CN220019883U - 一种车载多波长混沌激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种车载多波长混沌激光雷达，包括壳体、激光发射模块、激光接收模块和控制模块；激光发射模块包括激光巴条、快轴准直镜、慢轴准直镜、功率反射镜、分光片、色散光栅、机械驱动模块和汇聚透镜；激光巴条发出的激光依次进入快轴准直镜和慢轴准直镜进行准直；接着射到功率反射镜上，部分光线反射回到激光腔内，产生混沌激光；部分混沌激光穿过功率反射镜后进入分光片内，最终汇聚在色散光栅上,再将激光以不同的发射角发射出去；激光接收模块包括滤光片，准直透镜，光电探测器以及信号处理模块；通过利用了混沌激光的波长输出特性和工作稳定性，解决了激光雷达在复杂的道路交通中同频段的电磁干扰的问题。

Description

一种车载多波长混沌激光雷达

技术领域

本实用新型涉及车载激光雷达感知技术领域，具体涉及一种车载多波长混沌激光雷达。

背景技术

目前，现代工业对机器智能的需求日益增多，各种自动化产品向方便、安全、高效、高精度、小型化的方向发展。激光雷达产品作为一种可靠的光电传感器在蔽障、测量、航空航天等诸多领域得到广泛应用。

激光雷达包括发射系统和接收系统，接收系统通常包括用于检测被测物体散射回光(反射回光)的APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)。激光雷达的工作原理如下：通过发射系统发射激光束至被测物体，通过接收系统接收被测物体散射回光，通过计算发射与接收之间的时间差得到被测物体距雷达的距离。

随着自动驾驶概念的兴起，激光雷达的研究愈发得到重视，目前使用的主流激光雷达的波段是905nm，或者是1550nm，很容易产生雷达同频干扰的问题，从而会严重的影响目标的识别与检测，目前所使用的混沌激光雷达能够很好解决同频干扰问题。采用自相关运算，可以获得毫米级的距离分辨率。

当前的车载激光雷达，其光源基本由单个激光器，单波长进行分束，互相串扰很严重。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种车载多波长混沌激光雷达，所述车载多波长混沌激光雷达利用了混沌激光的波长输出特性和工作稳定性，解决了激光雷达在复杂的道路交通中同频段的电磁干扰的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案是：

一种车载多波长混沌激光雷达，包括壳体、设置在壳体上的激光发射模块、激光接收模块以及控制模块，其中，

所述激光发射模块包括激光巴条、快轴准直镜、慢轴准直镜、功率反射镜、分光片、色散光栅、机械驱动模块和汇聚透镜，其中，所述激光巴条上设置有多组发光单元；每组发光单元产生的激光的波长均不相等；自所述激光巴条发出的激光先进入所述快轴准直镜进行准直，出来后再进入所述慢轴准直镜进行准直；完成准直后的激光射到所述功率反射镜上，其中的部分激光反射回到激光腔内，产生混沌激光；产生的部分混沌激光穿过所述功率反射镜后进入所述分光片内，出来后再穿过所述汇聚透镜汇聚在所述色散光栅上；所述机械驱动模块用于带动所述色散光栅进行周期往返运动以扫描周围物体；

所述激光接收模块包括滤光片、准直透镜、光电探测器以及信号处理模块，其中，反射回来的激光信号依次经过所述滤光片、所述准直透镜后汇聚在所述光电探测器上；所述信号处理模块用于对所述光电探测器的电信号进行滤波和放大，并将信号传输至所述控制模块中，该信号处理模块包括滤波电路模块和放大电路模块。

优选的，所述光电探测器为两组，分别为第一光电探测器和第二光电探测器。

优选的，所述激光巴条上设置有32个发光单元，其中，第一个发光单元的中心波长为1484nm，第二个发光单元的中心波长为1485nm，第三个发光单元的中心波长1486nm，以此类推，下一个发光单元的中心波长比上一个发光单元的中心波长多1nm。

优选的，所述发光单元为DFB激光芯片。

优选的，所述分光片的反射透射比为1:9。

优选的，所述激光发射模块还包括光电探测器阵列，所述光电探测器阵列是由32个光电探测器线性排列来的，其探测波长范围为1000-1700nm；部分混沌激光透过所述功率反射镜打到所述分光片上，透过所述分光片的混沌激光经过所述汇聚透镜汇聚到所述色散光栅上；而部分混沌激光则被所述功率反射镜反射到所述光电探测器阵列上，所述光电探测器阵列将接收到的参考电信号传输到控制模块。

优选的，所述控制模块包括雷达系统主板以及设置在所述雷达系统主板上的系统驱动模块。

优选的，还包括数据交互模块，所述数据交互模块包括设置在所述雷达系统主板上的用于实现数据传输和供电的雷达数据传输口。

优选的，所述激光发射模块内还设置有用于对所述激光巴条进行降温的散热模块。

与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)、本实用新型的车载多波长混沌激光雷达利用了混沌激光的波长输出特性和工作稳定性，解决了激光雷达在复杂的道路交通中同频段的电磁干扰的问题。

