基于VCSEL的固态激光雷达系统

基于vcsel的固态激光雷达系统
技术领域
1.本技术涉及激光雷达探测领域，尤其是涉及一种基于vcsel的固态激光雷达系统。


背景技术：

2.激光雷达作为一种前景广阔的三维成像技术，广泛应用于自动驾驶、无人机、机器人、地理测绘等领域。目前，激光雷达主要分为飞行时间测距法和调频连续波测距法，调频连续波测距法由于具有探测精度高、对人眼安全等优点被广泛使用。
3.然而，目前调频连续波测距法主要采用机械式扫描器件对物体表面进行探测，然而这种激光雷达的扫描方式效率低、可靠性差。


技术实现要素：

4.本技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本技术提出一种基于vcsel的固态激光雷达系统，能够提高系统的扫描效率和扫描的可靠性。
5.根据本技术的第一方面实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，包括：
6.光源模块，用于输出第一光束；
7.耦合分束模块，与所述光源模块耦合连接，用于将所述第一光束分为探测光和参考光，还用于将所述探测光和所述参考光进行耦合以得到拍频信号；
8.色散扫描模块，与所述耦合分束模块耦合连接，用于将所述探测光投射至待测物体表面以对所述待测物体进行扫描；其中，所述探测光被所述待测物体反射后返回至所述耦合分束模块；
9.分析模块，与所述耦合分束模块耦合连接，用于接收所述拍频信号并对所述拍频信号进行分析以得到所述待测物体的信息。
10.根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，至少具有如下有益效果：通过设置色散扫描模块将光源模块发出的第一光束投射到待测物体表面，随着光源模块的波长扫描实现了对待测物体的二维扫描，并且利用光源模块的快速波长调谐实现了高速扫描；此外，无需使用机械式扫描器件，在实现待测物体扫描的同时，提高了扫描的精度与系统的稳定性。
11.根据本技术的一些实施例，所述光源模块包括：垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器用于输出激光光束；控制单元，与所述垂直腔面发射激光器耦合连接，用于对所述垂直腔面发射激光器进行控制以将所述激光光束调制为所述第一光束。
12.根据本技术的一些实施例，所述控制单元包括：电源，与所述垂直腔面发射激光器耦合连接，用于给所述垂直腔面发射激光器提供驱动电压；波长调谐子单元，与所述垂直腔面发射激光器耦合连接，用于调节所述激光光束的输出波长；温度调节子单元，与所述垂直腔面发射激光器耦合连接，用于调节所述垂直腔面发射激光器的内部温度。
13.根据本技术的一些实施例，所述耦合分束模块包括：第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器用于将所述第一光束进行分束处理，以得到所述探测光和所述参考光；环形器，与
所述第一光纤耦合器耦合连接，用于将所述探测光传输至所述色散扫描模块，并对所述待测物体反射的所述探测光进行传输；延时光纤，与所述第一光纤耦合器耦合连接，用于传输所述参考光；第二光纤耦合器，分别与所述环形器、所述延时光纤耦合连接，用于将所述探测光和所述参考光进行耦合以得到拍频信号。
14.根据本技术的一些实施例，所述耦合分束模块包括：光束分束器，用于将所述第一光束进行分束处理，以得到所述探测光和所述参考光；反射镜，与所述光束分束器耦合连接，用于反射所述参考光；其中，所述探测光传输至所述色散扫描模块以对所述待测物体进行扫描，所述光束分束器将所述参考光与所述待测物体反射的所述探测光进行耦合以得到所述拍频信号。
15.根据本技术的一些实施例，所述色散扫描模块包括：准直器，所述准直器与所述耦合分束模块耦合连接，用于对所述探测光进行准直处理；第一一维色散器件，与所述准直器耦合连接，用于对准直后的所述探测光进行调制；第二一维色散器件，与所述第一一维色散器件耦合连接，用于对所述探测光进行二次调制并将所述探测光投射至所述待测物体表面；其中，所述第二一维色散器件与所述第一一维色散器件相互垂直放置。
16.根据本技术的一些实施例，所述色散扫描模块包括：波分复用器，所述波分复用器与所述耦合分束模块耦合连接，用于将所述探测光进行分光处理；出射光学单元，所述出射光学单元与所述波分复用器耦合连接，用于将分光处理后的所述探测光投射至所述待测物体表面。
