激光雷达系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种激光雷达系统。

背景技术

激光波束具有高方向性、强相干性以及单色性好的特点，使得激光雷达能够实现远距离的高分辨率探测，因此激光雷达被广泛应用于军事、遥感、智能驾驶等场景中。

现有的激光雷达一般通过主动式扫描激光波束，即通过不同空间位置的反射信号来构建环境3D点云。为了实现对激光波束的主动扫描，现有的激光雷达一般基于机械转动式或半固态式(例如转镜、振镜)进行激光雷达扫描，这种方案不仅使得激光雷达系统体积大、尺寸大、制造维护成本高，而且由于机械部件的精度及磨损等因素导致激光雷达系统的可靠性较低。

此外，由于现有的激光雷达发射的信号一般为线偏振光，当发射信号(线偏振光)经过目标物体的反射、散射后，回波信号将包含两个正交偏振光，而只有与本振光具有相同偏振的回波信号才能在混频后产生有效输出，因此，当前大部分激光雷达系统只接收一个偏振的回波信号信息或者只对一个偏振的回波信号进行处理，使得相干接收信号幅值较低，从而限制了激光雷达系统的最大探测距离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光雷达系统，以至少解决现有激光雷达系统体积大、成本高且可靠性较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光雷达系统，包括：

光源生成模块，用于提供激光信号；

光路转换模块，集成于一硅光芯片上，用于对激光信号进行转换以生成并发送激光发射信号，还用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号转换为拍频电流；

信号处理模块，用于对拍频电流进行处理，以得到探测物的雷达探测信息；

控制模块，用于对所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块供电，并控制所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述光源生成模块包括激光器和光放大器；所述激光器用于提供波长调节范围大于100nm的激光光束；所述光放大器用于对所述激光器发射的激光光束能量进行放大，以提供激光信号。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述光路转换模块包括耦合单元、分光单元、校准单元、信号收发单元和合束探测单元；所述耦合单元用于接收所述激光信号，并对所述激光信号进行耦合；所述分光单元用于将耦合后的激光信号分为至少三路，其中一路输入至所述校准单元，其余部分作为本振光输入至所述合束探测单元，剩余部分输入至所述信号收发单元；所述校准单元用于校准所述激光信号的调频非线性；所述信号收发单元用于发送激光发射信号，以及接收返回的激光回波信号；所述合束探测单元用于对所述本振光和所述激光回波信号进行处理，以得到拍频电流。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述分光单元包括一级分光器、二级分光器和三级分光器；所述一级分光器与所述耦合单元光路连接，以将耦合后的激光信号分为两路；所述二级分光器与所述一级分光器光路连接，以将所述一级分光器分出的一路激光子信号分为两路，其中一路直接与所述校准单元光路连接，另一路通过光波导延时线与所述校准单元光路连接；所述三级分光器与所述一级分光器光路连接，以将所述一级分光器分出的另一路激光子信号分为两路，其中一路作为本振光输入至所述合束探测单元，另一路输入至所述信号收发单元。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述三级分光器包括多个层级连接的子分光器，每一所述子分光器将从上一层级接收的光信号分为两路，其中一路作为本振光输入至所述合束探测单元，另一路输入至所述信号收发单元。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述信号收发单元包括自准直发射模组和接收模组；所述自准直发射模组包括分束器、相位调制器和发射天线，以对激光信号进行调制得到激光发射信号，并发射所述激光发射信号；所述接收模组用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号分为x偏振光和y偏振光。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述接收模组包括第一光相控阵阵列和第二光相控阵阵列；所述第一光相控阵阵列用于接收x偏振光，并将接收到的x偏振光输入至所述合束探测单元；所述第二光相控阵阵列用于接收y偏振光，并将接收到的y偏振光通过偏振旋转器和相位调谐器输入至所述合束探测单元。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述接收模组包括光栅天线和偏振分束器；所述光栅天线用于接收所述激光回波信号；所述偏振分束器用于将所述激光回波信号分为x偏振光和y偏振光，所述x偏振光直接输入至所述合束探测单元；所述y偏振光通过偏振旋转器和波导延时线输入至所述合束探测单元。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述接收模组的数量为多个，多个所述接收模组均用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号分为x偏振光和y偏振光；所述合束探测单元的数量与所述接收模组的数量一致，且与所述接收模组一一对应，以接收所述本振光和所述接收模组输出的x偏振光和y偏振光。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述合束探测单元包括合束器、光混频器和平衡探测器；所述合束器用于对所述激光回波信号中的x偏振光和经过旋转和相位补偿后的y偏振光进行合束以得到合束后的偏振光；所述光混频器用于对所述本振光和合束后的偏振光进行混频调制，以得到混频信号；所述平衡探测器用于根据所述混频信号产生拍频电流。

