CN106842232A - 一种激光雷达装置及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光雷达装置和探测方法，其基本思想是，发射激光器将产生的激光传输给光学离散器件；光学离散器件进行空间离散化，形成空间离散激光；由空间离散激光射向目标对象；回波信号接收光学部件接收到回波信号，并控制部件对回波信号进行处理。由于这些离散激光束不是泛光，在空间不是呈连续分布，而是呈若干窄光束，大大避免其信号衰减问题，从而可以探测到更远距离的目标对象，提供激光雷达的探测性能。

Description

一种激光雷达装置及探测方法

技术领域

本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及激光雷达装置及探测方法。

背景技术

激光雷达(LIDAR，Light Detection And Ranging)可以被调制成激光脉冲作为探测信号，通过测量物体反射光信号时间测量特定方位角的目标距离。图1是现有技术中激光雷达的结构示意图。如图1所示，激光雷达通常包括激光发射光学部件101、回波信号接收光学部件102、控制部件103。其中，激光发射光学部件101将启动激光光源，产生特定方向的激光；照射到目标对象后产生反射的回波信号；回波信号接收光学部件102接收反射的回波信号；控制部件103对接收到的回波信号进行处理，提取有用的信息并处理。

现有技术中，激光雷达有机械扫描激光雷达和闪光激光雷达(Flash LIDAR)两类。机械激光雷达是通过机械转动方式同时改变激光光束的反射方向和探测器的空间探测角度，在目标空间上进行扫描，测量相应方向的目标对象的距离和光反射强度，实现对周围空间物体的动态位置和状态感知。但机械激光雷达是通过机械转动方式进行扫描，比如马达，存在着速度慢、体积大、不稳定、可靠性差等缺点。

而闪光激光雷达不采用机械式的，而是利用脉冲激光束对目标对象进行泛光照射。图2是现有技术中闪光激光雷达的结构示意图，包括激光发射光学部件201、回波信号接收光学部件202、控制部件203。其中，激光发射光学部件201至少包括发射激光器2011和扩束透镜2012。工作时，发射激光器2011产生激光光源，激光经过扩束透镜2012生成一个大空间角分布的激光泛光光源，直接照射并覆盖该大空间角的目标对象。同样，回波信号接收光学部件202接收反射的回波信号；控制部件203对接收到的回波信号进行处理。与机械扫描激光雷达相比，闪光激光雷达直接将大空间角激光光束照射在目标空间中，无需利用机械转动进行扫描，克服了速度慢、体积大等一系列缺陷。但是，闪光激光雷达产生的是激光泛光光源，可探测的距离比较短，一般为几米到几十米的。因为可探测距离与反射回波信号的强度相关，而反射回波信号的强度通常决定于发射功率及发射信号的衰减程度等因素。正是由于闪光激光雷达是泛光照射，在大空间角内呈连续分布，因此信号衰减严重。以空间角60°为例，闪光激光雷达泛光照射到100米远距离时，一平方厘米的单位面积上获得的光功率仅为发射光功率的百万分之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光雷达装置和探测方法，可以发射离散激光束，避免泛光造成的严重的信号衰减问题。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种激光雷达装置，该装置包括：

激光发射光学部件，用于发射空间离散激光；

回波信号接收光学部件，用于接收反射的回波信号；

控制部件，用于对接收到的回波信号进行信号处理；

其中，激光发射光学部件包括：

发射激光器，用于发射激光；

光学离散器件，用于将发射激光器产生的激光空间离散化，形成空间离散激光。

本发明还提供一种激光雷达的探测方法，该方法包括：

将发射激光器产生的激光进行空间离散化，形成空间离散激光；

回波信号接收光学部件接收反射的回波信号；

由控制部件对接收到的所述回波信号进行信号处理。

由此可见，本发明提供的一种激光雷达装置及探测方法并没有将发射激光器的激光扩束以后直接射向空间的目标对象，而是将激光通过光学离散器件先进行离散化，形成离散激光束以后才射向空间。由于这些离散激光束不是泛光，在空间不是呈连续分布，而是呈若干窄光束，大大避免其信号衰减问题，从而可以探测到更远距离的目标对象，提供激光雷达的探测性能。

