CN117008090A - 激光雷达及探测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种激光雷达及探测方法，包括信号驱动模块，输出驱动信号；激光发射模块，输出激光，将激光分束并分别输出N路和M路本振光，N≧1，M≧1；光收发装置，分别接入N路激光并分别输出，还采用第一波导结构和第二波导结构分别接入回波中第一回波和第二回波，并分别输出；扫描模块，将各路激光出射至目标，还接收并输出目标反射回来的回波；探测模块，具有M个探测单元，探测单元接入第一回波和第二回波，并将第一回波和第二回波与接入的一路本振光进行混频获得对应的拍频电信号；信号处理模块，接入并处理各拍频电信号获得探测信息。本申请提高了激光雷达近距离目标和远距离目标反射的回波的整体接收效率。

Description

激光雷达及探测方法

技术领域

本申请属于激光雷达探测技术领域，尤其涉及一种激光雷达及探测方法。

背景技术

调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)激光雷达具备的4D(Four Dimensional)感知传感器模组能同时测距测速，可以在智慧交通、自动驾驶、辅助驾驶、导航、测绘、气象、航天、机器人等领域提供更多的环境目标信息。相对于飞行时间(Timeof flight，ToF)测速测距方法，FMCW激光探测及测距雷达(Light Detection andRanging，LiDAR)能在1帧的探测数据中获得速度维度信息，能让FMCW激光探测及测距系统更快的识别环境中目标物，能以更快的速度传输至信息处理系统，以提前做出适应性的操作。

由于各目标与激光雷达的距离有远有近，而光在空间中传播需要时间,在这个时间中扫描模块中振镜会周期性振动，振镜扫描系统存在探测光角度滞后的情况，而目标与激光雷达的距离不同，扫描目标反射后的回波滞后角度亦不同，导致近距离目标反射的回波和远距离目标反射的回波存在接收效率难以同时兼顾、回波整体接收效率低的问题。

发明内容

本申请实施例提供了一种激光雷达及探测方法，旨在解决具有振镜的激光雷达由于不同的探测光滞后角度导致近距离目标反射的回波和远距离目标反射的回波存在接收效率难以同时兼顾、回波整体接收效率低的问题。

本申请实施例第一方面提供了一种激光雷达，包括：

信号驱动模块，用于输出驱动信号；

激光发射模块，用于接入所述驱动信号，根据所述驱动信号输出激光，将所述激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路所述激光和M路所述本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1；

光收发装置，用于分别接入N路所述激光，并输出各路所述激光；

扫描模块，用于接入各路所述激光，并将各路所述激光出射至目标以进行扫描，所述扫描模块还用于接收所述目标反射回来的回波，再输出所述回波；

所述光收发装置，还用于接入所述回波，所述光收发装置的第一波导结构接入所述回波中的第一回波并输出所述第一回波，所述光收发装置的第二波导结构接入所述回波中的第二回波并输出所述第二回波，所述第一回波为第一目标距离内所述目标反射回来的回波，所述第二回波为第二目标距离内所述目标反射回来的回波，其中，所述第一目标距离小于所述第二目标距离；

探测模块，具有M个探测单元，每个所述探测单元接入M路中的一路所述本振光，所述探测单元还用于接入所述光收发装置输出的所述第一回波和所述第二回波，并将所述第一回波和所述第二回波与接入的一路所述本振光进行混频获得对应的拍频电信号；

信号处理模块，用于接入各所述拍频电信号并进行处理获得所述目标的探测信息。

在其中一个实施例中，所述光收发装置包括：

光纤环形器，与所述激光发射模块连接，所述光纤环形器的第一端作为所述光收发装置的接入端接入N路中的一路所述激光，所述光纤环形器的第二端输出所述激光，所述光纤环形器的第二端还用于接入所述第一回波，所述光纤环形器的第三端输出所述第一回波；

平面光波导模块，与所述光纤环形器连接，所述平面光波导模块的第一输入输出端接入所述光纤环形器的第二端输出的所述激光，所述平面光波导模块的第二输入输出端输出所述激光，所述平面光波导模块的第二输入输出端的所述第一波导结构接入所述第一回波并将所述第一回波传输至所述光纤环形器的第二端，所述平面光波导模块的第二输入输出端的所述第二波导结构接入所述第二回波并将所述第二回波传输至所述探测模块；

收发透镜，与所述平面光波导模块连接，接入对应的所述平面光波导模块的第二输入输出端输出的所述激光，并将所述激光传输至所述扫描模块，所述收发透镜还用于接入所述回波，并将所述回波传输给所述平面光波导模块的第二输入输出端。

在其中一个实施例中，所述平面光波导模块，包括：

衬底；

设置于所述衬底上表面的平面光波导芯片，所述平面光波导芯片包括至少一个收发波导结构，所述收发波导结构包括所述第一波导结构和至少两个所述第二波导结构，所述第一波导结构的两侧均设有所述第二波导结构，其中，所述第一波导结构用于接入所述光纤环形器的第二端输出的所述激光并发射所述激光，所述第一波导结构还用于接收所述第一回波并输出所述第一回波至所述光纤环形器的第二端，所述第二波导结构用于接收所述第二回波并输出所述第二回波至所述探测模块。

在其中一个实施例中，所述第一波导结构和所述第二波导结构为单模波导结构、多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。

