基于液晶相控阵的固态激光雷达系统的制作方法

本发明属于激光雷达技术，具体涉及一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统。

背景技术：

随着激光的逐渐发展，激光雷达技术在在导航、地图测绘、卫星定位等领域有着广泛应用。在汽车无人驾驶领域中，激光雷达是对环境进行探测的主要传感器。

激光雷达的工作原理是按一定频率和角度发射激光，发射激光遇到障碍物折返，接收器接收从障碍物反射回来的信号，最后将发射信号和回波信号进行比较计算，可以获得障碍物的距离、位置、大小、速度等信息。

现有的普通激光雷达通常采用机械旋转部件带动激光雷达系统进行空间旋转扫描的方式进行探测，系统复杂且体积庞大、快速性、灵活性、精确性、稳定性和性价比等方面已难以满足现代装备系统的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出了一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统，包括激光发射模块、固态扫描模块、回波接收模块和计时模块，其中：

所述激光发射模块用于发射激光至固态扫描模块的液晶相控阵表面；

所述固态扫描模块用于控制入射激光的相位实现发射激光的扫描，并使激光以不同的角度向待测物体发射出去；

所述回波接收模块接收待测物体反射回来的激光；

所述计时模块分别与激光发射模块以及回波接收模块连接，用于接收激光发射时刻和回波时刻并据此计算出到待测物体的距离。

所述固态扫描模块包括液晶相控阵以及与液晶相控阵连接的控制系统。

优选地，所述激光发射模块包括激光二极管、激光驱动系统、汇聚透镜和准直透镜，所述激光驱动系统与激光二极管相连，用于驱动激光二极管发射激光，同时传输发射时间到计时模块，所述激光二极管发射的激光经过汇聚透镜汇聚后，经过准直透镜准直，然后出射到固态扫描模块中液晶相控阵表面。

优选地，所述激光二极管为雪崩二极管。

优选地，所述回波接收模块包括光电二极管、信号放大系统、回波时刻鉴别系统和汇聚透镜，所述待测物体反射回来的激光经过汇聚透镜汇聚到光电二极管接收面上，光电二极管与信号放大系统的输入端相连，信号放大系统的输出端与回波时刻鉴别系统的输入端连接，回波时刻鉴别系统的输出端与计时模块连接，所述回波时刻鉴别系统用于鉴别回波时间后，传输回波时间到计时模块。

优选地，所述回波时刻鉴别系统采用前沿阈值比较法，经过信号放大系统输出的回波脉冲输入回波时刻鉴别系统，与回波时刻鉴别系统设定的固定阈值比较，当回波脉冲的前沿上升到该固定阈值时，即认为此时刻为回波时刻，将回波时刻输出到计时模块中。

优选地，所述计时模块选用tdc-gp2进行时间间隔测量。

优选地，所述固态扫描模块为液晶空间光调制器系统lcslm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用液晶相控阵来偏转激光的传输方向，达到对待测物体进行扫描测量的目的，提高了整个装置的稳定性和使用寿命；2)本发明液晶相控阵体积小、扫描方式灵活、扫描精度高，促进装置小型化；内部器件装调工艺简化，利于产品量产和控制成本，更适合大规模商用。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为实施例1的总体结构原理框图。

图2为实施例1激光二极管发射激光入射到液晶相控阵表面的工作原理图。

图3为实施例1计时模块中计时信号的原理图。

具体实施方式

一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统，包括激光发射模块、固态扫描模块、回波接收模块和计时模块，其中：

所述激光发射模块用于发射激光至固态扫描模块的液晶相控阵表面；

所述固态扫描模块用于控制入射激光的相位实现发射激光的扫描，并使激光以不同的角度向待测物体发射出去；

所述回波接收模块接收待测物体反射回来的激光；

所述计时模块分别与激光发射模块以及回波接收模块连接，用于接收激光发射时刻和回波时刻并据此计算出到待测物体的距离。

进一步的实施例中，所述固态扫描模块包括液晶相控阵以及与液晶相控阵连接的控制系统。

进一步的实施例中，所述激光发射模块包括激光二极管、激光驱动系统、汇聚透镜和准直透镜，所述激光驱动系统与激光二极管相连，用于驱动激光二极管发射激光，同时传输发射时间到计时模块，所述激光二极管发射的激光经过汇聚透镜汇聚后，经过准直透镜准直，然后出射到固态扫描模块。

