CN116413732A - 激光雷达及激光雷达控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种激光雷达及激光雷达控制方法，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，并且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。因此，在收发不同步的情况下，当光纤接收端在接收到反射光信号时，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光纤端面的尺寸，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号与光纤模块的模场适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加接收端所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。

Description

激光雷达及激光雷达控制方法

技术领域

本申请涉及激光雷达技术领域，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。在远距离传感器激光雷达中，调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，简称FMCW)激光雷达具有极大的优势，其测距原理是：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。目前，绝大多数的FMCW激光雷达会采用各类扫描方式与光纤器件搭配使用，从而实现在空间范围内的扫描探测。

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，在收发不同步的情况下，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光场覆盖范围，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号的模场形式与光纤模块的适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加光学系统收发模块所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。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，包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，其中：

所述光源，与所述第一分光器相连接；

所述第一分光器的第一输出端口与所述环形器的第一端口相连接；

所述光纤模块，与所述环形器的第二端口以及所述光学准直模块相连接，且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移；

所述光学扫描模块，与所述光学准直模块相连接；

所述光混频器的第一输入端口与所述环形器的第三端口相连接，所述光混频器的第二输入端口与所述第一分光器的第二输出端口相连接，所述光混频器的输出端口与所述平衡探测器相连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种激光雷达控制方法，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移，所述方法包括：

所述光源产生光信号，并将所述光信号传输至所述第一分光器；

所述第一分光器将所述光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光混频器，以及将所述第一发射光信号传输至所述环形器；

所述环形器将所述第一发射光信号传输至所述光纤模块；

所述光纤模块将所述第一发射光信号传输至所述光学准直模块；

所述光学准直模块将所述第一发射光信号进行调整处理，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光学扫描模块；

所述光学扫描模块对所述第二发射光信号进行角度偏转处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号传输至探测目标，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，将所述反射光信号传输至所述光学准直模块，以使所述光学准直模块将所述反射光信号传输至所述光纤模块，使所述光纤模块将所述反射光信号传输至所述环形器，并使所述环形器将所述反射光信号传输至所述光混频器；

所述光混频器将所述反射光信号和所述第一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平衡探测器；

所述平衡探测器，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标的状态信息。

本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

本申请实施例的方案在执行时，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，并且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。本申请通过在光纤模块和光学准直系统模块的焦平面之间设置预设轴向位移，在walk-off效应存在的情况下，当光纤接收端在接收到探测目标反射回来的反射光信号时，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光场覆盖范围，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号的模场形式与光纤模块的适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加光学系统收发模块所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。

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2A是本申请实施例提供的一种光学准直模块和光纤模块之间的位置示意图；

图2B是本申请实施例提供的一种轴向位移的示意图；

图2C是本申请实施例提供的另一种轴向位移的示意图；

图3A是本申请实施例提供的一种光学准直模块和光纤模块之间的光线传输示意图；

图3B是本申请实施例提供的另一种光学准直模块和光纤模块之间的光线传输示意图；

图4是本申请实施例提供的另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中的光源校准模块的结构示意图；

图6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。

相关技术中，绝大多数的FMCW激光雷达会采用各类扫描方式与光纤器件搭配使用，从而实现在空间范围内的扫描探测，光纤器件通常会采用单模光纤等类型的光学器件。在探测距离较远时，激光雷达在接收端的扫描系统相对于发射系统会产生一定的偏转角，造成收发不同步，这种现象称为walk-off效应，会导致反射回来的光信号在接收时相对于发射产生了一定的位置偏移，难以很好的耦合进入单模光纤，从而导致反射回来的光信号严重损失，导致接收端对反射回来的光信号的接收率下降。

下面结合具体的实施例对本申请进行详细说明。

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。

如图1所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：光源10、第一分光器11、环形器12、光学系统收发模块13、光混频器14、平衡探测器15，所述光学系统收发模块13包括光纤模块131、光学准直模块132以及光学扫描模块133，图1中还包括探测目标19。

