激光发射机构及相控阵激光雷达的制作方法

本实用新型涉及汽车驾驶中的雷达探测技术领域，特别是涉及一种激光发射机构及相控阵激光雷达。

背景技术：

激光雷达是一种利用激光进行探测和测距的装置。其原理与雷达或声呐类似，即：用发射装置向目标物体发射激光脉冲，通过接收装置测量返回脉冲的延迟和强度来测量目标物体的距离与反射率。

传统的激光雷达发射装置通常采用机械转动装置进行360度的环形扫描，并集合多组激光发射接收机、以同时覆盖多个俯仰角度。这种激光雷达发射装置需要使用多组激光收发机，并且需要精密的光调校准(通常手工完成)，造价高昂，机械转动装置也容易出现故障。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种激光发射机构及相控阵激光雷达。该激光发射机构成本低廉、测量可靠性高，且故障率低；该相控阵激光雷达采用前述的激光发射机构发射探测激光，提升整体的测量可靠性。

其技术方案如下：

一方面，提供了一种激光发射机构，包括激光器，激光器用于产生激光光源，激光器设有至少一个；及相控阵单元，相控阵单元设有至少一个，相控阵单元与对应的激光器光学连接，相控阵单元用于接收激光器产生的激光光源、并将激光光源作为探测激光朝被测物体发射。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，激光器设有一个，相控阵单元设有多个，激光发射机构还包括分束器，分束器设于激光器和相控阵单元之间，分束器用于将激光器发出的激光进行分束、并使分束后的激光与相控阵单元对应。

在其中一个实施例中，相控阵单元呈间距设置、并成排设置，相控阵单元为一维相控阵。

在其中一个实施例中，激光器设有一个，激光器为可调谐激光器，相控阵单元设有一个，相控阵单元为一维相控阵。

在其中一个实施例中，激光器设有一个，相控阵单元设有一个，相控阵单元为二维相控阵。

在其中一个实施例中，激光器设有多个，相控阵单元设有多个、并与激光器对应设置。

在其中一个实施例中，至少两个相控阵单元的安装仰角不相同。

在其中一个实施例中，相控阵单元的安装仰角相同，激光发射机构还包括偏折组件，偏折组件包括多个用于对相控阵单元发出的激光进行偏折处理的光学偏折件，光学偏折件与相控阵单元一一对应。

在其中一个实施例中，光学偏折件为透射件或反射件。

另一方面，还提供了一种相控阵激光雷达，包括如上述任一个技术方案所述的激光发射机构；及激光接收机构，激光接收机构用于接收被测物体反射的回波激光。

上述激光发射机构，采用激光器与相控阵单元相配合，激光器和相控阵单元根据需要进行数量匹配设置、且配合使用即可进行多维扫描，无需传统的机械转动装置，成本低，测量可靠度高，故障率低。

上述相控阵激光雷达，由于采用前述的激光发射机构发射探测激光，并与激光接收机构配合使用进行测距，不仅成本低廉，而且测量可靠度高，故障率低。

附图说明

图1为激光发射机构的第一实施例的整体结构图；

图2为图1实施例横向调节和纵向调节的示意图；

图3为激光发射机构的第二实施例的整体结构图；

图4为激光发射机构的第三实施例的整体结构图；

图5为单个一维相控阵的纵向排布第一实施例图；

图6为单个一维相控阵的纵向排布第二实施例图；

图7为单个一维相控阵的纵向排布第三实施例图；

图8为多个一维相控阵的纵向排布第一实施例图；

图9为多个一维相控阵的纵向排布第二实施例图；

图10为多个一维相控阵的纵向排布第三实施例图；

图11为实施例中相控阵激光雷达整体结构框架图。

附图标注说明：

100、激光器，200、相控阵单元，210、一维相控阵，220、二维相控阵，230、光学偏折件，231、第一偏折件，232、第二偏折件，300、接收端光学单元，400、激光接收器，500、被测物体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明：

