[发明专利]基于一维光相控阵的三维扫描激光雷达

说明书

一种基于一维光相控阵的三维扫描激光雷达，包括发射端、相干接收端和非相干接收端，均为一维阵列。本发明降低了三维扫描相控阵的相位控制复杂度，并避免使用成本高昂的可调谐激光器和串扰较大的光栅阵列天线。本发明仍然具有纯固态三维扫描方案在速度和集成度上的显著优势，具有非常高的实用价值。

技术领域

本发明属于光电探测领域，特别是一种基于一维光相控阵的三维扫描激光雷达。

背景技术

伴随着自动驾驶技术的日新月异，以高级驾驶辅助系统(ADAS,Advanced DrivingAssistant System)和自动载具(Robotic Cars)为应用场合的解决方案将迎来市场化的关键时期。实时精确地感知车辆四周的环境不仅是一个应用需求，而且也是关乎交通安全以及市场信任的关键因素。在传感器融合的大背景下，激光雷达以其超高的分辨精度，主动发光式的探测手段，以及成熟的点云建模方式，日益成为自动驾驶中不可或缺的核心器件。通过发射探测光并接收反射的信号光，激光雷达可以发现目标并进行测距；在整个视场范围内进行探测与测距，则可以对环境进行成像。探测和成像有众多的实现方式，以硬件层的视角而言，前者可以大致划分为相干探测和非相干探测，并且将影响径向探测的精细度；后者则分为扫描式成像和非扫描式成像，并将决定角向刷新的实时性。在激光雷达发展的早期阶段，大量测距方面的工程应用使得前者得到了充分发展，成像问题则一直由机械扫描的方式予以实现，由于机械系统具有运动部件，考虑到机械磨损、结构可靠性、运动控制的精度、以及加速度环境下惯性的影响，机械扫描方案很难同时实现高速、大角度的光束旋转，此外在体积和功耗上也具有显著劣势。

为了通过小型化、集成化提高性能和产能，并最终以更高的性价比占据市场，一些基于微机电(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)振镜的混合固态方案已经得到了产业界的积极开发，但由于混合固态系统始终含有运动部件，在高速运行时仍然面临显著的谐振与形变问题，该方案只能小幅提高扫描速度；此外，由于机械扫描是连续调节过程，两个相邻瞬间的探测方向不可突变，所以无法灵活地分配探测资源。与相机原理类似的非扫描式激光雷达同样不能灵活地分配探测资源，不仅如此，该方案需要高响应度、低噪声的大规模面阵传感器，由于阵列复杂度按照探测精细度的平方关系快速恶化，该方案难以同时实现高精度与高实时性的环境感知，最后，由于“激光闪光灯”需要照亮整个视场，在自动驾驶所需的中长工作距离上，该方案在传感器成本和探测距离之间构造了另一对矛盾关系。

所以，纯固态扫描方案，不仅彻底摆脱了限制扫描速度的机械元件，同时还能借助灵活的波束成形以极高的方向增益将探测光功率集中在数字式变化的探测方向上，从而打破了其他方案中由成像原理导致的矛盾关系。然而，无论是基于离散收发元件开关选通方式的扫描，或者基于光相控阵技术的扫描，三维扫描时所需的元件复杂度仍然会以所需精细度的平方关系O(n²)爆炸式增长，这也是目前光相控阵领域广泛采用“波长调谐+一维光相控阵”混合架构的主要原因。通过改变可调谐激光器的输入波长，光栅天线的发射角度将会随着波长变化；在此基础上，并排布置这些光栅天线构成一维相控阵，则能通过改变阵元间的相位关系在另一个角度方向上实现角度扫描，最终以O(n+1)的复杂度完成三维扫描的任务。