所述光源10，与所述第一分光器11相连接，所述光源用于产生光信号，并将所述光信号传输至所述第一分光器11。

所述第一分光器11的第一输出端口与所述环形器12的第一端口相连接，所述第一分光器11的第二输出端口与所述光混频器14的第一输入端口相连接，所述第一分光器用于将光信号进行分光处理，得到第一发射光信号和第一本振光信号，并将所述第一发射光信号传输至所述环形器12，以及将所述第一本振光信号传输至所述光混频器14。

所述环形器12的第二端口与所述光纤模块131相连接，所述环形器12用于将所述第一发射光信号传输至所述光纤模块131。

所述光纤模块131与所述光学准直模块132相连接，所述光纤模块131用于将所述第一发射光信号传输至所述光学准直模块132。

所述光学准直模块132与所述光学扫描模块133相连接，所述光学准直模块132用于将所述第一发射光信号进行调整处理，得到第二发射光信号，以及将所述第二发射光信号传输至所述光学扫描模块133。

所述光学扫描模块133用于将所述第二发射光信号进行扫描处理，得到第三发射光信号，所述光学扫描模块133还用于将所述第三发射光信号发射至探测目标19。并且，所述光学扫描模块还用于接收所述第三发射光信号经所述探测目标19后反射回来的反射光信号，以及将所述反射光信号传输至所述光学准直模块132，再由所述光学准直模块132将所述反射光信号传输至所述光纤模块131，再由所述光纤模块131将所述反射光信号传输至所述环形器12的第二端口，再由所述环形器12的第三端口将所述反射光信号传输至所述光混频器14。

所述第二分光器15用于将所述第一本振光信号进行分光处理，得到第二本振光信号，并将所述第二本振光信号传输至所述光混频器16。

所述光混频器14与所述平衡探测器15相连接，所述光混频器15用于将所述反射光信号和所述第一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平衡探测器15。

所述平衡探测器15，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标19的状态信息，而状态信息可以包括探测目标19对应的距离、速度、方位、高度、姿态、形状等参数的值。具体的，所述平衡探测器可以基于探测光信号得到所述探测目标的距离和速度，进一步的，所述平衡探测可以基于所述探测目标的距离和速度，得到所述探测目标的方位、高度、姿态、形状等参数的值。

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，光源可以为调频光源，调频光源产生的光信号可以为调频连续波信号。调频光源可以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光混频器，以及将第一发射光信号传输至环形器。

进一步的，对于传输的第一发射光信号来说，环形器可以将第一发射光信号传输至光学系统收发模块，由光学系统接收模块对第一发射光信号进行整形、准直以及扫描处理，然后将处理后的第一发射光信号发射至探测目标，并且还接收经探测目标后发射回来的反射光信号，再由光学系统收发模块将反射光信号传输至环形器。

进一步的，在光学系统收发模块中，光学准直模块将第一发射光信号进行整形、准直处理之后，可以得到第二发射光信号，光学准直模块可以将第二发射光信号传输至光学扫描模块，光学扫描模块可以对第二发射光信号进行调整处理，得到第三发射光信号，使得第三发射光信号能够形成一定的视场角，从而可以增大激光雷达的扫描范围，然后将第三发射光信号发射至探测目标。光学扫描模块还可以接收经探测目标后反射回来的反射光信号，可以将反射光信号传输至光学准直模块，光学准直模块可以将反射光信号传输至光纤模块，光纤模块可以将反射光信号再传输至环形器，然后环形器可以将反射光信号传输至光混频器。