需要说明的是，文中所称元件与另一个元件“固定”时，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是与另一个元件“连接”时，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图10所示的实施例，提供了一种激光发射机构，包括激光器100，激光器100用于产生激光光源，激光器100设有至少一个；及相控阵单元200，相控阵单元200设有至少一个，相控阵单元200与对应的激光器100光学连接，相控阵单元200用于接收激光器100产生的激光光源、并将激光光源作为探测激光朝被测物体500发射。

激光发射机构的发射端采用激光器100与相控阵单元200相配合，激光器100和相控阵单元200根据需要进行数量匹配设置、且配合使用即可进行多维扫描，无需传统的机械转动装置，成本低，测量可靠度高。

传统的激光雷达使用机械转动装置进行360°环形扫描，并集合多组激光发射接收机、以同时覆盖多个俯仰角度，从而实现多方位扫描。然而，这种激光雷达造价高昂，转动精度难以把控，且容易出故障，激光接收效率也相对差。

本实施例提供的激光发射机构包括激光器100和相控阵单元200，激光器100用于产生激光光源，相控阵单元200用于接收激光器100发出的激光光源、并将激光光源作为探测激光朝被测物体500发射。

相控阵单元200指光学相控阵，即Optical Phased Array，简称OPA。本实施例提供的相控阵激光雷达采用相控阵单元200(即OPA)来替代机械转动装置的扫描方式。光学相控阵由许多相同的天线组成矩阵，所有天线的辐射波在远场通过干涉形成一束雷达波。电子系统实时控制每个天线的相位，从而控制远场的雷达波方向。电子系统改变某些天线的相位，就可以改变雷达波(即探测激光)的方向，从而实现动态扫描。这样的电子扫描不需要机械转动装置，扫描速率快，且即使有少量天线发生故障也不会影响光学相控阵的实际使用。

使用光学相控阵只需要单一元件即可完成一个空间立体角度内的扫描；同时使用全自动、大规模的光子集成电路的制造、封装工艺而不需要机械转动装置的激光雷达那样复杂费时的安装校准过程，从而可以降低成本。同时，相控阵激光雷达没有高速旋转的机械部件，测量可靠性相比传统激光雷达能够得到进一步地提高。

相控阵单元200属于单向光学器件，使用相控阵单元200组成激光雷达，则需要将相控阵单元200发射到空间中各个方向的探测激光所反射的雷达回波信号(即回波激光)进行收集并探测。

另外，激光器100设有至少一个，相控阵单元200至少设有一个，从而根据具体的激光器100类型或相控阵单元200的类型进行具体配置、并形成激光发射端，从而满足不同类型和要求的激光雷达探测要求，并降低成本。

需要说明的是：

相控阵单元200与激光器100之间光学连接，这里的光学连接指保证光能在光波导之间或光波导与光学无源器件之间或光波导与光学源器件之间具有低衰减传输的连接的设置。

如图1所示的实施例，激光器100设有一个，相控阵单元200设有多个，激光发射机构还包括分束器，分束器设于激光器100和相控阵单元200之间，分束器用于将激光器100发出的激光进行分束、并使分束后的激光与相控阵单元200对应。

如图1所示，激光器100设有一个，相控阵单元200设有多个，相控阵单元200与激光器100之间光学连接，这种光学连接可以是基于光纤的连接，也可以是基于自由空间光学元件的连接；通过分束器，将激光器100发出的激光进行分束、并将分束后的激光耦合进入对应的相控阵单元200，相控阵单元200将分束后的激光(即探测激光)朝被测物体500发射。

当然，这里的分束器也可以通过分路的形式实现，这里不再赘述。

如图1和图2所示的实施例，相控阵单元200呈间距设置、并成排设置，相控阵单元200为一维相控阵210。

相控阵单元200排布形成一排，由于相控阵单元200为一维相控阵210，一维相控阵210在一维方向上进行扫描，而一排的相控阵单元200从而实现在排布方向上的另一维的扫描，从而实现多方位扫描。

