CN113721225A - 一种调频连续波激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种调频连续波激光雷达，包括：激光发射模块、光分路器、光扩束器、拍频模块、偏振镜、1/4波片、激光扫描模块、信号处理模块和光电探测器，光分路器的输入端与激光发射模块的输出端连接；光分路器的第一输出端输出发射激光，第一光分路器的第一输出端与激光扫描模块的输入端连接；光分路器的第二输出端输出本振激光，光分路器的第二输出端与光扩束器的输入端连接；光扩束器的输出端与拍频模块的第一输入端连接；拍频模块得到拍频信号；拍频模块与光电探测器连接；信号处理模块与光电探测器连接。通过光分路器、偏振镜与1/4波片，实现了信号空间混频，有效降低了光纤的使用，减小了激光雷达的体积，拓展了适用范围。

Description

一种调频连续波激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达结构领域，尤其涉及一种调频连续波激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。激光雷达的基本工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，以此完成探测。目前被大量应用在智能驾驶的车辆上，但是由于激光雷达由于需要大量涉及到光信号的传输，需要用到大量的光纤，这导致激光雷达的体积过大，适用范围受限。

由此，目前需要有一种更好的方案来解决现有技术中的问题。

发明内容

以此，本发明实施例提出了调频连续波激光雷达，本方案中通过使用光分路器、偏振镜与1/4波片的组合设置，实现了本振光束信号与回波信号的空间混频，相较于以往采用光纤的方案，有效降低了光纤的使用量，减小了激光雷达的体积，拓展了适用范围。

具体的，本发明提出了以下具体的实施例：

本发明实施例提出了一种调频连续波激光雷达，包括：激光发射模块、光分路器、光扩束器、拍频模块、激光扫描模块、信号处理模块和光电探测器；

所述光分路器用于将一路输入光信号分为两路输出光信号，光分路器的输入端与激光发射模块的输出端连接；

所述光分路器的第一输出端输出发射激光，第一光分路器的第一输出端与激光扫描模块的输入端连接；

所述光分路器的第二输出端输出本振激光，光分路器的第二输出端与光扩束器的输入端连接；

所述光扩束器用于扩大本振激光的线束直径，光扩束器的输出端与拍频模块的第一输入端连接；

所述激光扫描模块接收来自光分路器的发射激光进行发射，并将反射激光传输至拍频模块；激光扫描模块的输出端与拍频模块的第二输入端连接；

所述拍频模块用于将激光扫描模块的反射激光与光分路器的本振激光进行拍频，得到拍频信号；拍频模块的输出端与光电探测器的输入端连接；

所述信号处理模块通过光电探测器采集拍频模块的拍频信号进行信号处理，激光扫描模块受信号处理模块的控制；信号处理模块的输入端与光电探测器的输出端连接；

所述偏振镜和所述1/4波片依次位于所述发射激光的传输路径上，使得发射激光从线偏振状态转变圆偏振状态；

所述1/4波片和所述偏振镜依次位于所述反射激光的传输路径上，使得反射激光从线偏振状态转变原偏振状态；

所述发射激光的传输方向与所述反射激光的传输方向垂直。

该实施例中，通过使用偏振镜和所述1/4波片的设置，实现了本振光束信号与回波信号的空间混频，以此，相较于以往采用光纤的方案，可以有效降低了光纤的使用量，由此，有效减小了激光雷达的体积，且简化了激光雷达的结构，拓展了激光雷达适用范围。

在一个具体的实施例中，所述的还包括光纤放大器，所述光纤放大器的输入端与光分路器的第一输出端连接，所述光纤放大器的输出端与偏振镜的一侧连接；所述光纤放大器、偏振镜和所述1/4波片依次位于所述发射激光的传输路径上。

在一个具体的实施例中，所述的拍频模块还包括分光棱镜，光电探测器的数量是2；

所述2个光电探测器分别定义为第一光电探测器和第二光电探测器；

所述分光棱镜的第一输入侧连接本振激光；

所述分光棱镜的第二输入侧连接反射激光；

所述分光棱镜的第一输出侧与第一光电探测器的输入端连接；

所述分光棱镜的第二输出侧与第二光电探测器的输入端连接；

所述第一光电探测器的输出端与信号处理模块的输入端连接；

所述第二光电探测器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

在一个具体的实施例中，所述的分光棱镜是消谐振分光棱镜。

在一个具体的实施例中，所述的调频连续波激光雷达还包括第一聚焦镜和第二聚焦镜；

所述的第一聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第一聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第一输出侧连接；