(2)、本实用新型的车载多波长混沌激光雷达所使用的激光巴条能够产生多个独立的激光光源，其独立的激光光源在光反馈条件下依旧能够产生多路混沌且相间的光源，从而保证获取多路通道信息，且相邻信号传输过程中不会发生串扰。

附图说明

图1为本实用新型的车载多波长混沌激光雷达的系统框架图。

图2为激光发射模块的结构示意图。

图3为激光接收模块的结构示意图。

图4为控制模块的结构示意图。

图5为数据交互模块的结构示意图。

图6为激光雷达的实物图，

图中：

激光发射模块100：激光巴条101，快轴准直镜102，慢轴准直镜103，20％功率反射镜104，分光片105，色散光栅106，机械驱动模块107，光电探测器阵列108，汇聚透镜109；

激光接收模块200：滤光片201，准直透镜202，第一光电探测器203和第二光电探测器204，信号处理模块205。

控制模块300：激光驱动模块301，波形处理模块302，信号处理模块303，点云生成模块304，雷达系统主板305，散热TEC模块306。

数据交互模块400：数据交互口一401，数据交互口二402，电源接口403。

金属外壳501。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1为本实用新型的车载多波长混沌激光雷达的系统框架图；其中，本实用新型的车载多波长混沌激光雷达包括激光发射模块100、激光接收模块200、控制模块300和数据交互模块400；其中，所述激光发射模块100用于产生混沌激光；所述激光接收模块200用于接收反馈回来的激光信号；所述控制模块300用于实现对激光发射模块100，激光接收模块200以及数据交互模块400中的相关功能模块进行控制；同时对接收到的激光信号与原始信号进行处理，并将得到的结果传输到数据交互模块400中，所述数据交互模块400中的数据交互口一401和数据交互口二402与车辆或者是电脑进行传输。

图2是激光发射模块100的结构简图；其中，所述激光发射模块100包括激光巴条101、快轴准直镜102、慢轴准直镜103、20％功率反射镜104、分光片105、色散光栅106、机械驱动模块107、光电探测器阵列108和汇聚透镜109。

参见图2，所述激光巴条101称为mini-bar，共计32个发光单元(即采用DFB激光芯片)，第一个发光单元的中心波长为1484nm，第二个发光单元的中心波长为1485nm，第三个发光单元的中心波长1486nm，以此类推，下一个发光单元的中心波长比上一个发光单元的中心波长多1nm；发射出的混沌激光带宽3Ghz，各个发光单元互不干涉，单个发光单元的长度在500um，总长1cm；激光器远场光束分布快轴半角为35°，慢轴出光口半角为5°，慢轴发光宽度为100um，快轴发光宽度为2um。

且由于所述激光巴条101产生的热量很大，需要传导冷却散热，因此将其连接到散热TEC散热模块306上。

参见图2，所述快轴准直透镜102与慢轴准直透镜103，由于对单个透镜单元的直径和焦距有着严格的要求，在所述激光巴条101中的相邻激光发生串扰之前，需要入射至快轴准直透镜102与慢轴准直透镜103内进行调直；若令两个发光单元的间距为x，快轴半角为a，慢轴半角为b，所述的快轴准直透镜102与所述激光巴条101的距离为y1，所述的慢轴准直透镜103与所述激光巴条101的距离为y2，那么可知所述激光巴条101距离所述快轴准直透镜102的距离距离所述慢轴准直透镜103的距离/>

参见图2，激光透过20％功率反射镜104打到分光片105上，分光片105的反射透射比为1:9，透过的光束经过所述汇聚透镜109汇聚到所述色散光栅106上，而经过所述20％功率反射镜104反射的光束则被所述光电探测器阵列108所接收，其中，所述光电探测器阵列108是由32个光电探测器线性排列来的，其探测波长范围为1000-1700nm；所述光电探测器的信号接收带宽为500M，并将将接收到的参考电信号传输到控制模块300。

参见图2，所述色散光栅106，其功能是利用不同波长的激光在光栅表面的光程差不同，使得出射激光的出射角呈大小现出一种阶梯性的排列。按照波长在空间分离，进而得到一维方向上不同出射角的激光光束，该色散光栅106出射的一维激光光束与所述机械驱动模块107搭配实现二维周期扫描，其驱动产生的角度信息传输到控制模块300中。

参见图2，光线从所述激光巴条101出射后，呈现出椭圆形的光锥，发射出的激光先进行垂直腔面的快轴准直镜102进行准直，然后对另外一个角度的慢轴准直镜103进行准直，当激光光束准直完毕后，该激光光束近似为圆柱形光束，然后打到20％功率反射镜104上，部分激光光束反射回到激光腔内，产生混沌激光。由于空间光可逆的特性，根据光反馈产生混沌的机理，只需用相同波长的激光进入激光腔内，才可以产生混沌激光，其表现在光谱展宽，频率展宽，强度幅值发生波动，利用混沌激光输出强度时序表现为随机起伏，形成随机信号，利用互相关算法可以测算距离。利用20％功率反射镜104产生的光反馈混沌；其频率会展宽至7Ghz。部分混沌激光透过20％功率反射镜104，且由于激光巴条101上的32路光通道相互独立，因此打到分光板105上，最后汇聚在色散光栅106上，机械驱动模块107带动色散光栅进行周期往返运动，扫描周围物体。

