用于激光雷达的高重频激光器、编码激光收发装置及汽车的制作方法

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种用于激光雷达的高重频激光器、编码激光收发装置及汽车。

背景技术：

激光雷达系统是激光探测及测距系统的简称，是一种用激光器作为辐射源的雷达系统，是激光技术与雷达技术相结合的产物。激光器有许多种，如光纤激光器、半导体激光器、固体激光器等。激光雷达的工作原理是：向所要探测的目标发射激光探测信号(激光束)并接收从目标反射回来的回波信号，通过将探测信号与回波信号进行比较,作适当处理后,就可获得目标的相关信息,如目标的距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

半导体激光器因其质量小、价格低等优点，已成为雷达系统中应用最多的一种激光发射源，但是受限于自身结构等因素的限制，现有的半导体激光器的发光频率有限，使得应用半导体激光器的单点雷达系统的探测点的数量有限，从而影响雷达系统的探测分辨率。为了提高单点雷达系统的探测分辨率，可以在该雷达系统中设置多个激光发射源，以形成多点雷达系统。为方便集成与控制，现有的多点雷达系统均使用相同的激光发射源，虽然控制简单，但由于激光发射源所用的波段相同，多点雷达系统在接收回波信号的过程中会出现信号干扰的问题，后果就是在点云数据上会出现许多杂点，影响多点雷达系统探测结果的准确度。

相应地，本领域需要一种新的用于激光雷达的高重频激光器及编码激光收发装置来解决上述问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的激光雷达系统的探测分辨率低、探测结果的准确度低的问题，本发明的第一方面提供了一种用于激光雷达的高重频激光器，该高重频激光器包括：多个低重频激光器，各个低重频激光器能够彼此独立地发射激光脉冲；合束器，其能够将所述多个低重频激光器发射的多路激光脉冲合束后以一路高重频激光脉冲输出；控制模块，其分别与所述多个低重频激光器连接，用于控制各个低重频激光器的脉冲触发时间，以便在一个触发周期内使至少两个所述低重频激光器以设定时间间隔顺次发射激光脉冲，其中，一个触发周期是指所述高重频激光器中首个发射激光脉冲的低重频激光器发射两次激光脉冲的时间间隔，在所述时间间隔内，所有开启的低重频激光器均发射一次激光脉冲。

在上述高重频激光器的优选技术方案中，所述多个低重频激光器具有相同的脉冲周期，所述触发周期与所述脉冲周期相同。

在上述高重频激光器的优选技术方案中，所述设定时间间隔通过以下公式确定：

其中，δt表示两个低重频激光器顺次发射激光脉冲的设定时间间隔；t表示一个触发周期；n表示所述低重频激光器的个数。

在上述高重频激光器的优选技术方案中，所述合束器为光纤合束器。

在上述高重频激光器的优选技术方案中，所述合束器为多个，包括一级合束器和二级合束器，所述一级合束器用于对多路激光脉冲进行一次合束处理并因此形成合束激光脉冲，所述二级合束器用于对所述合束激光脉冲或所述合束激光脉冲与至少一路激光脉冲进行二次合束处理后以一路高重频激光脉冲输出。

本发明的第二方面还提供了一种用于激光雷达的编码激光收发装置，该编码激光收发装置包括：信号发射单元，其包括上述任一项技术方案所述的高重频激光器，所述高重频激光器用于向目标发射激光探测信号；信号接收单元，其用于接收由所述目标反射的回波信号；编码单元，其与所述信号发射单元和所述信号接收单元连接，用于分别对所述激光探测信号和所述回波信号进行编码；处理单元，其与所述编码单元连接，用于比较激光探测信号的编码值和回波信号的编码值，并在所述激光探测信号的编码值和所述回波信号的编码值相同的情形下对所述回波信号进行解码。

在上述编码激光收发装置的优选技术方案中，所述编码单元包括探测信号编码模块和回波信号编码模块，所述探测信号编码模块用于对所述探测信号进行编码，所述回波信号编码模块用于对所述回波信号进行编码。

