本發(fā)明涉及雷達技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光束掃描裝置及一種多光束掃描方法。

背景技術(shù)：

激光雷達使用發(fā)射激光照射目標物，通過目標物返回激光的延遲，相位或者位移來分析距離和速度信息。這是一個歷史悠久的技術(shù)，近年來，隨著3D打印測量，地圖測繪，輔助和自動駕駛，無人機等行業(yè)的發(fā)展，也帶動的激光雷達技術(shù)和應(yīng)用的高速發(fā)展。

2D和3D的激光雷達可以提供立體空間的信息，目前主要的技術(shù)方案都是通過對單點激光測距儀或者多點激光測距儀的光路進行掃描來實現(xiàn)的，如何快速和高可靠的實現(xiàn)掃描成了一個技術(shù)瓶頸。

已有的掃描技術(shù)包括：

i.機械/微機械掃描，包括：（慢，可靠性差）

1.轉(zhuǎn)臺掃描

2.振鏡掃描

3.旋轉(zhuǎn)多棱鏡掃描

4.MEMS鏡掃描

ii.聲光掃描（相當與改變衍射光柵周期實現(xiàn)掃描）

iii.液晶相控陣掃描（慢）

iv.波導(dǎo)相控陣掃描（沒有成熟的元器件配套，不能大批量應(yīng)用）。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的掃描裝置均具有機械運動部件，掃描廣度和掃描速度均有待提高，因此克服以上現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種新的掃描裝置成為本領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種多光束掃描裝置及一種多光束掃描方法。

本發(fā)明的目的可通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn)：

一種多光束掃描裝置，該裝置包括：

至少一個被配置為發(fā)射不同波長的陣列激光脈沖的信號發(fā)射單元；

第一光學(xué)單元，用于對所述陣列激光脈沖依次進行準直和衍射以形成發(fā)射光束；

第二光學(xué)單元，用于對發(fā)射光束經(jīng)待測目標散射或反射的光束依次進行衍射和準直，以形成返回光束；

被配置為接收不同波長的返回光束的信號接收單元；以及

距離分析單元，對返回光束進行信號分析以確定待測目標距離。

優(yōu)選地，所述的信號發(fā)射單元依次包括：

被配置為能夠發(fā)射不同波長激光光束的可調(diào)諧激光光源；

用于將激光光束形成激光脈沖的脈沖發(fā)生器；

用于將激光脈沖進行放大的光放大器；和

用于將激光脈沖進行分路以形成陣列激光脈沖的光分路器。

優(yōu)選地，所述第一光學(xué)單元依次包括用于對陣列激光脈沖進行準直的發(fā)射透鏡、和第一衍射光柵。

優(yōu)選地，所述第二光學(xué)單元依次包括第二衍射光柵和用于對光束進行準直的接收透鏡。

優(yōu)選地，所述第一衍射光柵和第二衍射光柵形成整體。

優(yōu)選地，所述信號接收單元包括用于接收返回光束的光檢測器、用于對光檢測器接收信號進行信號處理的信號放大調(diào)理電路。

優(yōu)選地，所述可調(diào)諧激光光源的數(shù)量大于等于兩個，所述光檢測器的數(shù)量大于等于兩個，所述光檢測器與所述可調(diào)諧激光光源一一對應(yīng)。

優(yōu)選地，所述距離分析單元包括多個ADC或多個比較計時器或鑒相器。

優(yōu)選地，該多光束掃描裝置還包括一個計算控制單元，用于對可調(diào)諧激光光源的波長進行調(diào)節(jié)，用于對光放大器的放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，用于觸發(fā)脈沖發(fā)生器，用于根據(jù)不同波長所對應(yīng)的距離獲得待測目標距離與波長的關(guān)系、再結(jié)合波長與角度的關(guān)系映射出待測目標距離與角度的關(guān)系。

