多光束扫描装置及多光束扫描方法与流程

本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种多光束扫描装置及一种多光束扫描方法。

背景技术：

激光雷达使用发射激光照射目标物，通过目标物返回激光的延迟，相位或者位移来分析距离和速度信息。这是一个历史悠久的技术，近年来，随着3D打印测量，地图测绘，辅助和自动驾驶，无人机等行业的发展，也带动的激光雷达技术和应用的高速发展。

2D和3D的激光雷达可以提供立体空间的信息，目前主要的技术方案都是通过对单点激光测距仪或者多点激光测距仪的光路进行扫描来实现的，如何快速和高可靠的实现扫描成了一个技术瓶颈。

已有的扫描技术包括：

i.机械/微机械扫描，包括：（慢，可靠性差）

1.转台扫描

2.振镜扫描

3.旋转多棱镜扫描

4.MEMS镜扫描

ii.声光扫描（相当与改变衍射光栅周期实现扫描）

iii.液晶相控阵扫描（慢）

iv.波导相控阵扫描（没有成熟的元器件配套，不能大批量应用）。

鉴于现有技术中的扫描装置均具有机械运动部件，扫描广度和扫描速度均有待提高，因此克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的扫描装置成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种多光束扫描装置及一种多光束扫描方法。

本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：

一种多光束扫描装置，该装置包括：

至少一个被配置为发射不同波长的阵列激光脉冲的信号发射单元；

第一光学单元，用于对所述阵列激光脉冲依次进行准直和衍射以形成发射光束；

第二光学单元，用于对发射光束经待测目标散射或反射的光束依次进行衍射和准直，以形成返回光束；

被配置为接收不同波长的返回光束的信号接收单元；以及

距离分析单元，对返回光束进行信号分析以确定待测目标距离。

优选地，所述的信号发射单元依次包括：

被配置为能够发射不同波长激光光束的可调谐激光光源；

用于将激光光束形成激光脉冲的脉冲发生器；

用于将激光脉冲进行放大的光放大器；和

用于将激光脉冲进行分路以形成阵列激光脉冲的光分路器。

优选地，所述第一光学单元依次包括用于对阵列激光脉冲进行准直的发射透镜、和第一衍射光栅。

优选地，所述第二光学单元依次包括第二衍射光栅和用于对光束进行准直的接收透镜。

优选地，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅形成整体。

优选地，所述信号接收单元包括用于接收返回光束的光检测器、用于对光检测器接收信号进行信号处理的信号放大调理电路。

优选地，所述可调谐激光光源的数量大于等于两个，所述光检测器的数量大于等于两个，所述光检测器与所述可调谐激光光源一一对应。

优选地，所述距离分析单元包括多个ADC或多个比较计时器或鉴相器。

优选地，该多光束扫描装置还包括一个计算控制单元，用于对可调谐激光光源的波长进行调节，用于对光放大器的放大倍数进行调节，用于触发脉冲发生器，用于根据不同波长所对应的距离获得待测目标距离与波长的关系、再结合波长与角度的关系映射出待测目标距离与角度的关系。

本发明还提供了一种多光束扫描方法，该方法包括如下步骤：

步骤a：生成第一波长的阵列激光脉冲；

步骤b：对阵列激光脉冲依次进行准直后经过衍射光栅以形成发射光束；

步骤c：将所述发射光束导向所述待测目标，并且将从所述待测目标散射或反射的光束经过衍射光栅后再进行准直以形成返回光束；

步骤d：接收所述返回光束并对返回光束进行放大和信号调理后对返回光束进行信号分析以确定待测目标距离；

步骤e：生成第i波长的阵列激光脉冲，重复步骤b至步骤d，其中，i=2,3，……，n；

步骤f：根据不同波长所对应的距离获得待测目标距离与波长的关系、再结合波长与角度的关系映射出待测目标距离与角度的关系以重构待测目标的二维空间结构。

本发明的多光束扫描装置和方法为一种基于衍射的激光雷达扫描方式，使用固定衍射光栅，通过改变激光波长来改变衍射角实现激光雷达的扫描，上述方式可以做到没有机械运动部件，扫描角度广，例如可以达到+/-4度以上，扫描速度快，例如可以超过10kHz，同时可靠性得到了很大的提升。

