CN118259257A - 激光雷达设备和车辆 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种激光雷达设备和车辆。激光雷达设备包括探测光束生成模块、色散光学元件、发射透镜组、接收光学模块和光电探测器。探测光束生成模块被配置为生成具有不同中心波长的激光探测光束。色散光学元件被配置为在一定中心波长范围内使在相同位置入射的具有不同中心波长的激光探测光束在第一方向上的相应不同位置发射。发射透镜组被配置为接收通过色散光学元件发射的激光探测光束以及对所接收的激光探测光束进行第一方向上的扩束和准直后朝发射视场发射。接收光学模块被配置为接收来自接收视场的与激光探测光束相关联的回波光束。光电探测器被配置为检测回波光束以输出探测电信号。

Description

激光雷达设备和车辆

技术领域

本公开涉及激光领域，更具体地涉及激光雷达设备，特别是具有光束扫描功能的激光雷达设备以及包括该激光雷达设备的车辆。

背景技术

激光雷达(LiDAR)设备通过向目标物体发射激光光束并接收从目标反射的光束来探测目标的距离、速度、表面反射率和/或方位等信息。若改变激光光束出射的角度，则能够对视场中不同位置的目标进行探测，此时激光雷达设备具有视场扫描功能。通过设计不同的扫描模组来实现激光光束的偏转，激光雷达设备可以对视场进行一维(1D)或二维(2D)扫描，相应的探测数据被称为线阵或面阵点云。

目前常见的扫描模组实现方式包括机械式扫描模组(譬如转镜、振镜等)、半固态式扫描模组(例如微电机系统(MEMS)振镜)、固态式扫描模组(例如光学相控阵(OPA))。转镜或振镜等机械式扫描模组可以实现1D或2D扫描，但其体积较大、机械结构复杂、难以集成，而且扫描角度(特别是垂直视场角)较小。例如，目前一些商用的纯机械扫描式激光雷达的垂直视场角仅为20°至30°。MEMS振镜受限于光学口径，其视场角仍然有限，若要实现较大视场角，需要进行拼接，算法较为复杂。OPA尺寸小、易于集成，但对制造工艺要求高，而且具有较高的旁瓣和栅瓣，会干扰测量准确度。

因此，希望一种结构简单、易于集成且利用简单的控制就能实现大角度扫描视场的激光雷达设备。

发明内容

本公开提供了一种激光雷达设备。激光雷达设备包括探测光束生成模块、色散光学元件、发射透镜组、接收光学模块和光电探测器。探测光束生成模块被配置为生成具有不同中心波长的激光探测光束。色散光学元件被配置为在一定中心波长范围内使在相同位置入射的具有不同中心波长的激光探测光束在第一方向上的相应不同位置发射。发射透镜组被配置为接收通过色散光学元件发射的激光探测光束以及对所接收的激光探测光束进行第一方向上的扩束和准直后朝发射视场发射。接收光学模块被配置为接收来自接收视场的与激光探测光束相关联的回波光束。光电探测器被配置为检测回波光束以输出探测电信号。

在一些实施例中，发射视场在第一方向上的视场角大小与在一定波长范围内的不同中心波长的最大波长差以及发射透镜组的扩束倍率成正比。

在一些实施例中，探测光束生成模块被配置为生成同时具有不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，探测光束生成模块包括激光器阵列和光学耦合器。激光器阵列中的激光器各自生成具有相应不同中心波长的激光光束。光学耦合器被配置为耦合激光器阵列的各个激光器生成的激光光束以生成具有不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，探测光束生成模块包括光频梳发生器。

在一些实施例中，探测光束生成模块被配置为生成在至少两个不同时间具有相应两个不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，探测光束生成模块包括激光器阵列和光开关阵列。激光器阵列中的激光器各自生成具有相应不同中心波长的激光光束。光开关阵列被配置为允许相应不同中心波长的激光光束在不同时间被输出作为具有不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，探测光束生成模块包括可调谐激光器。

在一些实施例中，激光探测光束包括调频连续波。

在一些实施例中，探测光束生成模块包括激光器和电光调制器。激光器被配置为输出具有不同中心波长的连续波激光光束。电光调制器被配置为用调频电信号调制连续波激光光束以输出调制光信号作为具有不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，激光器包括可调谐激光器。探测光束生成模块进一步包括波长感测模块和可调谐光学滤波器。波长感测模块光学耦合到可调谐激光器，并且被配置为接收连续波激光光束的一部分并输出指示连续波激光光束的中心波长的感测电信号。可调谐光学滤波器光学耦合到可调谐激光器。可调谐光学滤波器的通带具有基于感测电信号而设置的与连续波激光光束的中心波长匹配的中心波长。可调谐光学滤波器被配置为对连续波激光光束的另一部分进行光学滤波以输出经滤波的激光光束。电光调制器被配置为用调频电信号调制经滤波的激光光束以输出调制光信号作为具有不同中心波长的激光探测光束。

在一些实施例中，波长感测模块包括第一光学插分型环形谐振腔，感测电信号包括第一光学插分型环形谐振腔的直通端口和分出端口的光功率比值的均方根，并且光学滤波器包括第二光学插分型环形谐振腔。

在一些实施例中，色散光学元件包括阵列波导光栅、衍射光栅和亚波长光栅中的任何一种或多种。

在一些实施例中，发射透镜组包括在色散光学元件侧的第一透镜和在发射视场侧的第二透镜，第一透镜具有负光焦度，第二透镜具有正光焦度。

在一些实施例中，发射视场包括感兴趣区域，在感兴趣区域内激光探测光束进行扫描的角度分辨率高于在发射视场内在感兴趣区域外激光探测光束进行扫描的角度分辨率。

在一些实施例中，感兴趣区域通过以下方式中的至少一者来设置：调整不同中心波长之间的波长间距；或调整发射透镜组的参数。

在一些实施例中，接收光学模块包括透射反射组件。透射反射组件设置在发射透镜组与发射视场之间的光路上。透射反射组件被配置为允许来自发射透镜组的光束透射通过，以及将回波光束反射至光电探测器。

在一些实施例中，透射反射组件包括以下中的至少一者：中心具有开孔的反射镜，开孔位于发射透镜组的焦点处；半透半反镜；或偏振分束器。

在一些实施例中，激光雷达设备还包括可偏转反射镜。可偏转反射镜被配置为将来自发射透镜组的同一光束通过不同偏转朝发射视场中第二方向上的不同位置发射，其中第一方向与第二方向不同。

在一些实施例中，接收光学模块包括可偏转反射镜和透射反射组件。可偏转反射镜还被配置为将来自接收视场中第二方向上的不同位置的与激光探测光束相关联的回波光束引导至接收光学模块的透射反射组件。透射反射组件设置在发射透镜组与可偏转反射镜之间的光路上。透射反射组件被配置为允许来自发射透镜组的光束透射至可偏转反射镜，以及将来自可偏转反射镜的回波光束反射至光电探测器。

本公开的另一方面提供了一种车辆。车辆包括根据上文所述的激光雷达设备、机动系统以及车辆控制器。车辆控制器通信耦接到激光雷达设备和机动系统。车辆控制器被配置为根据激光雷达设备的探测结果调整机动系统的操作。