所述第一聚焦镜的输出侧与第一光电探测器的输入端连接；

所述的第二聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第二聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第二输出侧连接；

所述第二聚焦镜的输出侧与第二光电探测器的输入端连接。

在一个具体的实施例中，所述的激光发射模块包括驱动器与激光器；其中，所述驱动器连接所述激光器，以调制所述激光器的输出频率。

在一个具体的实施例中，所述激光扫描模块包括至少两个激光发射器，至少两个所述激光发射器的激光出射方向不同；

多棱镜，包括沿第一方向延伸的第一旋转轴以及围绕所述第一旋转轴的多个棱镜面；

摆镜，包括沿第二方向延伸的第二旋转轴以及与所述第二旋转轴平行的反射面；

其中，所述第二方向和所述第一方向相交；所述激光发射器和所述摆镜分别设置在所述多棱镜的所述棱镜面的入光侧和出光侧；

所述多棱镜围绕所述第一旋转轴转动，以使所述棱镜面将至少两个所述激光发射器出射的激光光束反射至所述反射面上；所述摆镜围绕所述第二旋转轴摆动，以使至少两个所述激光发射器出射的激光光束沿不同的方向出射。

在一个具体的实施例中，所述光电探测器包括P个接收器、P个放大单元和P个采样单元，所述的P是正整数；

所述接收器用于接收反射激光，并将光信号转化为电信号，P个接收器的输出端分别与P个放大单元的输入端连接；

所述放大单元用于放大电信号，P个放大单元的输出端分别与采样单元的输入端连接；

所述采样单元用于对放大单元输出的放大信号进行采样，采样数据传输至信号处理模块，P个采样单元分别与信号处理模块的输入端连接。

在一个具体的实施例中，所述信号处理模块包括：放大器、低通滤波器、模数转换模块和处理器；

所述光电探测器、所述放大器、所述低通滤波器、所述模数转换模块与所述处理器依次连接。

以此，本方案中通过使用光分路器、偏振镜和1/4波片，来进行本振光束信号与回波信号的空间混频，解决了现有技术中需要大量采用光纤进行信号传递导致体积庞大的缺陷，实现了降低光纤的使用量，有效减小了激光雷达的体积的效果，且对激光雷达的结构进行了优化，拓展了激光雷达适用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。

图1示出了本发明实施例提出的一种调频连续波激光雷达的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提出的另一种调频连续波激光雷达的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提出的再一种调频连续波激光雷达中激光扫描模块的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提出的一种调频连续波激光雷达的信号处理模块结构示意图；

图5示出了本发明实施例提出的一种调频连续波激光雷达的第三种调频连续波激光雷达的结构示意图。

图例说明：

100-激光发射模块；101-光分路器；102-光扩束器；103-拍频模块；

104-激光扫描模块；

105-光电探测器；1051-接收器；1052-放大单元；1053-采样单元；

106-信号处理模块；

107-偏振镜；108-1/4波片；109-光纤放大器；

113-放大器；114-低通滤波器；115-模数转换模块；116-处理器；

210-激光发射器；220-多棱镜；230-摆镜；21-第一方向；22-第二方向；

2100-第一旋转轴；2200-第二旋转轴；221-棱镜面；231-反射面。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，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。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，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。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

实施例1

本发明实施例1公开了一种调频连续波激光雷达，如图1所示，包括：激光发射模块100、光分路器101、光扩束器102、偏振镜107、1/4波片108、拍频模块103、激光扫描模块104、信号处理模块106和光电探测器105；