附图说明

图1是本发明实施例的多光束扫描装置第一优选方式的结构框图。

图2是本发明实施例的多光束扫描装置第二优选方式的结构框图。

图3是本发明实施例多光束扫描装置原理图。

图4是本发明实施例多光束扫描装置原理图。

图5是本发明实施例中波长与衍射角度变化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的发明有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

图1示出了一种多光束扫描装置，包括：信号发射单元10、第一光学单元201、第二光学单元202、信号接收单元30和距离分析单元40。其中，信号发射单元10被配置为发射不同波长的阵列激光脉冲；第一光学单元201用于对所述阵列激光脉冲依次进行准直和衍射以形成发射光束；第二光学单元202用于对发射光束经待测目标散射或反射的光束依次进行衍射和准直，以形成返回光束；信号接收单元30被配置为接收不同波长的返回光束；距离分析单元40对返回光束进行信号分析以确定待测目标距离。

在第一个优选实施方式中，信号发射单元10进一步地依次包括：可调谐激光光源101、脉冲发生器102、光放大器103和光分路器104，其中，可调谐激光光源101被配置为能够发射不同波长激光光束；脉冲发生器102用于将激光光束形成激光脉冲；光放大器103用于将激光脉冲进行放大；光分路器104用于将激光脉冲进行分路以形成阵列激光脉冲。第一光学单元201依次包括用于对阵列激光脉冲进行准直的发射透镜2011、和第一衍射光栅2012。第二光学单元202依次包括第二衍射光栅2021和用于对光束进行准直的接收透镜2022。信号接收单元30包括用于接收返回光束的光检测器301、用于对光检测器301接收信号进行信号处理的信号放大调理电路302。光检测器301为光电转换元件，可以是PD、PIN、APD或光电倍增管等。

本发明实施例的多光束扫描装置为一种基于衍射的激光雷达扫描方式，使用反射光栅或者体光栅等衍射元件，通过改变激光波长来改变衍射角实现激光雷达的扫描；请参阅图3和图4所示，在接收光路中也安置衍射光栅，使发射的光回到固定的探测器上。这一方式可以做到没有机械运动部件，同时扫描角度可以达到+/-4度以上，扫描速度超过10kHz。

在第二个优选实施方式中，第一衍射光栅2012和第二衍射光栅2021可以形成整体，即为衍射光栅60，请参阅图2所示，距离分析单元30包括多个ADC或多个比较计时器或鉴相器，该多光束扫描装置还包括一个计算控制单元50，用于对可调谐激光光源101的波长进行调节，用于对光放大器102的放大倍数进行调节，用于触发脉冲发生器103，用于根据不同波长所对应的距离获得待测目标距离与波长的关系、再结合波长与角度的关系映射出待测目标距离与角度的关系。计算控制单元50由ARM芯片、FPGA芯片、DSP芯片或者专用芯片为主芯片，带有计时或测相功能，以及数据分析能力。计算控制单元50还连接有通信接口50a。

另外，可调谐激光光源101的数量大于等于两个，相对应地，光检测器301的数量大于等于两个，所述光检测器301与所述可调谐激光光源101一一对应。

也就是说，信号发射单元10可以是使用一个或多个可调谐激光光源301的光发射单元，或者一个信号发射单元10的可调谐激光光源101通过分路器分出的多路光束的方式，发出的激光为准直的激光光束，或者多个之间有角度的激光光束。另外，信号发射单元10中可调谐激光光源101的波长可以通过通信接口或者触发信号进行更改。衍射光栅包括但不限于反射光栅，体光栅等衍射光学元件，以及其他光栅和反射镜，透镜的组合体。衍射光栅可以是发射和接收各用一组光栅，也可以是发射和接收共用一组光栅。计算控制单元50发出触发信号，触发激光发射，同时触发接收单元30开始接收，或者计算控制单元50触发激光发射，发射单元10触发接收单元30开始接收。接收单元30将数据送入计算控制单元50，计算待测目标的距离。通信接口50a通过有线或者无线方式的将设备和其他设备进行连接。

衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件，有反射光栅，透射相位光栅等各种形式，但物理机理基本一致，其色散都可用以下方程表示：

d*(sinθ+sinφ ) = mλ 式（1）

式中θ为入射角，φ为衍射角，λ为波长，m为衍射级次。

可以看到，改变波长，衍射角就会改变。为更直观的看到两者之间的关系，可以对式(1)式微分：

dλ/dφ = d*cosφ/m 式（2）

由于d*cosφ/m是一个常数，也就是说，衍射角和波长在小范围内是线性的关系，波长变化，衍射角相应变化。

在用于激光雷达的情况下，衍射角度的变化很大，不能用式（2）来计算，而应该对公式（1）进行变形，具体如下：

(φ1–φ2) = asin(m*(λ1-λ2)/d) 式（3）

以m=1，d=0.82μm，λ=1550nm附近，θ=85度为例，请参阅图5所示，横轴是波长，纵轴是衍射角度，波长变化100nm，角度变化了接近20度。

应用本实施例的装置进行多光束扫描的方法包括如下步骤：

步骤a：生成第一波长的阵列激光脉冲；

步骤b：对阵列激光脉冲依次进行准直后经过衍射光栅以形成发射光束；

步骤c：将所述发射光束导向所述待测目标，并且将从所述待测目标散射或反射的光束经过衍射光栅后再进行准直以形成返回光束；

步骤d：接收所述返回光束并对返回光束进行放大和信号调理后对返回光束进行信号分析以确定待测目标距离；

步骤e：生成第i波长的阵列激光脉冲，重复步骤b至步骤d，其中，i=2,3，……，n；

步骤f：根据不同波长所对应的距离获得待测目标距离与波长的关系、再结合波长与角度的关系映射出待测目标距离与角度的关系以重构待测目标的二维空间结构。

其中，重复步骤b至步骤d的测试，就可以获得目标物距离和波长的关系，再根据波长和角度的关系映射出目标物距离和角度的关系，重构出二维的空间结构；重构的二维空间结构通过通信结构送出给需要二维空间结构的系统。

具体地，请参阅图2所示，计算控制单元50设定可调谐激光光源的波长，设定光放大器的倍数，触发脉冲发生器，形成激光脉冲，激光脉冲被光纤放大器放大为测距的激光脉冲。激光脉冲通过光分路器分为多路，比如4路，8路，32路等；多路光相当于阵列的激光光源，通过透镜准直发射，多路光之间存在夹角，形成多线发射。准直后的光入射到衍射光栅，出射时角度发生变化，出射的角度与入射的波长存在对应关系。出射光束遇到目标之后，发生散射或者反射，重新返回，入射到接收透镜前的衍射光栅。接收透镜前的衍射光栅可以使不同波长的光以同一角度返回入射到接收透镜上。接收透镜将因波长而偏向不同角度的光束汇聚在同一探测器上，比如同一个PD，APD或者光电倍增管等光探测器；同时，多个激光光源发出然后返回的光，会回到不同的探测器上，接收到多线的信号；多线的信号被电路放大，调理为合适的信号，经距离分析模块40（ADC采集或者经比较器）比较后触发专用的计时芯片，得到飞行时间；ADC的信号或者飞行时间信号被送入计算控制单元50，经过相关算法，滤波算法等，得到更为准确的飞行时间，并经时间换算为某一波长测试到的距离。更换波长，重复以上步骤可以得到多个波长对应的目标物距离信息，因波长和衍射角度存在固定的对应关系，就可以得到多线的角度和距离信息，这就是需要的3D雷达信息；这一信息可以直接经通信接口传输到外部；在需要的情况下，计算控制单元50也可以通过聚类算法等，由多线的3D雷达信息分析出多个目标物，目标物大小及对应的3D角度信息，通过通信接口传输到外部。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。