附图说明

下面结合具体的实施例，并参照附图，对本公开的上述和其它目的和优点做进一步的描述。在附图中，相同的或对应的技术特征或部件将采用相同或对应的附图标记来表示。

图1示出根据本公开的实施例的激光雷达设备的组成示意图；

图2示出根据本公开一些实施例的探测光束生成模块的组成示意图；

图3示出根据本公开一些实施例的用于生成调频连续波的探测光束生成模块的组成示意图；

图4示出根据本公开一些实施例的用于生成调频连续波的探测光束生成模块的组成示意图；

图5示出根据本公开的实施例的用于实现图4的波长感测模块的结构示意图；

图6示出根据本公开的实施例的用于实现图4的光学滤波器的结构示意图；

图7示出根据本公开的实施例光学滤波器对中心波长动态变化的激光光束进行滤波的工作原理示意图；

图8A和图8B示出了根据本公开的实施例使用发射透镜组来进一步扩大发射视场的示意图；

图9示出根据本公开的实施例的具有同轴收发系统的激光雷达设备的工作原理示意图；

图10示出根据本公开的实施例的用于实现激光雷达设备的2D扫描视场的原理示意图；

图11示出根据本公开的实施例的激光雷达设备进行2D扫描的发射视场示意图；

图12示出根据本公开的实施例的具有同轴收发系统的激光雷达设备的工作原理示意图；以及

图13示出根据本公开的实施例的集成了激光雷达设备的车辆的组成示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。在以下描述中使用的词语和短语仅用于能够清楚一致地理解本公开。另外，为了清楚和简洁起见，可能省略了对公知的结构、功能和配置的描述。

为了实现结构简单、易于集成且利用简单的控制就能实现大角度扫描视场的激光雷达设备，本公开的实施例提出基于波长色散原理来实现对目标的1D扫描，并结合扩束透镜来进一步扩大扫描角度范围。具体来说，本公开的实施例使用色散光学元件来将具有不同中心波长的激光探测光束在空间上不同位置分散开，然后使用发射透镜组将激光探测光束在空间上的分散效果进一步放大，从而能够获得较大的发射视场角度。

图1示出了根据本公开的实施例的激光雷达设备100的结构示意图。激光雷达设备100包括探测光束生成模块102、色散光学元件104、发射透镜组106、接收光学模块108以及光电探测器108。探测光束生成模块102生成具有不同中心波长的激光探测光束101。不同中心波长的激光探测光束101可以是同时产生的，也可以是不同时间产生的。该具有不同中心波长的激光探测光束101在色散光学元件104的相同位置入射，在一定波长范围内经过波长色散效应在色散光学元件104的出射端面上在第一方向上的相应不同位置发射。如图1所示，具有第一中心波长的激光探测光束在第一位置作为光束103出射，而具有第二中心波长的激光探测光束在第二位置作为光束103’出射。同样，光束103和103’可以是同时存在，也可以是不同时间存在。第一位置和第二位置按照发射视场120相对于地平面的竖直方向(V)排列，即第一方向为竖直方向。由此，不同中心波长的激光光束在竖直方向上被分散开。然后，经过波长色散的光束被输入到发射透镜组106，在那里经受扩束和准直后在竖直方向上被进一步分散开，如激光光束105和105’所示。激光光束105和105’遇到目标对象后各自反射/散射形成回波光束107和107’。即，回波光束107和107’分别与激光光束105和105’相关联，体现在回波光束107主要是由激光光束105在视场中的对象上发生反射/散射后返回的光，而回波光束107’主要是由激光光束105’在视场中的对象上发生反射/散射后返回的光。在一些情况下，回波光束107和107’还会包括环境光或来自其它设备的干扰光。回波光束107和107’被接收光学模块108接收，然后被提供给光电探测器110以输出探测电信号。探测电信号可以直接或者经处理电路(图中未示出)处理后指示目标对象的距离、速度、表面反射率和/或方位等信息。

需认识到，尽管图1中仅示出了具有两个不同中心波长的激光探测光束105和105’，但根据本公开的实施例，探测光束生成模块102生成的激光探测光束可以具有多于两个不同的中心波长。此外，图1中色散光学元件使激光探测光束在竖直方向上分开(即第一方向为竖直方向)，这相对于一些现有激光雷达设备是有益的，因为现有激光雷达设备往往在竖直方向的视场角较小。但在其它实施例中，第一方向可以为水平方向或者任何其它倾斜方向。

根据本公开的实施例的激光雷达设备100可以通过改变激光探测光束的中心波长来实现对第一方向的扫描。激光探测光束的中心波长决定了对应的光束扫描位置/角度。不同中心波长能够被改变的范围决定了第一方向光束扫描的最大角度范围，不同中心波长能够被改变的精度决定了第一方向光束扫描的精度。例如，随着中心波长在最小波长和最大波长之间变化，激光雷达设备向外发射的光束就在分别与最小波长和最大波长对应的两个极限位置/角度之间相应变化。相比传统的机械式扫描，使用根据本公开的激光雷达设备系统结构简单，能够利用简单的控制实现较大的扫描范围，还能够减少活动器件的使用，使系统实现更高的固态化和集成度，以提高稳定性和可靠性，满足车规级要求。

在一些实施例中，探测光束生成模块102可以生成同时具有不同中心波长的激光探测光束。此时，激光探测光束同时包括多个处于不同中心波长的光分量。作为非限制性的示例，可以使用图2的探测光束生成模块200来实现探测光束生成模块102。探测光束生成模块200包括激光器阵列和耦合器205。该激光器阵列中的多个激光器201-204分别输出不同中心波长(λ₁,λ₂,λ₃,λ₄)的激光光束。耦合器205将这不同中心波长的激光光束耦合在一起，由此得到图1中的激光探测光束101。尽管图2中示出了4个激光器，但本发明的实施例不限于此，而是可以使用两个或以上的任意数量的激光器。为了便于集成以及提高不同中心波长的数量，激光器阵列可以使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)的阵列来实现。但在其它实施例中，激光器阵列也可以使用其它固态激光器(诸如边发射激光器(EEL)、外腔半导体激光器(ECDL))、激光器二极管或光纤激光器来实现或者利用这些激光器自身的或者这些激光器与VCSEL的任何组合来实现。激光器201-204的工作波长可以是650nm至1150nm、800nm至1000nm、850nm至950nm或者1300nm至1650nm。

作为另一非限制性的示例，探测光束生成模块102可以包括光频梳发生器。光频梳发生器产生的光频梳信号被用作激光探测光束101。光频梳在光谱上包括一系列具有均匀频率间距且相互之间具有稳定相位关系的光分量。光频梳可以使用锁模激光器或非线性光波导器件来产生。

在一些实施例中，探测光束生成模块102可以生成在至少两个不同时间具有相应两个不同中心波长的激光探测光束。即，激光探测光束可以在第一时间具有第一中心波长，而在第二时间具有不同的第二中心波长。或者，激光探测光束可以随时间变化具有更多不同的中心波长。作为非限制性的示例，探测光束生成模块102可以包括激光器阵列和光开关阵列。激光器阵列中的多个激光器分别输出不同中心波长的激光光束。光开关阵列耦接到激光器阵列，并且可以根据控制信号允许不同中心波长的激光光束在相应不同时间被输出。作为另一非限制性的示例，探测光束生成模块102可以包括波长可调谐激光器(简称为“可调谐激光器”)。可调谐激光器可以通过改变激光器腔长、泵浦电流大小和/或增益介质的折射率来改变输出激光光束的中心波长。与激光器阵列结合光开关阵列的实现方式相比，可调谐激光器在控制上更简单，也更易于集成。可调谐激光器的波长可调谐范围例如为1300nm至1650nm或者其中的一部分。

在一些实施例中，探测光束生成模块102生成的激光探测光束101可以为脉冲光束。对于脉冲光束，激光雷达设备100可以根据飞行时间(TOF)法计算脉冲被发射和接收的时间差来确定目标的距离。

在另一些实施例中，探测光束生成模块102生成的激光探测光束101可以为连续波光束。连续波光束可以包括非调制的单频或多频连续波、幅度调制(简称“调幅”)连续波、相位调制(简称“调相”)连续波或频率调制(简称“调频”)连续波(FMCW)。其中，相比脉冲式激光雷达，采用FMCW的激光雷达具有峰值光功率低、测距范围大、距离分辨率高、可实现多普勒测速、速度分辨率高等优点。