17.根据本技术的一些实施例，所述出射光学单元包括：光纤阵列，与所述波分复用器耦合连接，用于将分光后的光束进行排列；聚光元件，与所述光纤阵列耦合连接，用于将每个所述光束投射到所述待测物体表面对应的位置。
18.根据本技术的一些实施例，所述分析模块包括：探测单元，与所述耦合分束模块耦合连接，用于接收被所述拍频信号，并将所述拍频信号转换为电信号；信号处理单元，与所述探测单元通信连接，用于对所述电信号进行分析，以得到所述待测物体的信息。
19.本技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
20.下面结合附图和实施例对本技术做进一步的说明，其中：
21.图1为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的示意图；
22.图2为图1中光源模块的具体模块示意图；
23.图3为图2中控制单元的具体模块示意图；
24.图4a-图4b为图3中波长调谐子单元的工作原理示意图；
25.图5为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的又一示意图；
26.图6为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的又一示意图；
27.图7为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的又一示意图；
28.图8为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的又一示意图；
29.图9为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的又一示意图；
30.图10为本技术实施例基于vcsel的固态激光雷达系统的具体模块示意图。
31.附图标记：
32.光源模块100、垂直腔面发射激光器110、控制单元120、电源121、波长调谐子单元122、温度调节子单元123、耦合分束模块200、第一光纤耦合器210、环形器220、延时光纤230、第二光纤耦合器240、光束分束器250、反射镜260、色散扫描模块300、准直器310、第一一维色散器件320、第二一维色散器件330、波分复用器340、出射光学单元350、光纤阵列351、聚光元件352、分析模块400、探测单元410、信号处理单元420、待测物体500。
具体实施方式
33.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
34.在本技术的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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技术和简化描述，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技术的限制。
35.在本技术的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
36.本技术的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本技术中的具体含义。
37.本技术的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
38.下面参考图1描述根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统。
39.如图1所示，根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，包括光源模块100、耦合分束模块200、色散扫描模块300和分析模块400。
40.光源模块100用于输出第一光束；耦合分束模块200与光源模块100耦合连接，用于将第一光束分为探测光和参考光，还用于将探测光和参考光进行耦合以得到拍频信号；色散扫描模块300与耦合分束模块200耦合连接，用于将探测光投射至待测物体500表面以对待测物体500进行扫描；其中，探测光被待测物体500反射后返回至耦合分束模块200；分析模块400与耦合分束模块200耦合连接，用于接收所述拍频信号并对所述拍频信号进行分析以得到所述待测物体的信息。
