相控阵激光雷达及相控阵激光雷达控制方法与流程

本发明涉及激光探测领域，特别涉及一种相控阵激光雷达及相控阵激光雷达控制方法。

背景技术：

“雷达”是一种利用电磁波探测目标的位置的电子装置，主要用于探测目标的距离、速度、角位置等运动参数。

雷达包括很多种类，按照工作原理可以分为超声波雷达、微波雷达以及激光雷达，其中，激光雷达是利用激光光波来完成探测任务的一种雷达。现有技术中的激光雷达都需要使用机械旋转部件来实现扫描。机械旋转部件由于结构、工艺限制以及散热等其他因素，需要有一定的体积，这就使现有激光雷达的体积较大，同事，机械部件的旋转速度也不可能无限提高，这使得现有激光雷达的扫描速度也比较低。

可见，现有技术中的激光雷达体积大，扫描速度低。

技术实现要素：

本发明实施例中提供了一种相控阵激光雷达，体积小，扫描速度高。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

一方面，提供了一种相控阵激光雷达，包括：

相控阵激光发射单元，用于发射多路激光；

相控阵激光接收单元，用于接收由目标物体反射的多路激光回波；

回波采样单元，用于采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；

控制单元，分别与所述相控阵激光发射单元、激光相控阵接受单元以及回波采样单元连接，用于对所述相控阵激光发射单元和相控阵激光接收单元的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；以及

输出装置，用于输出所述测量数据。

可选的，所述相控阵发射单元包括：

多个天线发射器，设置于波导管之上，用于发射多路激光；

波导管，用于传播所述多路激光；

金属线，与所述控制单元相连，用于控制相控阵发射单元的输入功率；

移相器，与所述金属线相连，用于根据温度控制多个天线发射器发射的多路激光的相位，所述移相器的温度由所述相控阵发射单元的输入功率控制。

可选的，所述天线发射器发射的多路激光的相位差由相邻两个移相器之间的距离决定。

可选的，所述波导管为硅。

可选的，所述天线发射器是铜，或者铝。

可选的，所述移相器为加杂质的硅电阻。

可选的，所述回波采样单元为模数转换回波采样单元；

所述控制单元包括波形筛选子单元以及时分复用数字信号处理子单元；

其中，所述波形筛选子单元用于从所述采样数据流中筛选出满足预设波形条件的回波并将筛选结果输出给所述时分复用数字信号处理子单元；

所述时分复用数字信号处理子单元用于根据所述筛选结果处理得的时间间隔信息并根据所述时间间隔信息确定出目标物体的距离信息。

可选的，所述控制单元还包括依次连接的接收功率评估子单元、自动功率控制子单元和激光发射控制子单元；

所述接收功率评估子单元用于根据所述波形筛选子单元的筛选结果计算回波的功率值；

所述自动功率控制子单元用于根据所述功率值计算得到功率补偿值；

所述激光发射控制子单元用于根据所述功率补偿值对所述相控阵激光发射单元的发射功率进行控制。

第二方面，提供了一种相控阵激光雷达控制方法，包括：

相控阵激光发射单元发射多路激光；

相控阵激光接收单元接收由目标物体反射的多路激光回波；

回波采样单元采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；

控制单元对所述相控阵激光发射单元和相控阵激光接收单元的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；

输出装置输出所述测量数据。

可选的，所述相控阵激光发射单元发射多路激光，包括：

多个天线发射器发射多路激光；

波导管传播所述多路激光；

金属线控制相控阵发射单元的输入功率；

移相器根据温度控制多个天线发射器发射的多路激光的相位，所述移相器的温度由所述相控阵发射单元的输入功率控制。

本发明的实施例中公开了一种相控阵激光雷达，包括：相控阵激光发射单元，用于发射多路激光；相控阵激光接收单元，用于接收由目标物体反射的多路激光回波；回波采样单元，用于采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；控制单元，分别与所述相控阵激光发射单元、激光相控阵接受单元以及回波采样单元连接，用于对所述相控阵激光发射单元和相控阵激光接收单元的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；以及输出装置，用于输出所述测量数据。本发明的相控阵激光雷达，采用了相控阵激光发射单元，相控阵激光发射单元发射的多路激光的相位由输入功率来控制，因此无需机械旋转部件，体积小；同时，其扫描速度也不会受到机械旋转部件旋转速度的限制，扫描速度更快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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所示为本发明实施例相控阵激光雷达的结构示意图；