在上述编码激光收发装置的优选技术方案中，所述激光探测信号的编码值和所述回波信号的编码值的位数相同且大于开启的低重频激光器的个数。

在上述编码激光收发装置的优选技术方案中，所述编码单元的编码周期与所述低重频激光器的脉冲周期相同。

本发明的第三方面还提供了一种汽车，该汽车包括激光雷达，该激光雷达至少包括一个上述任一项技术方案所述的编码激光收发装置。

本发明提供的高重频激光器，通过将多个低重频激光器输出的多路激光脉冲进行合束处理后以一路激光脉冲输出，即将多个激光发射源合束后形成一个激光发射源，并通过控制各个低重频激光器的脉冲触发时间来增加该高重频激光器在单位时间内触发的脉冲数，从而提高该激光发射源的激光脉冲的重复频率，当将该高重频激光器作为激光发射源应用于单点激光雷达系统后，在该单点激光雷达系统的成像过程中，由于提升了激光发射源的脉冲重复频率，相当于增加了单位时间内探测点的数量，即在单位时间内能够获得来自目标的更多的回波，从而实现了激光雷达系统扫描分辨率、成像帧率等多种性能的同步提升，大幅提高该激光雷达系统的探测信息的丰富度。

进一步地，通过选用具有相同脉冲周期的低重频激光器，即可以选用相同型号的低重频激光器，可以方便系统集成和控制，可以简化控制程序；通过将该高重频激光器的触发周期设置成与低重频激光器的脉冲周期相同，在对低重频激光器的脉冲周期进行调整时，该高重频激光器的触发周期也可以相应地实现快速调整。

进一步地，基于低重频激光器的个数来确定上述设定时间间隔，能够最大程度地增大该高重频激光器的重复频率，最大程度地提高激光雷达系统的探测分辨率。

进一步地，通过设置多级合束器，可以方便地实现对多个低重频激光器进行分组控制，例如在使用过程中需要间断性地关闭某几个低重频激光器时，通过将这几个低重频激光器单独通过一个一级合束器进行合束处理，能够方便对这几个低重频激光器进行控制。

本发明提供的用于激光雷达的编码激光收发装置，设置有前述的高重频激光器，在该高重频激光器发射激光脉冲的过程中，通过改变某一个或某几个低重频激光器的脉冲触发时间，能够获得不同脉冲序列的探测信号，再通过将该探测信号以及回波信号进行编码后对获得的编码值进行匹配，在两种编码值相同的情形下再对回波信号进行解码，从而保证探测信号与回波信号的一一对应，避免对错误的回波信号进行解读，从而有效提高该激光雷达系统探测结果的准确度。

进一步地，通过分别设置专用于对探测信号进行编码的探测信号编码模块，以及专用于对回波信号进行编码的回波信号编码模块，可以进一步降低编码出错的概率。

进一步地，在编码过程中，通过将激光探测信号的编码值和回波信号的编码值的位数设置成相同，能够提高二者的匹配过程的处理效率，通过将编码值的位数设置成大于开启的低重频激光器的个数，可以实现利用同一个高重频激光器发射不同脉冲序列的激光脉冲，方便用户选择信号差异大且易识别的探测信号。

进一步地，编码单元的编码周期与低重频激光器的脉冲周期相同，这样在对低重频激光器的脉冲周期进行调整后，编码周期也可以相应地进行调整，以方便后续的匹配过程。

附图说明

下面参照附图来描述本发明的用于激光雷达的高重频激光器和用于激光雷达的编码激光收发装置，附图中：

图1为本发明实施例提供的高重频激光器的示意图，其中示出了合束器的第一种连接方式；

图2为本发明实施例提供的高重频激光器的示意图，其中示出了合束器的第二种连接方式；

图3为本发明实施例提供的高重频激光器中各个低重频激光器在两个触发周期内分别发射激光脉冲的时序示意图；

图4为本发明实施例提供的高重频激光器在两个触发周期内输出的激光脉冲的示意图；

图5为本发明实施例提供的编码激光收发装置的示意图；

图6为本发明实施例提供的编码激光收发装置中探测信号与回波信号的对应关系，其中示出了仅开启一个低重频激光器的情形；

图7为本发明实施例提供的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第一种探测信号时各个低重频激光器的激光脉冲；