优选地，所述激光二极管为雪崩二极管。

进一步的实施例中，所述回波接收模块包括光电二极管、信号放大系统、回波时刻鉴别系统和汇聚透镜，所述待测物体反射回来的激光经过汇聚透镜汇聚到光电二极管接收面上，光电二极管与信号放大系统的输入端相连，信号放大系统的输出端与回波时刻鉴别系统的输入端连接，回波时刻鉴别系统的输出端与计时模块连接，所述回波时刻鉴别系统用于鉴别回波时间后，传输回波时间到计时模块。

进一步的实施例中，所述回波时刻鉴别系统采用前沿阈值比较法，经过信号放大系统输出的回波脉冲输入回波时刻鉴别系统，与回波时刻鉴别系统设定的固定阈值比较，当回波脉冲的前沿上升到该固定阈值时，即认为此时刻为回波时刻，将回波时刻输出到计时模块中。

进一步的实施例中，所述计时模块选用tdc-gp2进行时间间隔测量。

进一步的实施例中，所述固态扫描模块为液晶空间光调制器系统lcslm。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统，包括激光发射模块102、固态扫描模块107、回波接收模块116和计时模块101。

12v电源电压给激光发射模块102供电，使激光二极管104发出频率600hz宽度为40ns的脉冲激光，经过汇聚透镜105和准直透镜106后，出射的激光在120m远处光斑直径不大于5cm。激光二极管104选用splpl90_3型脉冲半导体激光器，产生905nm波长的红外光，对人眼安全等级为一级，峰值功率75w。

如图2所示，本实施例中，固态扫描模块107包括液晶相控阵及其控制系统108，具体选用液晶空间光调制器系统(lcslm)，液晶两端加载的电压范围是0-10v，液晶的调制深度为2π，像素数据为8位，共256个等级，能够实现的扫描范围为±3°，扫描间隔为0.1°，指向精度为0.01°。

回波接收模块116中，待测物体110表面反射回的激光111经过汇聚透镜112汇聚到光电二极管113接收面上，经信号放大系统114放大约6000倍，信号放大系统114共两级放大，都选用三极管进行放大，每级约放大80倍，回波时刻鉴别系统115采用前沿时刻阈值比较的方法判定准确的回波时刻。

本实施例中，回波时刻鉴别系统115选用max961芯片进行前沿时刻阈值比较。

如图3所示，计时模块101选用fpga控制tdc-gp2进行高速时间间隔测量，fpga提供激光发射的起始信号，并将激光二极管104发射脉冲电信号到达回波时刻鉴别系统设定的前沿阈值vth的时刻作为起始时间，将起始时间t1发送给tdc-gp2的start引脚，回波接收模块116将待测物体110表面反射回的激光111经过采集和放大后采用前沿时刻阈值比较的方法判定的回波时间t2发送给tdc-gp2的stop引脚，tdc-gp2根据spi协议，以2mbps的速率将时间差t2-t1(计时精度为65ps)发送给fpga进行计算，fpga根据飞行时间原理l＝c·(t2-t1)/2来计算障碍物的距离，其中l是障碍物距离，c是光速，然后对距离信息进行标定和修正，将修正后的距离发送给后端机电控制系统。

本实施例中公开的一种基于液晶相控阵的固态激光雷达系统在使用过程中，能够实现单点频率600hz，单行频率10hz，扫描范围120米，测距精度5cm的二维扫描，采用液晶相控阵对激光的相位进行电控编程，不需要机械旋转机构来带动激光雷达系统进行扫描，具有无磨损，体积小，扫描方式灵活等优点。