CN117214870A - 一种用于激光雷达的光源系统、激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及激光雷达技术领域，公开了一种用于激光雷达的光源系统、激光雷达，包括：泵源，种子源，脉冲发生器，主控制器；泵源的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于泵源激励种子源出光的电流阈值；主控制器，用于针对多面转镜的转动位置，控制脉冲发生器产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源，同时控制泵源的电流切换相应档位，当发射光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源的电流切换为超低档位。这样针对多面转镜在转动的过程中控制泵源电流的不同档位切换，当种子源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源的电流切换为超低档位，使得激光光源不出光，能够改善转镜棱边处的杂光，减弱杂光带来的负面影响，同时节省电功耗。

Description

一种用于激光雷达的光源系统、激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种用于激光雷达的光源系统、激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种目标探测技术，通过激光器发出激光光束，激光光束遇到目标物体后发生漫反射，通过反射回的光束，并根据发射的光束和反射回的光束确定目标物体的特征量。用于激光雷达的光源系统的性能对激光雷达测量精度、测量距离等有很大影响。其中，多面高速转镜为用于激光雷达的光源系统中的关键部件。但是，当发射光斑入射到多面高速转镜棱边处，会带来不必要的杂光，干扰对真实物体的探测，也是转镜式雷达的通病。

因此，如何解决上述不必要的杂光问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于激光雷达的光源系统、激光雷达，可以减弱杂光，节省功耗。其具体方案如下：

一种用于激光雷达的光源系统，包括：泵源，种子源，脉冲发生器，分别与所述泵源和所述脉冲发生器电性连接的主控制器；

所述泵源的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于所述泵源激励所述种子源出光的电流阈值；

所述主控制器，用于针对激光雷达中多面转镜的转动位置，控制所述脉冲发生器产生相应脉宽的脉冲信号并驱动所述种子源，同时控制所述泵源的电流切换相应档位，当激光光源发射的光斑接近所述多面转镜的棱边处时，控制所述泵源的电流切换为所述超低档位。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，所述种子源内设置有感热元件；

所述光源系统还包括：分别与所述主控制器和所述感热元件电性连接的所述温控驱动电路；

所述主控制器，还用于接收所述感热元件的温度检测结果，根据所述温度检测结果控制所述温控驱动电路对所述种子源进行温度调节。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，还包括：分别与所述主控制器和所述泵源电性连接的驱动芯片；

所述驱动芯片，用于在所述主控制器的控制下驱动所述泵源，并接收所述泵源反馈的电压和电流，控制所述泵源的电流稳定输出。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，所述驱动芯片为DCDC芯片。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，还包括：脉冲光纤放大器；

所述脉冲光纤放大器包括在所述脉冲发生器与所述泵源之间设置的增益光纤；所述增益光纤包括高增益光纤和低增益光纤。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，所述脉冲光纤放大器还包括位于高增益光纤和低增益光纤远离所述脉冲发生器一侧的合束器。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，当所述脉冲光纤放大器为正向放大时，所述高增益光纤位于所述脉冲发生器与所述低增益光纤之间；所述低增益光纤与所述泵源均连接在所述合束器的一端。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，当所述脉冲光纤放大器为反向放大时，所述低增益光纤位于所述脉冲发生器与所述高增益光纤之间；所述高增益光纤连接在所述合束器的一端，所述泵源连接在所述合束器的另一端。

优选地，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，所述脉冲光纤放大器还包括位于所述脉冲发生器和所述增益光纤之间的第一隔离器，以及位于所述合束器远离所述脉冲发生器一侧的第二隔离器。

本发明实施例还提供了一种激光雷达，包括本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统和多面转镜。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种用于激光雷达的光源系统，包括：泵源，种子源，脉冲发生器，分别与泵源和脉冲发生器电性连接的主控制器；泵源的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于泵源激励种子源出光的电流阈值；主控制器，用于针对激光雷达中多面转镜的转动位置，控制脉冲发生器产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源，同时控制泵源的电流切换相应档位，当激光光源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源的电流切换为超低档位。

本发明提供的上述用于激光雷达的光源系统，从控制脉冲发生器和泵源的角度出发，通过主控制器的作用，针对多面转镜的不同扫描方位，控制脉冲发生器产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源，同时控制泵源电流的不同档位切换，达到激光功率的灵活配置，当激光光源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源的电流切换为超低档位，此时泵源电流低于泵源激励种子源出光的电流阈值，使得激光光源不出光，没有光斑正对多面转镜的棱边处，解决了转镜棱边处的杂光问题，能够改善转镜棱边处的杂光，减弱杂光带来的负面影响，同时节省电功耗，达到功耗与效用的最佳平衡。