可选的，在所述的激光雷达系统中，所述信号处理模块包括转换单元和处理单元；所述转换单元用于将所述拍频电流进行放大，并转换为拍频电压；所述处理单元用于对所述拍频电压进行处理，以得到探测物的雷达探测信息。

本发明提供的激光雷达系统，包括：光源生成模块，用于提供激光信号；光路转换模块，集成于一硅光芯片上，用于对激光信号进行转换以生成并发送激光发射信号，还用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号转换为拍频电流；信号处理模块，用于对拍频电流进行处理，以得到探测物的雷达探测信息；控制模块，用于对所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块供电，并控制所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块。通过将体积最大、耗费成本较高的光路转换模块集成于硅光芯片上，使得有效减小了激光雷达系统的体积，并能够在一定程度上降低制造成本；同时，由于光路转换模块集成于硅光芯片上后，各个器件的精度较高，且不易受到磨损，因此能够有效提高激光雷达系统的可靠性，解决了现有激光雷达系统体积大、成本高且可靠性较低的问题。

附图说明

图1为本实施例提供的激光雷达系统的结构框图；

图2为本实施例提供的第一种激光雷达系统的具体结构示意图；

图3为本实施例提供的第二种激光雷达系统的具体结构示意图；

图4为本实施例提供的第三种激光雷达系统的具体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的激光雷达系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图说明中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

硅光芯片是一种采用光波作为信息传输或数据运算的载体，一般依托于集成光学或硅基光电子学中介质光波导来传输导模光信号，将光信号和电信号的调制、传输、解调等集成在同一块衬底或芯片上。相比于电子集成电路或电互联技术，光子集成电路与光互连展现出了更低的传输损耗、更宽的传输带宽、更小的时间延迟、以及更强的抗电磁干扰能力；此外，光互连还可以通过使用多种复用方式(例如波分复用WDM、模分互用MDM等)来提高传输媒质内的通信容量。

有基于此，本实施例提供一种激光雷达系统，如图1所示，包括：光源生成模块，用于提供激光信号；光路转换模块，集成于一硅光芯片上，用于对激光信号进行转换以生成并发送激光发射信号，还用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号转换为拍频电流；信号处理模块，用于对拍频电流进行处理，以得到探测物的雷达探测信息；控制模块，用于对所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块供电，并控制所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块。

本实施例提供的激光雷达系统，通过将体积最大、耗费成本较高的光路转换模块集成于硅光芯片上，使得有效减小了激光雷达系统的体积，并能够在一定程度上降低制造成本；同时，由于光路转换模块集成于硅光芯片上后，各个器件的精度较高，且不易受到磨损，因此能够有效提高激光雷达系统的可靠性，解决了现有激光雷达系统体积大、成本高且可靠性较低的问题。

具体的，在本实施例中，所述光源生成模块包括激光器和光放大器；所述激光器用于提供波长调节范围大于100nm的激光光束；所述光放大器用于对所述激光器发射的激光光束能量进行放大，以提供激光信号，其中，所述激光信号为相干调频信号。在实际应用中，激光器具体可以输出中心波长为1550nm的激光，当然，在其他实际应用中，也可以选择其他工作波长的激光器，本申请对此不做限制。