在其中一个实施例中，同一所述收发波导结构中，至少一个所述第二波导结构相对于所述第一波导结构存在预设倾角。

在其中一个实施例中，所述预设倾角≦0.1度。

在其中一个实施例中，所述第一波导结构的发射端与邻近的所述第二波导结构的输入端之间的间距为K，其中，0.1×W≦K≦0.2×W，W为所述第一波导结构或所述第二波导结构中单模波导结构的波导宽度。

在其中一个实施例中，所述平面光波导芯片包括多个所述收发波导结构，多个所述收发波导结构为阵列式布局。

在其中一个实施例中，阵列式布局的各所述收发波导结构按周期排列，其中，相邻所述收发波导结构之间的间距大于或者等于所述单模波导结构的波导宽度的二分之一。

在其中一个实施例中，所述收发透镜设置于对应的所述平面光波导模块中的所述第一波导结构的发射端。

本申请实施例第二方面提供了一种激光雷达的探测方法，应用于如上述第一方面内容中任一项所述的激光雷达，所述探测方法包括：

信号驱动模块输出驱动信号；

激光发射模块接入所述驱动信号，根据所述驱动信号输出激光，将所述激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路所述激光和M路所述本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1；

光收发装置分别接入N路所述激光，并分别输出各路所述激光；

扫描模块接入各路所述激光，并将各路所述激光出射至目标进行扫描，所述扫描模块还接收所述目标反射回来的回波，再输出所述回波；

所述光收发装置还接入所述回波，所述光收发装置的第一波导结构接入所述回波中的第一回波并输出所述第一回波，所述光收发装置的第二波导结构接入所述回波中的的第二回波并输出所述第二回波，所述第一回波为第一目标距离内所述目标反射回来的回波，所述第二回波为第二目标距离内所述目标反射回来的回波，其中，所述第一目标距离小于所述第二目标距离；

探测模块具有M个探测单元，每个所述探测单元接入M路中的一路所述激光，所述探测单元还接入所述光收发装置输出的所述第一回波和所述第二回波，并将所述第一回波和所述第二回波分别与接入的一路所述本振光进行混频获得对应的拍频电信号；

信号处理模块接入各所述拍频电信号并进行处理获得所述目标的探测信息。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请的实施例提供了一种激光雷达及探测方法，具有振镜的激光雷达对目标进行激光扫描，由于与激光雷达具有不同距离的目标反射的回波存在不同的滞后角度，通过光收发装置中第一波导结构接收近距离的目标反射的第一回波，以及光收发装置中第二波导结构同时接收远距离的目标反射的第二回波，故同时提高了激光雷达对于近距离目标反射的第一回波和远距离目标反射的第二回波的接收效率，从而提高了回波的整体接收效率，进而提升了激光雷达的探测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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是本申请一实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。

图2是本申请一实施例提供的另一种激光雷达的结构示意图。

图3是本申请一实施例提供的一种平面光波导模块的45°视角示意图；

图4是本申请一实施例提供的另一种平面光波导模块的45°视角示意图；

图5是本申请一实施例提供的又一种平面光波导模块的45°视角示意图；

图6是本申请一实施例提供的再一种平面光波导模块的45°视角示意图；

图7是本申请一实施例提供的一种阵列式布局平面光波导模块的45°视角示意图；

图8是本申请一实施例提供的一种平面光波导模块的俯视示意图；

图9是本申请一实施例提供的另一种平面光波导模块的俯视示意图；

图10是本申请一实施例提供的又一种平面光波导模块的俯视示意图；

图11是本申请一实施例提供的再一种平面光波导模块的俯视示意图；

图12是本申请一实施例提供的一种多个接收波导结构的平面光波导模块的俯视示意图；

图13是本申请一实施例提供的一种接收波导结构具有预设倾角的平面光波导模块的俯视示意图；

图14是本申请一实施例提供的一种阵列式布局平面光波导模块的俯视示意图；

图15是本申请一实施例提供的一种平面光波导模块的侧视示意图；

图16是本申请一实施例提供的一种平面光波导模块的发射端设置收发透镜俯视示意图；

图17是本申请一实施例提供的另一种平面光波导模块的发射端设置收发透镜俯视示意图；

图18是本申请一实施例提供的激光雷达的探测方法的流程示意图。

各标号的附图说明如下：

10、信号驱动模块；20、激光发射模块；

30、光收发装置；31、光纤环形器；32、平面光波导模块；33、收发透镜；321、衬底；322、平面光波导芯片；3221、第一波导结构；3222、第二波导结构；

40、扫描模块；50、探测模块；60、信号处理模块。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、模块、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。

下面通过具体的实施例来说明本申请的技术方案。

本申请实施例提供的扫描模块包括振镜(也称为“扫描振镜”)，振镜包括机械振镜和MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜，其中，MEMS振镜可以包括但不限于一维MEMS振镜和二维MEMS振镜。

在一个实施例中，扫描模块中包括机械振镜或一维MEMS振镜，机械振镜和一维MEMS振镜能将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为水平方向的水平视场上，或者将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为垂直方向的垂直视场中，具有机械振镜和一维MEMS振镜的扫描模块可以实现对一定视场角度的扫描探测。