在光学系统收发模块内部，具体的，可以由光纤模块接收第一发射光信号，再将第一发射光传输至光学准直模块，光学准直模块可以将第一发射光信号进行整形、准直处理。需要说明的是，在本申请实施例中，可以在光纤模块和光学准直模块的焦平面之间设置预设轴向位移，光学准直模块的焦平面指的是光学准直模块所采用的光学器件的焦点所在的垂直平面，预设轴向位移指的是位于光学准直模块的焦平面水平两侧的轴向位移，即预设轴向位移可以包括位于焦平面左侧的轴向位移和位于焦平面右侧的轴向位移。

可参见图2A所示的不存在预设轴向位移的示意图，通常，如图2A所示，光纤模块的两个光纤端面中靠近光纤准直模块的光纤端面位于光纤准直模块的焦平面处。可参见图2B所示的存在预设轴向位移的示意图，如图2B所示，预设轴向位移为光纤端面远离光纤准直模块所产生的轴向位移，从反射光信号的光路传输方向来看，图2B为焦平面右侧的轴向位移；可参见图2C所示的存在预设轴向位移的示意图，如图2C所示，预设轴向位移为光纤端面靠近光纤准直模块所产生的轴向位移，从反射光信号的光路传输方向来看，图2C为焦平面左侧的轴向位移。需要说明的是，预设轴向位移的数值可由实际应用过程进行设定，本申请实施例对此不作限制。

具体的，本申请实施例的应用场景为，激光雷达存在walk-off效应。由于存在walk-off效应，会产生一定的walk-off偏移角度(反射信号和发射信号之间存在一定的偏移角度)，那么会导致光纤模块的光纤端面处的光斑能量有部分损失，并且模场失配较为严重，使得光纤模块的耦合效率严重下降。可参见如图3A所示的不存在轴向位移的示意图，当反射光信号产生偏转，即存在一定的walk-off偏移角度时，到达光纤模块的光纤端面的光斑能量会有部分损失，并且模场失配程度比较严重，因此导致耦合效率下降。而本申请采用在光纤模块和光学准直模块之间设置预设轴向位移后，即使得光纤模块的光纤端面处在新的位置后，光纤模块的光纤端面处的光斑能量也较大，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且反射光信号经过光学准直模块到达光纤端面处的模场形式与光纤模块较为适配，因此，可以提升光纤模块的耦合效率。可参见如图3B所示的存在轴向位移的示意图，存在一定的walk-off偏移角度时，光纤端面上的聚焦光斑较大，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，在光纤端面目前所处的位置上，反射光信号到达光纤端面处的模场形式与光纤模块较为适配，而不像相关技术中，光纤端面处在光学准直模块的焦平面所在的位置时，模场失配严重。因此，本申请可以提高光纤模块的耦合效率，可以增加光纤模块所传输的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。比如，当预设轴向位移设置为0-0.1mm时，发射光信号的发散角会增大，当发散角增大为0.35-0.5mrad时，接收端的耦合效率有2％-15％的提升。

对于传输的第一本振光信号来说，第一分光器可以将第一本振光信号传输至光混频器。

光混频器可以接收第一分光器传输过来的一本振光信号，以及接收环形器传输过来的反射光信号，进一步的，光混频器可以将第一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平衡探测器。

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。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平衡探测器探测，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，平衡探测器再依据探测目标的距离和速度以及其他信息可以计算出探测目标的方位、高度、姿态、形状等参数的信息。

本申请实施例的方案在执行时，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，并且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。本申请通过在光纤模块和光学准直系统模块的焦平面之间设置预设轴向位移，在walk-off效应存在的情况下，当光纤接收端在接收到探测目标反射回来的反射光信号时，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光场覆盖范围，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号的模场形式与光纤模块的适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加光学系统收发模块所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。

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。

如图4所示，本申请实施例的所述激光雷达可以包括：光源40、第一分光器41、光放大器42、环形器43、光学系统收发模块44、第二分光器45、光混频器46、平衡探测器47以及光源校准模块48，所述光学系统收发模块44包括光纤模块441、光学准直模块442以及光学扫描模块443，图4中还包括探测目标49。