在实际应用中，当激光雷达为FMCW(Frequency-modulated continuous-wave，调频连续波)激光雷达时，激光器可以为宽带可调窄线宽激光器，从而有效提升激光雷达系统的性能。以及，光放大器可以为EDFA掺铒光纤放大器或SOA半导体光放大器。此外，光源生成模块可以通过光纤或透镜封装的方式与硅光芯片上的光路转换模块相连。当然，随着技术的发展，光源生成模块也可能可以集成在硅光芯片上。

进一步的，在本实施例中，所述光路转换模块包括耦合单元、分光单元、校准单元、信号收发单元和合束探测单元；所述耦合单元用于接收所述激光信号，并对所述激光信号进行耦合；所述分光单元用于将耦合后的激光信号分为至少三路，其中一路输入至所述校准单元，其余部分作为本振光输入至所述合束探测单元，剩余部分输入至所述信号收发单元；所述校准单元用于校准所述激光信号的调频非线性；所述信号收发单元用于发送激光发射信号，以及接收返回的激光回波信号；所述合束探测单元用于对所述本振光和所述激光回波信号进行处理，以得到拍频电流。

其中，所述耦合单元为端面耦合器或角耦合器，从而实现对激光信号的高效率耦合。在实际应用中，可以选择硅光端面耦合器。硅光端面耦合器是一种用于光纤通信和集成光电芯片的设备。在硅光端面耦合器中，两个光纤或光电芯片彼此靠近，并保持一定的相对位置。当光信号从一个光纤或芯片中传递到另一个光纤或芯片时，通过近距离的接触，光信号会在两个相邻的光学结构之间发生耦合现象，这种耦合现象可以使光信号传输更加高效，从而提高通信性能。

以及，在本实施例中，如图2所示，所述分光单元包括一级分光器、二级分光器和三级分光器；所述一级分光器与所述耦合单元光路连接，以将耦合后的激光信号分为两路；所述二级分光器与所述一级分光器光路连接，以将所述一级分光器分出的一路激光子信号分为两路，其中一路直接与所述校准单元光路连接，另一路通过光波导延时线与所述校准单元光路连接；所述三级分光器与所述一级分光器光路连接，以将所述一级分光器分出的另一路激光子信号分为两路，其中一路作为本振光输入至所述合束探测单元，另一路输入至所述信号收发单元。

在实际应用过程中，一级分光器、二级分光器和三级分光器都可以由分光棱镜构成，当然，也可以使用其他分光功能的光学元器件实现，本申请对此不做限制。

较佳的，每级分光器分出的两条光路的能量可以根据实际情况进行设定，例如，三级分光器中，作为本振光的一路能量可以为10％，其余90％输入至信号收发单元，从而保证激光雷达系统发送的激光发射信号有足够的强度到达探测物表面。上述示例仅以说明其能量分布的一种可能实施方式，在实际应用中，需根据实际情况对每级分光器的分路后的每路能量分布进行设定，本申请对此不做限制。

进一步的，在本实施例中，如图2所示，所述校准单元包括光混频器和平衡探测器；二级分光器分出的两路激光子信号进入光混频器后进行混频调谐，以得到混频信号；平衡探测器利用混频信号产生拍频电流，并输入至信号处理模块。本实施例提供的校准单元是一种非线性校准单元，能够提供近乎理想线性的三角波调频信号，从而能够有效提升激光雷达系统的探测精度。在实际应用中，光混频器可以选用2×2混频器。

以及，在本实施例中，所述信号收发单元包括自准直发射模组和接收模组；所述自准直发射模组包括分束器、相位调制器和发射天线，以对激光信号进行调制得到激光发射信号，并发射所述激光发射信号；所述接收模组用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号分为x偏振光(对应于波导中的TE模式)和y偏振光(对应于波导中的TM模式)。