图3中，所述激光接收模块200，用于接收物体所反射出来的光线信息，以下称之为探测信号，如箭头所示，光线穿过滤光片201，所述滤光片201用于过滤掉其他杂散光线，减少干扰，探测信号接着经过准直透镜202，最终汇聚在第一光电探测器203和第二光电探测器204上，所述第一光电探测器203和第二光电探测器204为参数一致的探测器；当激光发射模块100进行扫描的时候，探测信号也会从不同角度进入第一光电探测器203和第二光电探测器204中。第一光电探测器203和第二光电探测器204并列能够组合成更大的感光面积，扫描系统可以发射更大角度的探测信号，接收则需要更大感光面积的探测器，这样并列组合可以接收全部的探测信号。信号处理模块205对所述第一光电探测器203和所述第二光电探测器204的电信号再进行一次滤波和放大，然后再将信号传输至控制模块300中。

图4中，所述控制模块300包括系统驱动模块301，所述系统驱动模块301用于控制所述激光巴条101的偏置电流，控制散热TEC模块306的温度、以及控制机械驱动模块107的转动。

图4中，所述控制模块300还设置有用于对激光接收模块200的探测信号进行互相关处理的波形处理模块302，具体实现方式是接收到32路的探测信号，探测信号与光电探测器阵列108得到参考信号进行互相关算法处理，得到每一路通道距离的信息。再进入信息处理模块303进行信息处理，与机械驱动模块107传输的角度信息，计时器数据，所有数据通过数据点云模块304形成点云数据，以识别物体。雷达系统主板305在不同负载情况下，温度也会随之变化，利用散热TEC模块306可以将发光单元产生的热量导入金属外壳501中。

图5中，所述数据交互模块400是安装在雷达系统主板305上的接口，分别有数据交互接口一401和数据交互接口二402，据交互接口一401采用行业标准的雷达数据传输口，与车辆系统进行连接，数据传输和供电。数据交互接口二402预留数据口，可以与其他设备进行数据互联。在单独设备采样，且不需要不进行互联时，只需要给电源接口403供电，可以自行记录当前环境信息，并将数据储存在设备中。

上述为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，包括壳体、设置在壳体上的激光发射模块、激光接收模块以及控制模块，其中，

所述激光发射模块包括激光巴条、快轴准直镜、慢轴准直镜、功率反射镜、分光片、色散光栅、机械驱动模块和汇聚透镜，其中，所述激光巴条上设置有多组发光单元；每组发光单元产生的激光的波长均不相等；自所述激光巴条发出的激光先进入所述快轴准直镜进行准直，出来后再进入所述慢轴准直镜进行准直；完成准直后的激光射到所述功率反射镜上，其中的部分激光反射回到激光腔内，产生混沌激光；产生的部分混沌激光穿过所述功率反射镜后进入所述分光片内，出来后再穿过所述汇聚透镜汇聚在所述色散光栅上；所述机械驱动模块用于带动所述色散光栅进行周期往返运动以扫描周围物体；

所述激光接收模块包括滤光片、准直透镜、光电探测器以及信号处理模块，其中，反射回来的激光信号依次经过所述滤光片、所述准直透镜后汇聚在所述光电探测器上；所述信号处理模块用于对所述光电探测器的电信号进行滤波和放大，并将信号传输至所述控制模块中，该信号处理模块包括滤波电路模块和放大电路模块。

2.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述光电探测器为两组，分别为第一光电探测器和第二光电探测器。

3.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述激光巴条上设置有32个发光单元，其中，第一个发光单元的中心波长为1484nm，第二个发光单元的中心波长为1485nm，第三个发光单元的中心波长1486nm，以此类推，下一个发光单元的中心波长比上一个发光单元的中心波长多1nm。

4.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述发光单元为DFB激光芯片。

5.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述分光片的反射透射比为1:9。

6.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块还包括光电探测器阵列，所述光电探测器阵列是由32个光电探测器线性排列来的，其探测波长范围为1000-1700nm；部分混沌激光透过所述功率反射镜打到所述分光片上，透过所述分光片的混沌激光经过所述汇聚透镜汇聚到所述色散光栅上；而部分混沌激光则被所述功率反射镜反射到所述光电探测器阵列上，所述光电探测器阵列将接收到的参考电信号传输到控制模块。

7.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述控制模块包括雷达系统主板以及设置在所述雷达系统主板上的系统驱动模块。

8.根据权利要求7所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，还包括数据交互模块，所述数据交互模块包括设置在所述雷达系统主板上的用于实现数据传输和供电的雷达数据传输口。

9.根据权利要求1所述的车载多波长混沌激光雷达，其特征在于，所述激光发射模块内还设置有用于对所述激光巴条进行降温的散热模块。