所述光源40，与所述第一分光器41相连接，所述光源用于产生光信号，并将所述光信号传输至所述第一分光器41。

所述第一分光器41的第一输出端口与所述光放大器42的第一端口相连接，所述第一分光器41的第二输出端口与所述第二分光器45的输入端口相连接，所述第一分光器用于将光信号进行分光处理，得到第一发射光信号和第一本振光信号，并将所述第一发射光信号传输至所述光放大器42，以及将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器45。

所述光放大器42与所述环形器43的第一端口相连接，所述光放大器42用于将所述第一发射光信号放大处理，得到第二发射光信号，以及将所述第二发射光信号传输至所述环形器43。

所述第二分光器45的第一输出端口与所述光混频器46相连接，所述第二分光器45的第二输出端口与所述光源校准模块48相连接，所述分光器45用于将所述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，还将所述第二本振光信号传输至所述光混频器46，以及将所述第三本振光信号传输至光源校准模块48。

所述光源校准模块48，用于基于所述第三本振光信号对所述光源40产生的光信号进行光源校准。

对于环形器43、光学系统收发模块44、光混频器46以及平衡探测器47这些器件之间的连接关系，可参见图1中的环形器13、光学系统收发模块13、光混频器14以及平衡探测器15之间的连接关系，在此不再赘述。

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。

对于光源40、第一分光器41、环形器43、光学系统收发模块44、光混频器46以及平衡探测器47这些器件之间的功能用途，可参见图1中的光源10、第一分光器11、环形器12、光学系统收发模块13、光混频器14以及平衡探测器15之间的功能用途，在此不再赘述。

光放大器42，主要用于将所述第一发射光信号放大处理，得到第二发射光信号，然后将第二发射光信号传输至环形器。

第二分光器45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，第二分光器45可以将第二本振光信号传输至光混频器46，以及将第三本振光信号传输至光源校准模块，以使光混频器可以基于第二本振光信号和反射光信号得到探测光信号，并且将探测光信号传输至平衡探测器，以使光源校准模块可以基于第三本振光信号对光源产生的光信号进行校准48。

对于光源校准模块48，光源校准模块48主要可以基于第三本振光信号对对调频光源40产生的调频连续波信号进行光源校准。具体的，可参见图5所示的光源校准模块48中的各器件之间的连接关系，在图5中，光源校准模块48可以包括分光器481、光延迟线482、耦合器483以及平衡探测器484。第二分光器45可以将第三本振光信号传输至分光器481，分光器481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482，并将耦合光信号传输至耦合器483。进一步的，光延迟线482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耦合器483。进一步的，耦合器483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平衡探测器484。进一步的，平衡探测器484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。

本申请实施例的方案在执行时，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、光放大器、环形器、光学系统收发模块、第二分光器、光混频器、平衡探测器以及光源校准模块，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，并且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。本申请通过在光纤模块和光学准直系统模块的焦平面之间设置预设轴向位移，在walk-off效应存在的情况下，当光纤接收端在接收到探测目标反射回来的反射光信号时，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光场覆盖范围，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号的模场形式与光纤模块的适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加光学系统收发模块所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。另外，本申请实施例中的激光雷达还可以包括光源校准模块，可以对调频光源产生的光信号进行校准。

可选的，对于图1或图4所示的激光雷达的结构示意图，激光雷达中的光学扫描模块可以为微机电扫描模块，具体的，可以为MEMS扫描模块，在这种激光雷达中，MEMS扫描模块主要采用MEMS振镜，通常可以采用高速振动的二维振镜实现对空间一定范围的扫描探测，从而可以增大激光雷达的探测范围。