本發(fā)明還提供了一種多光束掃描方法，該方法包括如下步驟：

步驟a：生成第一波長的陣列激光脈沖；

步驟b：對陣列激光脈沖依次進行準直后經(jīng)過衍射光柵以形成發(fā)射光束；

步驟c：將所述發(fā)射光束導(dǎo)向所述待測目標，并且將從所述待測目標散射或反射的光束經(jīng)過衍射光柵后再進行準直以形成返回光束；

步驟d：接收所述返回光束并對返回光束進行放大和信號調(diào)理后對返回光束進行信號分析以確定待測目標距離；

步驟e：生成第i波長的陣列激光脈沖，重復(fù)步驟b至步驟d，其中，i=2,3，……，n；

步驟f：根據(jù)不同波長所對應(yīng)的距離獲得待測目標距離與波長的關(guān)系、再結(jié)合波長與角度的關(guān)系映射出待測目標距離與角度的關(guān)系以重構(gòu)待測目標的二維空間結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的多光束掃描裝置和方法為一種基于衍射的激光雷達掃描方式，使用固定衍射光柵，通過改變激光波長來改變衍射角實現(xiàn)激光雷達的掃描，上述方式可以做到?jīng)]有機械運動部件，掃描角度廣，例如可以達到+/-4度以上，掃描速度快，例如可以超過10kHz，同時可靠性得到了很大的提升。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的多光束掃描裝置第一優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2是本發(fā)明實施例的多光束掃描裝置第二優(yōu)選方式的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)明實施例多光束掃描裝置原理圖。

圖4是本發(fā)明實施例多光束掃描裝置原理圖。

圖5是本發(fā)明實施例中波長與衍射角度變化圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在下文中，將參考附圖來更好地理解本發(fā)明的許多方面。附圖中的部件未必按照比例繪制。替代地，重點在于清楚地說明本發(fā)明的部件。此外，在附圖中的若干視圖中，相同的附圖標記指示相對應(yīng)零件。

如本文所用的詞語“示例性”或“說明性”表示用作示例、例子或說明。在本文中描述為“示例性”或“說明性”的任何實施方式未必理解為相對于其它實施方式是優(yōu)選的或有利的。下文所描述的所有實施方式是示例性實施方式，提供這些示例性實施方式是為了使得本領(lǐng)域技術(shù)人員做出和使用本公開的實施例并且預(yù)期并不限制本公開的范圍，本公開的范圍由權(quán)利要求限定。在其它實施方式中，詳細地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本發(fā)明。出于本文描述的目的，術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“豎直”、“水平”和其衍生詞將與如圖1定向的發(fā)明有關(guān)。而且，并無意圖受到前文的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或下文的詳細描述中給出的任何明示或暗示的理論限制。還應(yīng)了解在附圖中示出和在下文的說明書中描述的具體裝置和過程是在所附權(quán)利要求中限定的發(fā)明構(gòu)思的簡單示例性實施例。因此，與本文所公開的實施例相關(guān)的具體尺寸和其他物理特征不應(yīng)被理解為限制性的，除非權(quán)利要求書另作明確地陳述。

圖1示出了一種多光束掃描裝置，包括：信號發(fā)射單元10、第一光學(xué)單元201、第二光學(xué)單元202、信號接收單元30和距離分析單元40。其中，信號發(fā)射單元10被配置為發(fā)射不同波長的陣列激光脈沖；第一光學(xué)單元201用于對所述陣列激光脈沖依次進行準直和衍射以形成發(fā)射光束；第二光學(xué)單元202用于對發(fā)射光束經(jīng)待測目標散射或反射的光束依次進行衍射和準直，以形成返回光束；信號接收單元30被配置為接收不同波長的返回光束；距離分析單元40對返回光束進行信號分析以確定待測目標距離。