41.具体地，光源模块100会根据设定的参数输出对应的第一光束，第一光束进入到与光源模块100耦合连接的耦合分束模块200中进行分束，分为探测光与参考光，其中，探测光会进入到色散扫描模块300中，并由色散扫描模块300投射到待测物体500表面。待测物体
500将探测光进行反射，反射后的探测光会沿原路返回至耦合分束模块200中，与参考光耦合得到了拍频信号。拍频信号进入到分析模块400中进行分析。由于拍频信号中携带有待测物体的信息，比如距离信息、角度信息等因此，分析模块400通过对拍频信号进行分析，从而能够获取到待测物体500的三维信息，实现物体的扫描。
42.根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，通过设置色散扫描模块300将光源模块100发出的第一光束投射到待测物体500表面，随着光源模块的波长扫描实现了对待测物体的二维扫描，并且利用光源模块的快速波长调谐实现了高速扫描；此外，无需使用机械式扫描器件，在实现待测物体500扫描的同时，提高了扫描的精度与系统的稳定性。
43.在本技术的一些具体实施例中，如图1和图2所示，光源模块100包括垂直腔面发射激光器110和控制单元120，垂直腔面发射激光器110用于输出激光光束；控制单元120与垂直腔面发射激光器110耦合连接，用于对垂直腔面发射激光器110进行控制以将激光光束调制为第一光束。
44.具体地，光源模块100包括垂直腔面发射激光器110和控制单元120，垂直腔面发射激光器110用于输出激光光束，其中垂直腔面发射激光器110可以是单颗的可调谐垂直腔面发射激光器110，也可以是由多个不同调谐波长范围的垂直腔面发射激光器110串联而成的大扫频范围的激光光源。控制单元120与垂直腔面发射激光器110耦合连接，用于对垂直腔面发射激光器110的参数进行调节，以对激光光束进行调制，从而得到第一光束。垂直腔面发射激光器110作为一种商用光源，具有成本低、体积小的优点，从而能够实现基于vcsel的固态激光雷达系统的小型化，并且降低系统的成本。
45.在本技术的一些具体实施例中，如图1至图4b所示，控制单元120包括电源121、波长调谐子单元122和温度调节子单元123，电源121与垂直腔面发射激光器110耦合连接，用于给垂直腔面发射激光器110提供驱动电压；波长调谐子单元122与垂直腔面发射激光器110耦合连接，用于调节激光光束的输出波长；温度调节子单元123与垂直腔面发射激光器110耦合连接，用于调节垂直腔面发射激光器110的内部温度。
46.具体地，电源121、波长调谐子单元122和温度调节子单元123均与垂直腔面发射激光器110耦合连接，其中，电源121用于给垂直腔面发射激光器110提供合适的驱动电压，使得垂直腔面发射激光器110能够发出激光光束。波长调谐子单元122通过输出不同重复频率、不同电压大小、不同占空比的三角波信号能够对垂直腔面发射激光器110发出的光束波长进行调制，可以理解的是，还可以使用正弦波等其他波形对垂直腔面发射激光器110发出的光束波长进行调制。如图4a和图4b所示，在δt时间内，当波长调谐子单元122输出的调谐电压从0v上升至uv时，垂直腔面发射激光器110发出的激光频率会由f1调谐至f2(即波长会发生变化)。温度调节子单元123则会对光源模块100内部的温度进行调节，使得垂直腔面发射激光器110能够工作在室温条件下，保证其稳定工作。通过设置电源121、波长调谐子单元122和温度调节子单元123，能够对激光光束的参数进行调节，实现波长的调谐，并且使得垂直腔面发射激光器110工作在适宜温度下，能够有效提高激光器的使用寿命。
47.在其他一些实施例中，控制单元120还可以设置有光放大器，用于对垂直腔面发射激光器110发出的光束进行能量放大，从而使得基于vcsel的固态激光雷达系统能够对长距离的物体进行探测，其中，光放大器可以采用掺饵光纤放大器、半导体光放大器、光纤放大器等。
48.在本技术的一些具体实施例中，如图5所示，耦合分束模块200包括第一光纤耦合器210、环形器220、延时光纤230和第二光纤耦合器240，第一光纤耦合器210用于将第一光束进行分束处理，以得到探测光和参考光；环形器220与第一光纤耦合器210耦合连接，用于将探测光传输至色散扫描模块300，并对待测物体500反射的探测光进行传输；延时光纤230与第一光纤耦合器210耦合连接，用于传输参考光；第二光纤耦合器240分别与环形器220、延时光纤230耦合连接，用于将探测光和参考光进行耦合以得到拍频信号。
