基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置，属于激光雷达在无人驾驶汽车的应用技术领域。该装置包括信号发射模块、光路调节模块、信号接收模块以及数据处理模块，信号发射模块包括驱动调制系统以及VCSEL阵列，驱动调制系统发出电混沌信号对VCSEL阵列内的激光器进行调制且以一定时间间隔相继驱动其发射混沌光束，进入光路调节模块，然后将调节后的光路数据传入信号接收模块，信号接收模块最后将数据传入数据处理模块进行数据处理后执行操作。本发明专利技术利用电混沌信号作为参考信号，无需采用光反馈器件和分束器来获取参考光，简化了装置，提升了光束的利用率，宽带混沌信号有效实现抗干扰性能，提高了测距精度。

【技术实现步骤摘要】
基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置
本专利技术属于激光雷达在无人驾驶汽车的应用
，具体为一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置。
技术介绍
随着社会的进步和公路交通系统的飞速发展，无人驾驶汽车呈现了迅猛发展的势头。激光雷达占据了无人驾驶汽车领域市场中90%的应用。激光雷达具备误差小、测距速度快、测量范围广、鲁棒性强、不受环境照度影响等诸多优点得到了普遍使用。随着无人驾驶技术的快速发展，无人驾驶交通网络的形成已经不再遥远，如何避免通过激光雷达对无人汽车的干扰仍是一个悬而未决的问题，同时对激光雷达的测距精度、测量速度也提出了更高的要求。目前，被广泛采用的无人汽车激光雷达绝大部分为脉冲体制，即采用脉冲激光器作为雷达信号源。通过发射重复的光脉冲，测量从目标反射回的每个脉冲的飞行时间，得到检测目标物的位置信息(OpticalEngineering,Vol.40(1),p.10–19,2001)。脉冲激光雷达具有激光信号强、回波信号易于采集等优点，但是由于脉冲激光器发出重复脉冲，脉冲的周期性和规律性常常会导致距离模糊，并使激光雷达易受到同频信号的干扰而导致虚警和误判(IEEEIntelligentVehiclesSymposium(IV),p.437–442,2015)。随着激光雷达技术的不断提升，在无人驾驶领域激光雷达已经朝商业化的智能应用迈进。车载激光雷达从其他激光雷达和光源接收到非特定信号将变得不可避免，从而产生重影或导致检测错误。可以说，脉冲激光雷达虽然一定程度上能够满足当前无人驾驶汽车上路测试的需求，但由于其在抗干扰性上的缺点，在未来大量无人车同时上路，脉冲激光雷达的广泛应用必将收到制约。为了减轻干扰的可能性，有学者提出利用随机调制连续波方法的随机信号激光雷达，即通过外部强度调制器将伪随机二进制序列调制在连续激光上。通过计算从目标后向散射的接收信号与发送的参考信号之间的互相关，得到检测目标物的位置信息(AppliedOptics,Vol.50(22),p.4478–4488,2011)。采用伪随机二进制序列调制技术受限于随机码的调制速率，测量分辨率受电子器件和所用调制器的调制速度所限制。且伪随机码总存在有限周期，当测量距离较长时不同周期间的随机码易受到干扰导致虚警和误判。同时，在未来无人驾驶汽车接入网络后，恶意干扰器将容易记录正在发射的伪随机二进制序列，然后重新发射产生假回波，进而对激光雷达进行恶意干扰，从而扰乱交通、制造事故，甚至控制无人驾驶车辆。相比之下，混沌信号是一种典型的宽带信号，具有宽带连续谱，类噪声的不可预测性，优异的距离和速度分辨率，简单廉价的产生方式，在雷达领域日益得到重视（OpticsExpress,Vol.26(17),p.22491-22505,2018;IEEETransactionsonGeoscienceandRemoteSensing,Vol.56(9),p.5064-5082,2018）。混沌信号的非周期性和不可预测性决定了混沌激光雷达系统不会有距离模糊现象，可实现高测量精度，而且具有天然的抗干扰属性。近年来，研究表明利用半导体激光器的非线性动态特性可以产生大幅度宽带混沌激光，进而提升其测距精度。