一种全固态激光雷达及其设计方法与流程

[0001]
本发明涉及激光雷达扫描领域，尤其涉及一种基于时空相干调制全固态激光雷达及其设计方法。


背景技术：

[0002]
无人驾驶技术的迅速发展使环境感知传感器成为重要的核心器件。激光雷达由于其分辨率高、抗干扰强、探测范围广、近全天候工作的优异特性，可实时绘制出车辆周边的三维环境地图，被认为无人驾驶的必需产品。
[0003]
激光雷达技术主要分为三种：机械转动激光雷达、混合式激光雷达和全固态激光雷达。机械转动式激光雷达是通过步进电机的持续旋转驱动机械旋转实现激光扫描，其成本高、寿命短，更严重的是，其内部含有大量可动部件，易受车辆振动影响而产生漂移、可靠性差、易磨损。混合式激光雷达利用微机电系统(mems)构建振镜阵列，通过驱动电路驱动mems振镜旋转实现激光扫描，其微振镜受到震动的影响会降低精度和可靠性,产生漂移、影响寿命。全固态激光雷达摒弃机械装置、利用电路驱动实现三维激光扫描，相对于机械转动激光雷达、混合式激光雷达提高了可靠性、降低了体积。
[0004]
目前全固态激光雷达仍存在扫描速度慢(10-30赫兹)、扫描角度小(100-120
°
)、角分辨率低(>0.1
°
)等缺点和不足，基于此，迫切需求一种全新的全固态高速大角度扫描激光雷达技术。