激光从激光发射模块输出经过光收发装置，通过扫描模块中机械振镜或一维MEMS振镜传输到与激光雷达具有不同距离的目标，从不同距离的目标反射回来的回波信号经过扫描模块，再从光收发装置传输至探测模块。激光雷达发射的激光从发射至不同距离的目标，再从不同距离的目标反射返回的传输时间内，扫描模块中的机械振镜或一维MEMS振镜在一个维度的方向上已经形成一定的角度，故形成了机械振镜或一维MEMS振镜在一个维度的方向上的滞后角。机械振镜或一维MEMS振镜在这个维度方向的滞后角使得反射回来的回波信号不能沿出射光路的逆向光路返回到光收发装置，不同距离目标反射回来的回波信号因机械振镜或一维MEMS振镜在不同时间内的滞后角不同，导致近距离物体反射的回波和远距离物体反射的回波不能被光收发装置上相同的接收波导高效地接收，影响了激光雷达的探测性能。

在另一个实施例中，扫描模块中包括二维MEMS振镜，二维MEMS振镜包括第一轴和第二轴，第一轴和第二轴相互垂直，第一轴带动扫描振镜中的反射镜振动，可以将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为水平方向的水平视场上；第二轴同时也带动扫描振镜中的反射镜振动，从而将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为垂直方向的垂直视场中，反射镜在第一轴轴与第二轴共同带动作用下，则可以实现对一定视场角度的扫描探测。

在又一个实施例中，当扫描模块中包括两个一维MEMS振镜，两个一维MEMS振镜的光轴相互垂直，其中一个一维MEMS振镜可以将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为水平方向的水平视场上；另一个一维MEMS振镜将出射至反射镜的激光光束反射至相对于目标为垂直方向的垂直视场中，扫描模块在两个一维MEMS振镜的共同作用下，则可以实现对一定视场角度的扫描探测。

当扫描模块中包括二维MEMS振镜，或包括两个一维MEMS振镜时，激光从激光发射模块输出经过光收发装置，通过扫描模块中二维MEMS振镜或两个一维MEMS振镜传输到与激光雷达具有不同距离的目标，从不同距离的目标反射回来的回波信号经过扫描模块，再从光收发装置传输至探测模块。激光雷达发射的激光从发射至不同距离的目标，再从不同距离的目标反射返回的传输时间内，扫描模块中的二维MEMS振镜或两个一维MEMS振镜在两个垂直的方向的周期性振动时均已经形成一定的角度，形成二维MEMS振镜或两个一维MEMS振镜在相对于目标的垂直方向和水平方向的滞后角。二维MEMS振镜或两个一维MEMS振镜在两个方向的滞后角使得反射回来的回波信号不能沿出射光路的逆向光路返回到光收发装置，不同距离目标反射回来的回波信号因二维MEMS振镜或两个一维MEMS振镜在不同时间内的滞后角度不同，导致近距离物体反射的回波和远距离物体反射的回波不能被光收发装置上相同的接收波导结构同时高效地接收，其中，振镜在相对于目标的水平方向的滞后角比相对于目标的垂直方向的滞后角更大，从而造成了回波整体接收效率低，进而影响了激光雷达的探测性能。

本申请实施例的第一方面提供了一种激光雷达，如图1所示，包括：

信号驱动模块10，用于输出驱动信号。

激光发射模块20，用于接入驱动信号，根据驱动信号输出激光，将激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路激光和M路本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1。

光收发装置30，用于分别接入N路激光，并分别输出各路激光。

扫描模块40，用于接入各路激光，并将各路激光出射至目标以进行扫描，扫描模块40还用于接收目标反射回来的回波，再输出回波。

光收发装置30，还用于接入回波，光收发装置30的第一波导结构3221接入回波中的第一回波并输出第一回波，光收发装置30的第二波导结构3222接入回波中的第二回波并输出第二回波，第一回波为第一目标距离内目标反射回来的回波，第二回波为第二目标距离内目标反射回来的回波，其中，第一目标距离小于第二目标距离。

探测模块50，具有M个探测单元，每个探测单元接入M路中的一路激光，探测单元还用于接入光收发装置30输出的第一回波和第二回波，并将第一回波和第二回波与接入的一路激光进行混频获得对应的拍频电信号。

信号处理模块60，用于接入各拍频电信号并进行处理获得目标的探测信息。

本申请实施例还提供了另一种激光雷达，如图2所示，其中，N≧2，M≧2。

本实施例提供了一种激光雷达，具有振镜的激光雷达对目标进行激光扫描时，由于与激光雷达有不同距离的目标反射的回波存在不同角度的滞后角，与激光雷达距离近的目标反射的第一回波由于探测激光输出到返回的时间短，故振镜形成的滞后角角度较小，而与激光雷达距离远的目标反射的第二回波由于探测激光输出到返回的时间相对较长，故振镜周期性振动形成的滞后角角度较大，通过光收发装置对于近距离的目标反射的第一回波和远距离的目标反射的第二回波采用第一波导结构和第二波导结构分别进行对应接收，从而同时提高了激光雷达对于第一回波和第二回波的接收效率，提升了回波的整体接收效率，进而提升了激光雷达的探测性能。

