多波长阵列激光雷达的制作方法

本申请是2015年5月7日提交的美国临时申请No.62/158,290的非临时申请，其公开内容通过参考全文引入本文。

技术领域

本发明涉及多波长阵列激光雷达。

背景技术：

激光雷达，可以称为光雷达或激光器阵列光检测和测距装置，通常指的是在目标处发射光且接收并处理得到的反射光。激光器阵列可以在阵列激光雷达系统中使用，以从比单个激光器可能的视场更宽的视场获得反射光。在当前阵列激光雷达系统中，阵列的所有激光器以相同的波长发射光。在接收器侧，带通滤波器通常用于滤波所接收的反射光且阻止尽可能多的太阳光和其它干扰光，以增加信号-噪音比（SNR）。每个激光器得到的反射光在带通滤波器处的入射角度不相同。由于带通滤波器展现角度-波长相关性，这意味着不同接收的反射光（以相同波长以不同角度发射且以不同入射角度接收）并不以相同波长通过带通滤波器。而是，对于以较高的入射角度接收的反射光，较低的波长通过带通滤波器。因而，期望提供利于以相同波长（或者非常窄的波长带）接收反射光而与入射角度无关的阵列激光雷达系统。

技术实现要素：

根据示例性实施例，一种设计阵列激光雷达系统的方法包括：以阵列设置多个激光器以发射相应多个光束；设置透镜以便以相应多个角度分散所述多个光束；设置带通滤波器，以便滤波由于由所述多个激光器以相应多个发射角度发射的所述多个光束得到的以相应多个入射角度接收的多个反射光；以及基于所述相应多个发射角度选择所述多个光束中的每个的发射波长，以确保所述多个反射光中的每个的接收波长处于比发射波长范围更窄的范围内。

根据另一个示例性实施例，一种多波长阵列激光雷达系统包括：以阵列设置的多个激光器，所述多个激光器配置成以相应多个发射角度和相应发射波长发射相应多个光束；以及带通滤波器，所述带通滤波器配置成滤波由于以所述多个发射角度发射的所述多个光束引起的以多个入射角度接收的多个反射光，其中，所述多个激光器中的每个的发射波长基于所述相应多个发射角度选择，以确保所述多个反射光中的每个的接收波长处于比发射波长范围更窄的范围内。

方案1. 一种设计阵列激光雷达系统的方法，所述方法包括：

以阵列设置多个激光器以发射相应多个光束；

设置透镜以便以相应多个角度分散所述多个光束；

设置带通滤波器，以便滤波由于由所述多个激光器以相应多个发射角度发射的所述多个光束得到的以相应多个入射角度接收的多个反射光；以及

基于所述相应多个发射角度选择所述多个光束中的每个的发射波长，以确保所述多个反射光中的每个的接收波长处于比发射波长范围更窄的范围内。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，选择发射波长包括：对于所述多个激光器中距阵列中心更远的激光器选择更低的发射波长。

方案3. 根据方案2所述的方法，其中，选择发射波长包括根据距阵列中心的径向距离将所述多个激光器分组且对于所述多个激光器中距阵列中心的径向距离预定范围内的激光器选择相同的发射波长。

方案4. 根据方案1所述的方法，还包括：根据如下公式确定所述相应多个发射角度中的每个：

，其中：

α是发射角度，d是从阵列中心到所述多个激光器中的相应激光器的距离，f是透镜的焦距。

方案5. 根据方案4所述的方法，其中，选择所述多个光束中的每个的发射波长包括：对于所述多个激光器中的激光器基于相应发射角度更大而选择更低的波长。

方案6. 根据方案1所述的方法，其中，选择发射波长基于所述多个反射光中的每个的接收波长，通过如下公式给出：

，其中：

对于所述多个反射光中的每个反射光，是与所述多个入射角度中的0度入射角度有关的接收波长，是带通滤波器周围的介质的折射率，是带通滤波器的有效折射率，φ是所述多个入射角度中的入射角度，与所述多个反射光中的反射光有关。

方案7. 根据方案6所述的方法，其中，选择发射波长包括找到的值以获得期望。

方案8. 一种多波长阵列激光雷达系统，包括：

以阵列设置的多个激光器，所述多个激光器配置成以相应多个发射角度和相应发射波长发射相应多个光束；以及

带通滤波器，所述带通滤波器配置成滤波由于以所述多个发射角度发射的所述多个光束引起的以多个入射角度接收的多个反射光，其中，所述多个激光器中的每个的发射波长基于所述相应多个发射角度选择，以确保所述多个反射光中的每个的接收波长处于比发射波长范围更窄的范围内。