此外，本发明还针对用于激光雷达的光源系统提供了相应的激光雷达，进一步使得上述光源系统更具有实用性，该激光雷达具有相应的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于激光雷达的光源系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的六面转镜的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的六面转镜在转动的过程中泵源的档位选择的示意图；

图4为本发明实施例提供的脉冲发生器、LD、温控驱动电路和主控制器之间的连接示意图；

图5为本发明实施例提供的泵源、驱动芯片和主控制器之间的连接示意图；

图6为本发明实施例提供的当脉冲光纤放大器为正向放大时，脉冲光纤放大器、脉冲发生器与泵源之间的连接示意图；

图7为本发明实施例提供的当脉冲光纤放大器为反向放大时，脉冲光纤放大器、脉冲发生器与泵源之间的连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种用于激光雷达的光源系统，如图1所示，包括：泵源1，种子源2，脉冲发生器3，分别与泵源1和脉冲发生器3电性连接的主控制器4；

泵源1的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于泵源1激励种子源2出光的电流阈值；

主控制器4，用于针对激光雷达中多面转镜的转动位置，控制脉冲发生器3产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源2，同时控制泵源1的电流切换相应档位，当激光光源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源1的电流切换为超低档位。

需要说明的是，本发明的多面转镜可以为二面转镜、三面转镜、四面转镜、五面转镜、六面转镜等。本发明的脉冲发生器产生的脉冲信号与多面转镜旋转的角度有着一定的对应关系。较佳地，本发明可以依据多面转镜每分钟的转速，通过脉冲发生器产生的脉冲信号的发光间隔，来控制多面转镜旋转的角度。

图2示出了六面转镜的结构示意图，其中，阴影部分区域(即六面转镜的棱边处)对应于泵源1的超低档位t2～t3，图2中A表示超低档位t2，B表示超低档位t3，在A与B之间泵源1的电流低于泵源1激励种子源2出光的电流阈值，该电流阈值指的是种子源2被泵源1激励的最小电流值，即泵源1为超低档位时，种子源2未被泵源激励，因此此时激光光源不出光。

图3示出了六面转镜在转动的过程中泵源的档位选择的示意图。较佳地，面对多面转镜的不同扫描方位，主控制器4可以控制泵源1电流的不同档位切换，分为高-中-超低三档。一方面，高档和中档切换可以实现激光雷达探测感兴趣区域的细节，如图3所示：t0～t1是中档，t1～t2是高档，当泵源1的档位为中档或高档时，种子源2会被泵源1激励，在多面转镜上会有相应的光斑。另一方面，在多面转镜棱边处，超低档位t2～t3有一定的占空比，如图3所示：t2～t3是超低档，当泵源1的档位为超低档时，种子源2未被泵源1激励，激光光源不出光，在多面转镜上不会出现光斑，不仅可以减弱杂光带来的负面影响，而且也节省了电功耗。

实际应用中，超低挡对应的电流范围可以设置为0A～0.5A，中档对应的电流范围可以设置为1A～2A，高档对应的电流范围可以设置为3A～4A。

在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，从控制脉冲发生器3和泵源1的角度出发，通过主控制器4的作用，针对多面转镜的不同扫描方位，控制脉冲发生器3产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源2，同时控制泵源1电流的不同档位切换，达到激光功率的灵活配置，提高感兴趣区域的激光功率，降低不感兴趣区域的激光功率，当激光光源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源1的电流切换为超低档位，此时泵源1电流低于泵源1激励种子源2出光的电流阈值，使得激光光源不出光，没有光斑正对多面转镜的棱边处，解决了转镜棱边处的杂光问题，能够改善转镜棱边处的杂光，减弱杂光带来的负面影响，同时节省电功耗，达到功耗与效用的最佳平衡。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，由于激光雷达过高的功耗会带来散热困难问题，为了降低激光雷达各部件的功耗，种子源2(如激光二极管Laser diode，LD)内可以设置有感热元件，光源系统还可以包括：分别与主控制器4和感热元件电性连接的温控驱动电路；

