CN113589317A - 一种激光雷达和二维扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种激光雷达和二维扫描方法。激光雷达包括发射组件和接收组件；发射组件包括至少一组光学相控阵OPA，一组OPA包括多个沿第一方向排布的OPA单元；接收组件包括至少一组接收阵列，例如FMCW阵列、APD阵列、SPAD阵列等。一组接收阵列包括多个沿第二方向排布的接收单元；第一方向与第二方向垂直。在发射组件通过一维的OPA便可以实现第一方向的扫描，在接收组件通过一维的接收阵列便可以实现第二方向上光束的分辨，从而实现了二维的光束扫描。只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，且非必须设置二维的OPA单元，大大缩减了体积和耗材数量，节省成本同时也降低工艺难度。
Description
技术领域
本申请涉及扫描技术领域，特别是涉及一种激光雷达和二维扫描方法。
背景技术
激光雷达通过分析激光信号描绘三维点云图，实现环境实时感知及避障功能，目前广泛应用于自动驾驶、物流运输、高精地图、智慧交通、机器人、工业自动化、无人机、测绘等领域。激光雷达由于抗干扰性强、成像清晰等特点，是自动驾驶的“眼睛”，被视为自动驾驶中最为重要的传感器之一。激光雷达按照扫描方式可以分为整体旋转的机械式激光雷达、收发模块静止但光路旋转的半固态激光雷达以及固态式激光雷达。纯固态式激光雷达不包括任何需要物理移动的扫描器件。近几年报道的基于集成光学技术的光学相控阵扫描方案因其具有体积小、重量轻、速度快、不易受干扰等特点，成为研究的热点。
光子集成(Photonic Integrated Circuit，PIC)芯片是指使用光子集成技术制成的芯片，也可称为光芯片。光子集成技术能够与现有的互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)标准技术兼容，可与微电子集成电路集成，因此，集成光学芯片成为研究热点，在通讯、传感、计算、量子、生物等领域有广泛的应用。
在基于光学相控阵(Optical Phased Array，OPA)实现的激光雷达中，相控阵发射器由若干发射接收单元组成阵列，通过改变加载在不同单元的电压，进而改变不同单元发射光波特性(如光强、相位)，实现对每个单元光波的独立控制，通过调节从每个相控单元辐射出的光波之间的相位关系，在设定方向上产生互相加强的干涉从而实现高强度光束，而其它方向上从各个单元射出的光波彼此相消，因此，辐射强度接近于零。组成相控阵的各相控单元在程序的控制下，可使一束或多束高强度光束的指向按设计的程序实现随机空域扫描。与传统机械扫描技术相比，基于集成光学技术的光学相控阵扫描技术有三大优势：
1)扫描速度快：光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性和器件的结构，一般都可以达到MHz量级以上。2)扫描精度或指向精度高：光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度(一般为电压信号)，可以做到μrad(千分之一度)量级以上。3)可控性好：光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在感兴趣的目标区域进行高密度的扫描，在其他区域进行稀疏扫描，这对于自动驾驶环境感知非常有用。
通常，激光雷达需要对水平和竖直两个方向进行扫描。而采用OPA技术实现二维的光束扫描方案主要分为两种：一种是在两个维度均进行相控阵实现二维扫描；另一种是在一个维度通过光学相控阵扫描，另一个维度通过光源的波长切换进行扫描。
其中，第一个方案在两个维度均进行相控阵需要二维排布的OPA单元，OPA单元数是随着阵列的规模成指数增长，例如两个维度设置规模为N的OPA单元，则需要N2个OPA单元。但是做大规模二维的OPA阵列工艺难度大，OPA单元数量的消耗也导致成本较高。第二个方案中，多波长的光源价格高、体积大，难以满足市场对于激光雷达低成本、小体积的要求。
发明内容
基于上述问题，本申请提供了一种激光雷达和二维扫描方法，以节省基于OPA的激光雷达进行二维扫描的实现成本，降低工艺难度，缩小激光雷达的体积。
本申请实施例公开了如下技术方案：
本申请第一方面提供了一种激光雷达，包括：发射组件和接收组件；
发射组件包括：至少一组光学相控阵OPA，其中，一组OPA包括多个沿第一方向排布的OPA单元；接收组件包括：至少一组接收阵列，其中，一组接收阵列包括多个沿第二方向排布的接收单元；第一方向与第二方向垂直；
发射组件用于向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描；
接收组件用于收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。
可选地，发射组件包括一组OPA，接收组件包括一组接收阵列。
可选地，发射组件包括一组OPA，接收组件包括多组接收阵列；
多组接收阵列中各组接收阵列沿第一方向排布。
可选地，发射组件包括多组OPA，接收组件包括一组接收阵列；