图3示出了可用于产生FMCW的探测光束生成模块300的组成示意图。探测光束生成模块300可用于实现图1的探测光束生成模块102。探测光束生成模块300包括连续波(CW)激光器301和电光调制器302。CW激光器301输出连续波激光光束。电光调制器302将调频电信号303调制到连续波激光光束上，形成调制光信号，即FMCW。在此方案中，FMCW通过激光器外调制方式产生。

CW激光器301可以包括固态激光器(诸如VCSEL、EEL或ECDL)、激光器二极管、光纤激光器中的一种或多种。CW激光器301的工作波长可以是650nm至1150nm、800nm至1000nm、850nm至950nm或者1300nm至1650nm。CW激光器301的工作波长可以是固定的或者是可调谐的。为了让激光探测光束具有不同中心波长，CW激光器301可以采用前文已介绍的各种用于产生同时/非同时多波长光束的技术，包括激光器阵列结合光耦合器、光频梳发生器、激光器阵列结合光开关阵列或可调谐激光器等，在此不做赘述。

电光调制器302是基于电光晶体材料的电光效应的调制器。当把携带电信号的变化的电压施加到电光晶体材料上时，电光晶体材料的折射率发生变化，引起通过该晶体材料的光波的相位、幅度、强度和/或偏振状态等特性的相应改变，由此电信号被加载到光上形成光信号。电光晶体材料包括但不限于铌酸锂(LiNbO₃)、砷化镓(GaAs)或钽酸锂(LiTaO₃)等。通过采用不同的结构，电光调制器302可以是强度调制器、相位调制器或者是I/Q(同相/正交相)调制器。以强度调制器为例，电光调制器302可以是基于马赫曾德干涉仪结构的马赫曾德调制器(MZM)。该MZM包括射频(RF)输入端口和偏压输入端口。RF输入端口用于接收电信号，例如调频电信号303；偏压输入端口用于接收偏置电压。为了保持调制光信号与调频电信号之间的线性度，偏置电压可以设置在正交偏置点(又称半波电压)，此时所施加的电压导致50％的透过率。

调频电信号303是其频率随时间变化的电信号，又称为啁啾信号。在一些实施例中，调频电信号303可以通过对电载波信号直接或间接进行频率或相位调制产生。在另一些实施例中，调频电信号303可以通过任意波形发生器产生。调频电信号303可以包括线性调频信号和非线性调频信号。在激光雷达应用中，使用线性调频信号可以使对回波光信号进行光电探测后的电信号处理更加简化。作为线性调频信号，从频率随时间变化的曲线来看，调频电信号303可以包括锯齿波信号、三角波信号和分段线性调频信号等。

需注意，图3仅仅是FMCW的一种示例性产生方式，根据本实施例的FMCW也可以采用其它方式产生以作为激光探测光束。例如，可以采用激光器直调的方式产生FMCW，其中利用调频电信号直接改变激光器输出激光的光强或者频率。

激光雷达设备将FMCW或其一部分照射到发射视场，FMCW遇到目标对象后反射/散射。目标对象的反射使得FMCW上携带的调频电信号相对其初始值发生一定变化，通过检测该变化来实现对目标对象的测量。例如，目标对象的距离使得回波光束携带的调频电信号的频率随时间变化相对于发射光束携带的调频电信号的频率随时间变化存在一定延迟，即，从同一时刻来看存在频率差(拍频)。由此通过检测该拍频能够计算出目标对象的距离。又例如，目标对象的运动速度使得回波光束携带的调频电信号相对于发射光束携带的调频电信号发生多普勒频移。由此通过检测该多普勒频移能够计算出目标对象的运动速度。

从上面基于FMCW的激光雷达进行距离/速度测量的原理可以看到，这种激光雷达对于光束频率的稳定性和纯净度都有比较高的要求。稳定性高意味着调制光信号的激光线宽要小、相位噪声要低。纯净度高意味着调制光信号的信噪比要高、杂波和干扰分量要少(即线性度高，各阶谐波、混频分量少)。在这方面，相比激光器直调方案，图3所示的外调制方案更具有优势，因为它能提供更高的线性度和更低的相位噪声，有利于提高激光雷达的测距范围和测量精度。此外，外调制方案允许调频电信号上具有更多的自由度，可以在调频基础上进行更多复杂的编码和调制，实现更多功能。

为了进一步改善调制光信号的线性度和/或噪声，本公开的进一步实施例还涉及在用作激光探测光束的调制光信号的中心波长随时间变化时对连续波光源进行动态滤波。例如，在CW激光器301为可调谐激光器时，本公开的进一步实施例可以对CW激光器301的输出光束进行动态滤波，以提高光源本身的主旁瓣抑制比，进而改善经电光调制后的调制光信号的线性度和/或噪声。图4示出了根据本公开的进一步实施例的用于生成FMCW光信号的探测光束生成模块400的组成示意图。探测光束生成模块400可用于实现图1的探测光束生成模块102。相比探测光束生成模块300，探测光束生成模块400所生成的FMCW具有改善的线性度和/或噪声。

探测光束生成模块400包括可调谐CW激光器401、电光调制器402、波长感测模块404和可调谐光学滤波器405。与图3相比，除了可调谐CW激光器401相比CW激光器301采用可调谐激光器实现外，可调谐CW激光器401的其它方面以及电光调制器402与图3的CW激光器301和电光调制器302相同。

相比探测光束生成模块300，探测光束生成模块400的改进之处在于包括波长感测模块404和可调谐光学滤波器405。

波长感测模块404与可调谐CW激光器401光学耦合。波长感测模块404被配置为接收可调谐CW激光器401输出的可调谐连续波激光光束406的一部分406-1，并输出指示连续波激光光束406的中心波长的感测电信号407。即，波长感测模块404可以实现对连续波激光光束406的中心波长的测量，这包括从光信号406-1到电信号407的光电转换。感测电信号407指示连续波激光光束406的中心波长，这意味从感测电信号407的大小可以唯一地确定连续波激光光束406的中心波长。感测电信号407的大小可以与连续波激光光束406的中心波长呈线性关系或非线性关系。线性关系意味着，在连续波激光光束406的中心波长发生调谐时，则感测电信号407的大小也相应改变，并且感测电信号407的大小改变量相对于中心波长改变量的斜率对于不同中心波长是一定的。非线性关系意味着，若改变连续波激光光束406的中心波长，则感测电信号407的大小也相应改变，并且感测电信号407的大小改变量相对于中心波长改变量的斜率对于不同中心波长不是恒定的。波长感测模块404可以包括但不限于基于干涉仪、光栅、棱镜等的各种已知的波长测量技术。

在一些实施例中，感测电信号407的大小可以与连续波激光光束406的中心波长呈线性关系。线性关系相比非线性关系在运算方面要简化得多。这样由于中心波长到电信号大小的映射关系比较简单，从而能够减少后续对感测电信号407进行信号处理以确定连续波激光光束406的中心波长所需的运算开销。

在一些实施例中，除了实现感测电信号407与连续波激光光束406的中心波长之间的线性关系，还希望波长感测模块404具有响应速度快、容易集成的优点。在这方面，如后文将结合图5具体介绍的，可以基于一种光学插分(add-drop)型环形谐振腔来实现波长感测模块404。

可调谐光学滤波器405也与可调谐CW激光器401光学耦合。可调谐光学滤波器405的通带具有根据波长感测模块404输出的感测电信号407设置的中心波长，该中心波长被设置得与连续波激光光束406的中心波长相匹配。可调谐光学滤波器405可以是通带滤波器，该通带滤波器的中心波长是可配置的。在一些实施例中，可调谐光学滤波器405可以接收来自波长感测模块404的感测电信号407，并根据该感测电信号407确定连续波激光光束406的中心波长，并被配置得使其自身的通带的中心波长与连续波激光光束406的中心波长匹配，即大体上相等。