在第一個優(yōu)選實施方式中，信號發(fā)射單元10進一步地依次包括：可調(diào)諧激光光源101、脈沖發(fā)生器102、光放大器103和光分路器104，其中，可調(diào)諧激光光源101被配置為能夠發(fā)射不同波長激光光束；脈沖發(fā)生器102用于將激光光束形成激光脈沖；光放大器103用于將激光脈沖進行放大；光分路器104用于將激光脈沖進行分路以形成陣列激光脈沖。第一光學(xué)單元201依次包括用于對陣列激光脈沖進行準直的發(fā)射透鏡2011、和第一衍射光柵2012。第二光學(xué)單元202依次包括第二衍射光柵2021和用于對光束進行準直的接收透鏡2022。信號接收單元30包括用于接收返回光束的光檢測器301、用于對光檢測器301接收信號進行信號處理的信號放大調(diào)理電路302。光檢測器301為光電轉(zhuǎn)換元件，可以是PD、PIN、APD或光電倍增管等。

本發(fā)明實施例的多光束掃描裝置為一種基于衍射的激光雷達掃描方式，使用反射光柵或者體光柵等衍射元件，通過改變激光波長來改變衍射角實現(xiàn)激光雷達的掃描；請參閱圖3和圖4所示，在接收光路中也安置衍射光柵，使發(fā)射的光回到固定的探測器上。這一方式可以做到?jīng)]有機械運動部件，同時掃描角度可以達到+/-4度以上，掃描速度超過10kHz。

在第二個優(yōu)選實施方式中，第一衍射光柵2012和第二衍射光柵2021可以形成整體，即為衍射光柵60，請參閱圖2所示，距離分析單元30包括多個ADC或多個比較計時器或鑒相器，該多光束掃描裝置還包括一個計算控制單元50，用于對可調(diào)諧激光光源101的波長進行調(diào)節(jié)，用于對光放大器102的放大倍數(shù)進行調(diào)節(jié)，用于觸發(fā)脈沖發(fā)生器103，用于根據(jù)不同波長所對應(yīng)的距離獲得待測目標距離與波長的關(guān)系、再結(jié)合波長與角度的關(guān)系映射出待測目標距離與角度的關(guān)系。計算控制單元50由ARM芯片、FPGA芯片、DSP芯片或者專用芯片為主芯片，帶有計時或測相功能，以及數(shù)據(jù)分析能力。計算控制單元50還連接有通信接口50a。

另外，可調(diào)諧激光光源101的數(shù)量大于等于兩個，相對應(yīng)地，光檢測器301的數(shù)量大于等于兩個，所述光檢測器301與所述可調(diào)諧激光光源101一一對應(yīng)。

也就是說，信號發(fā)射單元10可以是使用一個或多個可調(diào)諧激光光源301的光發(fā)射單元，或者一個信號發(fā)射單元10的可調(diào)諧激光光源101通過分路器分出的多路光束的方式，發(fā)出的激光為準直的激光光束，或者多個之間有角度的激光光束。另外，信號發(fā)射單元10中可調(diào)諧激光光源101的波長可以通過通信接口或者觸發(fā)信號進行更改。衍射光柵包括但不限于反射光柵，體光柵等衍射光學(xué)元件，以及其他光柵和反射鏡，透鏡的組合體。衍射光柵可以是發(fā)射和接收各用一組光柵，也可以是發(fā)射和接收共用一組光柵。計算控制單元50發(fā)出觸發(fā)信號，觸發(fā)激光發(fā)射，同時觸發(fā)接收單元30開始接收，或者計算控制單元50觸發(fā)激光發(fā)射，發(fā)射單元10觸發(fā)接收單元30開始接收。接收單元30將數(shù)據(jù)送入計算控制單元50，計算待測目標的距離。通信接口50a通過有線或者無線方式的將設(shè)備和其他設(shè)備進行連接。

衍射光柵是一種由密集、等間距平行刻線構(gòu)成的非常重要的光學(xué)器件，有反射光柵，透射相位光柵等各種形式，但物理機理基本一致，其色散都可用以下方程表示：

