[發明專利]一種激光雷達和二維掃描方法

在審

• 申請號: 202110866422.7
• 申請日: 2021-07-29
• 公開（公告）號: CN113589317A
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 李中宇;賈曉寧
• 申請（專利權）人: 北京摩爾芯光科技有限公司
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 王寶筠

本申請公開了一種激光雷達和二維掃描方法。激光雷達包括發射組件和接收組件；發射組件包括至少一組光學相控陣OPA，一組OPA包括多個沿第一方向排布的OPA單元；接收組件包括至少一組接收陣列，例如FMCW陣列、APD陣列、SPAD陣列等。一組接收陣列包括多個沿第二方向排布的接收單元；第一方向與第二方向垂直。在發射組件通過一維的OPA便可以實現第一方向的掃描，在接收組件通過一維的接收陣列便可以實現第二方向上光束的分辨，從而實現了二維的光束掃描。只需要單波長的光源就能實現二維的光束掃描，且非必須設置二維的OPA單元，大大縮減了體積和耗材數量，節省成本同時也降低工藝難度。

技術領域

本申請涉及掃描技術領域，特別是涉及一種激光雷達和二維掃描方法。

背景技術

激光雷達通過分析激光信號描繪三維點云圖，實現環境實時感知及避障功能，目前廣泛應用于自動駕駛、物流運輸、高精地圖、智慧交通、機器人、工業自動化、無人機、測繪等領域。激光雷達由于抗干擾性強、成像清晰等特點，是自動駕駛的“眼睛”，被視為自動駕駛中最為重要的傳感器之一。激光雷達按照掃描方式可以分為整體旋轉的機械式激光雷達、收發模塊靜止但光路旋轉的半固態激光雷達以及固態式激光雷達。純固態式激光雷達不包括任何需要物理移動的掃描器件。近幾年報道的基于集成光學技術的光學相控陣掃描方案因其具有體積小、重量輕、速度快、不易受干擾等特點，成為研究的熱點。

光子集成(Photonic Integrated Circuit，PIC)芯片是指使用光子集成技術制成的芯片，也可稱為光芯片。光子集成技術能夠與現有的互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)標準技術兼容，可與微電子集成電路集成，因此，集成光學芯片成為研究熱點，在通訊、傳感、計算、量子、生物等領域有廣泛的應用。

在基于光學相控陣(Optical Phased Array，OPA)實現的激光雷達中，相控陣發射器由若干發射接收單元組成陣列，通過改變加載在不同單元的電壓，進而改變不同單元發射光波特性(如光強、相位)，實現對每個單元光波的獨立控制，通過調節從每個相控單元輻射出的光波之間的相位關系，在設定方向上產生互相加強的干涉從而實現高強度光束，而其它方向上從各個單元射出的光波彼此相消，因此，輻射強度接近于零。組成相控陣的各相控單元在程序的控制下，可使一束或多束高強度光束的指向按設計的程序實現隨機空域掃描。與傳統機械掃描技術相比，基于集成光學技術的光學相控陣掃描技術有三大優勢：

1)掃描速度快：光學相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學特性和器件的結構，一般都可以達到MHz量級以上。2)掃描精度或指向精度高：光學相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度(一般為電壓信號)，可以做到μrad(千分之一度)量級以上。3)可控性好：光學相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內可以做到任意指向，可以在感興趣的目標區域進行高密度的掃描，在其他區域進行稀疏掃描，這對于自動駕駛環境感知非常有用。

通常，激光雷達需要對水平和豎直兩個方向進行掃描。而采用OPA技術實現二維的光束掃描方案主要分為兩種：一種是在兩個維度均進行相控陣實現二維掃描；另一種是在一個維度通過光學相控陣掃描，另一個維度通過光源的波長切換進行掃描。

其中，第一個方案在兩個維度均進行相控陣需要二維排布的OPA單元，OPA單元數是隨著陣列的規模成指數增長，例如兩個維度設置規模為N的OPA單元，則需要N²個OPA單元。但是做大規模二維的OPA陣列工藝難度大，OPA單元數量的消耗也導致成本較高。第二個方案中，多波長的光源價格高、體積大，難以滿足市場對于激光雷達低成本、小體積的要求。

發明內容

基于上述問題，本申請提供了一種激光雷達和二維掃描方法，以節省基于OPA的激光雷達進行二維掃描的實現成本，降低工藝難度，縮小激光雷達的體積。

本申請實施例公開了如下技術方案：