在一些实施例中，波长感测模块404对连续波激光光束406的中心波长的测量可以实时(包括近乎实时)完成，即波长感测模块404具有较高的响应速度。这可以利用例如下文结合图5描述的波长感测模块500来实现。进一步地，在一些实施例中，基于感测电信号407设置可调谐光学滤波器405的通带的中心波长也可以实时(包括近乎实时)完成。这意味着，从接收到连续波激光光束的一部分406-1开始，可以较快(包括例如飞秒、纳秒、毫秒量级)完成可调谐光学滤波器405的通带中心波长的设置，而没有较大延迟。

在一些实施例中，为了实现基于感测电信号407设置可调谐光学滤波器405的通带的中心波长，探测光束生成模块400可以进一步包括滤波器设置模块(图中未示出)。滤波器设置模块可以被包括在可调谐光学滤波器405内部或者外部。滤波器设置模块被配置为接收感测电信号407，将感测电信号407转换成能够设置可调谐光学滤波器405的通带的中心波长的物理量，然后将该物理量提供给可调谐光学滤波器405。由此，可调谐光学滤波器405可以基于该物理量来设置其通带的中心波长。可调谐光学滤波器405可以使用各种已有的滤波结构(例如光栅、谐振腔等)来实现，而对于不同的滤波结构，能够改变其通带中心波长的相应物理量也不同。在一些实施例中，物理量包括与通带中心波长相关的滤波结构尺寸参数。在另一些实施例中，作为非限制性的示例，物理量可以包括热量、声波、形变、压力、材料折射率和振动中的至少一种。这类物理量可以通过改变光学滤波器中光传输介质的有效折射率而设置滤波器通带中心波长。与结构尺寸参数相比，使用后一类物理量具有响应速度快、便于调节的优点。

可调谐光学滤波器405的通带中心波长可以在一定范围内改变。这样，当连续波激光光束406的中心波长随时间发生调谐时，感测电信号407可以包括时间序列上的一维矩阵，矩阵中每个值都表示相应时间点处连续波激光光束406的中心波长，相应地，可调谐光学滤波器405的通带的中心波长基于感测电信号被设置为也随之变化。如前所述，若波长感测模块404和可调谐光学滤波器405都具有较快的响应速度，则可调谐光学滤波器405的通带中心波长可以随连续波激光光束406的中心波长的变化而实时变化。这表示，可调谐光学滤波器的调谐速度与可调谐激光器的调谐速度可以为同一量级。

设置通带中心波长之后或者几乎同时地，可调谐光学滤波器405接收连续波激光光束406的另一部分406-2，对其进行光学滤波，并输出经滤波后的激光光束105。图4中点A可以表示分光器，用于将连续波激光光束406分成光束406-1和光束406-2。由于光束406-1仅仅用于波长测量，光束406-1可以仅占连续波激光光束406的能量的小部分(例如1％、2％、5％、10％或其它满足测量精度要求的值)，而连续波激光光束406剩余的绝大部分能够作为光束406-2输入到可调谐光学滤波器405。

在一些实施例中，为了得到更好的光束质量改善效果(例如更好的旁瓣抑制比)，可调谐光学滤波器405可以是高Q值滤波器。Q值越高，滤波器通带带宽相比其中心频率越小，即滤波器选择性越好。在一些实施例中，可调谐光学滤波器405具有高Q值，以使得其通带宽度能够抑制输入激光光束中的一个或多个旁瓣。在进一步的实施例中，可调谐光学滤波器405具有高到足以使输入激光光束中距离主瓣最近的旁瓣(往往是具有最高强度的旁瓣)在可调谐光学滤波器405的通带外的Q值。例如，可调谐光学滤波器405的中心波长与输入激光光束的中心波长对准的情况下，由于可调谐光学滤波器405的高Q值，可调谐光学滤波器405的通带宽度(例如半高全宽)可以大于主瓣的线宽，以保证对主瓣不产生抑制效果，而对旁瓣产生抑制效果。在这方面，如后文将结合图6具体介绍的，可以基于一种光学插分(add-drop)型环形谐振腔来实现可调谐光学滤波器405。

图5示出了根据本公开的实施例的波长感测模块的一个具体示例的结构示意图。仅作为一个非限制性的示例，该波长感测模块500可以用来实现图4的波长感测模块404。波长感测模块500主要包括光学插分型环形谐振腔501。光学插分型环形谐振腔501可以包括环形波导504和在环形波导504的相对两侧分别与之耦合的直波导503和505。在两个直波导503和505中间的环形波导504的数量可以是一个或多个。环形波导504可以包括但不限于微球、微环、微盘、微柱和微环芯中的一种或多种。光学插分型环形谐振腔501可以包括四个端口：输入端口509、与输入端口509通过直波导直接连接的直通端口510、在另一直波导上与输入端口509同侧的分出端口511和在另一直波导上与输入端口509对侧的插入端口512。光学插分型环形谐振腔501可以具有对称性。这意味着，光学插分型环形谐振腔501的输入端口509可以不限于图5中所示的特定位置，而是可以为四个端口中的任何一个，相应的其它端口的位置也发生改变。

来自图4的可调谐CW激光器401的输入激光光束406-1从环形谐振腔501的输入端口509进入。记环形谐振腔501的直通端口510和分出端口511的光功率的比值的均方根为幅度比较函数(ACF)，则ACF可以近似表示为：

其中Δλ表示输入激光光束406-1的中心波长相对于环形谐振腔501的谐振波长的偏移，r和t分别为环形谐振腔501的自耦合系数和互耦合系数，k是直通端口510和分出端口511的耦合损耗的比值，FSR是自由光谱范围。在环形谐振腔501制造完成后，r、t、k和FSR都是和微环谐振腔几何尺寸相关的值，即为常数，因此ACF相对于Δλ呈现线性关系。

在一些实施例中，ACF相对于Δλ的线性度与激光在环形谐振腔501的环形波导504中所经历的损耗相关联。具体而言，激光在环形谐振腔501的环形波导504行走一圈所经历的损耗越小，则ACF相对于Δλ的关系越逼近公式(1)中的线性关系。激光在环形波导504行走一圈所经历的损耗可以由环形波导材料的功率损耗系数γ(单位为1/cm)和环形波导504的光程长度L(即环形波导504的周长)确定。在环形波导材料一定的情况下，即功率损耗系数γ一定，则光程长度L越小，激光在环形波导504所经历的损耗越小。作为非限制性的示例，光程长度L可以在几十微米、几百微米、几毫米量级。此时，若考虑环形波导504由典型的硅材料(仅作为一个非限制性的示例)制成，则激光在环形波导504所经历的损耗可以极小，从而有效地保证ACF和Δλ服从公式(1)中的线性关系。在另一些实施例中，光程长度L也可以为其它长度。

在一些实施例中，为了进一步提高环形谐振腔501的Q值、工作稳定性以及减小尺寸，环形谐振腔501可以被设计成工作在回音壁模式的微腔。这可以通过选择环形谐振腔501的环形波导504的介质边界两侧的材料的折射率来实现。在一些实施例中，环形谐振腔501可以在绝缘体上硅(SOI)晶片上实现。此时，可以使用标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺，便于与其它光路和电路的集成。在其它实施例中，环形谐振腔501可以在其它光波导材料上形成，包括例如二氧化硅(SiO₂)材料、有机聚合物材料、氮化硅(SiN)材料、磷化铟(InP)材料和铌酸锂(LiNbO₃)材料等光芯片集成平台。由于环形谐振腔501能够在各种不同材料集成平台上实现，有时可以将环形谐振腔501与产生激光光束的激光器(例如提供输入激光光束406-1的可调谐CW激光器401)的至少部分同时集成，提高整体集成度。