49.具体地，光源模块100输出的第一光束由第一光纤耦合器210进入耦合分束模块200中，第一光纤耦合器210会对第一光束进行分束处理，分为探测光和参考光。
50.探测光进入到环形器220中，环形器220是一种三端口器件，能够对光束进行单向传输，光束由环形器220的第一端口进入时，会由第二端口输出，由第二端口进入时，会由第三端口输出。探测光由环形器220的第一端口输入，由第二端口输出到色散扫描模块300中，色散扫描模块300将探测光投射到待测物体500表面以对待测物体500进行逐点扫描，待测物体500会将携带信息的探测光反射，探测光会通过色散扫描模块300进入到环形器220的第二端口，并由第三端口输出并进入到第二光纤耦合器240中。参考光进入到延时光纤230中，经过延时光纤230处理后进入到第二光纤耦合器240中。探测光和参考光会在第二光纤耦合器240中发生干涉并产生拍频信号，分析模块400对该拍频信号进行处理与分析，则能够得到待测物体500的相关位置信息。通过设置该光路获取待测物体500信息，提高了扫描精度的同时，简化了光路结构，便于大规模广泛使用。
51.在本技术的一些具体实施例中，如图6所示，耦合分束模块200包括光束分束器250和反射镜260，光学分束器用于将第一光束进行分束处理，以得到探测光和参考光；反射镜260与光束分束器250耦合连接，用于反射参考光；其中，探测光传输至色散扫描模块300以对待测物体500进行扫描，光束分束器将参考光与待测物体反射的探测光进行耦合以得到拍频信号。
52.具体地，耦合分束模块200还可以为光束分束器250和反射镜260，传输介质为空气。光束分束器250将光源模块100发出的第一光束进行分束处理，从而得到探测光和参考光。探测光直接输入至耦合分束模块200中，色散扫描模块300将探测光投射到待测物体500表面以对待测物体500进行逐点扫描，待测物体500再将携带信息的探测光反射回光束分束器250中。参考光由光束分束器250输出后，照射到反射镜260表面，反射镜260将参考光进行反射，以使参考光返回到光束分束器250中。在光束分束器250中，探测光和参考光会发生干涉，从而形成拍频信号，分析模块400对拍频信号进行分析后，则可以得到待测物体500的三维信息。
53.在本技术的一些具体实施例中，如图7所示，色散扫描模块300包括准直器310、第一一维色散器件320和第二一维色散器件330，准直器310与耦合分束模块200耦合连接，用于对探测光进行准直处理；第一一维色散器件320与准直器310耦合连接，用于对准直后的探测光进行调制；第二一维色散器件330与第一一维色散器件320耦合连接，用于对探测光进行二次调制并将探测光投射至待测物体500表面；其中，第二一维色散器件330与第一一维色散器件320相互垂直放置。
54.具体地，色散扫描模块300包括准直器310和两个相互垂直放置的一维色散器件，通过设置垂直第一一维色散器件320和第二一维色散器件330，能够组成一个二维色散器
件，从而实现对待测物体500的扫描，得到待测物体500的三维信息。其中，第一一维色散器件320、第二一维色散器件330包括虚拟相控阵列、中阶梯光栅、闪耀光栅、投射光栅等，可以根据用户需求进行选择。
55.在本技术的一些具体实施例中，如图8所示，色散扫描模块300包括波分复用器340和出射光学单元350，波分复用器340与耦合分束模块200耦合连接，用于将探测光进行分光处理；出射光学单元350与波分复用器340耦合连接，用于将分光后的探测光投射至待测物体500表面。
56.具体地，波分复用器340与耦合分束模块200耦合连接，能够将第一光束中不同波长的光信号分开，分开后的第一光束会进入到与波分复用器340耦合连接的出射光学单元350中。出射光学单元350将不同波长的光投射到待测物体500的表面，每种波长的光分别获取待测物体500一定范围内的信息。待测物体500反射回的光由原路返回，波分复用器340会将不同波长的光信号合成一束后，在输入到单模光纤中。分析模块400获取到拍频信号后，能够通过对每种波长的光携带的信息进行分析处理，得到整个待测物体500的三维信息。其中，波分复用器340可以为阵列波导光栅、棱镜色散型波分复用器、多层介质膜型波分复用器等。
57.在本技术的一些具体实施例中，如图8所示，出射光学单元350包括光纤阵列351和聚光元件352，光纤阵列351与波分复用器340耦合连接，用于将分光后的光束进行排列；聚光元件352与光纤阵列351耦合连接，用于将每个光束投射到待测物体500表面对应的位置。
