一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法，本发明专利技术实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，且本发明专利技术实施例采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，从而既提高探测精度又提高探测距离。

【技术实现步骤摘要】
一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法
本专利技术涉及激光雷达领域，特别涉及一种激光雷达的发射系统、探测系统及探测方法。
技术介绍
激光雷达与微波雷达相比具有更短的波长、极高的分辨率及更轻的质量等。激光雷达按照对目标的激光辐射方式可分为扫描型激光雷达和非扫描型激光雷达。扫描型激光雷达的扫描方式可以分为机械式扫描和非机械式扫描，机械式扫描是采用反射或折射光学元件的旋转或周期性振动来改变光的方向，其响应速度和控制精度很难满足高性能激光雷达的需求，而且由于惯性扫描，其灵活性同样受到很大的限制。光学相控阵技术是一种新的电控光束偏转技术，通过控制辐射阵列各出射单元的相位关系来实现相干激光光束的偏转和扫描。由于采用电控扫描取代了机械转动，可实现高分辨率、高精确度、快速的光束扫描效果，但是其最大的缺点是栅瓣问题，导致扫描角度太小，只有几度左右，从而限制了其实用化的发展。非扫描激光雷达即闪光激光雷达，它是采用一次发射覆盖整个目标，回波信号由二维的探测器阵列接收。常见的非扫描激光雷达有采用光栅分光或利用激光单脉冲扩束发射，接受从目标返回的反射光直接获取三维图像。由于它不需要进行扫描，所以具有高帧频率、宽视场等特点，但闪光激光雷达的宽视场和探测距离是成反比的，即要提高闪光雷达的视场角，就需要将光束尽量发散，而光束能量的发散会带来探测距离的大大缩短。闪光激光雷达还有一个最大的难点是它的接收系统，闪光激光雷达通常采用焦平面雪崩光电二极管(APD)阵列接收。这就使得闪光激光雷达的探测精度受到APD阵元个数的限制。要实现较高的探测精度需要更密集及数量更大的APD阵列，这无疑增大了APD阵列的制作及读出电路设计的难度。因此，如何在既能提高探测精度又能提高探测距离的前提下，实现激光雷达的发射及探测方案，成为了一个亟待解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供一种激光雷达的发射系统，该系统既能提高探测精度，又能提高探测距离。本专利技术实施例还提供一种激光雷达的探测系统，该系统能够既能提高探测精度，又能提高探测距离。本专利技术实施例还提供一种激光雷达的探测方法，该方法既能提高探测精度，又能提高探测距离。本专利技术实施例是这样实现的：一种激光雷达的发射系统，包括：主激光器、从激光器阵列及周期性二值相位光栅，其中，主激光器的输出端与从激光器阵列中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列)进行注入锁定；从激光器阵列，用于根据主激光器的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；周期性二值相位光栅与从激光器阵列的输出端相连接，用于接收从激光器阵列出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射。一种激光雷达的探测系统，其特征在于，包括：透镜组及APD阵列，其中，透镜组，用于接收不同方向的回波光束，将所接收的不同方向的回波光束聚焦在焦平面不同点上；所述APD阵列位于所述透镜组焦平面上，用于探测在焦平面不同点上的回波信号。一种激光雷达的探测方法，包括：APD阵列探测得到聚焦在透镜组的焦平面上的回波光束，所述回波光束对应的出射光束采用权利要求1所述发射系统出射的；采用APD阵列探测的回波信号的角度及所述出射光束采用的从激光器阵列中的相邻阵元之间的出射光束相位差确定物体方位。如上可见，本专利技术实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，且本专利技术实施例采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，从而既提高探测精度又提高探测距离。附图说明图1为本专利技术实施例提供的激光雷达发射系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的激光雷达的探测系统示意图；图3为本专利技术实施例提供的激光雷达的探测方法流程图；图4为本专利技术实施例一提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布一示意图；图5为本专利技术实施例一提供的从激光器阵列102的单个阵元经过了周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；图6为本专利技术实施例一提供的从激光器阵列102的单个阵元没有经过周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；图7(a)为本专利技术实施例一提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；图7(b)为本专利技术实施例一提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；图8为本专利技术实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布二示意图；图9(a)为本专利技术实施例二提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；图9(b)为本专利技术实施例二提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；图10为本专利技术实施例三提供的发射系统及探测系统的结构示意图；图11为本专利技术实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