为了计算ACF，波长感测模块500可以包括功率检测和后处理电路502。功率检测和后处理电路502可以包括分别与直通端口510和分出端口511连接的光功率测量电路506和507，以及后处理电路508。光功率测量电路506和507分别测量两个端口的光功率值，后处理电路508计算两个光功率值的比值并求取平方根。作为示例，后处理电路508可以包括模数转换器(ADC)和数字信号处理电路，从而能够在数字域求取功率的比值和平方根。基于数字电路集成技术，后处理电路508可以与光功率测量电路506和507(例如基于III-V族半导体材料工艺集成)以及环形谐振腔501(适用各种材料集成平台)更好地集成，减小器件尺寸。由此，波长感测模块500输出的感测电信号407为或者指示环形谐振腔501的直通端口510和分出端口511的光功率的比值的均方根，即ACF。需认识到，图5示出的功率检测和后处理电路502的结构组成仅为示例，在其它实施例中，功率检测和后处理电路502可以采用其它电路结构。例如，在一些实施例中，功率检测和后处理电路502可以在后处理电路508中进一步包括数模转换器(DAC)，以将求取的数字值转换成能够指示输入激光光束406-1的中心波长的大小的模拟电流/电压信号，并作为感测电信号407输出。如后文将介绍的，该模拟电信号可以被提供给可调谐光学滤波器405以控制其通带的中心波长。

图6示出了根据本公开的实施例的可调谐光学滤波器的一个具体示例的结构示意图。可调谐光学滤波器600仅作为图4中可调谐光学滤波器405的一个示例，而非限制。可调谐光学滤波器600主要包括光学插分型环形谐振腔601，与图5的光学插分型环形谐振腔501类似。光学插分型环形谐振腔601可以包括环形波导604和在环形波导607的相对两侧分别与之耦合的直波导603和605。在两个直波导603和605中间的环形波导604的数量可以是一个或多个。环形波导604可以包括但不限于微球、微环、微盘、微柱和微环芯中的一种或多种。光学插分型环形谐振腔601可以包括四个端口：输入端口606、与输入端口606通过直波导直接连接的直通端口607、在另一直波导上与输入端口606同侧的分出端口608和在另一直波导上与输入端口606对侧的插入端口609。光学插分型环形谐振腔601可以具有对称性。例如，光学插分型环形谐振腔601可以是中心对称的。这意味着，光学插分型环形谐振腔601的输入端口606可以不限于图6中所示的特定位置，而是可以为四个端口中的任何一个，相应的其它端口的位置也发生改变。

来自图4的可调谐CW激光器401的需要进行光学滤波的激光光束406-2从环形谐振腔601的输入端口606进入，经过滤波后的激光光束408从环形谐振腔601的分出端口608输出。这样连接的环形谐振腔601构成一个通带滤波器。

环形谐振腔601可以基于感测电信号407来设置其通带中心波长。例如可以通过滤波器设置模块602来基于感测电信号407设置环形谐振腔601的通带中心波长。在一些实施例中，滤波器设置模块602可以将感测电信号407(例如是电压或电流形式)转换成诸如热量、声波、形变、压力、材料折射率和振动中的一种或多种的物理量。然后，该物理量被提供至环形谐振腔601以调节环形谐振腔601的滤波器通带中心波长。例如，该物理量可以被提供至环形谐振腔601的光耦合区，通过改变光耦合区介质的有效折射率来调节环形谐振腔601的滤波器通带中心波长。滤波器设置模块的其它特征在前文已结合图4描述，这里不再赘述。

使用可调谐光学滤波器600来实现图4的可调谐光学滤波器405，不仅可以实现精准滤波，而且具有响应速度快、Q值高、尺寸小、易于集成的优点。

在一些实施例中，为了进一步提高环形谐振腔601的Q值、工作稳定性以及减小尺寸，环形谐振腔601可以被设计成工作在回音壁模式的微腔。这可以通过选择环形谐振腔601的环形波导604的介质边界两侧的材料的折射率来实现。在一些实施例中，环形谐振腔601可以在SOI晶片上实现。此时，可以使用标准的CMOS制造工艺，便于与其它光路和电路的集成。在其它实施例中，环形谐振腔601可以在其它光波导材料上形成，包括例如SiO₂材料、有机聚合物材料、SiN材料、InP材料和LiNbO₃材料等光芯片集成平台。由于环形谐振腔601能够在各种不同材料集成平台上实现，有时可以将环形谐振腔601与产生激光光束的激光器的至少部分同时集成，提高整体集成度。

在一些实施例中，为了制造简便，环形谐振腔601可以与图5的环形谐振腔501采用相同的集成工艺和同样的尺寸参数制造；或者退一步，环形谐振腔601可以与环形谐振腔501采用相同的集成工艺但是不同的尺寸参数制造。

图6示出了根据本公开的实施例利用波长感测模块(例如图4的波长感测模块404)和可调谐光学滤波器(例如图4的可调谐光学滤波器405)进行动态滤波的工作原理示意图。输入激光光束601例如可以是图4的可调谐CW激光器401输出的光束。输入激光光束601可以在不同时间t₁、t₂…t_n分别具有不同的中心波长λ₁、λ₂…λ_n。以时间t_n为例，输入激光光束601的光谱中除了位于λ_n处的主瓣611，还有其附近的旁瓣612。曲线602表示波长感测模块具有将输入激光光束601的中心波长转换为指示该中心波长的感测电信号P输出的能力。除了图中示出的线性关系外，波长λ和信号P还可以具有非线性关系。在时间序列t₁、t₂…t_n上，感测电信号P对应地构成一维矩阵[P_1,P₂…P_n]。604表示在时间t_n处，可调谐光学滤波器被调谐为具有滤波曲线为604-1，该滤波曲线604-1的中心波长与主瓣611所在的中心波长λ_n匹配，从而允许主瓣611通过，而将旁瓣612滤除。输出605表示经滤波之后的激光光束(例如图4的光束408)。

根据本公开的包括波长感测模块和可调谐光学滤波器的滤波装置通过测量输入激光光束的中心波长再进行针对性的滤波，能够有效抑制激光光束的旁瓣，提高光束质量。将这样的滤波装置结合用于产生FMCW的探测光束生成模块中，可以从激光光源本身提高信噪比，减少非线性。此外，这样的滤波装置尤其适合对来自可调谐激光器的激光光束进行优化。这有利于激光雷达设备使用可调谐激光器结合光学色散元件来进行波束扫描。这是因为，如果不提高光源的主旁瓣抑制比，减少非线性频率分量的产生，这些旁瓣或非线性频率分量也会经历光学色散元件的波长-色散效应被导向视场中的不同方向。在一些情况下，可能主瓣的扫描方向上没有高反射率物体，而旁瓣或非线性频率分量的扫描方向上出现高反射率物体，这样旁瓣或非线性频率分量的回波光束强度将会大于主瓣的回波光束，导致真正有用的信号光被淹没，激光雷达设备发生误探测，即出现“鬼影”现象。因此，根据本公开的实施例采用可调谐激光器结合光学色散元件的激光雷达设备，如能进一步结合这里描述的波长感测模块和可调谐光学滤波器，则能减少“鬼影”现象的发生，提高探测准确度。此外，如进一步采用图5和图6中的结构来分别实现波长感测模块和可调谐光学滤波器，则可以使该滤波装置具有响应快、Q值高、尺寸小、集成度高等优点，更加满足激光雷达设备对扫描速度高、尺寸小和便于集成的需求。

返回到图1，色散光学元件104可以在至少一定中心波长范围内实现不同中心波长到一维空间上不同位置的映射。具有不同中心波长的输入光在色散光学元件104的同一位置入射，但在色散光学元件中经历的偏转角度不同，导致它们在色散光学元件104的出射端面的第一方向上的不同位置出射。在一些情况下，不同中心波长的光束在第一方向上不同位置以平行光出射。即，不同中心波长的光束仅仅输出位置不同，但出射角度相同。在另一些情况下，不同中心波长的光束在第一方向上不同位置按照各自的出射角度出射。在该一定中心波长范围内，光的中心波长与在色散光学元件104上的输出位置具有一一映射关系。即每个不同的中心波长都有对应不同的出射位置。在一些实施例中，中心波长与输出位置之间具有单调关系。即，从出射端面来看，不同中心波长的光的在第一方向上的相应不同位置按中心波长的大小顺序排列。最小中心波长的光在一端，第二小中心波长的光紧随其后，以此类推，最大中心波长的光在另一端。在另一些实施例中，中心波长与输出位置之间不具有单调关系。

