可以将第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，还可以将第二延迟光信号传输至3dB耦合器。进一步的，3dB耦合器可以将耦合光信号和第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，还可以将光源校准信号传输至第一平衡探测器。进一步的，第一平衡探测器可以通过光源校准信号校准调频光源产生的调频连续波信号。

可以理解的是，采用多个光束操控模组，可以将多个发射光信号发射至同一探测目标的表面。进一步的，对于发射至同一探测目标的多个发射光信号，可以有与每个发射光信号对应的反射光信号原路返回至光束操控模组，而光束操控模组可以将每个反射光信号传输至环形器，再经环形器传输至光混频器，以使每个第二平衡探测器，都可以根据探测光信号，得到同一探测目标的距离、速度、方位等参数的值。也就是说，本申请实施例的多个第二平衡探测器可以得到同一探测目标不同位置的多个距离、多个速度、多个方位等不同参数的多个值。

可选的，可以对这些距离进行均值计算，得到探测目标最终的距离，也可以对这些速度进行均值计算，得到探测目标最终的速度。

可选的，可以计算出这些距离的众数，将距离的众数作为探测目标最终的距离，也可以计算出这些速度的众数，将速度的众数作为探测目标最终的速度。

在本申请实施例中，采用多个光束操控模组，可以得到实现对探测目标大范围的探测，增大激光雷达的扫描范围。而采用多个光束操控模组，必然需要多个环形器、多个光混频器以及多个第二平衡探测器，并且这些器件都是一一对应的连接关系，因此，多个第二平衡探测器可以得到探测目标的多个状态信息，每个状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度等参数的值。另外，本申请实施例可以将多路探测光路所包括的器件和校准光路所包括的器件集成在芯片上，采用模式转换器将未集成在芯片上的器件和芯片上的器件进行连接，可以在提高激光雷达的系统架构的集成度的同时，还可以减小器件之间的耦合损耗。激光雷达可以实现高集成度的系统架构，芯片上的器件可以通过光波导相连，可以减小激光雷达的尺寸，进而可以减小激光雷达的体积，还可以利用成熟的半导体工艺加工平台，使得成本大幅度降低。

进一步的，本申请实施例还提供了一种基于以上实施例所描述的激光雷达的激光雷达控制方法，请参见图5，为本申请实施例的激光雷达控制方法的流程示意图。

S501，调频光源产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至数据处理模块。

具体的，调频光源可以是内调制激光光源、啁啾脉冲激光光源、外调制激光光源等。

在一些实施方式中，调频连续波激光雷达中，为了获得线性调频光信号，可采用能够直接产生啁啾光信号的内调制激光器。内调制激光器又可分为两类：第一类是采用线性调频信号调制激光光强，此时激光器输出光强为线性调频信号；第二类则通过调制信号改变激光频率，光场本身为线性调频信号，该类激光器又称为扫频激光器。其中，第一类激光器调制方式简单，一般采用直接探测获取回波信息，探测距离较短。

在一些实施方式中，可采用啁啾脉冲激光光源，啁啾脉冲激光光源发射的并不是连续光，而是由脉冲序列组成的光信号。但是，啁啾脉冲激光可视为占空比较低的调频连续波光信号，在脉冲内，光场瞬时频率随时间线性变化，与调频连续波激光雷达的测量原理一致。啁啾脉冲激光可通过多种方法产生，包括时域拉伸、傅里叶域锁模激光器，移频反馈激光器等。

在一些实施方式中，可采用外调制激光光源，外调制激光光源一般由单频激光器和光调制器级联组成。激光信号光调制器完成调制过程，输出线性调频光学信号。常用的调制方式包括强度调制和频率调制等。强度调制方式采用线性调频信号对激光进行强度调制，并在接收端利用光电探测器将光强转换为电流，获得目标的距离信息。频率调制方式则采用电信号调制激光频率。调制后，激光的瞬时频率产生偏移，偏移量由调制信号的瞬时频率决定。当调制信号为线性调频信号时，输出光信号即为线性调频信号。最后，在接收端利用相干探测获得拍频信号，提取目标的距离和速度等信息。外调制方式将调制过程转移到调制器中，降低了光源的复杂度。因此，相较于内调制激光器，外调制方式的调制器的非线性效应极小，可以避免大带宽导致的非线性误差。采用窄线宽激光器作为光源，调制器输出的线性调频光信号可以同时具有较大的调制带宽和较小的瞬时线宽，有助于同时实现高分辨率和高精度测量。