在实际应用中，自准直发射模组为OPA(Optical phased array，光学相控阵)自准直发射模组，包括分束器、相位调制器以及发射天线。OPA通过在硅光芯片上集成大量发射光学天线，以远场干涉的方式实现自由空间高方向性波束，因此OPA具有自准直的特性；此外，OPA能够通过电控的方式对阵内每个发射天线的相位进行调控，实现发射波束的扫描，完全消除了系统机械的部件，同时避免了转镜扫描系统中存在的走离效应问题，是一种纯固态的方案，如此，有效提高了激光雷达系统的可靠性。

本实施例提供的OPA自准直发射模组通过控制通道电压合理调控各个通道的波前相位，能够实现波束自准直以及扫描。通过改变输入波长，利用光栅的色散特性，能够实现自由空间二维波束扫描。

在一具体实施例中，分束器可以设置为N级，对应的，设置2

较佳的，相位调制器的类型为基于热光或电光效应的移相器，发射天线的形式为长波导光栅天线，从而保证信号移相的精度和信号发射的强度。

在图2所示的激光雷达系统中，所述接收模组包括第一光相控阵阵列和第二光相控阵阵列；所述第一光相控阵阵列用于接收x偏振光，并将接收到的x偏振光输入至所述合束探测单元；所述第二光相控阵阵列用于接收y偏振光，并将接收到的y偏振光通过偏振旋转器和相位调谐器输入至所述合束探测单元。如此，y偏振光通过偏振旋转器后转换为x偏振光，再利用相位调谐器补偿y偏振光与x偏振光空间以及片上传送产生的相差，从而使得y偏振光的偏振与x偏振光保持一致。

较佳的，第一光相控阵阵列和第二光相控阵阵列需要通过控制模块进行波束指向控制，以接收特定方向的回波信号，提高接收效率。

需要说明的是，当激光发射信号经过探测物进行反射和散射后，由于物体退偏作用，激光回波信号将存在正交的两个偏振，即激光回波信号包含有x偏振光和y偏振光。由于现有技术仅获取x偏振光，使得y偏振光的能量被浪费，因此使得x偏振光强度较差，从而导致激光雷达系统的信噪比较低、精度较差；而本申请不仅获取x偏振光，也获取y偏振光，通过对y偏振光进行偏振旋转和相位补偿，将其转换为x偏振光，通过合束有效提高了x偏振光的强度，从而有效提高了激光雷达系统的信噪比，进而提升了激光雷达系统的精度。

再进一步的，在本实施例中，所述合束探测单元包括合束器、光混频器和平衡探测器；所述合束器用于对所述激光回波信号中的x偏振光和经过旋转和相位补偿后的y偏振光进行合束以得到合束后的偏振光；所述光混频器用于对所述本振光和合束后的偏振光进行混频调制，以得到混频信号；所述平衡探测器用于根据所述混频信号产生拍频电流。如此，由于经过偏振旋转器和相位调谐器的调谐后，y偏振光已经转换为x偏振光，此时利用合束器对二者进行合束，能够有效提高x偏振光的信号强度；而本振光的偏振与x偏振光的偏振一致，因此，当本振光与合束后的偏振光一同进入光混频器后，能够进一步提高信号强度，且经过光混频器能够将光信号转换为混频信号，最后通过平衡探测器根据混频信号产生拍频电流。

以及，在本实施例中，所述信号处理模块包括转换单元和处理单元；所述转换单元用于将所述拍频电流进行放大，并转换为拍频电压；所述处理单元用于对所述拍频电压进行处理，以得到探测物的雷达探测信息，所述雷达探测信息包括探测物的距离信息和瞬时速度信息等。

在实际应用中，转换单元可以为TIA(跨阻放大器)，利用TIA将拍频电流转换为拍频电压，不仅能够有较高的转换速率，而且其电路结构简单、功耗低，此外，还能够在高频取得较好的转换性能。以及，处理单元可以为DSP(数字信号处理器)，DSP是一种专用的微处理器芯片，具有更好的能量效率，从而能够有效降低能耗。