图2所示为本发明实施例的相控阵激光发射单元的结构示意图；

图3所示为本发明实施例的相控阵激光发射单元发射激光的相位示意图；

图4所示为本发明实施例的相控阵激光发射单元的结构示意图。

具体实施方式

本发明如下实施例提供了一种相控阵激光雷达，体积小，扫描速度快。

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、完整的描述，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作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。

图1所示为本发明实施例的相控阵激光雷达的结构示意图，如图1所示，所述相控阵激光雷达包括：

相控阵激光发射单元101，用于发射多路激光；

相控阵激光接收单元102，用于接收由目标物体反射的多路激光回波；

回波采样单元103，用于采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；

控制单元104，分别与所述相控阵激光发射单元101、激光相控阵接受单元102以及回波采样单元103连接，用于对所述相控阵激光发射单元101和相控阵激光接收单元102的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；以及

输出装置105，用于输出所述测量数据。

图2所示为本发明实施例的相控阵激光发射单元的结构示意图，图2所示为一种线性相控阵激光发射器，如图2所示，相控阵激光发射单元包括：

多个天线发射器201，设置于波导管之上，用于发射多路激光；

波导管202，用于传播激光；

金属线203，与所述控制单元相连，用于控制相控阵发射单元的输入功率；

移相器204，与所述金属线相连，用于根据温度控制多个天线发射器发射的多路激光的相位，所述移相器的温度由所述相控阵发射单元的输入功率控制。

其中，天线发射器201发射的多路激光的相位差由相邻两个移相器204之间的距离决定，激光的相位如图3所示。

本发明实施例中，相控阵激光发射单元可以包含多个上述线性相控阵激光发射器，或者多个上述线性相控阵激光发射器的组合。

所述波导管202为硅；所述天线发射器201是铜，或者铝。

相控阵激光发射单元发射的多路激光的相位由输入功率来控制，发射的多路激光有多种相位，可以实现水平方向和垂直方向的全覆盖以及扫描，因此采用上述相控阵激光发射单元的相控阵激光雷达无需机械旋转部件，也无需光学聚焦和/或光学准直设备，体积较小，集成度高；同时，本发明实施例的相控阵激光雷达可以通过控制单元控制，响应速度高，也无需机械位置旋转到特定位置才可以进行扫描探测，因此不会受到机械旋转部件旋转速度的限制，扫描速度更快。此外，本发明实施例无机械旋转部件，垂直方向的角分辨率不依赖于传统的电路层级结构的角度，水平方向的角分辨率不依赖于旋转结构的旋转速度，因此可以自由控制两个方向的角度分辨率，精确度较高。

本发明实施例中，相控阵激光发射单元可以是图2所示的线性的相控阵激光发射器，或可以是平面型的相控阵激光发射器。图4所示的相控阵激光发射单元为平面型相控阵激光发射器，包括多个天线发射器401，波导管402，金属线403，移相器404，其功能单元与图2所示的线性相控阵激光发射单元中相似，在此不再赘述。

多个天线发射器301发射的多路激光的相位差由相邻两个移相器404之间的距离决定，参考图3所示，具体相位不再具体说明。

本发明实施例的相控阵激光发射单元或可以是现有技术中的相控阵激光发射器，或可以是现有技术中相控阵激光发射器的变形结构，在此不再赘述。

本发明实施例中，所述回波采样单元103为模数转换回波采样单元。

回波采样单元103用于采用时分复用方式对相控阵激光接收单元101接收到的激光回波进行采样，并生成采样数据流后输出。通过时分复用方式进行多路激光回波的采样，可以有效提高采样效率，且有利于提高测量过程的实时性。回波采样装置130的采样频率为GSPS(Gigabit Samples Per Second，即每秒千兆次采样)级，从而使得得到的采样数据流为GSPS级数据流(也可以称之为高速采样数据流)。在本实施例中，回波采集装置130为ADC采样装置(模数转换采样装置)，其采集到的数据流为600000次回波信号每秒的高速数据流。该数据流为8bit ADC量化后的数据流。

本发明实施例中，控制单元104分别与所述相控阵激光发射单元101、激光相控阵接受单元102以及回波采样单元103连接，用于对所述相控阵激光发射单元101和相控阵激光接收单元102的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；

