激光接收系统及激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种激光接收系统及激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测物体的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是发射系统先向探测区域发射用于探测的出射激光，然后接收系统接收从探测区域内物体反射回来的反射激光，将反射激光与出射激光进行比较，处理后可获得物体的有关信息，如距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

光学相控阵(Optical Phase Array,OPA)激光雷达作为纯固态激光雷达的一种，是在硅基芯片上制备光波导通路和发射、接收天线阵列，通过把出射激光导入到光波导中并通过控制发射天线阵列的相位来改变发射方向，并通过接收天线阵列进行反射激光的接收。

然而，本申请的发明人在研究过程中，发现在现有的光学相控阵激光雷达中，由于接收口径非常有限，造成接收的反射激光非常有限，光学相控阵激光雷达的测距距离很难增加。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明实施例的主要目的在于提供一种激光接收系统及激光雷达，解决现有技术中存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种激光接收系统，包括接收镜组、接收天线阵列、光探测器和控制器；

所述接收镜组用于接收反射激光并使所述反射激光汇聚到所述接收天线阵列；

所述接收天线阵列用于接收汇聚后的所述反射激光；

所述光学探测器用于接收所述接收天线阵列接收的所述反射激光，并将所述反射激光转换为电信号；

所述控制器用于对所述电信号进行处理。

进一步的，所述接收天线阵列与所述控制器电连接，所述控制器用于控制所述接收天线阵列的接收角度。

进一步的，所述控制器根据发射天线阵列的发射方向控制所述接收天线阵列的接收角度。

进一步的，所述接收镜组包括：第一透镜和第二透镜；

所述第一透镜用于接收反射激光，并对所述反射激光进行汇聚；

所述第二透镜用于将汇聚后的所述反射激光进行校正，再射入所述接收天线阵列。

进一步的，所述第一透镜和第二透镜的中心光轴共线，且所述第一透镜的像方焦点和所述第二透镜的物方焦点在同一平面上。

进一步的，所述第一透镜的焦距为f

则所述第二透镜距离所述接收天线阵列的距离L设置为：

进一步的，所述接收天线阵列的第二接收视场角为θ

则所述第一透镜的第一接收视场角θ

进一步的，所述接收镜组还包括视场光阑，所述视场光阑设置于所述第一透镜和所述第二透镜之间。

进一步的，所述接收天线阵列通过光纤或波导与所述光探测器连接，所述接收天线阵列将接收到反射激光通过所述光纤或波导发送给所述光探测器。

本发明实施例进一步还提出一种激光雷达，采用上述实施例中所述的激光接收系统。

本发明实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明实施例通过在激光接收系统中，将接收天线阵列和接收镜组结合，一方面通过增加接收镜组，扩大了接收天线阵列的接收口径和接收视场角，使接收天线阵列接收到的反射激光增加，调整了反射激光射向接收天线阵列的入射角，接收效率提高，提高激光雷达的测距能力；另一方面，通过接收天线阵列接收反射激光，根据反射激光的角度对接收天线阵列的接收角度进行调整，提高了激光接收系统对反射激光的接收效率，提高激光雷达的测距能力。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本发明实施例提供的一种激光接收系统；

图2是本发明实施例提供的一种接收镜组示意图；

图3是本发明实施例提供的一种接收镜组光路图。

具体实施方式中的附图标号如下：

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在半导体产业高速发展的今天，集成芯片(Integrated Circuit,IC)技术的设计和工艺已经日趋成熟，传统的电子集成芯片已经不能满足需求，衍生出的光芯片技术正在使我们的生活发生革命性的变革。光芯片利用三五族元素具有的多能级结构，对光子进行传导，并且一些三五族元素可以通过金属-有机物化学气相淀积(Metal-Organic ChemicalVapor Deposition,MOCVD)生长在浅掺杂的硅的绝缘层(Silicon-On-Insulator,SOI)上，这样就可以以硅作为芯片的衬底，从而继承IC工艺的流程。激光雷达作为现代光学的一个应用点，正在向着集成化的道路靠拢，而激光雷达的各组件如激光器、光探测器、光放大器等都能在光通信领域找到集成化的设计，即光芯片集成(Photon In Circuit，PIC)。但是作为激光雷达的扫描部分，光学振镜或者MEMS振镜都不能很好的做到纯固态。于是出现了光学相控阵天线，利用制备在硅基芯片上的光波导进行光子传输，同时设计出多通道的发射或接收光学天线，这些天线通过通电以加热的方式改变自身的折射率，从而改变相位来达到改变出射或接收的方向。