图8为图7中的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第一种探测信号时对应的编码值；

图9为本发明实施例提供的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第二种探测信号时各个低重频激光器的激光脉冲；

图10为图9中的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第二种探测信号时对应的编码值；

附图标记列表：

1、高重频激光器；10、激光器组；101、第一低重频激光器；102、第二低重频激光器；103、第三低重频激光器；104、第四低重频激光器；11、合束器；110、一级合束器；1110、第一合束器；1101、第二合束器；111、二级合束器；2、编码激光收发装置；20、信号发射单元；200、探测信号脉冲；21、编码单元；22、处理单元；23、信号接收单元；230、回波信号脉冲；3、目标。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。虽然下述的实施例是以半导体激光器为例进行说明的，但这并不是限制性的，本发明的技术方案还适用于其他类型的激光器，如光纤激光器等，激光器的种类并不应该构成对本发明的保护范围的限制。

在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的激光器的工作原理及构成、接收回波信号的接收器的工作原理及构成，以及编码和解码的工作原理未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下集中对本发明中出现的一些概念进行解释：高重频激光器和低重频激光器中的“重频”，是指激光器发射脉冲的重复频率，即高重频激光器为高重复频率激光器的简称，低重频激光器为低重复频率激光器的简称；脉冲周期是指各个低重频激光器连续发射两个激光脉冲之间的时间间隔；触发周期是指高重频激光器中首个发射激光脉冲的低重频激光器发射两次激光脉冲的时间间隔，在该时间间隔内，所有开启的低重频激光器均发射一次激光脉冲；编码周期是指对探测信号进行一次编码并获得编码值的时间长度；单点雷达系统是指该雷达系统中仅有一个激光发射源；多点雷达系统是指该雷达系统中有多个激光发射源。

还需要特别说明的是，关于高重频激光器和低重频激光器，行业内并没有明确的重复频率数值界限，即并没有明确超过多少的重复频率就是高重频，也没有明确低于多少的重复频率就是低重频，因此，本发明中，“高重频”与“低重频”之间是相对而言的，由于本发明通过将多个普通的激光器发射的激光脉冲进行合束处理后输出了重复频率翻倍的激光脉冲，与原有的每个普通激光器相比，本发明的激光器的重复频率提高了，因此称为高重频激光器，普通激光器相应地称为低重频激光器；关于脉冲序列，在本发明中，对脉冲宽度不作考虑，不同的脉冲序列主要指该序列中，脉冲个数和/或脉冲间隔时间长度不同，其中一个脉冲序列指一个触发周期内的脉冲排列情形。

为解决背景技术指出的现有的激光雷达的探测分辨率低的问题，本发明实施例提供了一种高重频激光器，该高重频激光器包括多个低重频激光器、合束器和控制模块。各个低重频激光器与控制模块连接，在控制模块的控制下，各个低重频激光器能够彼此独立地发射激光脉冲。合束器用于将多个低重频激光器发射的多路激光脉冲合束后以一路高重频激光脉冲输出，其中一个低重频激光器发射一路激光脉冲。控制模块用于控制各个低重频激光器的脉冲触发时间，以及控制各个低重频激光器发射激光脉冲的时序，还可以控制工作过程中单个低重频激光器的开关状态，以便在一个触发周期内使至少两个低重频激光器以设定时间间隔顺次发射激光脉冲。