主控制器4，还用于接收感热元件的温度检测结果，根据温度检测结果控制温控驱动电路对种子源2进行温度调节。

较佳地，脉冲发生器3产生的是电调制的脉冲信号，重频可调，脉宽可调，波长在1520nm～1570nm可调。

图4示出了脉冲发生器、LD、温控驱动电路和主控制器之间的连接示意图，构成了本发明的脉冲信号光的精准温控电路。本发明采用该精准温控电路，在恶劣环境中，比如高低温、高温高湿等环境，用于激光雷达的光源系统的波长不会受到影响，并且采用主动控温方式，对激光发射波长进行锁定。如图4所示，脉冲发生器接收外部触发信号将产生脉宽可由主控制器4设置的窄脉冲信号，该信号用于驱动LD；LD内部有感热元件，感热元件参数会随温度的变化而变化，一般来说，温度升高1℃，LD的波长增加0.3nm，该温度变化信息通过温度检测电路反馈至主控制器4，主控制器4可以根据LD的温度检测结果调节温控驱动电路，以对LD感热元件进行升温降温控制，达到LD温度闭环反馈控制，从而实现对波长的精准控制。

需要指出的是，本发明的光源系统结合多面转镜扫描特征和激光雷达的应用场景需求，可以从系统控制泵源电流和优化激光光源内部光路两个角度出发，一方面是通过泵源电流的多档位调节，减弱多面转镜棱边处的杂光，同时减小激光光源的电功耗；另一方面是通过主动控制LD的波长稳定性，使雷达适应更宽的工作温度(如-40℃～85℃)，最后优化激光内部光路结构，提高光转换效率，从而节省电功耗。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，还可以包括：分别与主控制器4和泵源1电性连接的驱动芯片；

驱动芯片，用于在主控制器4的控制下驱动泵源1，并接收泵源1反馈的电压和电流，控制泵源1的电流稳定输出。

较佳地，驱动芯片可以为直流变换器(DC-to-DC converter，DCDC)芯片，可以提高电压变换时候的效率。

图5示出了泵源、驱动芯片和主控制器之间的连接示意图。如图5所示，泵源1驱动采用高集成度可输出低电压的DCDC芯片作为电源控制器，并通过泵源1的电压反馈和电流反馈的双闭环控制，实现对泵源1电流的稳定控制，进一步快速切换泵源1电流的相应档位。反馈网络通过零、极点补偿设计，实现该闭环系统的稳定性、和较快电流切换速度的要求，达到稳定输出电流目的。其中，电流切换功能直接受主控制器4外部中断响应实现对电流切换的快速响应要求。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，还可以包括：脉冲光纤放大器；

脉冲光纤放大器包括在脉冲发生器4与泵源1之间设置的增益光纤；增益光纤包括高增益光纤5和低增益光纤6。也就是说，增益光纤设置在脉冲信号的传输光路上，脉冲信号可以通过增益光纤进行传输，泵源1产生的泵浦光注入增益光纤后可对脉冲信号进行放大处理。

较佳地，高增益光纤5可以为掺铒光纤或者铒镱共掺光纤，吸收系数＞adB，a一般为60db以上。低增益光纤6可以为掺铒光纤或者铒镱共掺光纤，1/2dB>吸收系数＞1/3dB；增益光纤芯径和数值孔径相近。

需要说明的是，从激光器光路的角度出发，泵浦光注入到有源光纤中，会提取大量的稀土离子，运送到上能级，形成粒子数反转，这一过程并非线性的，当脉冲信号光经过时，上能级粒子数被快速消耗，由于信号光较弱，吸收能力有限，光放大的前期需要的粒子数大于后期，因此，本发明采用了高-低增益光纤混合使用，提高种子光对反转粒子数的利用，提高光的转换效率。高增益光纤，为了快速积累反转粒子数，以及种子光上升沿快速消耗匹配，由于脉冲光上升沿消耗了过多的粒子数，脉冲后沿所能利用的剩余粒子数减小，对于后沿来说，过长的高增益光纤，对光放大贡献很小，吸收不了光，反倒引入了放大自发辐射(Amplified Spontaneous Emission，ASE)或者被增益光纤重吸收，低增益光纤的吸收效率较低，可匹配脉冲后沿放大，这样混合使用高增益光纤和低增益光纤，成本低，无需光栅，操作简单，放大效率提高。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，如图6和图7所示，脉冲光纤放大器还可以包括位于高增益光纤5和低增益光纤6远离脉冲发生器4一侧的合束器7。该合束器7可以为(1+1)*1结构，将泵浦光和脉冲信号光耦合进增益光纤中。在实际应用中，也可使用波分复用器(Wavelength Division Multiplexing，WDM)替代合束器7。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，如图6所示，当脉冲光纤放大器为正向放大时，高增益光纤5可以位于脉冲发生器4与低增益光纤6之间；低增益光纤6与泵源1均可以连接在合束器7的一端。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，如图7所示，当脉冲光纤放大器为反向放大时，低增益光纤6可以位于脉冲发生器4与高增益光纤5之间；高增益光纤5可以连接在合束器7的一端，泵源1可以连接在合束器7的另一端。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统中，如图6和图7所示，脉冲光纤放大器还可以包括位于脉冲发生器4和增益光纤之间的第一隔离器8，以及位于合束器远离脉冲发生器一侧的第二隔离器9。第一隔离器8可以用于保护脉冲信号光，防止其被反向放大光干扰。而第二隔离器9可以使放大光正向传输，反向不透过。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种激光雷达，包括本发明实施例提供的上述用于激光雷达的光源系统和多面转镜。由于该激光雷达解决问题的原理与前述一种用于激光雷达的光源系统相似，因此该激光雷达的实施可以参见用于激光雷达的光源系统的实施，重复之处不再赘述。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