通过改变施加于光学相控阵天线的电压或电流就能实时控制光学相控阵天线的方向，而整个光学相控阵改变的是天线的温度(或者说是光学相控阵天线端的材料折射率)，没有任何的器件可以移动，彻底实现整个激光雷达的纯固态设计。因此，利用光学相控阵进行出射激光的发射和反射激光的接收就可以使整个激光雷达系统成为可以设计在硅基基底并能够进行IC工艺加工的一个整体，不论从设计还是制造的角度都将整体解决激光雷达的复杂度问题。

然而在现有的激光雷达接收系统中，使用光学相控阵进行反射激光的接收，激光雷达接收系统会接收到不同角度返回的反射激光，入射角度较大的反射激光，光学相控阵无法有效接收，造成光学相控阵的接收效率低。同时由于光学相控阵的接收口径比较有限，造成接收到的反射激光非常有限，激光雷达的测距能力难以有效提高。

基于以上问题，本发明实施例提出了一种激光接收系统，如图1所示，所述激光接收系统包括：包括接收镜组10、接收天线阵列20、光探测器40和控制器50；

所述接收镜组10用于接收反射激光并使所述反射激光汇聚到所述接收天线阵列20；

所述接收天线阵列20用于接收汇聚后的所述反射激光；

所述光学探测器40用于接收所述接收天线阵列20接收的所述反射激光，并将所述反射激光转换为电信号；

所述控制器50用于对所述电信号进行处理。

接收天线阵列20可以是相控阵天线阵列，通过改变施加于相控阵天线阵列的电压或电流就能控制相控阵天线阵列的方向。然而，相控阵天线阵列可偏转的方向较小，即相控阵天线阵列的第二接收视场角较小。

接收镜组10可以是一片透镜也可以是多片透镜，对反射激光进行调整，使反射激光能够被接收天线阵列20有效接收。

接收镜组10选取大口径的镜片，使接收镜组10接收到的反射激光增加。由于接收镜组10的接收口径大于接收天线阵列20的第二接收视场角，通过设置接收镜组10，先对反射激光进行汇聚，压缩接收镜组10接收到的反射激光的光束直径，使汇聚后的反射激光均能够被接收天线阵列20接收，提高反射激光的接收效率。如前述，反射激光的入射角度越大，接收天线阵列20的接收效率越低。反射激光在接收镜组10内汇聚后，扩散角较大，还需在接收镜组10内进一步校正反射激光的扩散角，使反射激光以近似平行的光束出射。经过接收镜组10调整后的反射激光的光束以相同的入射角射向接收天线阵列20，提高接收天线阵列20的接收效率。另外，由于接收镜组10的第一接收视场角大于接收天线阵列20的第二接收视场角，接收镜组10接收的反射激光均能够被接收天线阵列20接收，相当于增大了接收天线阵列20的第二接收视场角。

接收天线阵列20将接收到的反射激光通过光纤或波导传输至光学探测器40。光学探测器40将接收到的反射激光转换为电信号。光学探测器40可以是雪崩光电二极管(APD)、硅光电倍增管(Si PM)、单光子探测雪崩二极管(SPAD)等中的任意一种或多种的组合。

控制器根据获取的电信号进行解算，得到探测信息。

本实施例所述的激光接收系统，通过接收镜组将接收到的反射激光汇聚到接收天线阵列，增大了激光接收系统的接收口径，增加对反射激光的接收；接收镜组的第一接收视场角大于接收天线阵列的第二接收视场角，通过接收镜组接收反射激光，增大激光接收系统的接收视场角；然后通过接收镜组对接收到的反射激光进行光路调整，以使大口径入射的反射激光能够汇聚并以近乎平行的光束射向接收天线阵列，入射角与接收天线阵列的接收角度匹配，提高对反射激光的接收效率。本发明实施例通过将接收镜组和接收天线阵列结合，提高了接收天线阵列的接收口径和接收视场角，接收天线阵列接收到的反射激光增加，提高激光雷达的测距能力；接收镜组对反射激光进行调整，提高了反射激光的接收效率，提高激光雷达的测距能力。

在其中一种实施例中，接收天线阵列20与控制器50电连接，控制器50用于控制接收天线阵列20的接收角度。

接收天线阵列20可以是相控阵天线阵列，通过改变施加于相控阵天线阵列的电压或电流就能控制相控阵天线阵列的接收角度。控制器与接收天线阵列20电连接，控制器通过调节发送至接收天线阵列20的第一电压大小或第一电流大小，实现对接收天线阵列的接收角度的调节。示例性的，控制器向接收天线阵列20发送-nV至+nV线性周期变化的第一电压，使接收天线阵列的接收角度为-α至+α。

