[发明专利]一种激光雷达和二维扫描方法

说明书

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。

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：