布三示意图；图12为本专利技术实施例三提供的发射系统选通工作模式示意图；图13(a)为本专利技术实施例三提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；图13(b)为本专利技术实施例三提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；图14(a)为本专利技术实施例三提供的发射系统未扫描时且无周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；图14(b)为本专利技术实施例三提供的发射系统扫描时且无周期性二值相位光栅单元103的远场光强示意图；图15为本专利技术实施例提供的优化后周期性二值相位光栅单元103相位分布四示意图；图16(a)为本专利技术实施例三提供的发射系统未扫描时的光束点阵示意图；图16(b)为本专利技术实施例三提供的发射系统扫描时的光束点阵示意图；图17为本专利技术实施例提供的焦平面APD阵列探测角度示意图；图18为本专利技术实施例五提供的一维的激光雷达发射系统及探测系统的结构示意图；图19为本专利技术实施例六提供的二维的激光雷达发射系统及探测系统的结构示意图。附图标记101-主激光器102-从激光阵列103-周期性二值相位光栅201-透镜组202-APD阵列具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本专利技术进一步详细说明。为了在既能提高探测精度又提高探测距离的前提下，实现激光雷达的发射及探测方案，本专利技术实施例采用了离散光束发射技术与相控阵式扫描技术相结合的激光雷达发射系统及方法，目的在于在保证大范围探测角度的同时提高探测的距离和探测的精度。进一步地，本专利技术实施例在接收中采用APD阵列探测技术及在发射中采用的光学相控阵扫描技术相结合实现激光光束回波信号的探测，其中，采用APD阵列接收技术可以使得接收到的角度为粗角度，而在发射中采用的光学相控阵扫描技术采用的角度为精细角度，由发射系统相邻的阵元相位差得出，探测时上述两者相结合，在实现大的探测精度的同时大大减少了APD阵列的个数，极大程度上降低了APD阵列的制作难度。图1为本专利技术实施例提供的激光雷达发射系统的结构示意图，包括：主激光器(101)、从激光器阵列102及周期性二值相位光栅103，其中，主激光器101的输出端与从激光器阵列102中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列102进行注入锁定；从激光器阵列102，用于根据主激光器101的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；周期性二值相位光栅103与从激光器阵列102的输出端相连接，用于接收从激光器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光雷达的发射系统，其特征在于，包括：主激光器(101)、从激光器阵列(102)及周期性二值相位光栅(103)，其中，主激光器(101)的输出端与从激光器阵列(102)中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列(102)进行注入锁定；从激光器阵列(102)，用于根据主激光器(101)的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；周期性二值相位光栅(103)与从激光器阵列(102)的输出端相连接，用于接收从激光器阵列(102)出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射。

【技术特征摘要】
1.一种激光雷达的发射系统，其特征在于，包括：主激光器(101)、从激光器阵列(102)及周期性二值相位光栅(103)，其中，主激光器(101)的输出端与从激光器阵列(102)中的每个阵元的输入端分别连接，用于对从激光器阵列(102)进行注入锁定；从激光器阵列(102)，用于根据主激光器(101)的注入锁定实现出射光束的相干性，及通过为其中的不同阵元设置不同注入电流的方式进行出射光束的相位调制，进行光束的相控阵式扫描；周期性二值相位光栅(103)与从激光器阵列(102)的输出端相连接，用于接收从激光器阵列(102)出射的所述光束，对所述光束进行分光后出射。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述从激光阵列(102)采用的是一维时，所述周期性二值相位光栅(103)为一维的；所述从激光阵列(102)采用的是二维时，所述周期性二值相位光栅(103)为二维的。3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述从激光器阵列(102)采用选通模式工作，具体包括：在一维情况下，当(k＝1，2，…；且为相邻单元相位差)时，第n个从激光器阵列(102)单元工作；在二维情况下，当且为相邻行单元相位差，为相邻列单元相位差时，第n行，第m列的从激光器阵列(102)单元工作。4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述从激光阵列(102)采用锁定垂直面发射激光器VCSEL阵列；所述主激光器(101)采用VCSEL。5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在一维情况下，所述周期性二值相位光栅(103)，还用于设定的光栅周期数与从激光器阵列(102)中阵元的个数相同。6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，在二维情况下，所述周期性二值相位光栅(103)...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兵，刘学成，罗毅，孙长征，郝智彪，
申请(专利权)人：清华大学，清华大学天津电子信息研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11