本发明提供的高重频激光器，通过将多个低重频激光器输出的多路激光脉冲进行合束处理后以一路激光脉冲输出，即将多个激光发射源合束后形成一个激光发射源，并通过控制各个低重频激光器的脉冲触发时间来增加该高重频激光器在单位时间内触发的脉冲数，从而提高该激光发射源的激光脉冲的重复频率，当将该高重频激光器作为激光发射源应用于单点激光雷达系统后，在该单点激光雷达系统的成像过程中，由于提升了激光发射源的脉冲重复频率，相当于增加了单位时间内探测点的数量，即在单位时间内能够获得来自目标的更多的回波，从而实现了激光雷达系统扫描分辨率、成像帧率等多种性能的同步提升，大幅提高该激光雷达系统探测信息的丰富度。

关于低重频激光器与控制模块的连接，可以为单个低重频激光器单独连接一个控制模块，也可以为多个低重频激光器集中连接到一个控制模块上。

关于合束器，合束器的种类有多种，如空间合束器、光纤合束器等。本实施例中，合束器采用光纤合束器。光纤合束器是在熔融拉锥光纤束的基础上制备的光纤器件，它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束。本实施例中的激光传导过程均通过光纤实现。合束器将多个低重频激光器发射的多路激光脉冲合束后形成一路高重频激光脉冲，并通过光纤输出，使该高重频激光器可以作为一个激光发射源存在。

下面参照图1-图4对本发明的用于激光雷达的高重频激光器进行详细说明。图1为本发明实施例提供的高重频激光器的示意图，其中示出了合束器的第一种连接方式；图2为本发明实施例提供的高重频激光器的示意图，其中示出了合束器的第二种连接方式；图3为本发明实施例提供的高重频激光器中各个低重频激光器在两个触发周期内分别发射激光脉冲的时序示意图；图4为本发明实施例提供的高重频激光器在两个触发周期内输出的激光脉冲的示意图。

具体地，参照图1，本实施例提供的高重频激光器1包括4个低重频激光器、一个合束器11和一个控制模块(未图示)。

具体地，4个低重频激光器分别与控制模块连接，该控制模块可对各个低重频激光器的脉冲触发时间进行单独控制，具体可对各个低重频激光器的首次发光时间、发光顺序、脉冲周期长度、各个低重频激光器发光的时间间隔等进行控制。在该控制模块的控制下，各个低重频激光器能够彼此独立地发射激光脉冲，各低重频激光器之间相互没有影响。合束器11采用光纤合束器，各单路激光脉冲经光纤合束器进行合束处理后以一路激光脉冲输出，使得该高重频激光器1可以作为单个激光发射源来使用。

替代性地，为了降低合束工艺难度，以及方便后续对激光脉冲序列进行调制，可以将低重频激光器分成多个组，各组采用多个一级合束器110进行合束，然后再采用一个二级合束器111对一级合束器110处理后的合束激光进行进一步合束处理。参照图2所示，低重频激光器有4个，构成一个激光器组10，具体包括第一低重频激光器101、第二低重频激光器102、第三低重频激光器103和第四低重频激光器104，将第一低重频激光器101和第二低重频激光器102通过一级合束器110中的第一合束器1110进行合束处理，将第三低重频激光器103和第四低重频激光器104通过一级合束器110中的第二合束器1101进行合束处理，然后通过二级合束器111将第一合束器1110输出的合束激光和第二合束器1101的合束激光进行再次合束处理后通过光纤输出，使该高重频激光器1最终仅输出一路高重频激光。

参照图3和图4，第一低重频激光器101、第二低重频激光器102、第三低重频激光器103和第四低重频激光器104具有相同的脉冲周期，每个低重频激光器的脉冲周期为t，图中示出了2个脉冲周期的脉冲序列。参照图4，高重频激光器1的触发周期与单个低重频激光器的脉冲周期相同，也为t，在长度为t的时间段内，通过控制各个低重频激光器以设定时间间隔δt顺次发射激光脉冲，能够实现重复频率翻倍增长的目的。如图4，在第一个触发周期内，第一低重频激光器101首次触发激光脉冲后，第二低重频激光器102滞后δt的时间首次触发激光脉冲，第三低重频激光器103相对于第二低重频激光器102滞后δt的时间首次触发激光脉冲，第四低重频激光器104同理，这样，在相同的时间长度内，即一个脉冲周期t内，本发明的高重频激光器1实现由原有的仅触发一个激光脉冲提升到了触发4个激光脉冲，脉冲重复频率变为了单个低重频激光器的脉冲重复频率的4倍，重复频率得到了大幅的提升。