在一个实施例中，光收发装置30包括光纤环形器31、平面光波导模块32及收发透镜33；

光纤环形器31，与激光发射模块20连接，光纤环形器31的第一端作为光收发装置30的接入端接入N路中的一路激光，光纤环形器31的第二端输出激光。

平面光波导模块32，与光纤环形器31连接，平面光波导模块32的第一输入输出端接入光纤环形器31的第二端输出的激光，平面光波导模块32的第二输入输出端输出激光。

需要说明的是，平面光波导模块32的第一输入输出端能与一个光纤环形器31的第二端连接，还能与多个光纤环形器31的第二端连接，故平面光波导模块32的第一输入输出端能接入N路中一路激光，也能接入N路中多路激光，具体接入激光路数的数量根据激光雷达的光路设计进行设置。

收发透镜33，与平面光波导模块32连接，接入对应的平面光波导模块32的第二输入输出端输出的激光，并将激光传输至扫描模块40，收发透镜33还用于接入回波，并将回波传输给平面光波导模块32的第二输入输出端。

平面光波导模块32的第二输入输出端还接入回波，平面光波导模块32的第二输入输出端的第一波导结构3221接入第一回波，并将第一回波传输至光纤环形器31的第二端，平面光波导模块32的第二输入输出端的第二波导结构3222接入第二回波，并将第二回波传输至探测模块50。

光纤环形器31的第二端还用于接入平面光波导模块32的第一输入输出端输出的第一回波，光纤环形器31的第三端输出第一回波；

光收发装置30通过设置光纤环形器31、平面光波导模块32及收发透镜33，通过平面光波导模块32接收近距离的目标反射的第一回波和远距离的目标反射的第二回波，然后平面光波导模块32将接收的第一回波输出给光纤环形器31的第三端进而传输至探测模块50，平面光波导模块32将接收的第二回波直接传输至探测模块50，由于对第一回波和第二回波分别用第一波导结构3221和第二波导结构3222进行接收，避免了第一回波和第二回波采用同一波导结构接收造成的能量损失，从而同时提高了激光雷达对于第一回波和第二回波的接收效率，提升了回波的整体接收效率，进而提升了激光雷达的探测性能。

在一些实施例中，如图3、图4、图5、图6所示，平面光波导模块32，包括衬底321和设置于衬底321上表面的平面光波导芯片322，平面光波导芯片322包括至少一个收发波导结构，收发波导结构包括第一波导结构3221和至少两个第二波导结构3222，第一波导结构3221的两侧均设有第二波导结构3222，其中，第一波导结构3221用于接入光纤环形器31的第二端输出的激光并发射所述激光，第一波导结构3221还用于接收第一回波并输出第一回波至光纤环形器31的第二端，第二波导结构3222用于接收第二回波并输出第二回波至探测模块50。其中，衬底321具有机械支撑的功能，衬底321的材质为二氧化硅、硅、透明的聚合物中任一种，也能其他为透红外的材质。

激光器输出的波长相同或波长不相同的激光至第一波导结构3221，并通过第一波导结构3221发射激光，激光发射的光路方向如图8、图9、图10、图11中实线所示，第一波导结构3221两侧的第二波导结构3222用于接收发射激光经过远距离目标反射回来的第二回波，接收第二回波的光路方向如图8、图9、图10、图11中3222对应的虚线所示。第一波导结构3221还用于接收第一回波并输出第一回波至光纤环形器31的第二端，第二波导结构3222接收第二回波并输出第二回波至探测模块50，接收第一回波的光路方向如图8、图9、图10、图11中3221对应的虚线所示。

本实施例通过把用于发射激光并接收第一回波的第一波导结构3221以及至少两个用于接收第二回波的第二波导结构3222的收发波导结构封装在衬底上表面形成平面波导芯片322，第一波导结构3221与光纤环形器31的第二端连接，接入激光并发射激光通过收发透镜33和扫描模块40对目标进行扫描。由于探测激光从输出遇到近距离目标并进行反射后返回的时间短，故扫描模块40中振镜形成的滞后角角度较小，从而近距离的目标反射后的第一回波近似沿着激光发射光路的逆向光路进行返回，故大部分第一回波能被发射激光的第一波导结构3221接入并传输至光纤环形器31的第二端，光纤环形器31的第二端既能发射激光还能接收第一回波并通过光纤环形器31的第三端输出至探测模块50，从而提高了激光雷达接收第一回波信号的效率，并提高了激光雷达的探测性能。

此外，由于探测激光从输出遇到远距离目标并进行反射后返回的时间比近距离目标返回的时间相对较长，故扫描模块40中振镜形成的滞后角角度较大，从而远距离的目标反射后的第二回波与激光发射的光路存在差异，经过具有滞后角振镜反射回来的第二回波经过收发透镜后成像在第一波导结构3221的左侧或者右侧。在平面波导芯片322的收发波导结构中第一波导结构3221的两侧均设置第二波导结构3222，这样收发波导中第一波导结构3221和第二波导结构3222的排列方向与振镜的振动方向在光路上相对应，能在第一波导结构3221的左侧以及右侧补偿接收由于振镜在对远距离目标扫描反射存在滞后角造成丢失的回波信号，从而提高了激光雷达接收第二回波信号的效率，并提高了激光雷达的探测性能。

在一些实施例中，第一波导结构3221和第二波导结构3222为单模波导结构、多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。

如图3、图8所示，在一个实施例中，第一波导结构3221和第二波导结构3222均为多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。

如图4、图9所示，在另一个实施例中，第一波导结构3221为多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。第二波导结构3222为单模波导结构。

如图5、图10所示，在又一个实施例中，第一波导结构3221为单模波导结构，第二波导结构3222为多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。