作为图2所示的激光雷达系统的一种变形，如图3所示，在该激光雷达系统中，所述接收模组包括光栅天线和偏振分束器(PBS)；所述光栅天线用于接收所述激光回波信号；所述偏振分束器用于将所述激光回波信号分为x偏振光和y偏振光，所述x偏振光直接输入至所述合束探测单元；所述y偏振光通过偏振旋转器和波导延时线输入至所述合束探测单元。如此，通过光栅天线对激光回波信号完全接收，再利用偏振分束器将激光回波信号分为x偏振光和y偏振光，然后利用偏振旋转器将y偏振光转换为x偏振光，最后由于采用同一个接收天线(光栅天线)，两正交偏振信号在自由空间传播不会产生相位差，因此只需利用片上光波导延时线补偿偏振旋转后的y偏振光与光栅天线直接接收的x偏振光在片上传输产生的相位差，从而使得y偏振光的偏振与x偏振光保持一致。

较佳的，为了获得更为平坦的宽波束，在本实施例中，光栅天线具有较小的辐射口径、典型的，光栅天线的3-dB波束宽度需要覆盖自准直发射模组的扫描范围。在进行目标探测时，探测物可看作是朗伯反射体，其将入射能量散射至2π范围的角域中，因此当单一光栅天线的波束宽度足够宽时，其能够接收来自宽的角度范围内入射的激光回波信号。

进一步的，为了提高激光雷达系统的信噪比和最大探测距离，以及拓展接收信号的通道数，以扩展接收端的接收视场范围，并提高检测置信度，在本实施例中，如图4所示，所述接收模组的数量为多个，多个所述接收模组均用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号分为x偏振光和y偏振光；所述合束探测单元的数量与所述接收模组的数量一致，且与所述接收模组一一对应，以接收所述本振光和所述接收模组输出的x偏振光和y偏振光。

在图4所示的激光雷达系统中，多个接收模组采用了图3所示的光栅天线搭配偏振分束器的方案。在其他具体实施中，多个接收模组也可以采用图2所示的第一光相控阵阵列和第二光相控阵阵列的方案；或，可以将图2和图3的方案进行结合，即部分接收模组采用图2所示的第一光相控阵阵列和第二光相控阵阵列构成的接收模组，剩余部分采用接收模组采用图3所示的光栅天线搭配偏振分束器的接收模组。其具体采用的接收模组的方案本申请对此不做限制，以及接收模组的数量也可以根据实际情况进行设定。

较佳的，当多个接收模组采用图3所示的光栅天线搭配偏振分束器的接收模组时，各个光栅天线之间的间距可以设置的较大，以提供更广阔的接收视场。

为了对多个接收模组所对应的合束探测单元提供对应的本振光，在本实施例中，所述三级分光器包括多个层级连接的子分光器，每一所述子分光器将从上一层级接收的光信号分为两路，其中一路作为本振光输入至所述合束探测单元，另一路输入至所述信号收发单元。子分光器的数量与接收模组的数量一致，且一一对应，从而使得当前子分光器分出的本振光输入至对应的合束探测单元。

需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。

本实施例提供的激光雷达系统，包括：光源生成模块，用于提供激光信号；光路转换模块，集成于一硅光芯片上，用于对激光信号进行转换以生成并发送激光发射信号，还用于接收返回的激光回波信号，并将所述激光回波信号转换为拍频电流；信号处理模块，用于对拍频电流进行处理，以得到探测物的雷达探测信息；控制模块，用于对所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块供电，并控制所述光源生成模块、所述光路转换模块和所述信号处理模块。通过将体积最大、耗费成本较高的光路转换模块集成于硅光芯片上，使得有效减小了激光雷达系统的体积，并能够在一定程度上降低制造成本；同时，由于光路转换模块集成于硅光芯片上后，各个器件的精度较高，且不易受到磨损，因此能够有效提高激光雷达系统的可靠性，解决了现有激光雷达系统体积大、成本高且可靠性较低的问题。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。