多组OPA中各组OPA沿第二方向排布。
可选地，发射组件包括多组OPA，接收组件包括多组接收阵列；
多组OPA中各组OPA沿第二方向排布，多组接收阵列中各组接收阵列沿第一方向排布。
可选地，发射组件集成于第一芯片上，第一芯片作为激光雷达中的发射芯片；接收组件集成于第二芯片上，第二芯片作为激光雷达的接收芯片。
可选地，激光雷达还包括：光束调整组件，光束调整组件设置在第一芯片到第二芯片的光传输路径；光束调整组件用于对光传输路径上的光束整形。
可选地，光束调整组件包括：透镜。
可选地，发射组件和接收组件的本征材料相同，发射组件和接收组件均集成在第三芯片上，第三芯片既作为激光雷达的发射芯片，也作为激光雷达的接收芯片。
可选地，接收阵列为以下任意一种：
调频连续波FMCW阵列，雪崩光电二极管APD阵列，或者单光子雪崩二极管SPAD阵列。
可选地，发射组件还用于接收第一电信号，并具体根据第一电信号向外界发射探测光波；
接收组件还用于将收集到的外界返回的探测光波转换为第二电信号输出。
本申请第二方面提供了一种二维扫描方法，应用于第一方面介绍的激光雷达，方法包括：
以发射组件向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描；
以接收组件收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。
可选地，二维扫描方法还包括：
向发射组件提供第一电信号，以使发射组件根据第一电信号向外界发射探测光波。
可选地，二维扫描方法还包括：
将接收组件依据外界返回的探测光波转换出的第二电信号输出。
相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供的激光雷达包括：发射组件和接收组件；发射组件包括：至少一组光学相控阵OPA，一组OPA包括多个沿第一方向排布的OPA单元；接收组件包括至少一组接收阵列，一组接收阵列包括多个沿第二方向排布的接收单元；第一方向与第二方向垂直。发射组件用于向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描；接收组件用于收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。在本申请技术方案提供的激光雷达中，在发射组件通过一维的OPA便可以实现第一方向的扫描，在接收组件通过一维的接收阵列便可以实现第二方向上光束的分辨，从而实现了二维的光束扫描。在该技术方案中，只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，且非必须设置二维的OPA单元，因此大大缩减了体积和耗材数量，节省成本，同时也降低了工艺难度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的第一种实现方式的激光雷达的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的第二种实现方式的激光雷达的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的第三种实现方式的激光雷达的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的第四种实现方式的激光雷达的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种二维扫描方法的流程图；
图7为本申请实施例提供的另一种二维扫描方法的流程图。
具体实施方式
正如前文描述，目前的激光雷达需要对水平和竖直两个方向进行扫描。而采用OPA技术实现二维的光束扫描方案主要分为两种：一种是在两个维度均进行相控阵实现二维扫描；另一种是在一个维度通过光学相控阵扫描，另一个维度通过光源的波长切换进行扫描。这两种方案都存在成本高，体积大的问题。
发明人经过研究，提供了一种新型的激光雷达和二维扫描方法。在该技术方案中，只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，且非必须设置二维的OPA单元，因此大大缩减了体积和耗材数量，节省成本，同时也降低了工艺难度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图。如图1所示，激光雷达包括发射组件和接收组件。为了便于后续的说明，在图1中示意出两个相互垂直的方向，即第一方向(如箭头s2所示的方向或s2所示方向的反方向)和第二方向(如s1所示的方向或s1所示方向的反方向)。发射组件中包含多个沿第一方向排布的光学相控阵OPA单元。接收组件中包含多个沿第二方向排布的接收单元。
本申请技术方案提供的激光雷达可以实现二维扫描。其二维扫描的机制中，与已有技术中二维扫描激光雷达的最显著的区别在于接收组件的设置。在该激光雷达中，发射组件用于向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描。而由于接收组件包含多个沿第二方向排布的接收单元，因此可以通过接收单元在第二方向上分辨光的分布。即，本申请实施例提供的激光雷达中，接收组件用于收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。进而以第二方向排布的接收单元和通过发射组件发射的单波长光源便能够实现激光雷达二维扫描。