如图6、图11所示，在再一个实施例中，第一波导结构3221和第二波导结构3222均为单模波导结构。

上述各实施例的第一波导结构3221和第二波导结构3222的波导结构组合，能根据扫描模块的空间分布及性能差异进行选择，均能采用第一波导结构3221接收由于振镜在对近距离目标扫描反射存在滞后角造成丢失的回波信号，并在第一波导结构3221的左侧以及右侧补偿接收由于振镜在对远距离目标扫描反射存在滞后角造成丢失的回波信号，从而提高了激光雷达接收第二回波信号的效率，并提高了激光雷达的探测性能。

此外，当第一波导结构3221为单模波导结构时，单模波导结构的输入端和输出端的波导宽度相同，激光发射的光路的输入和输出方向如图10、图11所示，便于发射的激光能集中功率，增大发射的角功率，降低发射光斑的面积，有利于提升激光雷达的分辨率。

第一波导结构3221两侧的第二波导结构3222为多模转单模波导结构、大模转单模波导结构、少模转单模波导结构以及单模波导结构中的任一种波导结构。例如，设置在第一波导结构3221的一侧的第二波导结构3222为多模转单模波导结构，设置在第一波导结构3221的另一侧的第二波导结构3222为大模转单模波导结构。又例如，设置在第一波导结构3221的一侧的第二波导结构3222为多模转单模波导结构，设置在第一波导结构3221的另一侧的第二波导结构3222为少模转单模波导结构。又例如，设置在第一波导结构3221的一侧的第二波导结构3222为大模转单模波导结构，设置在第一波导结构3221的另一侧的第二波导结构3222为少模转单模波导结构。再例如，设置在第一波导结构3221的一侧的第二波导结构3222为多模转单模波导结构，设置在第一波导结构3221的另一侧的第二波导结构3222为单模波导结构。第二波导结构3222的波导结构可以根据激光雷达的测距性能及分辨率要求进行任意选择。

当第一波导结构3221和第二波导结构3222为多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构时，其中的多模、大模以及少模波导结构的输入端有利于增大回波的接收口径，提升回波的接收效率。以多模转单模波导结构为例，多模转单模波导结构包括多模波导结构的输入端和单模波导结构的输出端，接收回波的光路的输入和输出方向如图8、图9、图10所示，多模转单模波导结构的波导宽度由多模波导结构的输入端至单模波导结构的输出端逐渐变小，多模转单模波导结构中单模波导结构的输出端波导宽度与单模波导结构的输出端波导宽度相同，多模转单模波导结构中多模波导结构输入端有利于增大回波的接收口径。

在一些实施例中，如图3、图4所示，每个收发波导结构中第一波导结构3221与两侧的第二波导结构3222之间能紧密排列，也能按预设的间距排列。优选地，第一波导结构3221的发射端与邻近的第二波导结构3222的输入端之间的间距为K，其中，0.1×W≦K≦0.2×W，W为第一波导结构3221或第二波导结构3222中单模波导结构的波导宽度。由于第一波导结构3221两侧的第二波导结构3222相对于第一波导结构3221整体在两个方向均有一个间距偏移，使得反射回来的第二回波能被偏移后的多个第二波导结构3222中各波导结构的输入端接收，提高了第二回波的接收效率，有效的改善了激光雷达因存在探测光角度滞后导致部分回波信号丢失的问题，进而提升了激光雷达的测探测性能。

可选地，第一波导结构3221的输出端与第二波导结构3222的输入端之间的间距K为1μm。

可选地，第二波导结构3222在第一波导结构3221的任一侧设置为多个第二波导结构3222，或者第二波导结构3222在第一波导结构3221的两侧均设置为多个第二波导结构3222，便于扩大接收存在滞后角的回波的接收口径，增大接收回波的接收范围，以便进一步提高接收回波的效率，其中，各第二波导结构3222的输入端之间的间距为K，0.1×W≦K≦0.2×W，W为第一波导结构3221或第二波导结构3222中单模波导结构的波导宽度。

如图12所示，第一波导结构3221任一侧的第二波导结构3222设置为2个，另一些实施例，还可以设置为3个、4个或者5个。本实施例不对第一波导结构3221任一侧的第二波导结构3222设置的数量进行限制，具体根据激光雷达的振镜的滞后角范围以及回波接收效率来进行设置。

如图13所示，在一个实施例中，同一收发波导结构中至少一个第二波导结构3222相对于第一波导结构3221存在预设倾角，其中，第一波导结构3221与两侧的第二波导结构3222都位于平行于衬底321的同一个平面上，第一波导结构3221两侧的至少一个第二波导结构3222相对于第一波导结构3221存在预设倾角。根据扫描接收角度滞后效应原理及激光雷达扫描模块的结构设置，能获得振镜的滞后角的具体角度，再设置预设倾角的角度与扫描模块40产生的对最远距离目标进行扫描后振镜的滞后角的角度相等，使得回波信号能进一步被第二波导结构3222的输入端接收，提升了远距离目标的第二回波的接收效率，从而提高了激光雷达的探测性能。可选地，预设倾角≦0.2度。具体预设倾角的度数根据扫描模块40产生的对最远距离目标进行扫描后振镜的滞后角的角度来设置，进一步地，例如设置预设倾角≦0.1度。

