多光束掃描裝置的製作方法

2023-06-05 12:49:06

本實用新型涉及雷達技術領域，具體涉及一種多光束掃描裝置。

背景技術：

雷射雷達使用發射雷射照射目標物，通過目標物返回雷射的延遲，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，近年來，隨著3D列印測量，地圖測繪，輔助和自動駕駛，無人機等行業的發展，也帶動的雷射雷達技術和應用的高速發展。

2D和3D的雷射雷達可以提供立體空間的信息，目前主要的技術方案都是通過對單點雷射測距儀或者多點雷射測距儀的光路進行掃描來實現的，如何快速和高可靠的實現掃描成了一個技術瓶頸。

已有的掃描技術包括：

i.機械/微機械掃描，包括：（慢，可靠性差）

1.轉臺掃描

2.振鏡掃描

3.旋轉多稜鏡掃描

4.MEMS鏡掃描

ii.聲光掃描（相當與改變衍射光柵周期實現掃描）

iii.液晶相控陣掃描（慢）

iv.波導相控陣掃描（沒有成熟的元器件配套，不能大批量應用）。

鑑於現有技術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，因此克服以上現有技術中的缺陷，提供一種新的掃描裝置成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於針對現有技術的上述缺陷，提供一種多光束掃描裝置。

本實用新型的目的可通過以下的技術措施來實現：

一種多光束掃描裝置，該裝置包括：

至少一個被配置為發射不同波長的陣列雷射脈衝的信號發射單元；

第一光學單元，用於對所述陣列雷射脈衝依次進行準直和衍射以形成發射光束；

第二光學單元，用於對發射光束經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。

優選地，所述的信號發射單元依次包括：

被配置為能夠發射不同波長雷射光束的可調諧雷射光源；

用於將雷射光束形成雷射脈衝的脈衝發生器；

用於將雷射脈衝進行放大的光放大器；和

用於將雷射脈衝進行分路以形成陣列雷射脈衝的光分路器。

優選地，所述第一光學單元依次包括用於對陣列雷射脈衝進行準直的發射透鏡、和第一衍射光柵。

優選地，所述第二光學單元依次包括第二衍射光柵和用於對光束進行準直的接收透鏡。

優選地，所述第一衍射光柵和第二衍射光柵形成整體。

優選地，所述信號接收單元包括用於接收返回光束的光檢測器、用於對光檢測器接收信號進行信號處理的信號放大調理電路。

優選地，所述可調諧雷射光源的數量大於等於兩個，所述光檢測器的數量大於等於兩個，所述光檢測器與所述可調諧雷射光源一一對應。

優選地，所述距離分析單元包括多個ADC或多個比較計時器或鑑相器。

優選地，該多光束掃描裝置還包括一個計算控制單元，用於對可調諧雷射光源的波長進行調節，用於對光放大器的放大倍數進行調節，用於觸發脈衝發生器，用於根據不同波長所對應的距離獲得待測目標距離與波長的關係、再結合波長與角度的關係映射出待測目標距離與角度的關係。

本實用新型的多光束掃描裝置為一種基於衍射的雷射雷達掃描方式，使用固定衍射光柵，通過改變雷射波長來改變衍射角實現雷射雷達的掃描，上述方式可以做到沒有機械運動部件，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是本實用新型實施例的多光束掃描裝置第一優選方式的結構框圖。

圖2是本實用新型實施例的多光束掃描裝置第二優選方式的結構框圖。

圖3是本實用新型實施例多光束掃描裝置原理圖。

圖4是本實用新型實施例多光束掃描裝置原理圖。

圖5是本實用新型實施例中波長與衍射角度變化圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

在下文中，將參考附圖來更好地理解本實用新型的許多方面。附圖中的部件未必按照比例繪製。替代地，重點在於清楚地說明本實用新型的部件。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於其它實施方式是優選的或有利的。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域技術人員做出和使用本公開的實施例並且預期並不限制本公開的範圍，本公開的範圍由權利要求限定。在其它實施方式中，詳細地描述了熟知的特徵和方法以便不混淆本實用新型。出於本文描述的目的，術語「上」、「下」、「左」、「右」、「前」、「後」、「豎直」、「水平」和其衍生詞將與如圖1定向的實用新型有關。而且，並無意圖受到前文的技術領域、背景技術、

技術實現要素：
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利要求中限定的實用新型構思的簡單示例性實施例。因此，與本文所公開的實施例相關的具體尺寸和其他物理特徵不應被理解為限制性的，除非權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：信號發射單元10、第一光學單元201、第二光學單元202、信號接收單元30和距離分析單元40。其中，信號發射單元10被配置為發射不同波長的陣列雷射脈衝；第一光學單元201用於對所述陣列雷射脈衝依次進行準直和衍射以形成發射光束；第二光學單元202用於對發射光束經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。