58.具体地，光纤阵列351由多根单模光纤按照一定顺序紧密排列而成，与波分复用器340耦合连接，波分复用器340将第一光束中不同波长的光信号分开后，光信号会进入不同的单模光纤中。聚光元件352与光纤阵列351耦合连接，将通过光纤阵列351输出的不同波长的光束分别汇聚到待测物体500表面对应的区域，从而能够实现一定顺序的逐点扫描，例如，从下到上、从右到左。当扫描完成后，光束会由待测物体500表面发射回到光纤阵列351对应的单模光纤中，再进入到波分复用器340中将光束传输至分析模块400中，从而获取到待测物体500的信息。其中，聚光元件352可以是会聚透镜、菲涅尔透镜等具有光束会聚功能的器件。
59.在本技术的一些具体实施例中，如图9所示，分析模块400包括探测单元410和信号处理单元420，探测单元410与耦合分束模块200耦合连接，用于接收拍频信号，并将拍频信号转换为电信号；信号处理单元420与探测单元410通信连接，用于对电信号进行分析，以得到待测物体500的信息。
60.具体地，探测单元410接收被待测物体500反射的光束，将探测光与参考光干涉得到的拍频信号(即光信号)转换为电信号，并将电信号输送至信号处理单元420中。其中，探测单元410可以为平衡光电探测器、雪崩光电探测器、pin光电探测器等。信号处理单元420接收到电信号后，对电信号进行计算处理，从而得到待测物体500的三维信息。其中，信号处理单元420可以为adc数据采集卡、tdc数据采集卡、示波器等。
61.下面参考图1、图2、图3和图10以一个具体的实施例详细描述根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本技术的具体限制。
62.如图1、图2、图3和图10所示，光源模块100包括垂直腔面发射激光器110和控制单
元120，控制单元120包括电源121、波长调谐子单元122和温度调节子单元123，通过控制单元120能够对垂直腔面发射激光器110发出的激光光束波长进行调节，使其能够发射线性扫频激光信号，从而得到第一光束。
63.第一光束进入耦合分束模块200中进行处理，耦合分束模块200包括第一光纤耦合器210、环形器220、延时光纤230和第二光纤耦合器240。第一光纤耦合器210将第一光束进行分束，分为探测光和参考光，探测光由环形器220进入到色散扫描模块300中，其中，色散扫描模块300包括波分复用器340、光纤阵列351和聚光元件352。
64.探测光由环形器220输入到波分复用器340中，波分复用器340会将探测光进行分解并输入到由不同单模光纤排列而成的光纤阵列351中。在光纤阵列351后方设置有聚光元件352，用于将光纤阵列351输出的光会聚到待测物体500表面对应的区域，以一定顺序对待测物体500进行逐点扫描。探测光抵达待测物体500表面后会被反射，反射回来的太探测会沿着原路返回到光纤阵列351中对应的单模光纤中，再通过波分复用器340耦合到单模光纤中，探测光最后经过环形器220传输回第二光纤耦合器240中。参考光则直接进入到延时光纤230中，经过延时光纤230传输后进入到第二光纤耦合器240中。探测光和参考光会在第二光纤耦合器240中发生干涉并产生拍频信号。
65.分析模块400中的探测单元410接收到拍频信号后，将该拍频信号(即光信号)转换电信号，并输入到信号处理单元420中进行计算处理，从而得到待测物体500的三维信息。
66.根据本技术实施例的基于vcsel的固态激光雷达系统，通过如此设置，可以达成至少如下的一些效果，通过设置垂直腔面发射激光器110，能够降低基于vcsel的固态激光雷达系统的成本并且降低系统的复杂程度，此外，垂直腔面发射激光器110体积小，能够减小系统的体积，便于携带与使用；通过控制单元120能够对垂直腔面发射激光器110发出激光光束的参数进行调整，使其可以进行快速扫频，从而能够有效提高对待测物体500的扫描速度。同时，通过色散扫描模块300进行扫描，能够减少外界环境的干扰，从而提高扫描的精度与系统的稳定性。
67.上面结合附图对本技术实施例作了详细说明，但是本技术不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本技术宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。