在其中一种实施例中，控制器50根据发射天线阵列的发射角度，控制接收天线阵列20的接收角度，以达到最好的接收效率。光学相控阵激光雷达在探测时，光发射器发射的出射激光通过发射天线阵列射向视场进行扫描；出射激光被视场内的物体反射后返回，接收天线阵列20接收返回的反射激光，并将反射激光传输至光探测器40，光探测器40将反射激光转换为电信号后传输至控制器50，控制器50根据电信号解算后得到被测物体的信息。

为了提高接收天线阵列20的接收效率，反射激光需正对或以较小入射角射向接收天线阵列20，因此需要调节接收天线阵列20的接收角度，使接收角度与反射激光的入射角度一致或相差较小。光学相控阵激光雷达发射的出射激光被物体反射后，返回的反射激光与出射激光几乎平行，调节接收天线阵列20的接收角度与发射天线阵列的出射角度一致即可提高接收效率。

控制器50控制接收天线阵列20的接收角度的方法可以有多种。

具体的，其一，可以根据施加于发射天线阵列的电压或电流，调整接收天线阵列的控制电压或电流。与接收天线阵列20相似，通过改变施加于发射天线阵列的第二电压或第二电流就能控制发射天线阵列的出射角度；因此，根据施加于发射天线阵列的第二电压或第二电流，就能获知发射天线阵列的出射角度。以电压为例进行说明，控制器50的发射天线控制模块发送第二电压给发射天线阵列的同时，将第二电压作为信号电压发送给控制器50的接收天线控制模块；由于第二电压与发射天线阵列的出射角度有对应关系，通过第二电压获得发射天线阵列20的出射角度；进而控制器50的接收天线控制模块确定第一电压，使接收天线阵列20的接收角度和发射天线阵列的出射角度一致，并将第一电压传输至接收天线阵列20；接收天线阵列20根据第一电压调节接收角度；使接收天线阵列20的接收角度和发射天线阵列的出射角度一致，接收天线阵列接收到的反射激光正对或以较小的入射角射向接收天线阵列，提高接收效率。同时控制发射和接收，接收天线阵列的控制没有滞后，接收天线阵列的接收效率最高。

需要说明的，若发射天线阵列和接收天线阵列20相同，即施加同一控制电压，发射天线阵列的出射角度和接收天线阵列的接收角度相同；因此，控制器50可以同时发送相同的第一电压和第二电压，使接收天线阵列20的接收方向和发射天线阵列的出射方向一致；简化发射、接收的控制和硬件系统。

具体的，其二，可以根据发射电线阵列的预设角度变化，调整接收天线阵列20的控制电压或电流。发射天线阵列的出射角度以预设角度进行变化；如发射天线阵列的出射角度始终以从-10°至+10°，再从+10°至-10°周期性均匀变化。控制器50通过向接收天线阵列20施加电压或电流，使接收天线阵列20的接收角度与发射天线阵列的预设出射角度变化同步；如通过施加变化的电压或电流，使接收天线的接收角度也从-10°至+10°，再从+10°至-10°周期性均匀变化，且变化周期一致。由于出射角度按预设规律变化，控制器可以使接收角度按相同的规律变化，使接收天线阵列20接收到的反射激光正对或以较小的入射角射向接收天线阵列20，提高接收效率；同时控制方法简单直接，简化硬件系统。

具体的，其三，还可以根据前一时刻接收天线阵列20接收到的反射激光的方向调节当前时刻接收天线阵列20的接收角度。通过接收天线阵列20获取前一时刻接收到的反射激光和接收角度之间的夹角，并将该夹角输出给控制器50；控制器50根据夹角调整控制接收天线阵列20的电压或电流，使当前时刻接收天线阵列20的接收角度正对反射激光，即反射激光和接收角度之间的夹角为零。通过前一时刻的反射激光的入射角，实时动态调整接收天线阵列20的接收角度，使反射激光正对或以较小的入射角射向接收天线阵列20，提高接收效率。

在其中一种实施例中，上述实施例中所述的接收镜组10，如图2所示，接收镜组10包括第一透镜101和第二透镜102，第一透镜101用于接收反射激光，并对反射激光进行汇聚；第二透镜102用于将汇聚后的反射激光进行校正，再射入接收天线阵列20。