光分路器101用于将一路输入光信号分为两路输出光信号，光分路器101的输入端与激光发射模块100的输出端连接；

光分路器101的第一输出端输出发射激光，第一光分路器101的第一输出端与激光扫描模块104的输入端连接；

光分路器101的第二输出端输出本振激光，光分路器101的第二输出端与光扩束器102的输入端连接；

光扩束器102用于扩大本振激光的线束直径，光扩束器102的输出端与拍频模块103的第一输入端连接；

激光扫描模块104接收来自光分路器101的发射激光进行发射，并将反射激光传输至拍频模块103；激光扫描模块104的输出端与拍频模块103的第二输入端连接；

拍频模块103用于将激光扫描模块104的反射激光与光分路器101的本振激光进行拍频，得到拍频信号；拍频模块103的输出端与光电探测器105的输入端连接；

信号处理模块106通过光电探测器105采集拍频模块103的拍频信号进行信号处理，激光扫描模块104受信号处理模块106的控制；信号处理模块106的输入端与光电探测器105的输出端连接；

偏振镜107和1/4波片108依次位于发射激光的传输路径上，使得发射激光从线偏振状态转变原偏振状态；

1/4波片108和偏振镜107依次位于反射激光的传输路径上，使得反射激光从线偏振状态转变原偏振状态；

发射激光的传输方向与反射激光的传输方向垂直。

具体的，现有技术中的问题是使用的光纤量太大，导致体积臃肿，使得激光雷达只能适用在有限的区域，而本实施例的方案中，通过使用光分路器、偏振镜和1/4波片，来进行本振光束信号与回波信号的空间混频，以此通过光学的方式解决了现有技术中需要大量采用光纤进行信号传递导致体积庞大的缺陷，实现了降低光纤的使用量，有效减小了激光雷达的体积的效果，且对激光雷达的结构进行了优化，拓展了激光雷达适用范围。

需要说明的是，本实施例所提供的第一光分路器只需要具有将一路输入光信号分为两路输出光信号功能即可，其他具有控制输出两路以上的光分路器也可以满足上述要求。在实际操作中，对第一光分路器的型号、大小、种类不做任何限制。

具体的，本方案中，激光发射模块100产生的激光经过光分路器101分为两路输出，一路为发射激光输出至激光扫描器；另一路为本振激光输出至光扩束器102；

光扩束器102对本振激光的线束直径进行扩大后输出至拍频模块103；此外，激光扫描器在获取到发射激光后，生成反射激光也传输至拍频模块103，拍频模块103对接收的信号进行拍频得到拍频信号，并将拍频信号发送给光电探测器105，光电探测器105进行光电转换后输出给信号处理模块106进行处理，此外，信号处理模块106也可以控制激光扫描器。

具体的，激光发射模块100包括驱动器与激光器；其中，驱动器连接激光器，以调制激光器的输出频率。述激光器为产生可调波长的连续波激光束的激光发射模块100。在实际的应用中，可以选用1550nm激光器，以产生1550nm窄线宽可调波长的连续波激光束；当然也可以选用其他波长的激光器，以产生其他波长的激光束；至于驱动器，则用于产生线性三角波形状的电流，用于调制激光器的输出频率。

具体的，驱动器可以包括：激光二极管调制器、或激光电场振幅外调制器、或相位调制器。由此，对应的调制方式可以为激光二极管直接调制、或激光电场振幅外调制或通过相位调制器实行光外调制。

具体的，光扩束器102则用于扩大本振光束信号的线束直径(线束宽度)。由于反射信号的线束直径较大，为使得本振信号与反射信号更好地进行相干混频，则需对本振信号进行扩束至与反射信号的线束直径大小在预设范围内。

具体的，通过1/4波片108又称“四分之一推迟板”，通过1/4波片108，使得一定波长的光垂直入射通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。

在一个具体的实施例中，如图2所示，调频连续波激光雷达还包括光纤放大器109，光纤放大器109的输入端与光分路器101的第一输出端连接，光纤放大器109的输出端与偏振镜107的一侧连接；光纤放大器109、偏振镜107和1/4波片108依次位于发射激光的传输路径上。

具体的，通过光纤放大器109将发射信号进行强度放大和进行抑制噪声，利于后续进行信号处理。

进一步的，为了更好的进行分光处理，拍频模块103还包括分光棱镜，光电探测器105的数量是2；

2个光电探测器105分别定义为第一光电探测器和第二光电探测器；

分光棱镜的第一输入侧连接本振激光；

分光棱镜的第二输入侧连接反射激光；

分光棱镜的第一输出侧与第一光电探测器的输入端连接；

分光棱镜的第二输出侧与第二光电探测器的输入端连接；

第一光电探测器的输出端与信号处理模块106的输入端连接；

第二光电探测器的输出端与信号处理模块106的输入端连接。

具体的，分光棱镜是消谐振分光棱镜。

此外，可选的，为了更好的进行光电探测器105的光电转换，调频连续波激光雷达还包括第一聚焦镜和第二聚焦镜；

第一聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第一聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第一输出侧连接；

