CN115932873A - 一种调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种调频连续波激光雷达。激光雷达包括激光器、发射组件和接收组件，发射组件包括第一分光器和第二分光器，接收组件包括N组接收单元，每一组接收单元包括光学混频器和平衡光电探测器；激光器发出调频连续波；第一分光器将调频连续波分为N路本振光和一路后传光，第二分光器将后传光分为N路发射光；一组接收单元中，光学混频器获得对应的一路本振光以及一路发射光打到目标物体后发射回来的探测光，将本振光和探测光进行光学混频，平衡光电探测器检测光学混频器混频形成的差频信号。通过将第一分光器和第二分光器集成化以及将N组接收单元集成化，减少了分立器件的数量，节省了物料成本和器件组装成本，也缩减了激光雷达的体积。

Description

一种调频连续波激光雷达

技术领域

本申请涉及雷达技术领域，特别是涉及一种调频连续波激光雷达。

背景技术

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)是一种在高精度雷达测距中使用的技术，其基本原理为发射波为高频连续波，其频率随时间按照三角波规律变化。应用FMCW技术的激光雷达称为FMCW激光雷达。FMCW激光雷达接收的回波频率与发射光波的频率变化规律相同，都是三角波或者锯齿波规律，只是有一个时间差，利用这个微小的时间差可计算出目标距离和速度。

目前，FMCW激光雷达多是采用自由空间光路或者是基于自由空间光与光纤光路的混合光路。其中需要使用大量分立的器件，例如激光器、分光器、光电探测器等。这些分立的器件不但物料成本高，而且组装成本也比较高。此外，这些分立器件致使整个FMCW激光雷达的体积较大，使用不便，同时占用过多的空间。

发明内容

基于上述问题，本申请提供了一种调频连续波激光雷达，以降低调频连续波激光雷达的成本，缩小调频连续波激光雷达的体积。

本申请实施例公开了如下技术方案：

本申请提供了一种调频连续波激光雷达，包括：激光器、发射组件和接收组件，发射组件包括第一分光器和第二分光器，接收组件包括N组接收单元，其中，一组接收单元包括光学混频器和平衡光电探测器；第一分光器和第二分光器集成为一体，N组接收单元集成为一体；N为大于1的整数；

激光器用于发出调频连续波；

第一分光器用于将调频连续波分为N路本振光和一路后传光，一路本振光对应一组接收单元，第二分光器用于将后传光分为N路发射光；

在一组接收单元中，光学混频器用于获得对应的一路本振光以及一路发射光对应的探测光，将本振光和探测光进行光学混频，平衡光电探测器用于检测光学混频器混频形成的差频信号。

可选地，第一分光器包括N个级联的子分光器；其中，第1级至第N-1级子分光器用于将前端传输的光分为两路，其中一路作为本振光，另一路用于向后端传输；第N级子分光器用于将从第N-1级子分光器接收的光分为两路，其中一路作为本振光，另一路作为后传光。

可选地，第一分光器和第二分光器集成于第一光学芯片，N组接收单元集成于第二光学芯片。

可选地，第一光学芯片为平面光波导芯片，第二光学芯片为硅光芯片。

可选地，第一光学芯片和第二光学芯片均为平面光波导芯片。

可选地，第一光学芯片和第二光学芯片均为硅光芯片。

可选地，第一分光器、第二分光器和N组接收单元集成于第三芯片。

可选地，第三芯片为硅光芯片。

可选地，调频连续波激光雷达还包括：发射透镜和接收透镜，发射透镜用于对N路发射光进行准直，接收透镜用于N路探测光进行聚焦。

可选地，发射透镜为第一单透镜或第一微透镜阵列，第一微透镜阵列包括至少N个发射透镜单元，一路发射光对应一个发射透镜单元；

接收透镜为第二单透镜或第二微透镜阵列，第二微透镜阵列包括至少N个接收透镜单元，一路探测光对应一个接收透镜单元。

可选地，子分光器为定向耦合器。

相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请公开了一种调频连续波激光雷达。激光雷达包括激光器、发射组件和接收组件，发射组件包括第一分光器和第二分光器，接收组件包括N组接收单元，一组接收单元包括光学混频器和平衡光电探测器；激光器发出调频连续波；第一分光器将调频连续波分为N路本振光和一路后传光，第二分光器将后传光分为N路发射光；一组接收单元中，光学混频器获得对应的一路本振光以及一路发射光对应的探测光(即发射光打到目标物体后发射的光)，将本振光和探测光进行光学混频，平衡光电探测器检测光学混频器混频形成的差频信号。区别于完全依靠自由空间光路实现的FMCW激光雷达，或者依靠自由空间光和光纤光路混合的FMCW激光雷达，本申请提供的FMCW激光雷达中通过将第一分光器和第二分光器集成化以及将N组接收单元集成化，减少了分立器件的数量，节省了物料成本和器件组装成本，也缩减了激光雷达的体积。使得FMCW激光雷达使用更加便捷，占用空间更少。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种调频连续波激光雷达的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种目标物体被发射光照射后形成回波的示意图；