具体的，数据处理模块可以包括至少一路探测光路，每路探测光路可以包括第一分光器、第二分光器、光混频器以及第二平衡探测器，各器件之间的连接关系可参见图1-图4所示的实施例，在此不再赘述。调频光源可以将调频连续波信号传输至第一分光器。

可选的，数据处理模块中还可以包括一路校准光路，校准光路中可以包括每路探测光路中的第一分光器和第二分光器、第三分光器、光延迟线、3dB耦合器以及第一平衡探测器，各器件之间的连接关系，可以参见图2-图4所示的实施例，在此不再赘述。

可选的，数据处理模块中还可以包括一个第一模式转换器、一个第二模式转换器以及至少一个第三模式转换器。第一模式转换器、第二模式转换器以及第三模式转换器和各器件之间的连接关系，可参见图3-图4所示的实施例，在此不再赘述。可以理解的是，本申请实施例中，采用第一模式转换器、第二模式转换器以及第三模式转换器可以减小器件之间的耦合损耗。

S502，所述数据处理模块将所述调频连续波信号进行分光处理，得到第一发射光信号，并将所述第一发射光信号传输至光放大器。

具体的，数据处理模块将调频连续波信号进行分光处理，可以使用第一分光器将调频连续波信号按照预设的分光比，分成本振光信号和发射光信号，这里分光得到的发射光信号就简称为第一发射光信号。进一步的，第一分光器将第一发射光信号传输至光放大器。

S503，所述光放大器将所述第一发射光信号进行放大处理，得到至少一个第二发射光信号，并将所述至少一个第二发射光信号传输至每个环形器。

具体的，光放大器可以对第一发射光进行增益，输出光功率更高的至少一个第二发射光信号，并将每个第二发射光信号传输至环形器，可以理解的是，第二发射光信号的数量和环形器的数量是相等的，保证每个环形器都可以接收到光放大器传输的第二发射光信号。

S504，所述每个环形器将所述第二发射光信号传输至与所述每个环形器对应的光束操控模组。

具体的，每个环形器都接收到一个第二发射光信号，并可以将第二发射光信号传输至与环形器对应的光束操控模组，可以理解的是，光束操控模组的数量等于环形器的数量，每个光束操控模组对应一个环形器，每个光束操控模组接收一个第二发射光信号。

S505，每个光束操控模组将所述第二发射光信号进行调整后，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标后反射回来的反射光信号，并将所述反射光信号传输至所述环形器，以使所述环形器将所述反射光信号传输至所述数据处理模块。

具体的，每个光束操控模组可以将第二发射光进行整形、准直和扫描等处理后，得到第三发射光信号，并将第三发射光信号发射至探测目标的表面。可以理解的是，多个光束操控模组可以将多个第二发射光信号发射至探测目标表面的不同位置，可以实现大角度的扫描范围。而从探测目标表面反射回来的反射光信号可以原路返回至光束操控模组，进一步的，多个光束操控模组可以把反射回来的多个反射光信号传输至光混频器。

S506，所述数据处理模块基于至少一个反射光信号，以及将所述调频连续波分光处理后得到的第一本振光信号，得到所述探测目标对应的至少一个状态信息。

具体的，在S502中提到，数据处理模块可以通过第一分光器将调频连续波信号按照预设的分光比，分成本振光信号和第一发射光信号，为描述方便，把本振光信号称为第一本振光信号。第一分光器可以将第一本振光信号传输至第二分光器，第二分光器将第一本振光信号进行分光处理，得到第二本振光信号和第三本振光信号，第二分光器可以将第二本振光信号传输至光混频器，第二分光器还可以将第三本振光信号传输至第三分光器。

进一步的，光混频器可以将第二本振光信号和反射光信号进行混频处理，得到探测光信号，还可以将探测光信号传输至第二平衡探测器。进一步的，第二平衡探测器可以通过对探测光信号进行探测，可以获取反射光信号的回波延时以及探测目标的状态信息，而状态信息可以包括探测目标对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。由于探测光信号为线性调频信号，其瞬时频率与时间成线性关系。当反射回来的反射光信号，也就是回波，当回波延时存在时，反射光信号与本振光信号间将产生正比于回波延时的瞬时频率差。在实际激光雷达系统中，该差频信号由反射光信号与本振光信号相干拍频获得。相干拍频时，产生的拍频信号可以被第二平衡探测器探测，第二平衡探测器通过测量拍频信号的频率来计算探测目标的距离和速度。