色散光学元件104可以提供线性色散关系，即偏转角度差/位置差与波长差的比值恒定。这样，若输入光的波长为均匀间距，则输出的各波长的光的偏转角度/位置也是均匀分布的。色散光学元件104也可以提供非线性的色散关系，即偏转角度差/位置差与波长差的比值不是恒定的。这样，即便输入光的波长为均匀间距，输出的各波长的光的偏转角度/位置也不是均匀分布的。

在一些实施例中，色散光学元件可以包括棱镜。在另一些实施例中，为了便于集成和固态化，色散光学元件可以包括光栅结构，例如阵列波导光栅、衍射光栅和亚波长光栅中的任何一种或多种。基于光栅结构实现的色散光学元件可以以光芯片形式制造。基于光芯片的色散光学元件可以与激光雷达设备的其它模块(例如半导体激光器、电光调制器，基于环形谐振腔实现的波长感测模块和可调谐光学滤波器等)进一步集成在一起。

当激光探测光束的中心波长变化范围较大时，色散光学元件104可以在一定波长范围内实现不同波长到空间位置的映射。以阵列波导光栅为例，中心波长λ与光束出射角度θ的正弦值sinθ成比例关系，而光束出射角度决定出射位置。在一定出射角度内，中心波长与光束出射角度近似呈线性关系。而当出射角度较大时，较小的中心波长变化也能带来较大的光束出射角度改变。

尽管已经使用色散光学元件来使不同中心波长的激光探测光束在第一方向上分离，从而在第一方向上实现了一定的视场扫描范围/角度，但在一些情况下，可能希望进一步增大该视场扫描范围/角度，并且准直光束。为此，根据本公开的实施例采用发射透镜组106来对已经分开的各波长的激光探测光束进行扩束和准直。扩束的作用是增大每个不同中心波长的激光探测光束的光斑，同时也增大不同中心波长的激光探测光束之间的夹角。准直的作用是减小光束的发散角，使得光束能量集中，能够传输到更远距离。

图8A和图8B示出了根据本公开的实施例使用发射透镜组来进一步扩大发射视场的示意图。如图8A所示，具有不同中心波长λ₁、λ₂…λ_n的探测光束从色散光学元件的出射端面802的第一方向(例如图8中所示的竖直方向)上排列的n个不同位置出射。如前所述，不同中心波长λ₁、λ₂…λ_n的探测光束可以同时从端面802出射，也可以不同时出射。经过发射透镜组804的扩束和准直后，具有各中心波长的光束在发射透镜组804的焦点处汇聚后在远场扩散，形成第一方向视场角θ₂。第一方向视场角θ₂可以与能够实现中心波长到空间位置映射的一定波长范围内的不同中心波长的最大波长差和发射透镜组804的扩束倍率成正比。不同中心波长的最大波长差等于最大波长与最小波长的差值。在各不同中心波长相互之间的波长间距一定的情况下，最大波长差又正比于不同中心波长的数量。在最大波长差一定的情况下，发射透镜组804的扩束倍率越高，则第一方向视场角θ₂越大。在发射透镜组804已经设计好具有一定扩束倍率的情况下，最大波长差越大，即波长调谐范围越大，则第一方向视场角θ₂越大。

在一些实施例中，发射透镜组804可以包括如图8A所示的两个透镜。为了实现扩束和准直效果，在色散元件侧的透镜806可以具有负焦度，在发射视场侧的透镜808可以具有正焦度。图8B示出了使用负焦度透镜806和正焦度透镜808结合来进行扩束和准直的示意图。透镜806和透镜808从色散元件侧到发射视场侧的四个表面记为S1、S2、S3、S4。可以设计表面S1-S4的R(半径)值、厚度和/或透镜806和808中每一个的折射率、阿贝数来实现不同的放大倍率、准直效果以及成像质量。将认识到，透镜806和透镜808可以采用各种设计参数，仅需满足能够扩束和准直即可。透镜806和透镜808组成的发射透镜组804的视场角可以为20°-50°，或者为30°-40°。为满足不同的扩束效果和光斑要求，发射透镜组804可以不仅限于包括两个透镜，而是可以采用多余两个透镜和/或非球面透镜。

在一些实施例中，根据本公开的实施例可以在发射视场中形成感兴趣区域(ROI)。ROI区域是指在该ROI区域内激光探测光束进行扫描的角度分辨率可以高于发射视场中ROI区域外激光探测光束进行扫描的角度分辨率。如图8A所示，ROI区域的角度范围θ₁可以由激光探测光束的不同中心波长之间的波长间距以及发射透镜组804的设计参数决定。在发射透镜组804的设计参数一定的情况下，可以通过使扫描ROI区域的光波长的间距小而扫描ROI区域外的光波长的间距大来实现。由于探测激光光束的波长间距在激光雷达设备使用过程中可以调整，这种方式可以实现动态ROI设置。而在光波长间距一定的情况下，可以设计发射透镜组804的参数来调整光斑的能量分布，使ROI区域内的光斑能量更密集，而ROI区域外的光斑能量更稀疏，从而实现ROI区域的设置。这里，发射透镜组804的参数可以包括发射透镜组中透镜的数量；透镜之间的间距；各透镜表面的R值、厚度、折射率、阿贝数、非球面系数；透镜组的焦距；透镜组的视场角等中的一者或多者，也可以包括其它能够影响光斑能量分布的参数。

返回至图1，接收光学模块108可以实现对来自视场中不同方向的光的接收。接收光学模块108可以实现对接收视场的1D或2D扫描。在一些实施例中，接收光学模块108可以包括任意数量的驱动器驱动的任意数量的光学镜子。例如，接收光学模块108可以包括平面反射镜、棱镜、机械振镜/转镜、偏振光栅、光学相控阵(OPA)、微电机系统(MEMS)振镜等中的任一种或多种的组合。

光电探测器110可以包括探测单元和相关联的接收电路。每个接收电路可以用于处理相应的探测单元的输出电信号。探测单元包括各种形式的光电探测单元或光电探测单元的一维或二维阵列，相应地，接收电路可以为一个电路或多个电路的阵列。光电探测器测量接收到的回波光束的功率、相位或时间特性，并产生相应的电流输出。光电探测单元可以包括雪崩二极管(APD)、单光子雪崩二极管(SPAD)、PN型光电二极管或PIN型光电二极管等。在一些实施例中，光电探测器110还可以包括双光电二极管(PD)结构，譬如平衡探测器(BPD)。与单PD结构相比，使用双PD结构的平衡探测器可以进一步减少噪声，提高信噪比，进而提高激光雷达的测量准确度。

在探测光束生成模块102所生成的激光探测光束为FMCW的情况下，激光雷达设备100可以在接收端采用相干检测。为了实现相干检测，可以将探测光束生成模块102生成的FMCW的一小部分(例如1％、10％、20％等)分出来作为参考光提供给光电探测器，而将FMCW的剩余部分作为激光探测光束发射到目标，经反射后作为回波光束被接收光学模块接收并提供给光电探测器。与参考光相对地，回波光束为信号光。参考光和信号光可以经耦合后混合在一起，再由光电探测器进行探测以输出探测电信号。探测电信号携带与用于产生FMCW的调频电信号相关联的拍频信息。通过后续电路处理(例如鉴频)和计算，可以将拍频信息转换成目标对象的距离。在一些实施例中，探测电信号还携带与调频电信号相关联的多普勒频移信息。同样通过后续电路处理和计算，可以将多普勒频移信息转换成目标对象的运动速度。因此，基于FMCW的激光雷达设备允许每个发射光束同时测量距离和速度信息。基于FMCW的激光雷达使用相干探测可以对抗来自其他激光雷达设备和较强环境光(例如太阳光)的干扰，因为只有与发射出去的参考光的频率相同的回波才能被检测到。此外，使用相干探测也可以提高系统的信噪比。