第一聚焦镜的输出侧与第一光电探测器105的输入端连接；

第二聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第二聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第二输出侧连接；

第二聚焦镜的输出侧与第二光电探测器的输入端连接。

具体的，具体的聚焦镜用于减小拍频信号的线束直径(线束宽度)，将拍频信号聚焦到光电探测器105上。光电探测器105为包括多个感光区域的多象限光电探测器。通过第一光电探测器与第二光电探测器中的多个子感光区域能够检测到拍频信号中的更多激光束，提升角分辨率。由于多象限光电探测器105的感光区域较小，因此需要将拍频信号聚焦到多象限光电探测器105中的多个子感光区域中。

在一个具体的实施例中，如图3所示，激光扫描模块104包括：至少两个激光发射器210，至少两个激光发射器210的激光出射方向不同；还包括：

多棱镜220，包括沿第一方向21延伸的第一旋转轴2100以及围绕第一旋转轴2100的多个棱镜面221；

摆镜230，包括沿第二方向22延伸的第二旋转轴2200以及与第二旋转轴2200平行的反射面231。

其中，第二方向22和第一方向21相交；激光发射器210和摆镜230分别设置在多棱镜220的棱镜面221的入光侧和出光侧；

多棱镜220围绕第一旋转轴2100转动，以使棱镜面221将至少两个激光发射器210出射的激光光束反射至反射面231上；摆镜230围绕第二旋转轴2200摆动，以使至少两个激光发射器210出射的激光光束沿不同的方向出射。

在一个具体的实施例中，例如第一方向为水平方向，第二方向为垂直方向；当然也可以设置第一方向为垂直方向，第二方向为水平方向。以此，基于摆镜与多棱镜两者组合实现对发射光束大视场高角度分辨扫描。

此外，出于避免干涉的考虑，控制两个激光发射器出射的激光光束沿不同的方向出射。从而实现较高的激光点云采样率的同时，能够避免干涉。

在一个具体的实施例中，如图4所示，光电探测器105包括P个接收器1051、P个放大单元1052和P个采样单元1053，P是正整数；

接收器1051用于接收反射激光，并将光信号转化为电信号，P个接收器1051的输出端分别与P个放大单元1052的输入端连接；

放大单元1052用于放大电信号，P个放大单元1052的输出端分别与采样单元1053的输入端连接；

采样单元1053用于对放大单元1052输出的放大信号进行采样，采样数据传输至信号处理模块106，P个采样单元1053分别与信号处理模块106的输入端连接。

具体的，采用多个接收器1051，其好处在于每一个接收期1051都是图像上的一个像素点，单束激光被多个接收器1051所接收，就意味着这一束激光照射覆盖的区域被更多的像素点多表征，不仅增加了激光点云的数量，还可以让目标区域的信息表现更彻底。

示例性的，如图5所示，信号处理模块106包括：放大器113、低通滤波器114、模数转换模块115和处理器116；

光电探测器105、放大器113、低通滤波器114、模数转换模块115与处理器116依次连接。

以此，本方案中通过使用偏振镜和1/4波片108，来进行本振光束信号与回波信号的空间混频，解决了现有技术中需要大量采用光纤进行信号传递导致体积庞大的缺陷，实现了降低光纤的使用量，有效减小了激光雷达的体积的效果，且对激光雷达的结构进行了优化，拓展了激光雷达适用范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图中的每个方框、以及结构图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：激光发射模块、光分路器、光扩束器、拍频模块、偏振镜、1/4波片、激光扫描模块、信号处理模块和光电探测器，