附图说明

图1是现有技术中激光雷达的结构示意图。

图2是现有技术中闪光激光雷达的结构示意图。

图3是本发明提出的一种激光雷达实施方案一中装置结构图。

图4是本发明提出的一种激光雷达实施方案一的方法流程图。

图5是本发明方案中的空间离散激光示意图。

图6是现有技术中空间泛光激光示意图。

图7是本发明提出的第一种光学离散器件。

图8a和图8b是本发明利用光栅阵列作为光学离散器件的示意图。

图8c是本发明实施例中入射角度和衍射角度所在的坐标示意图。

图9a和图9b是本发明利用光子晶体阵列作为光学离散器件的示意图。

图10是本发明优化实施例一中激光雷达的结构示意图。

图11a是本发明优化实施例二中激光雷达的结构示意图。

图11b是本发明优化实施例二中利用光栅阵列作为光学离散器件的示意图。

图12是本发明优化实施例三中激光雷达的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

图3是本发明提出的一种可行的实施方案一，该激光雷达装置包括：激光发射光学部件301，用于发射空间离散激光；回波信号接收光学部件302，用于接收反射的回波信号；控制部件303，用于对接收到的回波信号进行信号处理。需要注意的是，本方案中的激光发射光学部件301与现有的闪光激光雷达不同，其不但包括用于发射激光的发射激光器3011，还包括光学离散器件3012，用于将发射激光器产生的激光空间离散化，形成空间离散激光。

图4是本发明激光雷达装置对空间目标进行探测的方法流程图。发射激光器3011将产生的激光传输给光学离散器件3012(步骤401)；光学离散器件3012将激光进行空间离散化，形成空间离散激光(步骤402)。空间离散激光发射出去，射向空间目标对象。空间目标对象就是激光雷达需要探测的对象，其表面将反射离散激光。这些反射的信号对于激光雷达来说就是回波信号，此时，激光雷达的回波信号接收光学部件302将接收到回波信号，并将其传输给控制部件303。控制部件303对接收到的回波信号进行信号处理(步骤403)。

图5和图6可以看出本发明的空间离散激光和现有技术中的空间泛光之间的区别。图5的空间离散激光有一个以上的若干窄光束，每一个光束的发散角都很小，在空间目标对象的表面通常形成若干光斑。而现有技术闪光激光雷达中的泛光的发散角很大，可以连续覆盖空间目标对象全部或部分表面。虽然本发明在空间目标对象形成光斑，但是只要光斑达到一定数量，通过回波信号仍然可以构建出目标对象的大致轮廓，达到探测的目的。而且，正是因为离散激光束发散角很小，从而可以避免激光信号照射远距离目标时的衰减问题，适应远距离探测提高激光雷达的探测性能。以空间角60°为例，闪光激光雷达泛光照射到100米远距离时，一平方厘米的单位面积上获得的光功率仅为发射光功率的百万分之一。而本发明方案的离散激光束照射到100米远距离时，一平方厘米的单位面积上获得的光功率几乎没有损失，其损失忽略不计。这样，激光雷达就可以接收到信号良好的回波信号，进行清晰可靠的三维图像构建等信号处理，提高远距离目标的探测性能。

实际应用中可以有多种器件或材料用作光学离散器件，下面列举几种光学离散器件的方案。

图7是本发明实施例的第一种光学离散器件。该器件包括一个以上的准直透镜，各个准直透镜分别将发射激光器的激光进行准直，压窄光束发散角，形成空间离散激光束。实际应用中，从发射激光器出来的激光有一定的发散角，需要将角度尽量调小，形成窄光束。这里的准直透镜是一种普通的透镜或透镜组，因可以收窄激光的发散角，为区别其他的透镜而称为准直透镜。当然，为了形成空间离散激光束，本方案中的准直透镜的尺寸不宜太大，可以根据预设的光斑尺寸大小来确定。至于具体的尺寸则可根据实际情况确定，这里不再赘述。

为了更加准确地将激光导向准直透镜，实际应用中，从发射激光器发出的激光可以通过分光器和光波导阵列引向准直透镜，实现离散化。假设要生成M条离散激光束，那么可以利用分光器将激光分成M份，通过M条光波导分别传输给M个小尺寸的准直透镜。这里的M为大于1的整数。利用准直透镜来进行探测地方案还会在后续地优化实施例再次介绍，这里不再详细阐述。第一种光学离散器件的实施方案利用了准直透镜实现激光的离散化，在实际的工艺上易于实现，且性能稳定可靠。