在一些实施例中，激光雷达设备100还可以包括控制器(未示出)。控制器可以与探测光束生成模块102、接收光学模块108和光电探测器110中的一个或多个通信耦接。控制器可以作为单独的处理电路存在，也可以分散在探测光束生成模块102、接收光学模块108和光电探测器110的一个或多个中。控制器可以控制探测光束生成模块102是否以及何时发射光束以及发射光束的中心波长。控制器118可以控制接收光学模块108从视场中的哪个具体角度/位置接收反射光。控制器可以处理和分析由光电探测器110输出的电信号，以最终确定目标对象的位置、速度等特征。控制器可以包括集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、中央处理器、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它适合执行指令或实现逻辑操作的电路。由控制器执行的指令可以被预加载到集成或单独的存储器(未示出)中。存储器可以存储用于探测光束生成模块102、接收光学模块108和光电探测器110的配置数据或命令。存储器也可以存储从光电探测器110输出的电信号或者基于输出电信号的分析结果。存储器可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁盘、闪存存储器或其它易失性或非易失性存储器等。控制器可以包括单个或多个处理电路。在多个处理电路的情况下，各处理电路可以具有相同或不同的构造，彼此间通过电、磁、光、声、机械等方式交互或者协同操作。

根据本公开的实施例的激光雷达设备可以在利用色散光学元件和发射透镜组进行1D扫描的基础上进一步实现同轴收发。图9示出一种示例性的具有同轴收发系统的激光雷达设备的工作原理示意图，其中省略了向色散光学元件902提供激光探测光束的探测光束生成模块。探测光束生成模块(未示出)、色散光学元件902、发射透镜组904和光电探测器910可以采用前文描述的探测光束生成模块、色散光学元件、发射透镜组和光电探测器的各种实现方式来实现。

在该示例中，激光雷达设备的接收光学模块包括透射反射组件906。透射反射组件906设置在发射透镜组904和发射视场之间的光路上。透射反射组件906被配置为允许来自发射透镜组904的光束透射通过，而将来自接收视场的回波光束反射至光电探测器910。在一些情况下，可以在透射反射组件906和光电探测器910之间设置接收透镜组908，以用于对回波光束进行聚焦。接收透镜组908可以由两个或多个焦距不同的透镜组成。接收透镜组908的每个透镜可以双面镀膜。但在另一些情况下，也可以省略接收透镜组908。如图9所示，透射反射组件906可以包括中心具有开孔的反射镜。这样发射光路的光束可以通过开孔透过，而接收光路的光可以经由非开孔区域反射。该开孔可以位于发射透镜组904的焦点处，以减少对发射光路上探测光束的阻挡。发射透镜组的焦点往往距离发射透镜组较近(例如数毫米或数十毫米)，因此具有开孔的反射镜也靠近发射透镜组设置。具有开孔的反射镜可以包括介质膜反射镜或金属反射镜。在另一些实施例中，反射镜908可以是半透半反镜。半透半反镜的透射率可以是50％、60％或70％或其它值。半透半反镜可以允许发射光路和接收光路之一的光束被透射而另一路的光束被反射。在另一些实施例中，反射镜908可以是偏振分束器。可以使发射光路的光与反射光路的光具有不同的偏振态。偏振分束器同样可以使得发射光路和反射光路之一的光束被透射而另一路的光束被反射，从而实现光路的分离。

如图9所示，对于收发同轴系统，发射视场的光轴和接收视场的光轴重合。激光雷达仅接收自己发射的探测光束相关联的回波光束以及基本在该发射/接收角度上的环境光，不容易受到其它角度环境光(例如日光)的干扰，从而提高系统信噪比。此外，收发同轴系统由于收发光路重叠，可以减小激光雷达设备的体积。

在一些实施例中，可以使接收视场在与发射视场光轴重合的基础上进一步实现比发射视场更大的视场角。如图9所示，由于探测光束通过带开孔反射镜的相对较小的开孔透射，而回波光束可以通过带开孔反射镜的开孔周围的较大区域接收，接收光路相比发射光路的数值孔径较大，因此对于每个探测光束而言，接收范围θ_R可以大于发射范围θ_T，提高了激光雷达设备的接收效率。

根据本公开的实施例的激光雷达设备可以在利用色散光学元件和发射透镜组进行1D扫描的基础上进一步实现2D扫描。为了实现2D扫描，激光雷达设备还可以包括可偏转反射镜，以作为色散光学元件和发射透镜组的补充。该可偏转反射镜可以是机械扫描振镜、转镜。振镜或转镜表面镀有反射膜。可偏转反射镜也可以是在驱动下进行机械运动的其它反射镜。可偏转反射镜将来自发射透镜组的同一光束通过不同偏转引导到发射视场中第二方向上的不同位置，第二方向可以与第一方向不同。在一些情况下，第二方向可以与第一方向垂直，由此实现了二维空间的扫描。

图10示出了根据本公开的实施例的用于实现激光雷达设备的2D扫描视场的原理示意图。色散光学元件1002和发射透镜组1004可以采用前文描述的各种实现方式。色散光学元件1002可以将同一位置入射的不同中心波长λ₁,λ₂,…,λ_n的激光探测光束101在第一方向(例如竖直方向)上的不同位置出射。在不同位置出射的光经过发射透镜组1004进行准直和扩束后，经由可偏转反射镜1006反射到发射视场中第一方向(例如同样为竖直方向)上的不同位置，从而实现第一维扫描。为了实现第二维扫描，可偏转反射镜1006还可以偏转，使得对于其中一个波长而言，从色散光学元件1002的特定位置出射并经过发射透镜组1004扩束准直后，随着可偏转反射镜704的偏转角度不同，光束被反射到发射视场中第二方向(例如为水平方向)上的不同位置。

图11示出了根据本公开的实施例的激光雷达设备1100进行2D扫描的发射视场示意图。二维发射视场可以包括由竖直方向扫描形成的竖直视场(VFOV)和由水平方向扫描形成的水平视场(HFOV)。在一些实施例中，竖直方向扫描可以通过改变激光探测光束的中心波长来实现，水平方向扫描可以通过调整可偏转反射镜的偏转角度来实现。可以先让可偏转反射镜固定一偏转角度进行竖直方向扫描，然后改变至下一偏转角度再次进行竖直方向扫描，重复这一过程直至可偏转反射镜到达偏转的端点。即先实现VFOV扫描，再实现HFOV扫描，由此生成面阵点云。也可以先实现HFOV扫描，再实现VFOV扫描。在激光探测光束同时包括多个不同中心波长的光分量的情况下，可以同时一次性完成竖直方向的扫描。通过设置激光探测光束各中心波长的波长间距和/或调整发射透镜组的参数，可以在发射视场中实现具有不同扫描角度分辨率的ROI区域。在另一些实施例中，也可以反过来——竖直方向扫描可以通过调整可偏转反射镜的偏转角度来实现，水平方向扫描可以通过改变激光探测光束的中心波长来实现。此外，可以不限于使用竖直方向和水平方向构成2D扫描，而是可以使用任何不同的两个方向。

根据本公开的实施例的激光雷达设备可以在2D扫描的基础上进一步实现同轴收发。图12示出一种示例性的具有同轴收发系统的激光雷达设备的工作原理示意图，其中省略了向色散光学元件1202提供激光探测光束101的探测光束生成模块。图12的系统是图9和图10的系统的结合。色散光学元件1202、发射透镜组1204、透射反射组件1208、接收透镜组1212和光电探测器1214可以分别与图9中的色散光学元件902、发射透镜组904、透射反射组件906、接收透镜组908和光电探测器910相同。色散光学元件1202和发射透镜组1204还可以分别与图10中的色散光学元件1002和发射透镜组1004相同。相比可偏转反射镜1006，可偏转反射镜1206的区别仅在于，它不仅将来自发射透镜组1204的同一光束通过不同偏转朝发射视场中第二方向上的不同位置发射，还将接收视场中第二方向上的不同位置处与激光探测光束相关联的回波光束引导至透射反射组件1206。发射光路和接收光路共用可偏转反射镜1206。由此，不仅发射视场实现了2D扫描，接收视场也实现2D扫描。这使得一旦在发射扫描时确定了偏转反射镜1206的偏转角度，接收视场的光轴就可以与发射视场的光轴保持一致，避免了视场外其它区域反射回波的干扰，从而提高探测的准确性和灵敏度