图3A为本申请实施例提供的一种定向耦合器的结构示意图；

图3B为本申请实施例提供的一种Y分支分光器的示意图；

图4为本申请实施例提供的通过PLC芯片和硅光芯片分别实现发射组件和接收组件的一种FMCW激光雷达的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的添加了发射透镜和接收透镜的一种FMCW激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

正如前文描述，目前的FMCW激光雷达普遍采用完全的自由空间光路或者自由空间光、光纤混合光路。其中使用较多的分立器件，导致物料和组装成本高，整个FMCW激光雷达的体积较大，不便使用。为解决此问题，本申请提供了一种新型的FMCW激光雷达。以下结合实施例和附图进行说明。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种FMCW激光雷达的结构示意图。如图1所示的FMCW激光雷达包括：

一种调频连续波激光雷达，包括：激光器、发射组件和接收组件，发射组件包括第一分光器和第二分光器，接收组件包括N组接收单元。N为大于1的整数，N的数值可以根据实际使用需求进行设置，例如，设置N＝8。此处对于N的具体取值不做限定。

一组接收单元包括光学混频器和平衡光电探测器(balanced photo-detector,BPD)，每一组接收单元中，光学混频器和BPD相互对应。也就是说，N组接收单元之间相互独立，工作互不交叉。图1中的实线连接线仅表示器件之间的光学连接关系，不作为对器件端口数量的限定。

下面结合图1介绍FMCW激光雷达的工作机理。在本申请实施例提供的FMCW激光雷达中，激光器用于发出调频连续波。调频连续波是对激光器发射的光波进行调制后产生的，由于调频连续波的产生属于比较成熟的技术，因此本申请实施例中对激光器发射调频连续波的具体实现方式不做赘述。

在本申请实施例中，第一分光器又可以称为本振分光器。第一分光器用于将调频连续波分为N路本振光和一路后传光，一路本振光对应一组接收单元。本振光即是指作为探测目标使用的参照光。后传光具体是指该路光需要向后端传输，传输给后端的第二分光器。可见，第一分光器分出的光具有两种用途。第二分光器用于将前端第一分光器提供的一路后传光一分为多，具体要分成的路数应当与本振光的路数一致，从而便于光学混频器进行一一混频处理。因此，第二分光器要将后传光分为N路光。由于第二分光器分出的光的作用是探测目标物体使用，发射向目标物体。为便于区分，此处将第二分光器分出的N路光称为N路发射光。

图2为目标物体被发射光照射后形成回波的示意图。此处，回波又可以称为是目标物体根据FMCW激光雷达提供的发射光形成的对应的探测光。该探测光需要被收集并连同本振光进行光学混频。由于发射光为N路，因此相应地，探测光也为N路。图2中作为示例，仅绘制了一路发射光和一路探测光。

为便于理解接收组件的功能，以其中的任意一组接收单元为示例进行介绍。在一组接收单元中，光学混频器用于获得对应的一路本振光以及一路发射光对应的探测光，将本振光和探测光进行光学混频。该组接收单元中的平衡光电探测器则用于检测光学混频器混频形成的差频信号。此差频信号包含了目标物体的距离和速度信息。

第一分光器和第二分光器集成为一体，N组接收单元集成为一体。区别于完全依靠自由空间光路实现的FMCW激光雷达，或者基于自由空间光与光纤光路的混合光路的FMCW激光雷达，本申请提供的FMCW激光雷达中通过将第一分光器和第二分光器集成化以及将N组接收单元集成化，减少了分立器件的数量，节省了物料成本和器件组装成本，也缩减了激光雷达的体积。使得FMCW激光雷达使用更加便捷，占用空间更少。

本申请实施例中，第一分光器可以由一个一分N+1的分光器实现，即，将一束光分为N+1束。另外，第一分光器还可以包括N个级联的子分光器。下面举例说明。

作为示例，第一分光器包括N个级联的子分光器。其中每个子分光器包括至少一个输入端和至少两个输出端。第1级至第N-1级子分光器用于将前端传输的光分为两路，其中一路作为本振光，另一路用于向后端传输(即，向下一级子分光器的输入端传输)；第N级子分光器用于将从第N-1级子分光器接收的光分为两路，其中一路作为本振光(即，向光学混频器传输)，另一路作为后传光(即，向第二分光器的输入端传输)。可选地，子分光器为定向耦合器。定向耦合器的结构参见图3A所示。图3A示意的定向耦合器为2×2的结构，即2个输入端和2个输出端，其中一个输入端可以空置，另一个输入端启用，一个输出端用于输出本振光，另一个输出端用于连接下一级定向耦合器中启用的那个输入端。对于第N级定向耦合器，其另一个输出端则是用于连接第二分光器的输入端。

以上仅作为对第一分光器的结构的示例性介绍。实际应用中，还可以采用其他级联方式或者器件来实现第一分光器，本申请实施例提及的实现方式不作为限定。

第二分光器可以采用Y分支分光器，即Y子型对光路进行分束的分光器。图3B中示例了一种将一路光分为4路的Y分支分光器。对于第二分光器的分光数量依据实际需求进行选型。

本发明对分光器的类型不做限定，以上介绍的仅作为分光器或者子分光器的示例形式。需要说明，在本申请实施例中，N路发射光可以是均匀的，也可以是非均匀的，N路本振光可以是均匀的，也可以是非均匀的。