第二种光学离散器件为光学衍射阵列。光学衍射阵列主要利用光相干衍射的性质，在实际应用中也可以由不同的器件实现，比如光栅陈列或光子晶体阵列等。下面对这两种光学衍射阵列分别描述：

图8a和图8b是利用光栅阵列作为光学离散器件的情况。如图所示，光栅阵列包括若干光栅，按照预设的方式进行排列。本领域技术人员应当理解，当光通过某个光栅时，将发生相干衍射现象，等相位面的波得到加强，位于其他相位上则弱化甚至抵消。需要说明的是，图8a和图8b仅仅是描述光栅阵列的示意图，实施时，可以有不同的排列或设置不同的光栅单元周期。图8a和图8b不作为限制本发明保护范围的示意图。正是由于相干衍射，通过光栅散射出去的光在空间将不是连续分布的，从而形成离散激光束。

图9a和图9b是利用光子晶体作为光学离散器件的情况。如图所示，光子晶体包括若干微小单元，以预设的方式周期性或非周期性排列。激光通过光子晶体时，每一个微小单元都将发生散射，从而产生相干衍射现象，等相位面的波得到加强，位于其他相位上的则弱化甚至抵消。与上述光栅阵列相似，图9a和图9b仅仅是描述光栅阵列的示意图，也可以有不同的排列或设置不同的周期。图9a和图9b也不作为限制本发明保护范围的示意图。由于发生相干衍射，通过光子晶体散射出去的光在空间不是连续分布的，形成离散激光束。

不管是光栅阵列还是光子晶体阵列，都利用了相干衍射的原理，达到将在空间连续分布的泛光离散化的目的。假设激光射向光学衍射阵列的入射角度为θ_in，散射后发生相干衍射的衍射角度为θ_o，θ_in和θ_o的取值范围都可以为[0°，360°]，即可以全方位照射。如图8c所示，假设以笛卡尔坐标为标准，这里的入射角度指入射光和正向X轴之间的夹角，衍射角度指衍射光与负向X轴之间的夹角。那么，入射角度θ_in和衍射角度θ_o之间可以满足如下关系：

其中，m为整数，n为所述光学衍射阵列的折射率，Λ为所述光学衍射阵列的周期，λ为所述激光的波长。至于产生的空间离散光束的数量由实际情况决定，主要与光学衍射阵列的折射率n、光学衍射阵列的周期Λ、以及激光的波长λ有关。

为方便描述，假设入射光是波长为λ的单波，其入射角度θ_in为0°，光栅阵列中光栅周期Λ为λ/n，按照公式一的关系，其m的取值可以为0、1、2三种，相应的衍射角度θ_o可以推导为0°、90°、180°、270°。也就是说，光栅阵列的每一个光栅发生相干衍射之后，仅在4个方向上产生激光束，即不连续的空间离散激光束。相似的，假设入射光是波长为λ₁、λ₂、λ₃的多波，即宽谱离散波长激光，光栅阵列的每一个光栅发生相干衍射之后，也将在其他特定方向上产生激光束，其衍射角度和入射角度同样满足公式一。这里所述的宽谱离散波长激光，其输出的激光在波长域有一系列波长离散的激光信号分布，可按波长细分为λ₁,λ₂…λ_n,n为正整数。所有波长的激光信号输出时，其空间角度分布和极化方向没有差异，功率大小上可以有设计上的差异，也可以基本相等。另外，这里的入射角度θ_in为0°，实际应用中也可以不是特殊角度，而是任意普通的角度入射。另外，实际应用中，为了入射光可以更加宽泛地照射在光栅阵列或光子晶体阵列，激光发射光学部件还包括扩束透镜，即，将先激光先进行扩束，再按照预先设定的入射角度射向光学衍射阵列。再进一步地，为了入射光更加准直地照射在光栅阵列或光子晶体阵列上，激光发射光学部件还可以增加准直透镜，将扩束后地的激光进行准直，再按照所述预先设定的入射角度射向所述光学衍射阵列。