在第一個優選實施方式中，信號發射單元10進一步地依次包括：可調諧雷射光源101、脈衝發生器102、光放大器103和光分路器104，其中，可調諧雷射光源101被配置為能夠發射不同波長雷射光束；脈衝發生器102用於將雷射光束形成雷射脈衝；光放大器103用於將雷射脈衝進行放大；光分路器104用於將雷射脈衝進行分路以形成陣列雷射脈衝。第一光學單元201依次包括用於對陣列雷射脈衝進行準直的發射透鏡2011、和第一衍射光柵2012。第二光學單元202依次包括第二衍射光柵2021和用於對光束進行準直的接收透鏡2022。信號接收單元30包括用於接收返回光束的光檢測器301、用於對光檢測器301接收信號進行信號處理的信號放大調理電路302。光檢測器301為光電轉換元件，可以是PD、PIN、APD或光電倍增管等。

本實用新型實施例的多光束掃描裝置為一種基於衍射的雷射雷達掃描方式，使用反射光柵或者體光柵等衍射元件，通過改變雷射波長來改變衍射角實現雷射雷達的掃描；請參閱圖3和圖4所示，在接收光路中也安置衍射光柵，使發射的光回到固定的探測器上。這一方式可以做到沒有機械運動部件，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鑑相器，該多光束掃描裝置還包括一個計算控制單元50，用於對可調諧雷射光源101的波長進行調節，用於對光放大器102的放大倍數進行調節，用於觸發脈衝發生器103，用於根據不同波長所對應的距離獲得待測目標距離與波長的關係、再結合波長與角度的關係映射出待測目標距離與角度的關係。計算控制單元50由ARM晶片、FPGA晶片、DSP晶片或者專用晶片為主晶片，帶有計時或測相功能，以及數據分析能力。計算控制單元50還連接有通信接口50a。

另外，可調諧雷射光源101的數量大於等於兩個，相對應地，光檢測器301的數量大於等於兩個，所述光檢測器301與所述可調諧雷射光源101一一對應。

也就是說，信號發射單元10可以是使用一個或多個可調諧雷射光源301的光發射單元，或者一個信號發射單元10的可調諧雷射光源101通過分路器分出的多路光束的方式，發出的雷射為準直的雷射光束，或者多個之間有角度的雷射光束。另外，信號發射單元10中可調諧雷射光源101的波長可以通過通信接口或者觸發信號進行更改。衍射光柵包括但不限於反射光柵，體光柵等衍射光學元件，以及其他光柵和反射鏡，透鏡的組合體。衍射光柵可以是發射和接收各用一組光柵，也可以是發射和接收共用一組光柵。計算控制單元50發出觸發信號，觸發雷射發射，同時觸發接收單元30開始接收，或者計算控制單元50觸發雷射發射，發射單元10觸發接收單元30開始接收。接收單元30將數據送入計算控制單元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備和其他設備進行連接。

衍射光柵是一種由密集、等間距平行刻線構成的非常重要的光學器件，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係，可以對式(1)式微分：

dλ/dφ = d*cosφ/m 式（2）

由於d*cosφ/m是一個常數，也就是說，衍射角和波長在小範圍內是線性的關係，波長變化，衍射角相應變化。

在用於雷射雷達的情況下，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雷射脈衝；

步驟b：對陣列雷射脈衝依次進行準直後經過衍射光柵以形成發射光束；

步驟c：將所述發射光束導向所述待測目標，並且將從所述待測目標散射或反射的光束經過衍射光柵後再進行準直以形成返回光束；

步驟d：接收所述返回光束並對返回光束進行放大和信號調理後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波長的陣列雷射脈衝，重複步驟b至步驟d，其中，i=2,3，……，n；

步驟f：根據不同波長所對應的距離獲得待測目標距離與波長的關係、再結合波長與角度的關係映射出待測目標距離與角度的關係以重構待測目標的二維空間結構。

其中，重複步驟b至步驟d的測試，就可以獲得目標物距離和波長的關係，再根據波長和角度的關係映射出目標物距離和角度的關係，重構出二維的空間結構；重構的二維空間結構通過通信結構送出給需要二維空間結構的系統。

具體地，請參閱圖2所示，計算控制單元50設定可調諧雷射光源的波長，設定光放大器的倍數，觸發脈衝發生器，形成雷射脈衝，雷射脈衝被光纖放大器放大為測距的雷射脈衝。雷射脈衝通過光分路器分為多路，比如4路，8路，32路等；多路光相當於陣列的雷射光源，通過透鏡準直發射，多路光之間存在夾角，形成多線發射。準直後的光入射到衍射光柵，出射時角度發生變化，出射的角度與入射的波長存在對應關係。出射光束遇到目標之後，發生散射或者反射，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，多個雷射光源發出然後返回的光，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，調理為合適的信號，經距離分析模塊40（ADC採集或者經比較器）比較後觸發專用的計時晶片，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，經過相關算法，濾波算法等，得到更為準確的飛行時間，並經時間換算為某一波長測試到的距離。更換波長，重複以上步驟可以得到多個波長對應的目標物距離信息，因波長和衍射角度存在固定的對應關係，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通信接口傳輸到外部；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，目標物大小及對應的3D角度信息，通過通信接口傳輸到外部。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。