可选的，在本申请实施例中，第三分光器可以将第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，还可以将第一延迟光信号传输至光延迟线，并将耦合光信号传输至3dB耦合器。进一步的，光延迟线可以将第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，还可以将第二延迟光信号传输至3dB耦合器。进一步的，3dB耦合器可以将耦合光信号和第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，还可以将光源校准信号传输至第一平衡探测器。进一步的，第一平衡探测器可以通过光源校准信号校准调频光源产生的调频连续波信号。

在本申请实施例中，激光雷达中包括调频光源、光放大器、环形器、光束操控模组以及数据处理模块，数据处理模块中集成有部分器件，通过将数据处理模块所包含的器件集成在芯片上，不再像相关技术中，采用多个分立器件，各个分立器件之间通过光纤或者空间光的方式进行连接，可以使得激光雷达实现高集成度的系统架构，芯片上的器件之间可以通过光波导相连，可以降低激光雷达的尺寸，从而可以减小激光雷达的体积，还可以利用成熟的半导体工艺加工平台，从而可以降低成本。

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，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一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的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所揭露的仅为本申请较佳实施例而已，当然不能以此来限定本申请之权利范围，因此依本申请权利要求所作的等同变化，仍属本申请所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括调频光源、光放大器、至少两个环形器、与每个环形器对应的光束操控模组、数据处理模块，所述数据处理模块集成有至少两路探测光路，所述数据处理模块还包括第一分光器、第二分光器、第一模式转换器、第二模式转换器以及至少两个第三模式转换器，每路探测光路包括光混频器以及与所述光混频器对应的第二平衡探测器，其中：

所述调频光源，与所述第一模式转换器相连接；

所述第一分光器的输入端口通过所述第一模式转换器与所述调频光源相连接，所述第一分光器的第一输出端口通过所述第二模式转换器与所述光放大器的输入端口相连接，所述第一分光器的第二输出端口与所述第二分光器的输入端口相连接；

所述光放大器包括至少两个输出端口，所述放大器的每个输出端口分别与一个环形器的第一端口相连接；

每个环形器的第二端口分别与所述每个环形器对应的光束操控模组相连接，每个环形器的第三端口分别与一个第三模式转换器相连接；

所述第二分光器包括至少两个第二输出端口，所述第二分光器的每个第二输出端口分别与一个光混频器的第一输入端口相连接；

每个光混频器的第二输入端口分别通过一个第三模式转换器与每个环形器的第三端口相连接，所述每个光混频器的输出端口分别与一个第二平衡探测器相连接。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述数据处理模块还集成有一路校准光路，所述校准光路与所述每路探测光路相连接。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述数据处理模块还集成有一路校准光路，所述校准光路包括所述第一分光器、所述第二分光器、第三分光器、光延迟线、3 dB耦合器以及第一平衡探测器，其中：

所述第二分光器还包括第一输出端口，所述第二分光器的所述第一输出端口与所述第三分光器的输入端口相连接；

所述第三分光器的第一输出端口与所述光延迟线的输入端口相连接，所述第三分光器的第二输出端口与所述3 dB耦合器的第一输入端口相连接；

所述光延迟线的输出端口与所述3 dB耦合器的第二输入端口相连接；

所述3 dB耦合器的输出端口与所述第一平衡探测器相连接。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述调频光源，用于产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至所述第一分光器；

所述第一分光器，用于将所述调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号，并将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器，以及将所述第一发射光信号传输至所述光放大器；

所述光放大器，用于将所述第一发射光信号进行放大处理，得到至少两个第二发射光信号，并将每个第二发射光信号传输至每个环形器；

所述每个环形器，用于将所述每个第二发射光信号传输至与所述每个环形器对应的光束操控模组；

每个光束操控模组，用于将所述每个第二发射光信号进行调整处理，得到与所述每个第二发射光信号对应的第三发射光信号，并将每个第三发射光信号发射至探测目标，以及接收所述每个第三发射光信号经所述探测目标后反射回来的反射光信号，将每个反射光信号传输至所述每个环形器，以使所述每个环形器将所述每个反射光信号传输至所述每路探测光路中的光混频器；