图9a和图9b中的光子晶体阵列也存在与光栅阵列类似的关系，此处不再一一列举。实际应用中，光子晶体阵列的排列还可以根据要求设置，只要能产生衍射效果即可。

上述的描述主要是对激光发射光学部件进行改进和描述，而回波信号接收光学部件和控制部件可以由现有技术实现。但在实际应用中，还可以进一步对这两部分进行改进。实际应用中，回波信号时可能存在的环境强光的干扰，比如受到探照灯或汽车灯光的干扰，或者不同方向的回波信号还可以存在串扰等等。这些干扰可能导致回波信号的噪声增大，不利于后续的信号处理。本发明实施例针对该情况提出一种改进方案，即，在回波信号接收光学部件302中，可增加光滤波器阵列对不同激光波长进行选择性通带滤波，抑上述的干扰。

为了更好地理解本发明实施例方案，以下列举几种优化的典型的实施例进行详细描述。

图10是本发明优化实施例一中激光雷达的结构示意图。如图10所示，该装置包括激光发射光学部件1001、回波信号接收光学部件1002、控制部件1003。其中，激光发射光学部件1001包括用若干小尺寸准直透镜组成的光学离散器件1001a、发射激光器1001b、分光器1001c、光波导阵列1001d。回波信号接收光学部件1002包括接收光学部件1002a、探测器阵列1002b。控制部件1003包括读出电路1003a、图像重建处理器1003b、控制信号发生器1003c。其中，回波信号接收光学部件1002和控制部件1003与现有技术相同。激光发射光学部件1001除了包括上述光学离散器件1001a和发射激光器1001b，为了还包括分光器1001c和光波导阵列1001d。

当激光雷达工作时，在控制信号发生器1003c的控制下，发射激光器1001b发出的单波或多波的激光通过分光器1001c进行分光处理，将原有的激光分成M束；分光之后的M束激光通过光波导阵列一一引向M个独立的准直透镜。本领域技术人员可以理解的是，光波导是一种可以把光波约束在一定空间内并有效传输的结构，其特点是芯材料折射率高、包层折射率低，利用全反射的原理有效约束光波传输，典型的光波导阵列包括光纤阵列、介质光波导阵列、半导体光波导阵列等等，本实施例可以采用任意一种光波导阵列。实际应用时，可以合理设置光波导输出端面与准直透镜的距离关系，比如将光波导输出端面置于准直透镜的焦点位置。这样，准直之后的激光束的空间角非常小，可以达到毫弧度级别，近似于一束平行光。通过若干准直透镜之后就形成了空间离散激光束，射向空间目标对象。空间目标对象的表面反射激光，由接收光学部件1002a接收其回波信号，并传输给探测器阵列1002b。在工作开始时，控制信号发生器1003c在控制发射激光器1001b的时，还会给读出电路1003a一触发信号。接收回波信号时，读出电路1003a将读取光电转换信号，并配合之前的触发信号获得回波信号相对于发射信号的时间差。图像重建处理器1003b根据这些时间差信息进行三维图像重建。如何读出电信号属于基本的电路问题，如何进行三维图像重建属于上层的软件算法处理的问题，在本实施例方案中不涉及，可以参见现有技术实现。

图11a是本发明优化实施例二中激光雷达的结构示意图。其激光发射光学部件1101采用了与图8a或图8b类似的光栅阵列，其回波信号接收光学部件1102和控制部件1103则与图10的类似。图11包括光栅阵列1101a、发射激光器1101b、分光器1101c、光波导阵列1101d。回波信号接收光学部件1102包括接收光学部件1102a、探测器阵列1102b。控制部件1103包括读出电路1103a、图像重建处理器1103b、控制信号发生器1103c。

当激光雷达工作时，在控制信号发生器1103c的控制下，发射激光器1101b发出的单波或多波的激光通过分光器1101c进行分光处理，将原有的激光分成M束；分光之后的M束激光通过光波导阵列一一引向M个独立的光栅。当光进入光栅阵列时，发生相干衍射现象，产生空间离散激光束。空间目标对象的表面反射激光，由接收光学部件1102a接收其回波信号，并传输给探测器阵列1102b进行光电转换。在工作开始时，控制信号发生器1103c在控制发射激光器1101b同时，还会给读出电路1103a一个触发信号。接收回波信号时，读出电路1103a将读取光电转换信号，并配合之前的触发信号获得回波信号相对于发射信号的时间差。图像重建处理器1103b根据这些时间差信息进行三维图像重建。