可选的，对于图1或图4所示的激光雷达的结构示意图，激光雷达中的光纤模块可以为少模光纤，由于少模光纤的模场直径比单模光纤的模场直径更大，并且数值孔径可以保持较高的优势，因此，在通过预设轴向位移提高光纤模块的耦合效率的基础上，将光纤模块对应的光学器件设置为单模光纤，可以使得光纤模块保持较高的接收口径，能够接收更多的能量，从而可以使得光纤模块可以耦合更多的能量，进而可以更好的提升激光雷达的测距能力。除此之外，还可以将光纤模块对应的光学器件设置为单模多芯光纤和大模场单模光纤等，在通过预设轴向位移提高光纤模块的耦合效率的基础上，都可以使得光纤模块保持较高的接收口径，能够接收更多的能量，从而可以使得光纤模块可以耦合更多的能量，进而可以更好的提升激光雷达的测距能力。

进一步的，本申请实施例还提供了一种激光雷达控制方法，请参见图6，为本申请实施例的激光雷达控制方法的流程示意图，所述激光雷达控制方法应用于激光雷达，所述激光雷达可以包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。

S601，光源产生光信号，并将所述光信号传输至第一分光器。

具体的，光源可以为调频光源，调频光源可以产生调频连续波信号，以及将调频连续波信号传输至第一分光器。

S602，所述第一分光器将所述光信号进行分光处理，得到第一发射光信号和第一本振光信号，并将所述第一发射光信号传输至环形器，以及将所述第一本振光信号传输至光混频器。

具体的，第一分光器将光信号进行分光处理，可以将光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，分光得到的本振光信号就简称为第一本振光信号。进一步的，第一分光器可以将第一发射光信号传输至环形器，以及将第一本振光信号传输至光混频器。

可选的，第一分光器将光信号分光得到第一本振光信号和第一发射光信号之后，可以将第一发射光信号传输至光放大器，由光放大器对第一发射光信号进行放大处理，输出光功率更高的发射光信号，然后光放大器再将放大后的第一发射光信号传输至环形器。

可选的，第一分光器将光信号分光得到第一本振光信号和第一发射光信号之后，可以将第一本振光信号传输至第二分光器，由第二分光器将第一本振光信号进行分光得到第二本振光信号和第三本振光信号，然后第二分光器将第二本振光信号传输至光混频器进行混频处理，以及将第三本振光信号传输至光源校准模块对光源产生的光信号进行校准。

S603，所述环形器将所述第一发射光信号传输至光纤模块。

具体的，环形器可以包括第一端口、第二端口以及第三端口，第一分光器可以将第一发射光信号传输至环形器的第一端口，然后，可以通过环形器的第二端口将第一发射光信号传输至光纤模块。环形器的第二端口可以接收光纤模块传输过来的反射光信号，反射光信号为发射至探测目标后反射回来的光信号，环形器的第三端口可以将反射光信号传输至光混频器。

S604，所述光纤模块将所述第一发射光信号传输至光学准直模块。

可以理解的是，光纤模块主要用于将环形器传输的第二发射光信号耦合至光学准直模块中。

可以理解的是，光纤模块与光学准直模块的焦平面之间可以设置有预设轴向位移，光学准直模块的焦平面指的是光学准直模块所采用的光学器件的焦点所在的垂直平面，预设轴向位移指的是位于光学准直模块的焦平面水平两侧的轴向位移，即预设轴向位移可以包括位于焦平面左侧的轴向位移和位于焦平面右侧的轴向位移。具体预设轴向位移的示意图，以及预设轴向位移所带来的效果可参见图1所示实施例的描述，在此不再赘述。

可选的，光纤模块可以为少模光纤，由于少模光纤的模场直径比单模光纤的模场直径更大，并且数值孔径可以保持较高的优势，因此，在通过预设轴向位移提高光纤模块的耦合效率的基础上，将光纤模块对应的光学器件设置为单模光纤，可以使得光纤模块保持较高的接收口径，能够接收更多的能量，从而可以使得光纤模块可以耦合更多的能量，进而可以更好的提升激光雷达的测距能力。除此之外，还可以将光纤模块对应的光学器件设置为单模多芯光纤和大模场单模光纤等，在通过预设轴向位移提高光纤模块的耦合效率的基础上，都可以使得光纤模块保持较高的接收口径，能够接收更多的能量，从而可以使得光纤模块可以耦合更多的能量，进而可以更好的提升激光雷达的测距能力。