进一步地，设定时间间隔通过以下公式确定：

其中，δt表示两个低重频激光器顺次发射激光脉冲的设定时间间隔；t表示一个触发周期；n表示低重频激光器的个数。关于触发周期，由图4可以看出，该高重频激光器1的脉冲周期实际上已经变成了t/4，为了与单个低重频激光器的脉冲周期进行区分，本发明通过触发周期来对高重频激光器1周期进行描述，通常情形下，高重频激光器1的触发周期与单个低重频激光器的脉冲周期相同。

为提高激光雷达系统的探测分辨率及扩大探测范围，可以采用多点雷达系统，为解决现有的多点雷达系统易发生信号干扰的问题，本发明实施例还提供一种用于激光雷达的编码激光收发装置，下面参照图5-图10对本发明提供的编码激光收发装置进行具体描述，图5为本发明实施例提供的编码激光收发装置的示意图；图6为本发明实施例提供的编码激光收发装置中探测信号与回波信号的对应关系，其中示出了仅开启一个低重频激光器的情形；图7为本发明实施例提供的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第一种探测信号时各个低重频激光器的激光脉冲；图8为图7中的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第一种探测信号时对应的编码值；图9为本发明实施例提供的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第二种探测信号时各个低重频激光器的激光脉冲；图10为图9中的编码激光收发装置在一个触发周期内发射及接收第二种探测信号时对应的编码值。

首先参照图5，本发明实施例提供的编码激光收发装置2包括：信号发射单元20、信号接收单元23、编码单元21和处理单元22，信号发射单元20与编码单元21连接，信号接收单元23与编码单元21连接，编码单元21与处理单元22连接。

信号发射单元20用于向目标3发射探测信号，本实施例中，信号发射单元20包括前述实施例提供的两个高重频激光器1，分别定义为第一高重频激光器和第二高重频激光器，两个高重频激光可以同时向目标3发射激光探测信号。

信号接收单元23用于接收由目标3反射的回波信号。信号接收单元23可以包括两个接收子模块，分别用于接收第一高重频激光器的回波信号和第二高重频激光器的回波信号。参照图6所示，探测信号脉冲200的脉冲幅度高于回波信号脉冲230的脉冲幅度，信号接收单元23接收到的回波信号脉冲230的时间滞后于探测信号脉冲200，回波信号脉冲230的脉冲宽度小于探测信号脉冲200的脉冲宽度。可以理解的是，此种情形仅仅是示例性，对于不同的探测目标3，由于目标3的运动状态、材质等等因素不一定相同，探测信号与回波信号也会存在一定的差异。

编码单元21用于分别对激光探测信号和回波信号进行编码。具体地，由于探测信号与回波信号之间有时间差，因此可以用同一个编码模块同时实现对探测信号的编码和对回波信号的编码。优选地，该编码单元21包括探测信号编码模块和回波信号编码模块，探测信号编码模块用于对探测信号进行编码，回波信号编码模块用于对回波信号进行编码，这样，利用不同的编码模块分管探测信号编码和回波信号编码，能够有效降低编码出错的概率。进一步地，编码单元21的编码周期与高重频激光器1的触发周期相同，以使编码周期能随着低重频激光器的脉冲周期的变化而进行相应的调整。