在该技术方案中，只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，且非必须设置二维的OPA单元，巧妙应用第二方向排布的接收单元接收回射的激光，因此大大缩减了体积和耗材数量，节省成本，同时也降低了工艺难度。满足多种应用场景中对于激光雷达二维扫描功能的需求。
发射组件中，包括：至少一组光学相控阵OPA，其中，一组OPA包括多个沿第一方向排布的OPA单元；接收组件包括：至少一组接收阵列，其中，一组接收阵列包括多个沿第二方向排布的接收单元。
接收阵列可以为以下任意一种：
调频连续波(Frequency Modulation Continuous Wave,FMCW)阵列，雪崩光电二极管(Avalanche Photon Diode,APD)阵列，或者单光子雪崩二极管(Single-photonavalanched diode,SPAD)阵列。
当接收阵列为FMCW阵列时，接收单元为FMCW单元。当接收阵列为APD阵列时，接收单元为APD。当接收阵列微SPAD阵列时，接收单元为SPAD单元。
下面介绍激光雷达的几种可选实现方式：
参见图2，在激光雷达的第一种实现方式中，发射组件包括一组OPA，接收组件包括一组接收阵列。
参见图3，在激光雷达的第二种实现方式中，发射组件包括一组OPA，接收组件包括多组接收阵列；多组接收阵列中各组接收阵列沿第一方向排布。
参见图4，在激光雷达的第三种实现方式中，发射组件包括多组OPA，接收组件包括一组接收阵列；多组OPA中各组OPA沿第二方向排布。
参见图5，在激光雷达的第四种实现方式中，发射组件包括多组OPA，接收组件包括多组接收阵列；多组OPA中各组OPA沿第二方向排布，多组接收阵列中各组接收阵列沿第一方向排布。
在图4和图5所示的激光雷达中，发射组件包括多组OPA。在发射组件设置多组OPA能够使得自由空间中光的分布在第二方向上尺寸变短，激光能量更加集中。在图3和图5所示的激光雷达中，接收组件包括多组接收阵列。在接收组件设置多组接收阵列能够更加细致地分辨光，从而获得更加精确的探测结果。
本申请实施例提供的激光雷达中，发射组件和接收组件可以分别集成在不同的芯片上。例如，发射组件集成于第一芯片上，第一芯片作为激光雷达中的发射芯片；接收组件集成于第二芯片上，第二芯片作为激光雷达的接收芯片。
为了实现更好的二维扫描效果，可以在第一芯片和第二芯片之间设置光束调整组件，以便于光束调整组件对光传输路径上的光束整形。整形后，第二芯片上设置的接收组件能够接收到质量更佳的光束，便于接收单元实现更加准确的分辨能力。在一些实现方式中，光束调整组件可以包括：透镜。此处对透镜数量和透镜的具体参数不进行限定。
本申请实施例提供的激光雷达中，发射组件和接收组件也可以分别集成在同一芯片上。这是因为发射组件和接收组件的本征材料相同(例如都是硅作为本征材料)，因此集成在同一芯片上是可实现的。例如，发射组件和接收组件均集成在第三芯片上，第三芯片既作为激光雷达的发射芯片，也作为激光雷达的接收芯片。通过将发射组件和接收组件集成在同一芯片上，进一步缩减了激光雷达的芯片尺寸，提升了集成程度，有利于实现更小型的激光雷达。
在以上实施例提供的激光雷达中，发射组件还用于接收第一电信号，并具体根据第一电信号向外界发射探测光波。即发射组件是电控的，能够实现电信号到光信号的转换。接收组件还用于将收集到的外界返回的探测光波转换为第二电信号输出。即接收组件能够实现光信号到电信号的转换。
本方案实现了固态的激光雷达，OPA是实现远距离全固态光束扫描的最佳技术，可以在硅晶圆上通过标准的CMOS工艺加工，在可靠性、成本、可量产性上有明显的优势。只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，而且芯片阵列的规模为N(N个OPA单元，N为正整数)+S(S个接收单元，其中S可以根据分辨需求设置，例如设置S＝N)个，而不是N2个，具有较高的实用性，降低了工艺难度和成本消耗。
此外，由于接收组件的设置，当采用FMCW单元作为接收单元时，信号的调制方式采用了FMCW的方式，增大了激光雷达探测的抗干扰能力和灵敏度。
基于前述实施例提供的方法，相应地，本申请还提供了一种二维扫描方法。该方法具体应用于前述实施例提供的任一形式的激光雷达。图6为本申请实施例提供的一种二维扫描方法的流程图。
如图6所示的二维扫描方法，包括：
步骤601：以发射组件向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描。
步骤602：以接收组件收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。
在该方法中，只需要单波长的光源就能实现二维的光束扫描，且非必须设置二维的OPA单元，因此大大缩减了体积和耗材数量，节省成本，同时也降低了工艺难度。
图7介绍了另一种二维扫描方法。如图7所示的二维扫描方法包括：
