[发明专利]用于无人驾驶汽车的高探测效率VCSEL阵列混沌激光雷达装置

说明书

本发明公开了一种用于无人驾驶汽车的高探测效率VCSEL阵列混沌激光雷达装置，属于激光雷达在无人驾驶汽车的应用技术领域。该装置包括信号发射模块、光路调节模块、信号接收模块以及数据处理模块，信号发射模块将光路数据传输入光路调节模块，光路调节模块将调节后的光路数据传入信号接收模块，最后将数据传入数据处理模块。信号发射模块采用了多个VCSEL激光器组成阵列单元，然后再形成阵列组合，一次驱动多个VCSEL激光器，可以大幅提升获取的信息量以及测量速度，增大出光效率，提升探测物体的探测效率，且结构简单、紧凑、易于阵列集成，很大程度上减小了车载激光雷达的体积，宽带混沌信号也有效实现抗干扰性能，提高了测距精度。

技术领域

本发明属于激光雷达在无人驾驶汽车的应用技术领域，具体为一种用于无人驾驶汽车的高探测效率VCSEL阵列混沌激光雷达装置。

背景技术

随着社会的进步和公路交通系统的飞速发展，无人驾驶汽车呈现了迅猛发展的势头。激光雷达占据了无人驾驶汽车领域市场中90%的应用。激光雷达具备误差小、测距速度快、测量范围广、鲁棒性强、不受环境照度影响等诸多优点得到了普遍使用。随着无人驾驶技术的快速发展，无人驾驶交通网络的形成已经不再遥远，如何避免通过激光雷达对无人汽车的干扰仍是一个悬而未决的问题，同时对激光雷达的测距精度、测量速度也提出了更高的要求。

目前，被广泛采用的无人汽车激光雷达绝大部分为脉冲体制，即采用脉冲激光器作为雷达信号源。通过发射重复的光脉冲，测量从目标反射回的每个脉冲的飞行时间，得到检测目标物的位置信息(Optical Engineering, Vol.40(1), p.10–19, 2001)。脉冲激光雷达具有激光信号强、回波信号易于采集等优点，但是由于脉冲激光器发出重复脉冲，脉冲的周期性和规律性常常会导致距离模糊，并使激光雷达易受到同频信号的干扰而导致虚警和误判(IEEE Intelligent Vehicles Symposium (IV), p.437–442, 2015)。随着激光雷达技术的不断提升，在无人驾驶领域激光雷达已经朝商业化的智能应用迈进。车载激光雷达从其他激光雷达和光源接收到非特定信号将变得不可避免，从而产生重影或导致检测错误。可以说，脉冲激光雷达虽然一定程度上能够满足当前无人驾驶汽车上路测试的需求，但由于其在抗干扰性上的缺点，在未来大量无人车同时上路，脉冲激光雷达的广泛应用必将收到制约。

为了减轻干扰的可能性，有学者提出利用随机调制连续波方法的随机信号激光雷达，即通过外部强度调制器将伪随机二进制序列调制在连续激光上。通过计算从目标后向散射的接收信号与发送的参考信号之间的互相关，得到检测目标物的位置信息(AppliedOptics, Vol.50(22), p.4478–4488, 2011)。采用伪随机二进制序列调制技术受限于随机码的调制速率，测量分辨率受电子器件和所用调制器的调制速度所限制。且伪随机码总存在有限周期，当测量距离较长时不同周期间的随机码易受到干扰导致虚警和误判。同时，在未来无人驾驶汽车接入网络后，恶意干扰器将容易记录正在发射的伪随机二进制序列，然后重新发射产生假回波，进而对激光雷达进行恶意干扰，从而扰乱交通、制造事故，甚至控制无人驾驶车辆。

相比之下，混沌信号是一种典型的宽带信号，具有宽带连续谱，类噪声的不可预测性，优异的距离和速度分辨率，简单廉价的产生方式，在雷达领域日益得到重视（OpticsExpress, Vol.26(17), p.22491-22505, 2018; IEEE Transactions on Geoscience andRemote Sensing, Vol.56(9), p.5064-5082, 2018）。混沌信号的非周期性和不可预测性决定了混沌激光雷达系统不会有距离模糊现象，可实现高测量精度，而且具有天然的抗干扰属性。