方案9. 根据方案8所述的系统，其中，所述多个激光器中距阵列中心更远的激光器的发射波长比所述多个激光器中距阵列中心更近的激光器的发射波长更低。

方案10. 根据方案9所述的系统，其中，所述多个激光器中距阵列中心的径向距离范围内的激光器的发射波长是相同的波长。

方案11. 根据方案8所述的系统，其中，所述相应多个发射角度中的每个根据如下公式给出：

，其中：

α是发射角度，d是从阵列中心到所述多个激光器中的相应激光器的距离，f是阵列的透镜的焦距。

方案12. 根据方案11所述的系统，其中，所述多个激光器中的激光器的发射波长基于相应发射角度更大而更低。

方案13. 根据方案8所述的系统，其中，所述多个反射光中的每个的接收波长通过如下公式给出：

，其中：

对于所述多个反射光中的每个反射光，是与所述多个入射角度中的0度入射角度有关的接收波长，是带通滤波器周围的介质的折射率，是带通滤波器的有效折射率，φ是所述多个入射角度中的入射角度，与所述多个反射光中的反射光有关。

根据当结合附图时对本发明的以下详细描述，本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将容易清楚。

附图说明

在实施例的以下详细描述中，其他特征、优点和细节仅以示例的方式出现，所述详细描述参考附图，在附图中：

图1是根据实施例的阵列激光雷达系统的框图；

图2示出了根据实施例的用于确定发射波长的角度；

图3示出了根据实施例的示例性发射波长值；和

图4示出了根据实施例的阵列激光雷达和根据距离范围的对应发射波长范围。

具体实施方式

如上所述，带通滤波器通常在阵列激光雷达系统的接收器侧的输入端处使用。带通滤波器设计成使得与激光器发射有关的波长通过但是阻止其它波长通过。由于太阳光处于所有波长，带通滤波器的通频带越宽，越多的太阳光通过。因而，从阻止太阳光以增加所接收反射光的信号-噪音比的角度来说，期望带通滤波器的尽可能窄的通频带。另一方面，带通滤波器的通频带必须足够宽以涵盖由发射激光束引起的所有反射光的波长。在典型阵列激光雷达系统的情况下，激光器均以大约相同的波长发射。然而，由于带通滤波器展现角度-波长相关性，处于所有不同入射角度的所有反射光并不以大约相同的波长通过带通滤波器。而是，即使所有发射信号处于相同波长，处于0度（垂直）之外的入射角度的接收反射光以与垂直于带通滤波器界面的接收反射光相比显著不同的波长通过。因而，从接收由激光器发射引起的所有反射光的角度来说，期望带通滤波器所需要那么宽的通频带。本文详细描述的系统和方法的实施例涉及根据需要调节发射波长，以允许使用带通滤波器的窄通频带。所述实施例解决了现有阵列激光雷达系统的对立兴趣：为了太阳光滤波而减少带通滤波器的通频带且为了接收所有反射光而增加通频带。

图1是根据实施例的阵列激光雷达系统100的框图。阵列激光雷达110包括激光器111的阵列。每个激光器111可以是垂直腔面发射激光器（VCSEL）。VCSEL是基于半导体的激光器二极管，从其顶表面垂直地发射光束，如图所示。由每个激光器111（例如，VCSEL）发射的激光束112形成视场。阵列激光雷达110的视场中的目标115a-115c（总的表示为115）引起在带通滤波器（BPF）120处接收的反射光116。阵列激光雷达系统100的接收侧的视场117中的反射光116由BPF 120滤波且通过透镜125聚焦到雪崩光电二极管（APD）135，其将接收的已滤波光转换为电信号。该电信号提供给处理系统130。处理系统130可以产生最终作为激光束112发射的信号。所产生的信号可以在到达阵列激光雷达110之前通过调幅器105。如图1所示，来自于太阳140的光可能影响从目标115的反射光116。