步骤701：向发射组件提供第一电信号，以使发射组件根据第一电信号向外界发射探测光波。
通过第一电信号，开启了发射组件的发射功能。并且通过第一电信号控制了发射组件的发射性能。
步骤702：以发射组件向外界发射探测光波，通过多个沿第一方向排布的OPA单元在第一方向进行扫描。
当发射组件接收到第一电信号后，发射组件中的OPA单元均工作，实现激光雷达在第一方向的扫描。
步骤703：以接收组件收集外界返回的探测光波，通过多个沿第二方向排布的接收单元分辨在第二方向上的光分布。
第二方向上排布的接收单元数量越多，在第二方向上实现的扫描越精细。
步骤704：将接收组件依据外界返回的探测光波转换出的第二电信号输出。
接收组件将探测光波转换为第二电信号，该第二电信号既可以反映相应位置的光强。进而可以依据第二电信号的数据形成对被扫描区域的探测图像。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备及***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的设备及***实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种激光雷达，其特征在于，包括：发射组件和接收组件；
所述发射组件包括：至少一组光学相控阵OPA，其中，一组OPA包括多个沿第一方向排布的OPA单元；所述接收组件包括：至少一组接收阵列，其中，一组接收阵列包括多个沿第二方向排布的接收单元；所述第一方向与所述第二方向垂直；
所述发射组件用于向外界发射探测光波，通过所述多个沿第一方向排布的OPA单元在所述第一方向进行扫描；
所述接收组件用于收集外界返回的探测光波，通过所述多个沿第二方向排布的接收单元分辨在所述第二方向上的光分布。
2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括一组OPA，所述接收组件包括一组接收阵列。
3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括一组OPA，所述接收组件包括多组接收阵列；
所述多组接收阵列中各组接收阵列沿所述第一方向排布。
4.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括多组OPA，所述接收组件包括一组接收阵列；
所述多组OPA中各组OPA沿所述第二方向排布。
5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件包括多组OPA，所述接收组件包括多组接收阵列；
所述多组OPA中各组OPA沿所述第二方向排布，所述多组接收阵列中各组接收阵列沿所述第一方向排布。
6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件集成于第一芯片上，所述第一芯片作为所述激光雷达中的发射芯片；所述接收组件集成于第二芯片上，所述第二芯片作为所述激光雷达的接收芯片。
7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，还包括：光束调整组件，所述光束调整组件设置在所述第一芯片到所述第二芯片的光传输路径；所述光束调整组件用于对所述光传输路径上的光束整形。
8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述光束调整组件包括：透镜。
9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射组件和所述接收组件的本征材料相同，所述发射组件和所述接收组件均集成在第三芯片上，所述第三芯片既作为所述激光雷达的发射芯片，也作为所述激光雷达的接收芯片。
10.根据权利要求1-9任一项所述的激光雷达，其特征在于，所述接收阵列为以下任意一种：
调频连续波FMCW阵列，雪崩光电二极管APD阵列，或者单光子雪崩二极管SPAD阵列。
11.根据权利要求1-9任一项所述的激光雷达，其特征在于，
所述发射组件还用于接收第一电信号，并具体根据所述第一电信号向外界发射探测光波；
所述接收组件还用于将收集到的外界返回的探测光波转换为第二电信号输出。
12.一种二维扫描方法，其特征在于，应用于权利要求1-11任一项所述的激光雷达，所述方法包括：
以所述发射组件向外界发射探测光波，通过所述多个沿第一方向排布的OPA单元在所述第一方向进行扫描；
以所述接收组件收集外界返回的探测光波，通过所述多个沿第二方向排布的接收单元分辨在所述第二方向上的光分布。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
向所述发射组件提供第一电信号，以使所述发射组件根据所述第一电信号向外界发射探测光波。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述接收组件依据外界返回的探测光波转换出的第二电信号输出。
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