2004年林凡异等人率先提出一种光注入方案的混沌激光雷达系统，证实了混沌激光雷达系统具有优异的分辨率和抗干扰能力，并且实验上实现了3cm的分辨率目标探测（IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,Vol.10,p.991-997,2004）。2009年申请人课题组提出一种面向汽车防撞的混沌激光雷达系统，利用光反馈方案产生宽带混沌激光，实现了9cm的测距精度(ChineseJ.Lasers,Vol36(9),p.2426-2430,2009)。随后，研究学者们相继提出宽带混沌雷达信号源来提升混沌激光雷达的测距精度(CN102305926A,CN104777461A)，2018年林凡异课题组又提出一种3D脉冲混沌激光雷达系统，实现了毫米量级的测距精度(OpticsExpress,Vol.26(9),p.12230-12241,2018)。以上均是基于光学器件产生混沌激光的方式。2013年杜克大学DanielJ.Gauthier等人利用FPGA驱动电路构成布尔混沌网络产生了电混沌信号(PhysicalReviewE,Vol87,040902,2013)。2013年中国电力科学院侯功等人将FPGA驱动电路驱动半导体激光器产生光混沌信号应用于光时域反射仪(OTDR)系统中，有效提高OTDR系统的测距精度和动态探测范围（自动化仪表，Vol34(10),p.81-85,2013）。目前，混沌激光雷达系统尽管在测距精度上不断提升，但均采用单个混沌激光源对目标物进行探测，单位时间内的信息量获取较小，测量速度无法满足无人驾驶汽车对周围环境快速感知的需求。垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为新型半导体激光器具有体积小、圆形输出光斑、发散角小、功耗低、价格低廉、垂直表面出光、易集成为大面积阵列等优点。垂直腔面发射激光器(VCSEL)小信号调制响应曲线非常平坦，带宽高达22GHz以上，有利于实现毫米量级的测距精度(IEEEJournalofQuantumElectronics,Vol54(3),2817068,2018)。随着VCSEL阵列特性以及芯片制备技术的提高(ProceedingsofSPIE,Vol.10552,105520E,2018)，VCSEL在商业化的应用优势日益凸显。然而电混沌调制下的VCSEL激光器还未具体应用到无人驾驶汽车的抗干扰领域，因此本专利技术针对此问题，设计出了基于电混沌调制下的VCSEL阵列的无人驾驶汽车的抗干扰装置。
技术实现思路
本专利技术为了解决基于电混沌调制下的VCSEL阵列还未具体应用到无人驾驶汽车的抗干扰领域的问题，提供了一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置。利用VCSEL激光器体积小、发散角小、功耗低、垂直表面出光、易集成为大面积阵列的优点结合混沌激光高精度、抗干扰的优势实现测距精度高、测量速度快的一种完全抗干扰的无人驾驶激光雷达。本专利技术是通过如下技术方案来实现的：一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置：包括信号发射模块、光路调节模块、信号接收模块以及数据处理模块，所述信号发射模块将光路数据传输入光路调节模块，所述光路调节模块将调节后的光路数据传入信号接收模块，所述信号接收模块最后将数据传入数据处理模块；所述信号接收模块包括光电探测器阵列和寄存器。所述数据处理模块包括数字相关器、感知数据处理系统、融合决策系统、控制执行系统；所述信号发射模块包括驱动调制系统以及沿光路方向设置的VCSEL阵列，所述VCSEL阵列包括N个VCSEL激光器，N≥4，所述驱动调制系统发出的电混沌信号，一部分电混沌信号作为参考信号存储入寄存器，另一部分电混沌信号驱动VCSEL阵列中的激光器以一定时间间隔相继出射光束。