下面参照图7-图10对本发明实施例中编码的过程进行详细描述。

参照图7，图7为信号发射单元20中第一高重频激光器发射第一种探测信号的情形。该高重频激光器中有4个低重频激光器开启。在一个触发周期内，共触发了4个时间间隔长度相同的激光脉冲，若将该触发周期t平均分成8个区间，每个区间的时间长度为t/8，则对应的编码规则参照图8，采用二进制编码规则，有激光脉冲的区间段编码为1，无激光脉冲的区间段编码为0，则在该触发周期内，第一种探测信号的编码值为11110000，编码值的位数为8位。

下面对回波信号的编码过程进行描述。继续参照图8，在一个触发周期内，探测信号到达目标3后被目标3反射，形成如图8中所示的回波信号，即图8中脉冲幅度较小的脉冲序列。需要说明的是，图8为了方便对比将探测信号和回波信号显示在了一个时间轴上。从图中可以看出，回波信号编码后的编码值为11110000，编码值的位数为8位。

参照图9，图9为信号发射单元20中第二高重频激光器发射第二种探测信号的情形。该高重频激光器中也有4个低重频激光器开启。在一个触发周期内，共触发了4个激光脉冲，部分激光脉冲之间的时间间隔长度不同。将该触发周期平均分成8个区间，每个区间的长度为t/8，对应的编码规则参照图10，与图8中采用的二进制编码规则相同，有激光脉冲的区间段编码为1，无激光脉冲的区间段编码为0，则在该触发周期内，探测信号的编码值为11010100，编码值的位数为8位，相应地，回波信号的编码值为11010100，编码值的位数为8位。可见，在两种不同的触发模式下，编码值不相同。

可以理解的是，图7-图10还适用于其他数量的低重频激光器，如为6个、8个、12个等，在该中数量的情形下，编码值的位数可以对应地进行增加，图7可以理解为使用过程中仅开启其中4个低重频激光器。

在接收到回波信号后，需要通过处理单元22来判断接收的回波信号是否是对对应的激光发射源的正确反馈。参照图5，处理单元22与编码单元21连接，用于比较激光探测信号的编码值和回波信号的编码值，并在激光探测信号的编码值和回波信号的编码值相同的情形下对回波信号进行解码。具体地，探测信号编码模块和回波信号编码模块分别与该处理单元22连接，在一个触发周期内，处理单元22在获取到探测信号的编码值和回波信号的编码值后，对两个编码值进行匹配，匹配成功的情况下，对相应的回波信号进行解码处理，以获取回波信号携带的与目标3相关的信息。例如，信号接收单元23同时接收到了编码值分别为11110000和11010100的回波信号，在与探测信号的编码值匹配的过程中，若匹配不成功，则不对该编码的回波信号进行解码，只有在探测信号的编码值与回波信号的编码值一致的情况下才对回波信号进行解码，以避免信号干扰，从而提高探测结果的准确度。

在一些优选的实施例中，激光探测信号的编码值和回波信号的编码值的位数相同且大于开启的低重频激光器的个数。参照图8和图10，开启的低重频激光器的个数为4个，激光探测信号的编码值和回波信号的编码值的位数均为8位。通常情形下，低重频激光器为全开状态，只要保证一个触发周期内的编码值中有码值为0的情形即可，以便于与其他的编码值进行区分。

本领域技术人员可以理解的是，还可以在一个编码激光收发装置2中仅设置一个高重频激光器1，在一个雷达系统中通过设置多个编码激光收发装置2来构建多点雷达系统。

最后，本发明还提供一种汽车，该汽车包括前述的激光雷达系统，该激光雷达至少包括一个上述任一项技术方案所述的编码激光收发装置2，即该汽车至少设置有一个高重频激光器1来提高该雷达系统的探测分辨率，以及提高探测结果的准确度。激光雷达用在汽车自动驾驶中对汽车各个方位的障碍物的探测过程。

本领域技术人员可以理解的是，上述低重频激光器的个数、合束器11的个数，以及激光雷达中配置的高重频激光器1的个数等均是示例性的，具体的配置数量可以根据需要进行选择，各器件的数量并不应该构成对本发明的保护范围的限制。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。