[发明专利]一种窄线宽滤波激光雷达

说明书

本发明涉及一种窄线宽滤波激光雷达，通过采用外腔反馈的方式压窄激光线宽，并将出射激光的频率或波长锁定在所述外腔反馈元件选定的范围内，减少环境温度变化对激光信号波长的影响，在此基础上，进一步的使用窄线宽滤波元件对回波信号进行滤波处理，从而大幅度的滤除背景光噪声，提高激光雷达的探测灵敏度和探测距离，同时，配合具有差异化滤波参数或具有弧形结构的滤波元件，提高了在不同回波入射角度下滤波元件滤波效果的一致性，使得本发明的窄线宽滤波激光雷达在整个视场角度内具有基本上相同的灵敏度和探测可靠度。

技术领域

本发明涉及一种激光雷达，具体涉及一种压缩激光线宽，并利用窄带滤波器抑制背景光干扰以提高探测精度、探测距离和探测可靠性的激光雷达。

背景技术

现有的多线脉冲飞行时间TOF(time of flight)激光雷达，为获得高的垂直分辨率，存在两类解决方案。第一类以velodyne（US8767190）为代表，使用多个激光阵列和光电检测器阵列以获取高的垂直分辨率。但该类方案中，激光阵列与检测器阵列的组装调试极其复杂，且随分辨率要求的提高，其组装调试难度将呈指数级上升，另外该类激光雷达的可靠性也较低。另一类方案，采用单个激光和PD检测单元，借助于同轴扫描机构例如MEMS或galvo振镜，在视场角度（FOV）内进行一个维度或者两个维度的扫描，振镜同时作为出射激光与回波信号的反射单元。该类方案可以极大的简化激光雷达结构，降低组装调试成本。但该类方案存在一个难以调和的矛盾。即，为获取高的分辨率，要求扫描机构具有较小的设备尺寸，从而可以进行稳定快速的旋转，缩短单次扫描时间；而为获取清晰可靠的回波信号，或者为获取高的探测灵敏度或足够远的探测距离，则要求用于反射回波信号的振镜具有较大的尺寸以向检测器反射足够多的回波光子。

现有技术中存在为解决上述第二类方案矛盾点的尝试，如使用高灵敏度的检测器，如雪崩二极管APD或单光子雪崩二极管SPAD，SiPM等以获得更高的检测灵敏度。但由于这些器件具有接近单光子的极高的检测灵敏度，容易受到背景光的干扰，而极大的限制了其探测灵敏度和探测距离。

由于车载激光雷达的主要应用场景在户外，其背景光主要为阳光。而激光波长相比于阳光更窄。基于该特性，现有技术中普及的抑制背景光噪声的方法是用滤波片。

一般而言，如图1所示，常用的脉冲半导体激光器的谱宽在10nm左右，而光谱中心位置会随环境温度的变化而移动约0.3nm/K。对于车载激光雷达而言，由于季节变化、使用场景改变等因素，导致激光雷达实际应用场景的环境温度可能产生约100K的变化幅度。因此，现有技术中的滤波片通常具有至少40nm的线宽，以应对环境温度改变导致的光谱中心位移。显然，这种措施所预留的滤波片线宽余量仍允许大量的背景光透过，实际能产生的滤波效果有限。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种窄线宽滤波激光雷达，其能够大幅度滤除背景光噪声，提高激光雷达的检测灵敏度和探测距离。

具体的，所述窄线宽滤波激光雷达包括激光器、准直透镜、扫描机构、汇聚透镜、检测单元及信号处理电路等常规的激光雷达部件，还包括窄带滤波元件。所述滤波元件对回波激光信号进行滤波处理，选择性的允许波长在其线宽范围内的光线透过，而滤除线宽范围外的杂波。所述检测单元优选为高灵敏度检测器。

本发明一个方面提供一种激光稳频组件，用于将激光频率锁定在一较小的变化范围内。所述稳频组件可以是调温稳频等被动稳频组件，例如半导体温度控制元件，用于控制激光器在一稳定的温度范围内工作，从而抵消环境温度变化带来的影响。也可以是主动稳频组件，如衍射光栅或VBG体光栅等外腔反馈元件，将其布置在激光器的外腔，并配置成向激光器的谐振腔反馈激光，以压窄脉冲激光的线宽，并将所述激光的频率或波长锁定所述外腔反馈元件预定的范围内，以抑制激光波长的温度飘移。

本发明的另一个方面提供一种窄线宽滤波元件，其可以是布置在检测器前的滤波片或者是检测器元件表面的镀膜。所述窄线宽滤波元件与所述经稳频组件稳频的窄线宽激光相匹配，以允许其通过。