所述光路调节模块包括沿光路方向依次设置的微透镜阵列、MEMS振镜阵列，N束平行的宽带混沌探测激光相继发出，N束探测光束相继由微透镜阵列准直并调控出射角度使每束本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置，其特征在于：包括信号发射模块（100）、光路调节模块（110）、信号接收模块（120）以及数据处理模块（130），所述信号发射模块（100）将光路数据传输入光路调节模块（110），所述光路调节模块（110）将调节后的光路数据传入信号接收模块（120），所述信号接收模块（120）最后将数据传入数据处理模块（130）；所述信号接收模块（120）包括光电探测器阵列（3）和寄存器（4）；所述数据处理模块（130）包括数字相关器（9）、感知数据处理系统（10）、融合决策系统（11）、控制执行系统（12）；所述信号发射模块（100）包括驱动调制系统（1）以及沿光路方向设置的VCSEL阵列（2），所述VCSEL阵列（2）包括N个VCSEL激光器，N≥4，所述驱动调制系统（1）发出的电混沌信号，一部分电混沌信号作为参考信号存储入寄存器（4），另一部分电混沌信号驱动VCSEL阵列（2）中的激光器以一定时间间隔相继出射光束；所述光路调节模块（110）包括沿光路方向依次设置的微透镜阵列（5）、MEMS振镜阵列（6），N束平行的宽带混沌探测激光相继发出，N束探测光束相继由微透镜阵列（5）准直并调控出射角度使每束探测信号平行出射，经过由扫描控制系统（7）控制的MEMS振镜阵列（6）的倾斜角来对目标物（8）进行水平角度扫描；探测光束到达目标物发生后向散射产生回波信号，回波信号再经过MEMS振镜阵列（6）、微透镜阵列（5）反射后被相应的光电探测器阵列（3）探测转换为电混沌信号，并由寄存器（4）存储，所述光电探测器阵列（3）中的光电探测器与VCSEL阵列（2）中的VCSEL激光器一一对应；参考信号和探测信号从寄存器（4）传输至数字相关器（9），由数字相关器（9）进行延时互相关处理，从而获取N束探测信号往返所需时间，进而得到每一个水平角度的N束探测信号发射点与散射点之间的距离即散射点的二维信息；感知数据处理系统（10）通过散射点的二维信息结合扫描控制系统（7）对N束探测光束的水平方向探测的二维角度、周期及方向信息，分析得到散射点的三维信息即目标物在三维空间中的位置信息；融合决策系统（11）得到目标物的三维立体图像信息结合当前汽车所处的道路位置信息做出决策，并驱动控制执行系统（12）执行操作。...

【技术特征摘要】
1.一种基于混沌调制VCSEL阵列的无人驾驶激光雷达装置，其特征在于：包括信号发射模块（100）、光路调节模块（110）、信号接收模块（120）以及数据处理模块（130），所述信号发射模块（100）将光路数据传输入光路调节模块（110），所述光路调节模块（110）将调节后的光路数据传入信号接收模块（120），所述信号接收模块（120）最后将数据传入数据处理模块（130）；所述信号接收模块（120）包括光电探测器阵列（3）和寄存器（4）；所述数据处理模块（130）包括数字相关器（9）、感知数据处理系统（10）、融合决策系统（11）、控制执行系统（12）；所述信号发射模块（100）包括驱动调制系统（1）以及沿光路方向设置的VCSEL阵列（2），所述VCSEL阵列（2）包括N个VCSEL激光器，N≥4，所述驱动调制系统（1）发出的电混沌信号，一部分电混沌信号作为参考信号存储入寄存器（4），另一部分电混沌信号驱动VCSEL阵列（2）中的激光器以一定时间间隔相继出射光束；所述光路调节模块（110）包括沿光路方向依次设置的微透镜阵列（5）、MEMS振镜阵列（6），N束平行的宽带混沌探测激光相继发出，N束探测光束相继由微透镜阵列（5）准直并调控出射角度使每束探测信号平行出射，经过由扫描控制系统（7）控制的MEMS振镜阵列（6）的倾斜角来对目标物（8）进行水平角度扫描；探测光束到达目标物发生后向散射产生回波信号，回波信号再经过MEMS振镜阵列（6）、微透镜阵列（5）反射后被相应的光电探测器阵列（3）探测转换为电混沌信号，并由寄存器（4）存储，所述光电探测器阵列（3）中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王云才，吴梅，王安帮，贾志伟，赵彤，郭园园，王龙生，王大铭，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14