虽然图9和图12示出了收发同轴光学系统，但根据本公开的激光雷达设备不限于此，而是也可以采用收发非同轴光学系统。例如，接收光学模块可以设置为使得接收视场的光轴与发射视场的光轴偏离。

图13示出根据本公开的实施例的集成了激光雷达设备的车辆1300的组成示意图。车辆1300至少可以包括激光雷达设备1302、车辆控制器1304和机动系统1306。激光雷达设备1302可以使用图1中的激光雷达设备100实现。车辆控制器1304可以与激光雷达设备1302通信耦接。具体来说，车辆控制器1304可以与激光雷达设备1302的控制器耦接，以间接地全部或部分控制激光雷达设备1302的探测光束生成模块、色散光学元件、发射透镜组、接收光学模块和光电探测器等。在另一些实施例中，车辆控制器1304也可以直接与激光雷达设备1302的探测光束生成模块、色散光学元件、发射透镜组、接收光学模块和光电探测器等通信耦接，以对其直接地全部或部分进行控制。机动系统1306可以包括动力子系统、制动子系统和转向子系统等。车辆控制器1304可以根据激光雷达设备1302的探测结果调整机动系统1306的操作。

本公开中的术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包括，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。

此外，技术术语“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。提及的“第一”组件不必然要求提供“第二”组件。此外，除非明确指示，否则“第一”或“第二”组件不表示将提及的组件限制于特定顺序。

在本公开的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。术语“或”表示包括性的“或”，而非排除性的“或”。术语“基于”意指“至少部分基于”。

在本公开的描述中，除非另有明确限定，技术术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；也可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。

最后应说明的是：尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (23)

1.一种激光雷达设备，包括：

探测光束生成模块，被配置为生成具有不同中心波长的激光探测光束；

色散光学元件，被配置为在一定中心波长范围内使在相同位置入射的具有不同中心波长的所述激光探测光束在第一方向上的相应不同位置发射；

发射透镜组，被配置为接收通过色散光学元件发射的激光探测光束以及对所接收的激光探测光束进行第一方向上的扩束和准直后朝发射视场发射；

接收光学模块，被配置为接收来自接收视场的与所述激光探测光束相关联的回波光束；以及

光电探测器，被配置为检测所述回波光束以输出探测电信号。

2.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述发射视场在第一方向上的视场角大小与在所述一定波长范围内的所述不同中心波长的最大波长差以及所述发射透镜组的扩束倍率成正比。

3.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块被配置为生成同时具有不同中心波长的激光探测光束。

4.根据权利要求3所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块包括：

激光器阵列，所述激光器阵列中的激光器各自生成具有相应不同中心波长的激光光束；以及

光学耦合器，被配置为耦合激光器阵列的各个激光器生成的激光光束以生成所述具有不同中心波长的激光探测光束。

5.根据权利要求3所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块包括光频梳发生器。

6.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块被配置为生成在至少两个不同时间具有相应两个不同中心波长的激光探测光束。

7.根据权利要求6所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块包括：

激光器阵列，所述激光器阵列中的激光器各自生成具有相应不同中心波长的激光光束；以及

光开关阵列，被配置为允许所述相应不同中心波长的激光光束在不同时间被输出作为所述具有不同中心波长的激光探测光束。

8.根据权利要求6所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块包括可调谐激光器。

9.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述激光探测光束包括调频连续波。

10.根据权利要求9所述的激光雷达设备，其中所述探测光束生成模块包括：

激光器，被配置为输出具有不同中心波长的连续波激光光束；以及

电光调制器，被配置为用调频电信号调制所述连续波激光光束以输出调制光信号作为所述具有不同中心波长的激光探测光束。

11.根据权利要求10所述的激光雷达设备，其中所述激光器包括可调谐激光器，所述探测光束生成模块进一步包括：

波长感测模块，光学耦合到所述可调谐激光器，被配置为接收连续波激光光束的一部分并输出指示所述连续波激光光束的中心波长的感测电信号；

可调谐光学滤波器，光学耦合到所述可调谐激光器，所述可调谐光学滤波器的通带具有基于所述感测电信号而设置的与所述连续波激光光束的中心波长匹配的中心波长，所述可调谐光学滤波器被配置为对所述连续波激光光束的另一部分进行光学滤波以输出经滤波的激光光束，以及

其中所述电光调制器被配置为用调频电信号调制所述经滤波的激光光束以输出调制光信号作为所述具有不同中心波长的激光探测光束。

12.根据权利要求11所述的激光雷达设备，其中所述波长感测模块包括第一光学插分型环形谐振腔，所述感测电信号包括所述第一光学插分型环形谐振腔的直通端口和分出端口的光功率比值的均方根，并且所述光学滤波器包括第二光学插分型环形谐振腔。

13.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述色散光学元件包括阵列波导光栅、衍射光栅和亚波长光栅中的任何一种或多种。

14.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述发射透镜组包括在色散光学元件侧的第一透镜和在发射视场侧的第二透镜，所述第一透镜具有负光焦度，所述第二透镜具有正光焦度。

15.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述发射视场包括感兴趣区域，在所述感兴趣区域内激光探测光束进行扫描的角度分辨率高于在发射视场内在所述感兴趣区域外激光探测光束进行扫描的角度分辨率。

16.根据权利要求15所述的激光雷达设备，所述感兴趣区域通过以下方式中的至少一者来设置：

调整所述不同中心波长之间的波长间距；或

调整所述发射透镜组的参数。

17.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述接收光学模块包括透射反射组件，所述透射反射组件设置在所述发射透镜组与发射视场之间的光路上，所述透射反射组件被配置为允许来自发射透镜组的光束透射通过，以及将所述回波光束反射至所述光电探测器。

18.根据权利要求17所述的激光雷达设备，其中所述透射反射组件包括以下中的至少一者：

中心具有开孔的反射镜，所述开孔位于所述发射透镜组的焦点处；

半透半反镜；或

偏振分束器。

19.根据权利要求1所述的激光雷达设备，还包括：

可偏转反射镜，被配置为将来自所述发射透镜组的同一光束通过不同偏转朝发射视场中第二方向上的不同位置发射，其中第一方向与第二方向不同。

20.根据权利要求19所述的激光雷达设备，其中所述接收光学模块包括：

所述可偏转反射镜，所述可偏转反射镜还被配置为将来自接收视场中第二方向上的不同位置的与所述激光探测光束相关联的回波光束引导至所述接收光学模块的透射反射组件，以及

所述透射反射组件，所述透射反射组件设置在所述发射透镜组与所述可偏转反射镜之间的光路上，所述透射反射组件被配置为允许来自发射透镜组的光束透射至所述可偏转反射镜，以及将来自所述可偏转反射镜的回波光束反射至所述光电探测器。

21.根据权利要求20所述的激光雷达设备，其中所述透射反射组件包括以下中的至少一者：

中心具有开孔的反射镜，所述开孔位于所述发射透镜组的焦点处；

半透半反镜；和

偏振分束器。

22.根据权利要求1所述的激光雷达设备，其中所述相应不同位置按照所述不同中心波长的大小而顺序排列。

23.一种车辆，包括：

根据权利要求1-22所述的激光雷达设备；

机动系统；以及

车辆控制器，通信耦接到激光雷达设备和机动系统，

其中所述车辆控制器被配置为根据激光雷达设备的探测结果调整机动系统的操作。