如图11b所示，本实施例可以将光栅阵列和光波导阵列置于一块衬底材料上，入射角度为0°。入射角度和衍射角度的关系演变为如下公式二：

其中，m为整数，n为所述光栅阵列的折射率，Λ为所述光栅阵列的周期，λ为激光波长。

发明人在研究中发现，如果n和λ一定的情况下，即光栅材料相同且入射激光为单波的情况下，通过调节光栅周期Λ可有效调节衍射角度。当减小光栅周期Λ时，m可取的值减少，可取衍射角度的个数减少；相反，当增加光栅周期Λ时，m可取的值增多，可取衍射角度的个数增加。需要注意的是，当光栅周期Λ小于λ/2n，m的取值只能为0。因此，将光栅阵列和光波导阵列置于一块衬底材料的情况下，入射角度为0°，光栅周期Λ、m取值以及衍射角度的个数有如表一的关系：

表一

从表一可以看出：光栅周期Λ越大，衍射角度的取值越多；光栅周期Λ越小，衍射角度的取值越少。由于光栅周期Λ小于λ/2n，衍射角度只能为0°，这里可推导出光栅周期Λ的取值范围为[λ/2n，∞)。需要注意的是，由于光栅周期Λ越大，其衍射效果越差，在实际应用中可以将光栅周期Λ的取值范围设置为[λ/2n，3λ/2n]。也就是说，调节光栅周期Λ，使得衍射角度能够全方位进行变化。如果将光栅阵列中的各个光栅设置成不同的光栅周期Λ和不同的分布取向特征方向，就可以同时向空间衍射出不同角度的激光束。理想情况下，如果不考虑衬底或其他因素，可以达到从球体中心向球表面全方位射出的理想效果。假设衬底材料不透明，则可以使得衍射角度在[0°，180°]的范围内变化。应用本方案的实施者可以根据实际情况选择衍射角度，获得大空间角的离散激光束，覆盖更宽泛的空间目标。

发明人还发现，如果n和Λ一定，而λ不一定，即多波的情况下，调节激光波长λ同样可以有效调节衍射角度。当增大激光波长λ时，m可取的值减少，可取衍射角度的个数减少；相反，当减小激光波长λ时，m可取的值增多，可取衍射角度的个数增加。将光栅阵列和光波导阵列置于一块衬底材料的情况下，入射角度为0°，激光波长λ、m取值以及衍射角度的个数有如表二的关系：

表二

从表二可以看出：激光波长λ越小，衍射角度的取值越多；激光波长λ越大，衍射角度的取值越少。由于激光波长λ大于2nΛ时，衍射角度只能为0°，可推导出激光波长λ的取值范围为(0，2nΛ]。需要注意的是，由于激光波长λ越小，其衍射效果越差，在实际应用中可以将激光波长λ的取值范围设置为(2nΛ/3，2nΛ]。也就是说，调节激光波长λ，使得衍射角度能够全方位进行变化。如果将激光设置成不同波长，就可以同时向空间衍射出不同角度的激光束。理想情况下，如果不考虑衬底或其他因素，可以达到从球体中心向球表面全方位射出的理想效果。假设衬底材料不透明，则可以使得衍射角度在[0°，180°]的范围内变化，从而获得大空间角的离散激光束，覆盖更宽泛的空间目标。

需要说明的是，上述的表一和表二仅仅选取了几个便于理解的值呈现，实际应用中，只要满足上述的取值范围都可以，表一和表二不能限制本发明实施例的保护范围。

与现有技术相比，现有的机械激光雷达需要利用机械转动才能满足大空间角的需求，探测的速度非常慢。现有的闪光激光雷达虽然可以设置为大空间角，但为空间连续分布的泛光，存在信号功率严重衰减的缺陷。而本发明方案中的激光雷达，可以调节衍射角度成为大空间角，而且由于是离散激光束，可以克服信号功率严重衰减的缺陷。