所述光分路器用于将一路输入光信号分为两路输出光信号，光分路器的输入端与激光发射模块的输出端连接；

所述光分路器的第一输出端输出发射激光，第一光分路器的第一输出端与激光扫描模块的输入端连接；

所述光分路器的第二输出端输出本振激光，光分路器的第二输出端与光扩束器的输入端连接；

所述光扩束器用于扩大本振激光的线束直径，光扩束器的输出端与拍频模块的第一输入端连接；

所述激光扫描模块接收来自光分路器的发射激光进行发射，并将反射激光传输至拍频模块；激光扫描模块的输出端与拍频模块的第二输入端连接；

所述拍频模块用于将激光扫描模块的反射激光与光分路器的本振激光进行空间拍频，得到拍频信号；拍频模块的输出端与光电探测器的输入端连接；

所述信号处理模块通过光电探测器采集拍频模块的拍频信号进行信号处理，激光扫描模块受信号处理模块的控制；信号处理模块的输入端与光电探测器的输出端连接；

所述偏振镜和所述1/4波片依次位于所述发射激光的传输路径上，使得发射激光从线偏振状态转变圆偏振状态；

所述1/4波片和所述偏振镜依次位于所述反射激光的传输路径上，使得反射激光从线偏振状态转变原偏振状态；

所述发射激光的传输方向与所述反射激光的传输方向垂直。

2.根据权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述的调频连续波激光雷达还包括光纤放大器，所述光纤放大器的输入端与光分路器的第一输出端连接，所述光纤放大器的输出端与偏振镜的一侧连接；所述光纤放大器、偏振镜和所述1/4波片依次位于所述发射激光的传输路径上。

3.根据权利要求1或2所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述的拍频模块还包括分光棱镜，光电探测器的数量是2；

2个所述光电探测器分别定义为第一光电探测器和第二光电探测器；

所述分光棱镜的第一输入侧连接本振激光；

所述分光棱镜的第二输入侧连接反射激光；

所述分光棱镜的第一输出侧与第一光电探测器的输入端连接；

所述分光棱镜的第二输出侧与第二光电探测器的输入端连接；

所述第一光电探测器的输出端与信号处理模块的输入端连接；

所述第二光电探测器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述的分光棱镜是消谐振分光棱镜。

5.根据权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述的调频连续波激光雷达还包括第一聚焦镜和第二聚焦镜；

所述的第一聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第一聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第一输出侧连接；

所述第一聚焦镜的输出侧与第一光电探测器的输入端连接；

所述的第二聚焦镜用于缩小传输激光的线束直径，第二聚焦镜的输入侧与分光棱镜的第二输出侧连接；

所述第二聚焦镜的输出侧与第二光电探测器的输入端连接。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述的激光发射模块包括驱动器与激光器；其中，所述驱动器连接所述激光器，以调制所述激光器的输出频率。

7.根据权利要求1、2、4或5所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述激光扫描模块包括至少两个激光发射器，至少两个所述激光发射器的激光出射方向不同；

多棱镜，包括沿第一方向延伸的第一旋转轴以及围绕所述第一旋转轴的多个棱镜面；

摆镜，包括沿第二方向延伸的第二旋转轴以及与所述第二旋转轴平行的反射面；

其中，所述第二方向和所述第一方向相交；所述激光发射器和所述摆镜分别设置在所述多棱镜的所述棱镜面的入光侧和出光侧；

所述多棱镜围绕所述第一旋转轴转动，以使所述棱镜面将至少两个所述激光发射器出射的激光光束反射至所述反射面上；所述摆镜围绕所述第二旋转轴摆动，以使至少两个所述激光发射器出射的激光光束沿不同的方向出射。

8.根据权利要求1、2、4或5所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光电探测器包括P个接收器、P个放大单元和P个采样单元，所述的P是正整数；

所述接收器用于接收反射激光，并将光信号转化为电信号，P个接收器的输出端分别与P个放大单元的输入端连接；

所述放大单元用于放大电信号，P个放大单元的输出端分别与采样单元的输入端连接；

所述采样单元用于对放大单元输出的放大信号进行采样，采样数据传输至信号处理模块，P个采样单元分别与信号处理模块的输入端连接。

9.根据权利要求1、2、4或5所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述信号处理模块包括：放大器、低通滤波器、模数转换模块和处理器；

所述光电探测器、所述放大器、所述低通滤波器、所述模数转换模块与所述处理器依次连接。

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