S605，所述光学准直模块将所述第一发射光信号进行调整处理，得到第二发射光信号，并将所述第二发射光信号传输至光学扫描模块。

具体的，光学准直模块可以将第一发射光信号进行整形、准直处理之后，得到第二发射光信号，光学准直模块可以将第二发射光信号传输至光学扫描模块。

S606，所述光学扫描模块对所述第二发射光信号进行角度偏转处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号传输至探测目标，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，将所述反射光信号传输至所述光学准直模块，以使所述光学准直模块将所述反射光信号传输至所述光纤模块，使所述光纤模块将所述反射光信号传输至所述环形器，并使所述环形器将所述反射光信号传输至光混频器。

可以理解的是，光学扫描模块可以对第二发射光信号进行角度偏转处理，得到第三发射光信号，使得第三发射光信号能够形成一定的视场角，从而可以增大激光雷达的扫描范围，然后将第三发射光信号发射至探测目标。光学扫描模块还可以接收经探测目标后反射回来的反射光信号，可以将反射光信号传输至光学准直模块，光学准直模块可以将反射光信号经预设轴向位移传输至光纤模块，光纤模块可以将反射光信号再传输至环形器，然后环形器可以将反射光信号传输至光混频器。

可选的，光学扫描模块可以为MEMS扫描模块或者转镜扫描模块。在采用MEMS扫描模块的激光雷达中，通常可以采用高速振动的二维振镜实现对空间一定范围的扫描探测。

对于光学准直模块将反射光信号传输至光纤模块的原理，具体可参见图1所示的实施例，在此不再赘述。

S607，所述光混频器将所述反射光信号和所述第一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平衡探测器。

可以理解的是，光混频器可以将第一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平衡探测器。

S608，所述平衡探测器基于所述探测光信号得到所述探测目标的状态信息。

可以理解的是，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。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。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平衡探测器探测，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，平衡探测器再依据探测目标的距离和速度以及其他信息可以计算出探测目标的方位、高度、姿态、形状等参数的信息。

本申请实施例的方案在执行时，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，并且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移。本申请通过在光纤模块和光学准直系统模块的焦平面之间设置预设轴向位移，在walk-off效应存在的情况下，当光纤接收端在接收到探测目标反射回来的反射光信号时，可以增大反射光信号的聚焦光斑在光纤模块的光场覆盖范围，能有较多的能量可以耦合进光纤模块里，并且，可以提高经光学准直模块传输的反射光信号的模场形式与光纤模块的适配度，进而可以提高反射光信号在光纤模块的耦合效率，可以增加光学系统收发模块所接收的反射光信号的能量，进而可以提高激光雷达的测距能力。

本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请实施例所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。

以上所述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光雷达，其特征在于，包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器以及平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，其中：

所述光源，与所述第一分光器相连接；

所述第一分光器的第一输出端口与所述环形器的第一端口相连接；

所述光纤模块，与所述环形器的第二端口以及所述光学准直模块相连接，且所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移；

所述光学扫描模块，与所述光学准直模块相连接；

所述光混频器的第一输入端口与所述环形器的第三端口相连接，所述光混频器的第二输入端口与所述第一分光器的第二输出端口相连接，所述光混频器的输出端口与所述平衡探测器相连接。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括光放大器，所述光放大器的输入端口与所述第一分光器的第一输出端口相连接，所述光放大器的输出端口与所述环形器的第一端口相连接。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括第二分光器和光源校准模块，其中：