如图1和图2所示，定义一维相控阵210通过相位调制实现的光束偏转方向为横向，则成排设置如图1中的纵向排布方向则为纵向；因此，通过纵向排布的多个一维相控阵210并通过相位调节即可实现横向和纵向的扫描。

如图3所示的实施例，激光器100设有一个，激光器100为可调谐激光器100，相控阵单元200设有一个，相控阵单元200为一维相控阵210。

可调谐激光器100指使用波长可调谐的激光器100产生光源，当输出的激光波长产生改变时，光束经过相控阵单元200并出射到不同的纵向角度，从而实现纵向的光束偏转，实现纵向的扫描。

另外，相控阵单元200设有一个、且为一维相控阵210时，纵向的扫描方式有以下几种：

如图5所示的实施例，该激光器100为可调谐激光器100，该可调谐激光器100配合相控阵单元200的发射天线作为色散器件实现波长调制的纵向扫描；

如图6所示的实施例，该激光器100同样为可调谐激光器100，在一维相控阵210的外部使用独立的第一偏折件231(如光栅或棱镜)作为色散器件来实现波长调制的纵向扫描；

如图7所示的实施例，使用非色散的第二偏折件232(如微电机系统)来实现纵向扫描。

图5和图6中，波长可调谐激光器100的调制方法可以采用半导体激光器100的温度调制或电流调制、固体激光器100或者外腔式半导体激光器100的MEMS谐振腔调制，当然，也可以采用其他现有的激光波长调谐方法。使用单个一维相控阵210进行二维角度(即横向和纵向)的空间扫描时，取决于波长调制和相位调制的相对速度，波长调制较快时纵向扫描可以作为快轴；相位调制较快时纵向扫描作为慢轴；此外，如果二者的速度基本相当，则可以较为容易地实现二维角度空间上的随机点扫描。

如图4所示的实施例，激光器100设有一个，相控阵单元200设有一个，相控阵单元200为二维相控阵220。

二维相控阵220指无需借助其他器件即可实现横向扫描和纵向扫描的相控阵单元200，其直接与激光器100配合，激光器100发出的激光源将直接耦合进入二维相控阵220、并将探测激光朝被测物体500发射。

需要说明的是：相控阵单元200通过衍射合成扫描光束，可以实现时间上非顺序、空间上非连续的光束扫描。一维相控阵210(1D-OPA)是具有一组线型发射天线的相控阵阵列器件，具备在沿线型天线方向调制光束发射角度的能力；二维相控阵220(2D-OPA)是具有多个在二维平面上分布的发射天线的相控阵阵列器件，具备在任意方向上调制光束发射角度的能力。

当然，根据需要，也可以理解为：一维相控阵210指沿一个方向呈间距排布(如横向排布或纵向排布)的多个相控阵单元200，二维相控阵220指根据预设要求在一个平面上排布的多个相控阵单元200。

此时，相控阵单元200为二维相控阵220应理解为：相控阵单元200有多个、并在一个平面上按预设要求排布设置，这里采用相控阵单元200为二维相控阵220只是为了说明和撰写的需要，不再赘述。

在一个实施例中，激光器100设有多个，相控阵单元200设有多个、并与激光器100对应设置。

激光器100设有多个，相控阵单元200与激光器100的数量对应设置、并对应进行光学连接，多个激光器100发出的激光光源耦合入对应的相控阵单元200。

如图8所示的实施例，至少两个相控阵单元200的安装仰角不相同。通过调整相控阵单元200的安装仰角，从而使每个相控阵单元200发出的光束对应一个俯仰角度，达到纵向扫描的目的。