技术实现要素：

[0005]
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种全固态三维扫描激光雷达及其设计方法。
[0006]
第一方面，本发明提供了一种基于时空相干调制全固态激光雷达，所述全固态激光雷达主要由激光器、光栅、透镜和面阵探测器构成，所述激光器用于产生激光光束；所述光栅用于将激光光束分成等夹角等频率差的平行光源；所述透镜用于将平行光源聚焦成等间距等频率差的三维光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；所述面阵探测器用于探测不同扫描角度的干涉激光光束。
[0007]
可选的，所述光栅主要由等宽等间距的平行狭缝构成。
[0008]
可选的，所述激光频率、光栅的平行狭缝的周期和透镜的焦距用于控制所述各频率点的频率梯度。
[0009]
第二方面，本发明提供了一种全固态激光雷达的设计方法，所述设计方法包括：
[0010]
通过激光器产生激光光束；通过光栅用于将激光光束分成等夹角等频率差的平行光源；通过透镜用于将平行光源聚焦成等间距等频率差的三维光源阵列；
[0011]
将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；通过面阵探测器探测不同扫描角度的干涉激光
光束。
[0012]
可选的，所述设计方法还包括：
[0013]
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度。
[0014]
可选的，所述设计方法还包括：
[0015]
根据所述激光频率、光栅的平行狭缝的周期和透镜的焦距用于控制所述各频率点的频率梯度。
[0016]
可选的，所述设计方法还包括：
[0017]
根据所述激光频率、光栅的平行狭缝的周期和透镜的焦距，按照下式控制所述频率梯度：
[0018][0019]
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
[0020][0021]
其中，为频率梯度，
△
ω为相邻两个频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，p为光栅的平行狭缝的周期，f
c
为透镜的焦距，ω0为中心频率，c为光速，θ为转动扫描的角度，k0为波矢，t为时间，r为探测点与焦平面中心频率原点的距离。
[0022]
本发明实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0023]
本发明各实施例，利用激光器产生激光光束，利用光栅和透镜对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现水平和垂直方向从65
°
到-65
°
扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.02
°
，通过面阵探测器对不同扫描角度的干涉激光光束实现探测。同时，本发明各实施例提供的集成芯片完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，实现了全固态化，具有小型化、多功能的特点。
附图说明
[0024]
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，展示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
[0025]
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]
图1为本发明各个实施例提供的基于时空相干调制全固态激光雷达的一种示意图；
[0027]
图2为本发明各个实施例的等间距等频差光源的远场干涉示意图。
[0028]
图3为本发明的激光光束扫描角度和时间图。
具体实施方式
[0029]
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。
[0030]
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身没有特定的意义。因此，“模块”、“部件”或“单元”可以混合地使用。
[0031]
实施例一
[0032]
本发明实施例提供一种基于时空相干调制全固态激光雷达，所述全固态激光雷达主要由激光器、光栅、透镜和面阵探测器构成，激光器、光栅、透镜和面阵探测器依次布设，所述激光器用于产生激光光束；所述光栅用于将激光光束分成等夹角等频率差的平行光源；所述透镜用于将平行光源聚焦成等间距等频率差的三维光源阵列；将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描，所述面阵探测器用于探测不同扫描角度的干涉激光光束。
[0033]
本发明实施例提供的基于时空相干调制全固态激光雷达利用光栅和透镜对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现水平和垂直方向从65
°
到-65
°
扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.02
°
，通过面阵探测器探测不同扫描角度的干涉激光光束。同时，本发明各实施例提供的集成芯片完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，实现了全固态化，具有小型化、多功能的特点。
[0034]
在一些实施方式中，如图1所示，所述全固态高速大角度扫描激光雷达设计方案，包括光栅1和透镜2，光栅1和透镜2通过纯应力直接固定在基座3上，完全没有机械转动和传动部件。在工作过程中，激光光束照射到光栅上，被光栅分光，形成频率间隔极小并且相等的平行光源，利用透镜将平行光源转聚焦成等间距等频率差的点光源阵列，所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描，通过面阵探测器探测不同扫描角度的干涉激光光束。
[0035]
可选的，所述光栅的平行狭缝的密度为每毫米150-7500刻线，所述透镜的焦距为1-2000毫米，适用的激光光束的波长为0.4-20微米，所述面阵探测器探测角度在水平和垂直方向均为正65
°
至负65
°