当只有1个收发波导结构时平面光波导模块32为单通道收发波导结构，单通道收发波导结构布局在衬底321上表面的中部形成平面光波导芯片322；当有2个及以上的收发波导结构则平面光波导模块32为多通道收发波导结构阵列，2个及以上的收发波导结构进行阵列式布局形成平面光波导芯片322。收发波导结构形成平面光波导芯片322，再将平面光波导芯片322与衬底321封装在一起，使得发射部件与接收部件进行一体封装，提高了激光雷达的集成度，提升了可靠性。

在一个实施例中，平面光波导芯片322包括多个收发波导结构，多个收发波导结构为阵列式布局。可选地，阵列式布局的各收发波导结构按周期排列，其中，相邻收发波导结构之间的间距大于或者等于单模波导结构的波导宽度的二分之一。

如图7、图14所示，在一些实施例中，以第二波导结构3222为多模转单模波导结构为例，多个收发波导结构按周期阵列式布局形成平面光波导芯片322，或者各收发波导结构按不规则排列形成平面光波导芯片322，这样能根据激光雷达的接收回波效率有针对性的调整每一路的收发视场和方向，提高激光雷达的测量精度。相邻收发波导结构之间的间距大于或者等于单模波导结构的波导宽度的二分之一。可选地，收发波导结构中的任一波导结构的输入端与相邻的另一个收发波导结构中的任一波导结构的输出端之间的间距大于或者等于3μm。

如图15所示，第一波导结构3221与第二波导结构3222位于平行于衬底321的同一个平面上，便于制造和生产，同时第一波导结构3221与第二波导结构3222都位于同一个平面，改善了探测光角度滞后效应带来的回波接收效率低的影响，并使得平面波导芯片具有体积小、制造成本低的优点，还能提升平面光波导芯片的生产效率。

在一些实施例中，如图16、图17所示，光收发装置30的收发透镜33设置于平面光波导模块32中第一波导结构3221的发射端。这样平面光波导芯片322中各收发波导结构的第一波导结构3221和多个第二波导结构3222共用一个收发透镜33，即发射光路和接收光路采用同一个光路，减少了激光雷达的硬件配置，降低了激光雷达的成本。

在一个实施例中，收发透镜33满足第一预设条件，第一预设条件为：

第一目标距离内的回波光斑的直径大于第一波导结构3221或第二波导结构3222中单模波导结构直径的X倍，其中，1.0≦X≦2.0，第一目标距离≦100m。可选地，设置第一目标距离内的回波光斑的直径大于第一波导结构3221或第二波导结构3222中单模波导结构直径的1.4倍，具体倍数根据激光雷达的探测性能来设置。

在一个实施例中，收发透镜33还满足第二预设条件，第二预设条件为：

L＝f；

其中，L为透镜距离，透镜距离为收发波导结构中第一波导结构3221的发射端端面与收发透镜33中心之间的垂直距离，处于透镜距离的收发透镜33用于接收第一目标距离和第二目标距离的回波，第二目标距离>100m；

f为收发透镜33的焦距，f>1mm。

目标位于第一目标距离内的近距离时，激光雷达从激光发射和遇到目标反射产生回波的间隔时间短，振镜在这个时间内周期性振动形成的角度小，所以振镜的滞后角较小，从而近距离的目标反射后的第一回波近似沿着激光发射光路的逆向光路进行返回，故大部分第一回波能被发射激光的第一波导结构3221接入，第一波导结构3221接收回波的效率高，且由于近距离目标反射回来的回波光强度满足探测器的能量阈值要求，从而提高了接收第一回波的效率，进而改善了第一目标距离内目标的测距性能，提高了对于第一目标距离内目标的探测能力。

目标位于第二目标距离内的远距离时，由于远距离目标离激光雷达的距离比近距离目标大，故远距离目标反射回来的第二回波的信号强度比第一目标距离内近距离目标反射回来的第一回波的信号强度低，故将用于接收第二目标距离内远距离目标反射的第二回波的收发透镜33的安装位置设置在对焦位置，远距离目标反射回来的回波成像距离为焦距以便增强第二回波的信号能量强度。同时，由于远距离目标距离激光雷达的距离大于第一目标距离，处于第二目标距离内，探测激光从输出到遇到远距离目标进行反射后返回的时间比近距离目标返回的时间相对较长，故扫描模块40中振镜周期性振动形成的滞后角角度较大，从而远距离的目标反射后的第二回波与激光发射的光路存在差异。经过具有滞后角振镜反射回来的第二回波经过收发透镜33后成像在第一波导结构3221的左侧或者右侧，收发透镜33的安装位置设置在对焦位置有利于第二回波被第二波导结构3222所接收，提高了第二回波的接收效率，提高了激光雷达对于第二目标距离内远距离目标的探测能力。

可选地，收发透镜33为多个收发透镜组，设置收发透镜33的透镜距离L＝f。优选地，设置第一目标距离≦100m，第二目标距离>100m，f>1mm；优选地，焦距f能设置为18mm、20mm、30mm、50mm、或100mm中任一种；优选地，平面光波导芯片322的宽度小于或者等于2mm，收发透镜33的直径小于或者等于20mm，具体参数设置不局限于上述范围，实际实施时根据激光雷达的探测要求来设置。