需要说明的是：相控阵单元200的安装仰角指相控阵单元200的默认发射光束所在直线与相控阵单元200自身所在平面间的夹角。

如图8所示，每个相控阵单元200(如一维相控阵210)的发射天线在纵向上相对其法线(图8中的虚线)存在一个默认角度，该默认角度由相控阵单元200决定。通过机械的方式调整所有的相控阵单元200的安装仰角，这种仰角调节方式中，每个相控阵单元200被制造在一个单独的光电子芯片上。

如图9所示的实施例，相控阵单元200的安装仰角相同，一部分的相控阵单元200朝第一方向排布设置，另一部分的相控阵单元200朝第二方向排布设置。

如图9所示的实施例，通过改变相控阵单元200(如一维相控阵210)的内部设置来改变其默认角度，这种改变通常只能向其法线(图9中的虚线)的一侧调节仰角，而在整个纵向的另一侧，需要将相控阵单元200进行倒置来实现，也即相控阵单元200一部分正常布置，另一部分倒置布置(如相对旋转180°布置)，这种设置方式允许多个一维相控阵210集成制造在同一个光电子芯片上，相对图8所示的实施例，结构更加紧凑，成本更低。

如图10所示的实施例，相控阵单元200的安装仰角相同，激光发射机构还包括偏折组件，偏折组件包括多个用于对相控阵单元200发出的激光进行偏折处理的光学偏折件230，光学偏折件230与相控阵单元200一一对应设置。

多个相控阵单元200(如一维相控阵210)的安装仰角相同，也即：相控阵单元200的初始安装仰角相同，当相控阵单元200朝被测物体500发射探测激光后，发出的激光光束通过光学偏折件230进行偏折，从而使光束偏折向不同的仰角，实现在不同方向上(纵向)扫描的目的。

进一步地，光学偏折件230可以是透射件，也可以是反射件。通过光学偏折件230进行偏折处理的方式可靠性高，且允许多个一维相控阵210集成在同一个光电子芯片上，能够满足小尺寸的安装需求。

图8至图10给出的实施例为多个一维相控阵210时的纵向排布方式，当然，本领域技术人员还可以根据需要进行具体设置，包括但不限于本实施方式，这里不再赘述。

如图11所示的实施例，提供了一种相控阵激光雷达，包括如上述任一个实施例所述的激光发射机构；及激光接收机构，激光接收机构用于接收被测物体500反射的回波激光。

由于采用前述的激光发射机构发射探测激光，并与激光接收机构配合使用进行测距，不仅成本低廉，而且测量可靠度高，故障率低。

进一步地，激光接收机构包括接收端光学单元300和与接收端光学单元300对应设置的激光接收器400，接收端光学单元300用于接收被测物体500反射的回波激光，激光接收器400用于对回波激光进行耦合。

本实施例中的激光接收机构包括接收端光学单元300和激光接收器400。接收端光学单元300独立于激光发射机构，能够工作更加稳固，提高探测精准度，避免相互干扰，激光接收器400能够对回波激光进行耦合处理、并进行光电信号转换，从而基于预设要求处理得到测量结果。

当然，接收端光学单元300和激光接收器400(可选用任何能够满足要求的各类探测器)可根据需要进行具体选用。

需要说明的是：

本实施例中的接收端光学单元300可以是透镜，或可以是透镜组，具体的说，可以是广角接收镜头。广角接收镜头指视角范围大、并能够涵盖大范围回波激光接收的镜头。本领域技术人员还可以根据需要选用不同的透镜组以满足实际的需要，这里不再赘述；

激光接收器400可以是光电探测器，光电探测器用于将广角接收镜头的回波激光进行耦合、并将光信号转换为电信号。当然，本领域技术人员可根据需要进行具体选用，光电探测器只是为了说明的方便，在满足需要的情况下，这里的光电探测器还可以是其他非光电转换的探测器结构，以满足实际的需要，这里不再赘述；

激光接收器400与接收端光学单元300对应设置指激光接收器400能够对接接收端光学单元300接收到的回波激光、并能够对其进行耦合和光电转换的对应设置，本领域技术人员可具体进行设置，这里不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。