图12是本发明优化实施例三中激光雷达的结构示意图。其激光发射光学部件1201采用了与图9a或图9b类似的光子晶体阵列。图12包括光子晶体阵列1201a和发射激光器1201b。回波信号接收光学部件1202包括接收光学部件1202a、光滤波器阵列1202b、探测器阵列1202c。控制部件1203包括读出电路1203a、图像重建处理器1203b、控制信号发生器1203c。实际应用中，光子晶体阵列可以包括作为支撑的衬底材料，其光子晶体结构的实体材料和衬底材料可以相同，也可以不相同。光子晶体结构中除了实体材料，还包括实体材料之间的空隙，空隙材料通常和环境材料相同，比如惰性固态材料、空气、惰性保护气体或者真空。实体材料的折射率大于空隙材料和环境材料的折射率。光子晶体材料、空隙材料、环境材料对激光器的所有波长激光损耗非常小。光子晶体材料的折射率对激光器的所有波长激光存在一定的变化，即色散效应。实际应用中，光子晶体基本单元包括由实体材料和空隙材料构成的微小单元。各个微小单元再以周期性或非周期性的方式组合，比如单元距离、排列几何形式，以此决定该光子晶体结构的光学性质。

当激光雷达工作时，在控制信号发生器1103c的控制下，发射激光器1201b发出的单波或多波的激光并不通过分光器，而是按照预先设定的入射角度直接射向光子晶体阵列1201a。当光进入光子晶体阵列时，发生相干衍射现象，产生空间离散激光束。空间目标对象的表面反射激光，由接收光学部件1202a接收其回波信号，传输给光滤波器阵列1202b分别对不同方向回波的相应激光波长进行选择性通带滤波，再传输给探测器阵列1202c，通过探测器阵列1202c进行光电转换。在工作开始时，控制信号发生器1203c在控制发射激光器1201b同时，还会给读出电路1203a一个触发信号。接收回波信号时，读出电路1203a将读取光电转换信号，并配合之前的触发信号获得回波信号相对于发射信号的时间差。读出电路1203a读取光电转换信号，并配合发射激光器1201b的触发信号获得回波信号相对于发射信号的时间差。图像重建处理器1203b根据这些时间差信息进行三维图像重建。

本实施例中入射角度和衍射角度满足上述公式一的关系(Λ为光子晶体点阵在入射面内的周期)。与第二种优化实施例不同的是，本实施例没有通过衬底上的波导阵列将激光引向光子晶体阵列，其入射角度θ_in并不是固定的0°，取值范围为[0，360°]。

发明人在研究中发现，如果n和λ一定，即光子晶体材料相同且入射激光为单波情况下，调节光子晶体周期Λ可有效调节衍射角度θ_o。当减小光子晶体周期Λ时，m可取的值减少，可取衍射角度的个数减少；相反，当增加光子晶体周期Λ时，m可取的值增多，可取衍射角度的个数增加。也就是说，在不同区域设置不同的光子晶体周期Λ和不同的分布取向特征方向，使得衍射角度能够全方位进行变化。理想情况下，如果不考虑衬底或其他因素，可以达到从球体中心向球表面全方位射出的理想效果。假设衬底材料不透明，则可以使得衍射角度在[0°，180°]的范围内变化。应用本方案的实施者可以根据实际情况选择衍射角度，获得大空间角的离散激光束，覆盖更宽泛的空间目标。

发明人还发现，如果n和Λ一定，而λ不一定，即多波的情况下，调节激光波长λ同样可以有效调节衍射角度θ_o。当增大激光波长λ时，m可取的值减少，可取衍射角度的个数减少；相反，当减小激光波长λ时，m可取的值增多，可取衍射角度的个数增加。也就是说，调节激光波长λ，使得衍射角度能够全方位进行变化。如果将入射激光设置成不同波长，就可以同时向空间衍射出不同角度的激光束。理想情况下，如果不考虑衬底或其他因素，可以达到从球体中心向球表面全方位射出的理想效果。假设衬底材料不透明，则可以使得衍射角度在[0°，180°]的范围内变化，从而获得大空间角的离散激光束，覆盖更宽泛的空间目标。

本发明优化实施例三是在光子晶体阵列特殊排列规则的情况下所获得的与实施例二相似的规律，比如光子晶体为M行、N列的矩形点阵排列，其衍射规律与等效的光栅类似。更一般地，光子晶体点阵的衍射规律可和光栅衍射呈现不同的规律，决定于光子晶体点阵对应的空间傅里叶变换倒格子矢量，等于入射激光波矢量和衍射激光波矢量之差所对应的空间衍射角。即使光子晶体点阵设计为非矩形点阵、非均匀周期点阵，可使其对入射激光的衍射出现特殊的空间离散激光分布。不管是普通光子晶体、特殊的光子晶体，所构成的光学衍射阵列器件，都可以实现将入射激光通过相干衍射实现空间离散激光束的功能。