所述控制单元104包括波形筛选子单元以及时分复用数字信号处理子单元；

其中，所述波形筛选子单元用于从所述采样数据流中筛选出满足预设波形条件的回波并将筛选结果输出给所述时分复用数字信号处理子单元；

所述时分复用数字信号处理子单元用于根据所述筛选结果处理得的时间间隔信息并根据所述时间间隔信息确定出目标物体的距离信息。

控制单元104可以通过FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)来实现。

波形筛选子单元从采样数据流中筛选出满足预设波形条件的回波。预设波形条件可以是波形的峰值、相位等参数条件。具体地，波形筛选子单元内存储有预设波形模板。因此，波形筛选子单元将采样数据流中的波形与预设波形模板进行匹配，根据匹配程度判断采样数据流中的波形是否满足预设波形条件。波形筛选子单元将包含满足预设波形条件的波形的数据点序列提取后打包发送给时分复用数字信号处理子单元。

时分复用数字信号处理子单元可以是时分复用DSP阵列，由FPGA逻辑资源和乘法器构建而成，以对筛选出的数据进行一系列的乘法及迭代运算，以得到代表距离信息的时间间隔信息。时分复用DSP阵列还会根据得到的时间间隔信息转换为距离信息后结合其他辅助信息打包发送。时间间隔信息转换为距离信息的计算公式如下：

D＝T＊Ca/2。

其中，D表示距离，Ca表示空气中光传播速度，T表示时间间隔信息，为回波和参考信号与模板相关度分别达到最大值的时刻的差值的绝对值。通过将得到的距离信息与其他辅助信息如点序列号、信道衰减值以及检验信息等进行打包发送，有利于提高数据传输过程的稳定性以及安全性。在其他的实施例中，回波采样单元103也可以集成在控制单元104内。

所述控制单元104还包括依次连接的接收功率评估子单元、自动功率控制子单元和激光发射控制子单元；

所述接收功率评估子单元用于根据所述波形筛选子单元的筛选结果计算回波的功率值；

所述自动功率控制子单元用于根据所述功率值计算得到功率补偿值；

所述激光发射控制子单元用于根据所述功率补偿值对所述相控阵激光发射单元的发射功率进行控制。

在本发明实施例中，输出装置105为输出接口，在其他的实施例中，输出装置105或可以为显示装置，直接将测量数据显示输出。

本发明实施例还公开了一种相控阵激光雷达控制方法，包括：

相控阵激光发射单元发射多路激光；

相控阵激光接收单元接收由目标物体反射的多路激光回波；

回波采样单元采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；

控制单元对所述相控阵激光发射单元和相控阵激光接收单元的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；

输出装置输出所述测量数据。

所述相控阵激光发射单元发射多路激光，包括：

多个天线发射器发射多路激光；

波导管传播所述多路激光；

金属线控制相控阵发射单元的输入功率；

移相器根据温度控制多个天线发射器发射的多路激光的相位，所述移相器的温度由所述相控阵发射单元的输入功率控制。

本发明实施例的方法，扫描速度快，分辨率高。

本发明的实施例中公开了一种相控阵激光雷达，包括：相控阵激光发射单元，用于发射多路激光；相控阵激光接收单元，用于接收由目标物体反射的多路激光回波；回波采样单元，用于采用时分复用方式对所述多路激光回波进行采样并输出采样数据流；控制单元，分别与所述相控阵激光发射单元、激光相控阵接受单元以及回波采样单元连接，用于对所述相控阵激光发射单元和相控阵激光接收单元的工作进行控制，并根据所述采样数据流确定测量数据；以及输出装置，用于输出所述测量数据。本发明实施例中，相控阵激光发射单元发射的多路激光的相位由输入功率来控制，发射的多路激光有多种相位，可以实现水平方向和垂直方向的全覆盖以及扫描，因此采用上述相控阵激光发射单元的相控阵激光雷达无需机械旋转部件，也无需光学聚焦和/或光学准直设备，体积较小，集成度高；同时，本发明实施例的相控阵激光雷达可以通过控制单元控制，响应速度高，也无需机械位置旋转到特定位置才可以进行扫描探测，因此不会受到机械旋转部件旋转速度的限制，扫描速度更快。此外，本发明实施例无机械旋转部件，垂直方向的角分辨率不依赖于传统的电路层级结构的角度，水平方向的角分辨率不依赖于旋转结构的旋转速度，因此可以自由控制两个方向的角度分辨率，精确度较高。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，通用硬件包括通用集成电路、通用CPU、通用存储器、通用元器件等，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。