如图1所示，各个反射光116相对于BPF 120具有不同的入射角度。由于BPF 120的角度-波长相关性，以几乎相同的波长发射的激光束112将基于其对BPF 120的特定入射角度而在BPF 120处展现不同的波长。为了捕获所有那些反射光116，BPF 120的通频带将必须充分宽。然而，较宽的通频带的结果可能是与太阳光有关的反射光116的波长也可以通过且可能降低SNR。根据本文的实施例，激光束112并不全部以几乎相同的波长发射。而是，在发射期间考虑所述角度以便使得不同入射角度的反射光116的波长几乎相同或者在窄频带内。这利于BPF 120的窄通频带，导致更少的与太阳光有关的波长通过BPF 120。由于可以使用窄的BPF 120，对太阳光敏感的单光子雪崩检测器（SPAD）可以用作雪崩光电二极管135。雪崩检测器包括内部放大器且比也用作光检测器的针孔二极管更敏感。增加的敏感性可以使得雪崩检测器还由于太阳光或其它环境光而易于饱和。根据本文的实施例，通过采用BPF 120解决（滤除）太阳光和其它环境光，比雪崩检测器敏感很多的SPAD可以用作雪崩光电二极管135。为了利于BPF 120的窄通频带，阵列激光雷达的不同激光器111必须发射的波长可以如下文详细描述那样定量地确定。根据可选实施例，可以替代采用形式自由的光学设计。即，波长可以总体上基于发射角度选择，根据以较高角度发射的激光束112（导致较高的反射光116的入射角度）应当以比以较低角度发射的激光束112更低的波长发射，以便使得所有反射光116在窄的波长范围内。

每个发射的激光束112的波长可以基于以下公式定量地选择：

[EQ. 1]

在EQ.1中，φ是入射角度，是该入射角度的波长，是在反射光116的入射角度φ为0度时BPF 120处的波长。BPF 120周围的介质的折射率表示为，BPF 120的有效折射率固定，且基于BPF 120的薄膜材料。即，EQ.1表示基于发射波长（）和入射角度φ在BPF 120处得到的波长（）。虽然入射角度φ根据阵列激光雷达110内的每个激光器111的位置固定，但是发射波长（）可以调节以确保在BPF 120处的接收波长（）的值在期望范围内。因此，为了使用EQ.1来确定每个激光器111的发射波长（），必须确定与每个激光器111有关的入射角度φ。这参考图2讨论。

图2示出了根据实施例的用于确定发射波长的角度。发射激光束112的角度α220（相对于垂直于阵列激光雷达110的横截面的线）也是得到的反射光116的入射角度φ，且给出如下：

[EQ. 2]

在EQ.2中，d是从阵列激光雷达110的给定激光器111到激光雷达阵列110的中心（在此处，发射将垂直于激光雷达阵列110的横截面）的距离230。同样，在EQ.2中，f是激光雷达阵列110的透镜的焦距210，且总体上在图2中表示。

图3示出了根据实施例的示例性发射波长310的值。曲线图320示出了为了使得BPF 120处的反射光116的波长为常数850 nm所需的角度α220（单位，度）（在x轴上示出）和发射波长310（单位：纳米（nm））（在y轴上示出）之间的关系。在焦距210为25 mm时，曲线图320通过如下公式给出：

[EQ. 3]

曲线图330示出了为了使得BPF 120处的反射光116的波长为常数850 nm，距离230（单位，毫米（mm））（在x轴上示出）和发射波长310（在y轴上示出）之间的关系。曲线图330通过如下公式给出：

[EQ. 4]

如曲线图320和330所示，随着距离230（和因而角度α220）增加，发射波长310必须减少（从850 mm的中心波长），以便利于BPF 120处的窄通频带。图3中的值基于25 mm的焦距210。

图4示出了根据实施例的阵列激光雷达110和根据距离230范围410a-410d的对应发射波长310范围。即，距阵列激光雷达110的中心的四个径向距离230表示为230a，230b，230c和230d。示出了距离230和对应发射波长310的曲线图330再次用由对应颜色框表示的距离230a-230d示出。也示出与每个距离230a-230d相对应的发射波长310a-310d。即，在给定径向距离230a内的激光器111的发射波长310是波长310a。在径向距离230a和距离230b之间的激光器111的发射波长310是波长310b。在径向距离230b和230c之间的激光器111的发射波长310是波长310c。在径向距离230c和230d之间的激光器111的发射波长310是波长310d。因而，激光器111m将以波长310a发射，激光器111n将以波长310d发射。如参考图3所示，随着距离230增加，发射波长310减少。虽然上述示例考虑距阵列激光雷达110的中心的四个距离230a-230d，但是更粗或更细的粒度可以用于确定发射波长310。选择距离范围的粒度可以基于BPF 120的通频带的期望狭窄度。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变并且等价物可以替代其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情形或材料适于本发明的教导。因此，本发明并不旨在限于所公开的具体实施例，而本发明将包括落在本申请范围内的所有实施例。