所述第二分光器，用于将所述第一本振光信号分为至少两个第二本振光信号和第三本振光信号，并将每个第二本振光信号传输至所述每路探测光路中的光混频器，以及将所述第三本振光信号传输至所述第三分光器；

所述每路探测光路中的光混频器，用于将所述每个反射光信号和所述每个第二本振光信号进行混频处理，得到探测光信号，并将所述探测光信号传输至与所述光混频器对应的第二平衡探测器；

所述每路探测光路中的第二平衡探测器，用于基于每个探测光信号得到所述探测目标的至少两个状态信息；

所述第三分光器，用于将所述第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，并将所述第一延迟光信号传输至所述光延迟线，以及将所述耦合光信号传输至所述3 dB耦合器；

所述光延迟线，用于将所述第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，并将所述第二延迟光信号传输至所述3 dB耦合器；

所述3 dB耦合器，用于将所述耦合光信号和所述第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，并将所述光源校准信号传输至所述第一平衡探测器；

所述第一平衡探测器，用于基于所述光源校准信号对所述调频连续波信号进行校准处理。

5.一种权利要求1-4任意一项所述的激光雷达的激光雷达控制方法，其特征在于，所述激光雷达中的数据处理模块集成有至少两路探测光路，所述数据处理模块还包括第一分光器、第二分光器、第一模式转换器、第二模式转换器以及至少两个第三模式转换器，每路探测光路包括光混频器以及与所述光混频器对应的第二平衡探测器，所述方法包括：

调频光源产生调频连续波信号，并将所述调频连续波信号传输至所述第一分光器；

所述第一分光器通过所述第一模式转换器接收所述调频光源传输的所述调频连续波信号，所述第一分光器将所述调频连续波信号分为第一本振光信号和第一发射光信号，并将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器，所述第一分光器通过所述第二模式转换器将所述第一发射光信号传输至所述光放大器；

所述光放大器将所述第一发射光信号进行放大处理，得到至少两个第二发射光信号，并将每个所述第二发射光信号分别传输至一个环形器；

每个环形器将所述第二发射光信号传输至与所述每个环形器对应的光束操控模组；

每个光束操控模组将所述第二发射光信号进行调整后，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号发射至探测目标，以及接收所述第三发射光信号经所述探测目标后反射回来的反射光信号，并将所述反射光信号传输至与所述每个光束操控模组对应的每个环形器，以使所述每个环形器将所述反射光信号传输至一个光混频器；

所述第二分光器将所述第一本振光信号分为至少两个第二本振光信号和一个第三本振光信号，并将每个所述第二本振光信号分别传输至一个光混频器；

每个光混频器分别通过一个第三模式转换器接收所述每个环形器传输的所述反射光信号，所述每个光混频器将所述反射光信号和所述第二本振光信号进行混频处理得到探测光信号，并将所述探测光信号传输至一个第二平衡探测器；

每个第二平衡探测器分别对所述探测光信号进行探测，得到所述探测目标对应的至少一个状态信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述数据处理模块基于所述第一本振光信号，对所述调频连续波信号进行校准处理。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述数据处理模块还集成有第三分光器、光延迟线、3 dB耦合器以及第一平衡探测器，所述数据处理模块基于所述第一本振光信号，对所述调频连续波信号进行校准处理，包括：

所述数据处理模块通过第二分光器将所述第一本振光信号进行分光处理，得到第三本振光信号，所述第二分光器将所述第三本振光信号传输至第三分光器；

所述第三分光器将所述第三本振光信号分为第一延迟光信号和耦合光信号，并将所述第一延迟光信号传输至所述光延迟线，以及将所述耦合光信号传输至所述3 dB耦合器；

所述光延迟线将所述第一延迟光信号进行延迟处理，得到第二延迟光信号，并将所述第二延迟光信号传输至所述3 dB耦合器；

所述3 dB耦合器将所述耦合光信号和所述第二延迟光信号进行混频处理，得到光源校准信号，并将所述光源校准信号传输至第一平衡探测器；

所述第一平衡探测器基于所述光源校准信号对所述调频连续波信号进行校准处理。

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