上述几种实施例方案以不同的光学离散器件为基础描述了本发明的方案的原理和方法。实际应用中，不管是哪种光学离散器件，无论是否采用波导引导激光，无论是单波还是多波射入，无论是否采用衬底，只要可以将激光实现离散化，生成空间离散激光束，都可以克服在空间连续分布的泛光所导致的信号功率严重衰减的缺陷，提高激光雷达的探测性能。因此，上述几种优化的实施例并不用于限制本发明的保护范围。

以上所述对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种激光雷达装置，其特征在于，该装置包括：

激光发射光学部件，用于发射空间离散激光；

回波信号接收光学部件，用于接收反射的回波信号；

控制部件，用于对接收到的回波信号进行信号处理；

其中，激光发射光学部件包括：

发射激光器，用于发射激光；

光学离散器件，用于将发射激光器产生的激光空间离散化，形成空间离散激光。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学离散器件包括一个以上的准直透镜，每一个准直透镜分别将所述发射激光器的激光进行准直，压窄光束发散角，形成空间离散激光束。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学离散器件包括光学衍射阵列。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光学衍射阵列为光栅阵列，所述发射激光器的激光通过每一个光栅产生相干衍射，形成空间离散激光束。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述光学衍射阵列为光子晶体阵列，所述发射激光器的激光通过光子晶体阵列产生相干衍射，形成空间离散激光束。

6.根据权利要求2～5任一项所述的装置，其特征在于，所述激光发射光学部件还包括分光器，用于将发射激光器的激光进行分光处理，通过光波导阵列分别进行传输。

7.根据权利要求3～5任一项所述的装置，其特征在于，所述激光发射光学部件还包括扩束透镜，将所述发射激光器的激光进行扩束，按照预先设定的入射角度射向所述光学衍射阵列。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述激光发射光学部件还包括准直透镜，将通过扩束透镜的激光束进行准直，再按照所述预先设定的入射角度射向所述光学衍射阵列。

9.根据权利要求3～5任一项所述的装置，其特征在于，所述发射激光器发射的激光按照预先设定的入射角度直接射向所述衍射阵列。

10.一种激光雷达的探测方法，其特征在于，该方法包括：

光学离散器件将发射激光器产生的激光进行空间离散化，形成空间离散激光；

回波信号接收光学部件接收反射的回波信号；

由控制部件对接收到的所述回波信号进行信号处理。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述将发射激光器产生的激光进行空间离散化的方法包括：

通过一个以上的准直透镜将所述发射激光器产生的激光分别进行准直处理，压窄光束发散角，形成空间离散激光束。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光学离散器件包括光学衍射阵列，所述将发射激光器产生的激光进行空间离散化的方法包括：

所述发射激光器产生的激光通过光栅阵列中的每一个光栅产生相干衍射，形成空间离散激光束。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述光学离散器件包括光学衍射阵列，所述将发射激光器产生的激光进行空间离散化的方法包括：

所述发射激光器产生的激光通过光子晶体阵列产生相干衍射，形成空间离散激光束。

14.根据权利要求11～13任一项所述的方法，其特征在于，所述将发射激光器产生的激光进行空间离散化的步骤之前，进一步包括：

将发射激光器产生的激光通过分光器进行分光处理，并通过光波导阵列分别进行传输。

15.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述将发射激光器产生的激光进行空间离散化的步骤之前，该方法进一步包括：

将所述发射激光器的激光通过扩束透镜进行扩束，按照预先设定的入射角度射向所述光学衍射阵列。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述发射激光器的激光通过扩束透镜进行扩束的步骤和按照预先设定的入射角度射向光学衍射阵列的步骤之间，该方法进一步包括：

将通过扩束透镜的激光束进行准直。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述空间离散光束为以衍射角度射出的空间离散光束，所述入射角度和所述衍射角度之间满足如下关系：

其中，θ_o为所述衍射角度，θ_o的取值范围为[0°，360°]；θ_in为所述入射角度，θ_in的取值范围为[0°，360°]；m为整数，n为所述光学衍射阵列的折射率，Λ为所述光学衍射阵列的周期，λ为所述激光的波长。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述激光的波长为单波或多波。