所述第二分光器的输入端口与所述第一分光器的第二输出端口相连接，所述第二分光器的第一输出端口与所述光混频器的第二输入端口相连接，所述第二分光器的第二输出端口与所述光源校准模块相连接。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的激光雷达，其特征在于，所述光学扫描模块为微机电扫描模块和/或转镜扫描模块，所述微机电扫描模块和/或转镜扫描模块与所述光学准直模块相连接。

5.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述光源，用于产生光信号，并将所述光信号传输至所述第一分光器；

所述第一分光器，用于将所述光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，用于将所述第二发射光信号传输至所述光纤模块；

所述光纤模块，用于将所述第二发射光信号传输至所述光学准直模块；

所述光学准直模块，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传输至所述光学扫描模块；

所述光学扫描模块，用于对所述第三发射光信号进行角度偏转处理，得到第四发射光信号，并将所述第四发射光信号传输至探测目标，以及接收所述第四发射光信号经所述探测目标后反射回来的反射光信号，将所述反射光信号传输至所述光学准直模块，以使所述光学准直模块将所述反射光信号传输至所述光纤模块，使所述光纤模块将所述反射光信号传输至所述环形器，并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，用于将所述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，并将所述第二本振光信号传输至所述光混频器，以及将所述第三本振光信号传输至所述光源校准模块；

所述光混频器，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平衡探测器；

所述平衡探测器，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标的状态信息；

所述光源校准模块，用于基于所述第三本振光信号对所述光源输出光信号进行校准。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的激光雷达，其特征在于，所述光学模块为少模光纤。

7.一种激光雷达控制方法，其特征在于，应用于激光雷达，所述激光雷达包括光源、第一分光器、环形器、光学系统收发模块、光混频器、平衡探测器，所述光学系统收发模块包括光纤模块、光学准直模块以及光学扫描模块，所述光纤模块与所述光学准直模块的焦平面之间具有预设轴向位移，所述方法包括：

所述光源产生光信号，并将所述光信号传输至所述第一分光器；

所述第一分光器将所述光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光混频器，以及将所述第一发射光信号传输至所述环形器；

所述环形器将所述第一发射光信号传输至所述光纤模块；

所述光纤模块将所述第一发射光信号传输至所述光学准直模块；

所述光学准直模块将所述第一发射光信号进行调整处理，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光学扫描模块；

所述光学扫描模块对所述第二发射光信号进行角度偏转处理，得到第三发射光信号，并将所述第三发射光信号传输至探测目标，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，将所述反射光信号传输至所述光学准直模块，以使所述光学准直模块将所述反射光信号传输至所述光纤模块，使所述光纤模块将所述反射光信号传输至所述环形器，并使所述环形器将所述反射光信号传输至所述光混频器；

所述光混频器将所述反射光信号和所述第一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平衡探测器；

所述平衡探测器，用于基于所述探测光信号得到所述探测目标的状态信息。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述激光雷达还包括光放大器，所述第一分光器将所述第一发射光信号传输至所述环形器，包括：

所述第一分光器将所述第一本振光信号传输至所述光放大器；

所述光放大器将所述第一本振光信号进行放大处理，得到放大后的第一本振光信号，并将所述放大后的第一本振光信号传输至所述环形器。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述激光雷达还包括第二分光器，所述第一分光器将所述第一本振光信号传输至所述光混频器，包括：

所述第一分光器将所述第一本振光信号传输至所述第二分光器；

所述第二分光器将所述第一本振光信号进行分光处理，得到第二本振光信号，以及将所述第二本振光信号传输至所述光混频器；

所述光混频器将所述反射光信号和所述第一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平衡探测器，包括：

所述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，以及将所述探测光信号传输至所述平衡探测器。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述激光雷达还包括光源校准模块，所述方法还包括：

所述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，以及将所述第三本振光信号传输至所述光源校准模块；

所述光源校准模块基于所述第三本振光信号对所述光源输出的光信号进行校准。

11.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述光纤模块为少模光纤。

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