综上，本发明实施例提供的一种用于激光雷达的光源系统，包括：泵源1，种子源2，脉冲发生器3，分别与泵源1和脉冲发生器3电性连接的主控制器4；泵源1的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于泵源1激励种子源出光的电流阈值；主控制器4，用于针对多面转镜的转动位置，控制脉冲发生器3产生相应脉宽的脉冲信号并驱动种子源2，同时控制泵源1的电流切换相应档位，当激光光源发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源1的电流切换为超低档位。上述用于激光雷达的光源系统，通过主控制器4的作用，针对多面转镜在转动的过程中，控制泵源1电流的不同档位切换，达到激光功率的灵活配置，当种子源2发射的光斑接近多面转镜的棱边处时，控制泵源1的电流切换为超低档位，此时泵源1电流低于激励种子源出光的电流阈值，使得激光光源不出光，没有光斑正对多面转镜的棱边处，解决了转镜棱边处的杂光问题，能够改善转镜棱边处的杂光，减弱杂光带来的负面影响，同时节省电功耗，达到功耗与效用的最佳平衡。此外，本发明还针对用于激光雷达的光源系统提供了相应的激光雷达，进一步使得上述光源系统更具有实用性，该激光雷达具有相应的优点。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的用于激光雷达的光源系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于激光雷达的光源系统，其特征在于，包括：泵源，种子源，脉冲发生器，分别与所述泵源和所述脉冲发生器电性连接的主控制器；

所述泵源的电流具有不同档位，其中超低档位对应的电流低于所述泵源激励所述种子源出光的电流阈值；

所述主控制器，用于针对激光雷达中多面转镜的转动位置，控制所述脉冲发生器产生相应脉宽的脉冲信号并驱动所述种子源，同时控制所述泵源的电流切换相应档位，当激光光源发射的光斑接近所述多面转镜的棱边处时，控制所述泵源的电流切换为所述超低档位。

2.根据权利要求1所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，所述种子源内设置有感热元件；

所述光源系统还包括：分别与所述主控制器和所述感热元件电性连接的所述温控驱动电路；

所述主控制器，还用于接收所述感热元件的温度检测结果，根据所述温度检测结果控制所述温控驱动电路对所述种子源进行温度调节。

3.根据权利要求2所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，还包括：分别与所述主控制器和所述泵源电性连接的驱动芯片；

所述驱动芯片，用于在所述主控制器的控制下驱动所述泵源，并接收所述泵源反馈的电压和电流，控制所述泵源的电流稳定输出。

4.根据权利要求3所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，所述驱动芯片为DCDC芯片。

5.根据权利要求1所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，还包括：脉冲光纤放大器；

所述脉冲光纤放大器包括在所述脉冲发生器与所述泵源之间设置的增益光纤；所述增益光纤包括高增益光纤和低增益光纤。

6.根据权利要求5所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，所述脉冲光纤放大器还包括位于高增益光纤和低增益光纤远离所述脉冲发生器一侧的合束器。

7.根据权利要求6所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，当所述脉冲光纤放大器为正向放大时，所述高增益光纤位于所述脉冲发生器与所述低增益光纤之间；所述低增益光纤与所述泵源均连接在所述合束器的一端。

8.根据权利要求7所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，当所述脉冲光纤放大器为反向放大时，所述低增益光纤位于所述脉冲发生器与所述高增益光纤之间；所述高增益光纤连接在所述合束器的一端，所述泵源连接在所述合束器的另一端。

9.根据权利要求8所述的用于激光雷达的光源系统，其特征在于，所述脉冲光纤放大器还包括位于所述脉冲发生器和所述增益光纤之间的第一隔离器，以及位于所述合束器远离所述脉冲发生器一侧的第二隔离器。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的用于激光雷达的光源系统和多面转镜。