在一个实施例中，收发透镜33与平面光波导芯片322中至少一个收发波导结构进行匹配形成透镜收发视场。收发透镜与收发波导结构能形成单视场收发通道，也能形成多视场收发通道。例如，一个收发透镜与一个收发波导结构进行匹配构成单视场收发通道进而形成一个透镜收发视场，又例如，一个收发透镜或收发透镜组与多个收发波导结构进行匹配构成多视场收发通道进而形成一个透镜收发视场；再例如，一个收发透镜或收发透镜组与具有一个收发波导结构的平面光波导芯片进行匹配构成单视场收发通道进而形成一个透镜收发视场，再例如，一个收发透镜或收发透镜组与具有多个收发波导结构的平面光波导芯片进行匹配构成多视场收发通道进而形成一个透镜收发视场。

例如，单个收发透镜匹对m个收发波导视场，则n个收发透镜能形成n×m个收发视场通道，n×m个收发视场通道为n个透镜收发视场拼接而成，其中，m、n为正正整数，m≧1，n≧1。每个透镜收发视场包含的收发波导结构数量越多，则该透镜收发视场扫描区域的分辨率就越高，多个透镜收发视场进行组合，则在对任意感兴趣区域(Region Of Interest，ROI)进行扫描时根据分辨率的需求采用高分辨率、低分辨率加高低分辨率组合的方式进行扫描。

现有技术的激光雷达需要使用自由空间光环形器，但自由空间光环形器成本高，本申请实施例的激光雷达采用了光纤环形器和平面光波导模块，无需使用自由空间环形器，节省了激光雷达的成本。

由于多个拼接的光收发装置30中第一波导结构3221发射的激光是分别从各个角度传输至振镜的反射区域，形成大角度接收视场的拼接，大角度高密度的探测激光出射至目标后，也能大角度反射回来更多的回波信号，更多的回波信号经过处理后能获得更密集的点云探测信息，实现了对目标的高分辨率扫描。

由于采用了上述内容中任一项的光收发装置，从而提高了激光雷达的回波接收效率，有效的改善了激光雷达因探测光角度滞后效应造成部分回波信号丢失的问题，从而提高了激光雷达的测距性能，还提升了对于目标的探测分辨能力。

可选地，激光发射模块20包括激光器、光放大器、第一分束器和第二分束器，其中，激光器基于信号驱动模块10输出的驱动信号输出激光，第一分束器将激光进行分束，获得单路+M路本振光；放大器对单路激光进行放大；第二分束器将放大后的单路激光再次进行分束，获得N路激光，并将N路激光分别传输至各光收发装置30。在激光器输出激光就分束的M路激光作为本振光，有利于将M路本振光和回波进行混频时获得更准确的拍频频率，提高了激光雷达的探测准确度，由于采用多个光收发装置30，对激光器输出的激光放大后再分束到各光收发装置30，没有降低激光的输出功率，有利于保持测距范围的能力。

可选地，探测模块50的输入端与光收发装置30中第二波导结构3222的输出端耦合；探测模块50的输出端与信号处理模块60的输入端耦合，其中，探测模块50与光收发装置30中平面光波导芯片322耦合在一起，二者的耦合方式包括直接端面封装耦合、通过光纤耦合或者通过空间光耦合中至少一种，这样提升了激光雷达的集成度。

可选地，探测模块50设置有光电探测器和本振光输入光路，回波信号与本振光在光电探测器上做相干检测混频。光电探测器为感应各种波长的光电探测器，例如波长为905nm、1000nm或1550nm中至少一种波长的激光。

可选地，探测信息包括三维距离信息、速度信息、方位信息、形状信息及反射率信息中的至少一种信息。

本申请实施例与现有技术相比存在的有益效果是：

本申请实施例提供了一种激光雷达，通过光收发装置中第一波导结构和第二波导结构对于近距离的目标反射的第一回波和远距离的目标反射的第二回波分别进行接收，降低了具有不同距离的目标反射的回波存在不同滞后角造成回波接收效率低的影响，提高了激光雷达近距离目标反射的第一回波和远距离目标反射的第二回波的接收效率，进而提升了激光雷达的探测性能。

本申请实施例第二方面提供了一种激光雷达的探测方法，如图18所示，应用于如第一方面内容中任一项的激光雷达，探测方法包括：

S100，信号驱动模块10输出驱动信号。

S200，激光发射模块20接入驱动信号，根据驱动信号输出激光，将激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路激光和M路本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1。

S300，光收发装置30分别接入N路激光，并分别输出各路激光。

S400，扫描模块40接入各路激光，并将各路激光出射至目标进行扫描，扫描模块40还接收目标反射回来的回波，再输出回波。

S500，光收发装置30还接入回波，光收发装置30的第一波导结构3221分别接入回波中的第一回波并输出所述第一回波，光收发装置30的第二波导结构3222接入回波中的的第二回波并输出第二回波，第一回波为第一目标距离内目标反射回来的回波，第二回波为第二目标距离内目标反射回来的回波，其中，第一目标距离小于第二目标距离。

S600，探测模块50具有M个探测单元，每个探测单元接入M路中的一路激光，探测单元还接入光收发装置30输出的第一回波和第二回波，并将第一回波和第二回波分别与接入的一路本振光进行混频获得对应的拍频电信号。

S700，信号处理模块60接入各拍频电信号并进行处理获得目标的探测信息。

可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置或模块，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置或模块实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，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：