，角分辨率优于0.02
°
。
[0036]
以下简述本发明实施例提供的时空相干调制激光雷达的工作原理：
[0037]
本发明实施例基于激光频率，光栅的平行狭缝的周期和透镜的焦距进行频率调控，主要由三部分组成：激光器、光栅和透镜。
[0038]
在一些实施方式中，所述光栅是由等宽度、等间距的平行狭缝构成的光学器件。光栅透光部分的宽度为a,不透光部分的宽度为b，光栅常数p＝a+b。光栅产生明条纹的条件：
[0039]
(a+b)sinα
±
(a+b)sinβ＝p(sinα
±
sinβ)＝mλ
[0040]
其中，α表示入射角，β表示衍射角，m表示级数(m＝0，
±
1，
±2…
)，λ表示入射波长。
如图1所示，当频率为ω0+nδω的光经过光栅和聚焦透镜之后，产生的明条纹在透镜的焦平面形成一系列等间距等频率差的光源阵列。
[0041]
假设频率为ω0(波矢k0，波长λ0，ω0定义为中心原点)光的一级谱线被光栅以0
°
出射而垂直入射透镜：
[0042]
p sinα＝λ0[0043]
入射角为：
[0044][0045]
当频率为ω
n
＝ω0+nδω(波矢k
n
＝k0+nδk，波长λ
n
＝2π/(k0+nδk))光入射时：
[0046][0047]
则，
[0048][0049]
当δk＜＜k0时候，
[0050][0051]
β很小的时候，
[0052][0053]
其中，y
ω0+nδω
为频点ω0+nδω到中心频点ω0的距离，f
c
为透镜焦距。
[0054]
得到两个频率点之间的间距为：
[0055][0056]
频率梯度为：
[0057][0058]
从上面公式可以看出来，当光栅常数p以及透镜焦距f
c
确定时，在透镜的焦平面形成一系列等间距等频率差的光源阵列。频率梯度δω/d可以通过光栅常数和透镜焦距控制。
[0059]
把在透镜焦平面形成的一系列等间距等频率差的频率点看做点光源，如图2所示。通过计算远场的时空干涉，每个光源的光场分布表达式为：
[0060][0061]
其中，r＝(x,y)＝(rcosθ,-rsinθ)，r为探测点与原点(中心频点ω0)的距离,θ表
示与x轴坐标的顺时针夹角，r
n
＝(0,nd)表示频率点位置。ω
n
＝ω0+nδω，k
n
＝k0+nδk，n∈[-n,n]。
[0062][0063]
当r＞＞d时,
[0064][0065]
远场中某一点的光场强度为：
[0066][0067]
则有，
[0068][0069]
对于理想的激光，能量与频率满足高斯分布，有e
n
＝e-n
：
[0070][0071]
要发生相长干涉，则同时满足振幅最大值：
[0072]
cos[l(k0dsinθ+
△
kr
-△
ωt)]＝1
[0073]
得到：
[0074][0075]
可以看出，当频率梯度确定时，干涉激光光束随时间变化而实现扫描，如图3所示。
[0076]
本发明各实施例提出了一种时空相干调制全固态三维扫描激光雷达，水平和垂直
方向从65
°
到-65
°
扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.02
°
。该全固态三维扫描激光雷达利用光栅用于将激光光束分成等夹角等频率差的平行光源；所述透镜用于将平行光源聚焦成等间距等频率差的三维光源阵列；所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描，利用面阵探测器探测不同扫描角度的干涉激光光束。该全固态三维扫描激光雷达不仅完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，实现了全固态化，具有小型化、多功能的特点。
[0077]
实施例二
[0078]
本发明实施例提供一种全固态激光雷达的设计方法，所述设计方法包括：
[0079]
通过激光器产生激光光束；通过光栅和透镜将激光光束分成等间距等频率差的光源阵列；
[0080]
将所述光源阵列中各频率点的光源以球面波向外发散，以使不同频率点的光源之间干涉相增的干涉激光光束进行转动扫描；
[0081]
通过面阵探测器探测不同扫描角度的干涉激光光束。
[0082]
基于本发明实施例设计方法设计的全固态激光雷达，可以利用激光器产生激光光束，利用光栅和透镜对激光光束进行分光和聚焦，将激光光束分成等间距等频率差的点光源，每个点光源以球面波向外发散光波，根据麦克斯韦波动方程可知，随着时间变化，每个点光源由于频率不同，在空间上每个点的相位随着时间变化，因此，不同点光源之间干涉相增的条纹(即干涉激光光束)将随时间而转动，从而实现激光光束的高速大角度扫描，可以实现水平和垂直方向从65
°
到-65
°
扫描，其扫描速度快可高达太赫兹、角分辨率优于0.02
°
。同时，设计出的全固态激光雷达完全取消了机械转动部件，具有可靠性高、精度高、寿命长的优点，实现了全固态化，具有小型化、多功能的特点。
[0083]
在一些实施方式中，所述设计方法还可以包括：在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度。其中，可以根据所述激光频率、光栅的平行狭缝的周期和透镜焦距控制所述频率梯度。
[0084]
详细的，可以根据所述激光频率、光栅的平行狭缝的周期和透镜焦距，按照下式控制所述频率梯度：
[0085][0086]
在所述各频率点的频率梯度确定的情况下，根据所述球面波向外发散后的时间变化，按照下式确定所述干涉激光光束进行转动扫描的角度：
[0087][0088]
其中，为频率梯度，
△
ω为相邻两个频率点之间的频率差，d为相邻两个频率点之间的间距，p为光栅的平行狭缝的周期，f
c
为透镜的焦距，ω0为中心频率，c为光速，θ为转
动扫描的角度，k0为波矢，t为时间，r为探测点与焦平面中心频率原点的距离。
[0089]
在此需要说明的是，本发明实施例中设计方法的实现原理与实施例一提供的全固态激光雷达的工作原理相同，因此在具体实现过程中，可以参与实施例一，并且具有相应的技术效果。
[0090]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0091]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0092]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。