上文提到，本申请实施例提供的FMCW激光雷达中，第一分光器和第二分光器集成为一体，N组接收单元集成为一体。下面介绍几种可选的集成形式。

在一种可选实现方式中，第一分光器和第二分光器集成于第一光学芯片，N组接收单元集成于第二光学芯片。即，第一光学芯片可以实现发射组件的功能，第二光学芯片实现接收组件的功能。

作为示例，第一光学芯片为平面光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)芯片，第二光学芯片为硅光芯片。图4为本申请实施例提供的通过PLC芯片和硅光芯片分别实现发射组件和接收组件的一种FMCW激光雷达的结构示意图。PLC芯片低损耗，价格低，便于与激光器进行光学耦合；硅光芯片成本低，体积小，光电探测器易集成。PLC芯片作为发射组件设置在激光器一侧，硅光芯片作为接收组件，从而可将这两种芯片的优势进行结合。在其他示例中，第一光学芯片和第二光学芯片还可以均为PLC芯片，或者均为硅光芯片。

如图4所示的PLC芯片中包含N个第一通道和N个第二通道，硅光芯片中包含N个第三通道和N个第四通道。其中，第一通道和第三通道一一对应并光学连接，第二通道和第四通道一一对应并光学连接。本振光通过第一通道进入到第三通道，并最终到达光学混频器。发射光通过第二通道出射，到达目标物体后转变为探测光，经过第四通道最终到达光学混频器。

在另一种可选实现方式中，第一分光器、第二分光器和N组接收单元集成于第三芯片。即，第三芯片既可以实现发射组件的功能，又可实现接收组件的功能。可选地，第三芯片为硅光芯片。

为了实现更好地发射效果和光束收集效果，可选地，本申请实施例中FMCW激光雷达还可以进一步包含发射透镜和接收透镜。图5为添加了发射透镜和接收透镜的一种FMCW激光雷达的结构示意图。其中，发射透镜用于对N路发射光进行准直，从而，每一个第二通道传输的一路发射光能够被发射透镜准直后投射到目标物体上。接收透镜用于N路探测光进行聚焦，从而更加精准地将探测光收集到第四通道中。接收透镜的使用可以提升对探测光的收集效率，提升激光在雷达探测目标物体时的利用率。

以上介绍的发射透镜和接收透镜均可以采用单透镜或者透镜阵列的形式实现。可选地，发射透镜为第一单透镜或第一微透镜阵列，第一微透镜阵列包括至少N个发射透镜单元，一路发射光对应一个发射透镜单元。接收透镜为第二单透镜或第二微透镜阵列，第二微透镜阵列包括至少N个接收透镜单元，一路探测光对应一个接收透镜单元。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：激光器、发射组件和接收组件，所述发射组件包括第一分光器和第二分光器，所述接收组件包括N组接收单元，其中，每一组所述接收单元包括光学混频器和平衡光电探测器；所述第一分光器和所述第二分光器集成为一体，N组所述接收单元集成为一体；所述N为大于1的整数；

所述激光器用于发出调频连续波；

所述第一分光器用于将所述调频连续波分为N路本振光和一路后传光，一路所述本振光对应一组所述接收单元，所述第二分光器用于将所述后传光分为N路发射光；

在一组所述接收单元中，所述光学混频器用于获得对应的一路所述本振光以及一路所述发射光对应的探测光，将所述本振光和所述探测光进行光学混频，所述平衡光电探测器用于检测所述光学混频器混频形成的差频信号。

2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一分光器包括N个级联的子分光器；其中，第1级至第N-1级所述子分光器用于将前端传输的光分为两路，其中一路作为所述本振光，另一路用于向后端传输；第N级所述子分光器用于将从第N-1级所述子分光器接收的光分为两路，其中一路作为所述本振光，另一路作为所述后传光。

3.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一分光器和所述第二分光器集成于第一光学芯片，N组所述接收单元集成于第二光学芯片。

4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一光学芯片为平面光波导芯片，所述第二光学芯片为硅光芯片。

5.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一光学芯片和所述第二光学芯片均为平面光波导芯片。

6.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一光学芯片和所述第二光学芯片均为硅光芯片。

7.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第一分光器、所述第二分光器和N组所述接收单元集成于第三芯片。

8.根据权利要求7所述调频连续波激光雷达，其特征在于，所述第三芯片为硅光芯片。

9.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，还包括：发射透镜和接收透镜，所述发射透镜用于对N路所述发射光进行准直，所述接收透镜用于N路所述探测光进行聚焦。

10.根据权利要求9所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，

所述发射透镜为第一单透镜或第一微透镜阵列，所述第一微透镜阵列包括至少N个发射透镜单元，一路所述发射光对应一个所述发射透镜单元；

所述接收透镜为第二单透镜或第二微透镜阵列，所述第二微透镜阵列包括至少N个接收透镜单元，一路所述探测光对应一个所述接收透镜单元。

11.根据权利要求2所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述子分光器为定向耦合器。

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