信号驱动模块，用于输出驱动信号；

激光发射模块，用于接入所述驱动信号，根据所述驱动信号输出激光，将所述激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路所述激光和M路所述本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1；

光收发装置，用于分别接入N路所述激光，并输出各路所述激光；

扫描模块，用于接入各路所述激光，并将各路所述激光出射至目标以进行扫描，所述扫描模块还用于接收所述目标反射回来的回波，再输出所述回波；

所述光收发装置，还用于接入所述回波，所述光收发装置的第一波导结构接入所述回波中的第一回波并输出所述第一回波，所述光收发装置的第二波导结构接入所述回波中的第二回波并输出所述第二回波，所述第一回波为第一目标距离内所述目标反射回来的回波，所述第二回波为第二目标距离内所述目标反射回来的回波，其中，所述第一目标距离小于所述第二目标距离；

探测模块，具有M个探测单元，每个所述探测单元接入M路中的一路所述本振光，所述探测单元还用于接入所述光收发装置输出的所述第一回波和所述第二回波，并将所述第一回波和所述第二回波与接入的一路所述本振光进行混频获得对应的拍频电信号；

信号处理模块，用于接入各所述拍频电信号并进行处理获得所述目标的探测信息。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述光收发装置包括：

光纤环形器，与所述激光发射模块连接，所述光纤环形器的第一端作为所述光收发装置的接入端接入N路中的一路所述激光，所述光纤环形器的第二端输出所述激光，所述光纤环形器的第二端还用于接入所述第一回波，所述光纤环形器的第三端输出所述第一回波；

平面光波导模块，与所述光纤环形器连接，所述平面光波导模块的第一输入输出端接入所述光纤环形器的第二端输出的所述激光，所述平面光波导模块的第二输入输出端输出所述激光，所述平面光波导模块的第二输入输出端的所述第一波导结构接入所述第一回波并将所述第一回波传输至所述光纤环形器的第二端，所述平面光波导模块的第二输入输出端的所述第二波导结构接入所述第二回波并将所述第二回波传输至所述探测模块；

收发透镜，与所述平面光波导模块连接，接入对应的所述平面光波导模块的第二输入输出端输出的所述激光，并将所述激光传输至所述扫描模块，所述收发透镜还用于接入所述回波，并将所述回波传输给所述平面光波导模块的第二输入输出端。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述平面光波导模块，包括：

衬底；

设置于所述衬底上表面的平面光波导芯片，所述平面光波导芯片包括至少一个收发波导结构，所述收发波导结构包括所述第一波导结构和至少两个所述第二波导结构，所述第一波导结构的两侧均设有所述第二波导结构，其中，所述第一波导结构用于接入所述光纤环形器的第二端输出的所述激光并发射所述激光，所述第一波导结构还用于接收所述第一回波并输出所述第一回波至所述光纤环形器的第二端，所述第二波导结构用于接收所述第二回波并输出所述第二回波至所述探测模块。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，

所述第一波导结构和所述第二波导结构为单模波导结构、多模转单模波导结构、大模转单模波导结构以及少模转单模波导结构中的任一种波导结构。

5.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，

同一所述收发波导结构中，至少一个所述第二波导结构相对于所述第一波导结构存在预设倾角。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，

所述预设倾角≦0.1度。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的激光雷达，其特征在于，

所述第一波导结构的发射端与邻近的所述第二波导结构的输入端之间的间距为K，其中，0.1×W≦K≦0.2×W，W为所述第一波导结构或所述第二波导结构中单模波导结构的波导宽度。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，

所述平面光波导芯片包括多个所述收发波导结构，多个所述收发波导结构为阵列式布局。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，

阵列式布局的各所述收发波导结构按周期排列，其中，相邻所述收发波导结构之间的间距大于或者等于所述单模波导结构的波导宽度的二分之一。

10.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，

所述收发透镜设置于对应的所述平面光波导模块中的所述第一波导结构的发射端。

11.一种激光雷达的探测方法，其特征在于，应用于如权利要求1至10中任一项所述的激光雷达，所述探测方法包括：

信号驱动模块输出驱动信号；

激光发射模块接入所述驱动信号，根据所述驱动信号输出激光，将所述激光进行分束，获得N路激光和M路本振光，并分别输出N路所述激光和M路所述本振光，其中，M、N都是正整数，N≧1，M≧1；

光收发装置分别接入N路所述激光，并分别输出各路所述激光；

扫描模块接入各路所述激光，并将各路所述激光出射至目标进行扫描，所述扫描模块还接收所述目标反射回来的回波，再输出所述回波；

所述光收发装置还接入所述回波，所述光收发装置的第一波导结构接入所述回波中的第一回波并输出所述第一回波，所述光收发装置的第二波导结构接入所述回波中的的第二回波并输出所述第二回波，所述第一回波为第一目标距离内所述目标反射回来的回波，所述第二回波为第二目标距离内所述目标反射回来的回波，其中，所述第一目标距离小于所述第二目标距离；

探测模块具有M个探测单元，每个所述探测单元接入M路中的一路所述激光，所述探测单元还接入所述光收发装置输出的所述第一回波和所述第二回波，并将所述第一回波和所述第二回波分别与接入的一路所述本振光进行混频获得对应的拍频电信号；

信号处理模块接入各所述拍频电信号并进行处理获得所述目标的探测信息。