第一透镜101选取大口径的镜片，使接收到的反射激光增加。由于第一透镜101的接收口径大，第一透镜101的第一接收视场角大于接收天线阵列20的第二接收视场角，第一透镜101先对反射激光进行汇聚，压缩接收到的反射激光的光束直径。反射激光经过汇聚后，扩散角较大；由前述实施例可知，反射激光的入射角度越大，接收天线阵列20的接收效率越低；即使反射激光正对接收天线阵列入射，大扩散角的反射激光中仍有大量光束的入射角度较大，整体接收效率低。因此还需进一步校正，减小反射激光的扩散角，使反射激光以近似平行的光束出射。使经过汇聚后的反射激光射向第二透镜102进行校正，减小反射激光的扩散角；经过第二透镜102校正后的反射激光的光束以相同的入射角射向接收天线阵列20，提高接收天线阵列20的接收效率。

进一步的，第一透镜101和第二透镜102的中心光轴共线，且第一透镜的像方焦点和第二透镜的物方焦点在同一平面上。

反射激光以近乎平行的光束由第一透镜101入射，第一透镜101将反射激光汇聚于像方焦点处；第一透镜101的像方焦点和第二透镜102的物方焦点在同一平面上，汇聚于第一透镜101的像方焦点处的反射激光相当于从第二透镜102的物方焦点处射向第二透镜102，经过第二透镜102的校正后反射激光以平行的光束出射。对反射激光的汇聚和校正效果最佳，提高激光接收系统的接收效率。

进一步的，接收镜组10还包括视场光阑103，视场光阑103设置于第一透镜101和第二透镜102之间。

反射激光在第二透镜102的物方焦平面的不同位置汇聚后射向第二透镜102，经过第二透镜102的反射激光光轴可能平行也可能不平行于中心光轴；反射激光进入第一透镜101的视场角越大，经过接收镜组10的反射激光的出射角越大。接收天线阵列20可以是相控阵天线阵列，相控阵天线阵列可偏转的角度较小，即相控阵天线阵列的第二接收视场角较小。为了使接收镜组10接收到的反射激光均能够被接收天线阵列20接收，需限制进入接收镜组10的反射激光的角度。第一透镜101和第二透镜102之间设置视场光阑103，限制了反射激光进入第一透镜101的角度，超过该角度射入第一透镜101的反射激光汇聚后被视场光阑103阻挡，无法射向第二透镜102。

通过在第一透镜和第二透镜之间设置视场光阑，使经过接收镜组后的反射激光的出射角与接收天线阵列的第二接收视场角匹配，提高激光接收系统的接收效率；也避免经过接收镜组的反射激光，出射角过大的光束无法被接收天线阵列接收，散射或多次反射至相邻接收天线阵列，造成串扰，影响探测准确性。

具体的，上述实施例中的接收镜组10的光路如图3所示，图中包括第一透镜101、第二透镜102和接收天线阵列20，其中第一透镜101的焦距为f1，第二透镜102的焦距为f2；该接收镜组的放大倍数τ为：

进一步的，接收天线阵列20与第二透镜102之间的距离L为：

当然，在实际应用过程中，可以对第一透镜101和第二透镜102的焦距根据需要进行调整，只要满足上述要求，即可实现扩大接收天线阵列接收视场角的目的。

在其中一种实施例中，接收天线阵列20通过光纤或波导与光探测器40连接，接收天线阵列20将接收到反射激光通过光纤或波导发送给光探测器40。接收天线阵列20和光探测器40之间，可以采用光纤连接，接收天线阵列20将接收到的反射激光通过光纤传输给光探测器40；也可以通过采用光波导连接，将接收天线阵列20接收到的反射激光通过光波导传输给光探测器40。通过光纤或光波导的连接方式，可以最大程度较小反射激光在传输过程中的损耗，提高反射激光的接收效率。当然也可以将接收天线阵列20与光探测器40集成在一起，能够最大程度的减小激光接收系统占用的空间，提高激光雷达的集成度，提高可靠性和稳定性。

本发明实施例提供的一种激光接收系统，使用了接收天线阵列和接收镜组组合的方式，扩大了接收天线阵列的接收口径和接收视场角，使接收天线阵列的接收到的反射激光增加，调整了反射激光射向接收天线阵列的入射角，接收效率提高，接收效率提高，提高激光雷达的测距能力；另一方面，通过接收天线阵列接收反射激光，根据反射激光的角度对接收天线阵列的接收角度进行调整，提高了激光接收系统对反射激光的接收效率，解决了光学阵列激光雷达接收效率低下的问题。

更进一步的，在上述激光接收系统的基础上，本发明实施例还提出了一种激光雷达，所述激光雷达包括了激光发射系统和激光接收系统，激光发射系统采用发射天线阵列对发射激光进行出射和出射方向的调节，激光接收系统采用上述实施例中的激光接收系统，对反射激光进行接收，大大提高了激光雷达的激光接收效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。