d*(sinθ+sinφ ) = mλ 式（1）

式中θ為入射角，φ為衍射角，λ為波長，m為衍射級次。

可以看到，改變波長，衍射角就會改變。為更直觀的看到兩者之間的關(guān)系，可以對式(1)式微分：

dλ/dφ = d*cosφ/m 式（2）

由于d*cosφ/m是一個常數(shù)，也就是說，衍射角和波長在小范圍內(nèi)是線性的關(guān)系，波長變化，衍射角相應(yīng)變化。

在用于激光雷達的情況下，衍射角度的變化很大，不能用式（2）來計算，而應(yīng)該對公式（1）進行變形，具體如下：

(φ1–φ2) = asin(m*(λ1-λ2)/d) 式（3）

以m=1，d=0.82μm，λ=1550nm附近，θ=85度為例，請參閱圖5所示，橫軸是波長，縱軸是衍射角度，波長變化100nm，角度變化了接近20度。

應(yīng)用本實施例的裝置進行多光束掃描的方法包括如下步驟：

步驟a：生成第一波長的陣列激光脈沖；

步驟b：對陣列激光脈沖依次進行準直后經(jīng)過衍射光柵以形成發(fā)射光束；

步驟c：將所述發(fā)射光束導(dǎo)向所述待測目標，并且將從所述待測目標散射或反射的光束經(jīng)過衍射光柵后再進行準直以形成返回光束；

步驟d：接收所述返回光束并對返回光束進行放大和信號調(diào)理后對返回光束進行信號分析以確定待測目標距離；

步驟e：生成第i波長的陣列激光脈沖，重復(fù)步驟b至步驟d，其中，i=2,3，……，n；

步驟f：根據(jù)不同波長所對應(yīng)的距離獲得待測目標距離與波長的關(guān)系、再結(jié)合波長與角度的關(guān)系映射出待測目標距離與角度的關(guān)系以重構(gòu)待測目標的二維空間結(jié)構(gòu)。

其中，重復(fù)步驟b至步驟d的測試，就可以獲得目標物距離和波長的關(guān)系，再根據(jù)波長和角度的關(guān)系映射出目標物距離和角度的關(guān)系，重構(gòu)出二維的空間結(jié)構(gòu)；重構(gòu)的二維空間結(jié)構(gòu)通過通信結(jié)構(gòu)送出給需要二維空間結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。

具體地，請參閱圖2所示，計算控制單元50設(shè)定可調(diào)諧激光光源的波長，設(shè)定光放大器的倍數(shù)，觸發(fā)脈沖發(fā)生器，形成激光脈沖，激光脈沖被光纖放大器放大為測距的激光脈沖。激光脈沖通過光分路器分為多路，比如4路，8路，32路等；多路光相當于陣列的激光光源，通過透鏡準直發(fā)射，多路光之間存在夾角，形成多線發(fā)射。準直后的光入射到衍射光柵，出射時角度發(fā)生變化，出射的角度與入射的波長存在對應(yīng)關(guān)系。出射光束遇到目標之后，發(fā)生散射或者反射，重新返回，入射到接收透鏡前的衍射光柵。接收透鏡前的衍射光柵可以使不同波長的光以同一角度返回入射到接收透鏡上。接收透鏡將因波長而偏向不同角度的光束匯聚在同一探測器上，比如同一個PD，APD或者光電倍增管等光探測器；同時，多個激光光源發(fā)出然后返回的光，會回到不同的探測器上，接收到多線的信號；多線的信號被電路放大，調(diào)理為合適的信號，經(jīng)距離分析模塊40（ADC采集或者經(jīng)比較器）比較后觸發(fā)專用的計時芯片，得到飛行時間；ADC的信號或者飛行時間信號被送入計算控制單元50，經(jīng)過相關(guān)算法，濾波算法等，得到更為準確的飛行時間，并經(jīng)時間換算為某一波長測試到的距離。更換波長，重復(fù)以上步驟可以得到多個波長對應(yīng)的目標物距離信息，因波長和衍射角度存在固定的對應(yīng)關(guān)系，就可以得到多線的角度和距離信息，這就是需要的3D雷達信息；這一信息可以直接經(jīng)通信接口傳輸?shù)酵獠?；在需要的情況下，計算控制單元50也可以通過聚類算法等，由多線的3D雷達信息分析出多個目標物，目標物大小及對應(yīng)的3D角度信息，通過通信接口傳輸?shù)酵獠俊?/p>

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。