一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达。

背景技术

激光雷达作为目前较为先进的传感器，在很多领域都有广泛的应用，如自由空间光通信，无人驾驶等。传统激光雷达多采用机械式、电/声光调制等扫描体制进行扫描。机械式扫描体制虽然成熟，但其体积大、价格高、稳定性和耐久性相对较差；电/声光调制扫描体制使用电光晶体与声光晶体对信号进行调制，所需调制电压较高，且扫描角度较小。新型的固态扫描体制激光雷达则满足了目前主流应用所提出的低成本、小型化的需求。固态扫描体制激光雷达主要包括MEMS、Flash、光学相控阵(OPA)等体制。MEMS激光雷达光路复杂，扫描效率受微振镜面积限制，测试结果重复性难以保证，环境适应性有待提高；Flash激光雷达探测距离较短，应用场景受限。而硅基光学相控阵技术具有体积小、功耗低、成本低、扫描速度快等优势，可实现芯片级激光扫描器件，具有广阔的应用前景。

硅基光学相控阵的工作原理是将耦合进光学相控阵的光通过光分束器进行分束，通过相位控制单元后，经相位调制后的光经天线单元辐射到自由空间，调节各天线单元幅射光间的相位差和振幅实现光束的偏转，达到扫描的目的。大型光学相控阵具有数千个乃至数万个器件，而其制造工艺完全与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容，可以将OPA集成在一块硅基芯片上，具有集成度高，紧凑，成本低的特点。

在实际应用中，扫描范围是评价激光雷达性能的关键参数之一，而在一维硅基光学相控阵设计中，波束转向是通过天线阵列的相位调制使光束在远场发生相干叠加实现的，理论上，转向范围主要受限于远场衍射中出现的栅瓣，栅瓣位置由天线间距d决定，而在扫描角θ内，不出现栅瓣的条件为：

其中，λ为波长。因此，对于均匀排布的天线阵列，可采用压缩天线间距d的方式增加扫描范围。然而，受限于光栅天线间光的串扰，天线间距难以满足较大的扫描范围需求，因而需要通过别的方式增大扫描范围。目前已有的光学相控阵增大扫描角度的方法主要有两种，第一种是采用非均匀的天线阵列排布形式(High-resolution aliasing-freeoptical beam steering)，破坏栅瓣的相干条件，以达到压缩栅瓣的目的，但这样一来，原有栅瓣的能量被压缩到了背景噪声中，主瓣的能量并没有得到增强，造成了能量的浪费；第二种是通过波导超晶格结构降低耦合强度(CN201810360591.1《一种高密度光子集成的波导光栅阵列》)，相邻天线的传播常数的改变可以有效的抑制相邻波导之间的串扰，但是这种方式设计复杂，且对现有商业化制造工艺提出了挑战，制造难度大，难以实现商业化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，包括：

激光器，所述激光器用于发射激光光束；

一维光学相控阵芯片，所述一维光学相控阵芯片能够接收激光器发射的激光光束、对接收的激光光束进行分束和相位调制、发射相位调制后的激光光束，一维光学相控阵芯片发射的激光光束的主瓣和栅瓣同时对目标进行扫描；

接收单元，所述接收单元能够同时接收目标反射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号得到扫描信号，能够将扫描信号发送至信号处理单元；

信号处理单元，所述信号处理单元对接收的扫描信号进行信号处理得到扫描数据。

本发明的有益效果是：

本发明一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达通过大视场测距回波信号接收，使远场主瓣与高阶栅瓣同时在接收视场范围内进行分区域扫描，解决了光学相控阵光束扫描范围小的问题，有效地利用栅瓣的能量，有效地利用光学相控阵远场能量，降低了能量损失，提高了能量利用效率。本发明设计简单，制造容易，易实现商业化。

附图说明

图1为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的示意图。

图2为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的一维光学相控阵芯片的结构图。

图3为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的工作示意图。

图4为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的一维光学相控阵的远场方向图。

图5为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的一维光学相控阵芯片一种实施方式的结构图。

图6为本发明的一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的一维光学相控阵芯片另一种实施方式的结构图。

图中：1、激光器，2、一维光学相控阵芯片，3、光耦合器，4、光分束器，5、移相器，6、一维天线阵列，7、天线单元，8、接收单元，9、信号处理单元，10、控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达包括：激光器1、一维光学相控阵芯片2、接收单元8及信号处理单元9，如图1。

激光器1用于发射激光光束，激光器1发出的单模激光光束入射到一维光学相控阵芯片2，经过一维光学相控阵芯片2分束和相位调制，进行分束和相位调制后一维光学相控阵芯片2输出相位调制后的光束，一维光学相控阵芯片2输出的光束在目标远场发生相干叠加，产生远场衍射图样，主瓣和栅瓣同时对目标进行扫描，实现主瓣和栅瓣的多点叠加扫描，目标反射回的信号包括主瓣回波信号和栅瓣回波信号，主瓣回波信号和栅瓣回波信号同时被接收单元8接收，接收单元8同时接收目标反射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号得到扫描信号，接收单元8将扫描信号发送至信号处理单元9，信号处理单元9对信号进行处理得到扫描数据。

如图2，一维光学相控阵芯片2的芯片基板上设有光耦合器3、光分束器4、移相器5和一维天线阵列6。光耦合器3可采用但不限于边缘耦合器或者光栅耦合器，其功能是将芯片外激光耦合进芯片。光分束器4可采用但不限于MMI耦合器(multimode interferencecoupler，多模干涉耦合器)、Y分支或定向耦合器等，其功能是将光耦合器3耦合进一维光学相控阵芯片2的激光光束进行分束，分成N束激光光束，N为大于1的整数。一维天线阵列6包括N个顺次设置的天线单元7，N束激光和N个天线单元7一一对应设置，N束激光光束通过波导传输到相应的天线单元7。移相器5可采用但不限于电光移相器或热光移相器，移相器5作为相位调制单元，功能是通过改变波导载流子浓度或者对波导进行加热改变波导折射率，实现对硅基波导中激光光束的相位调制。波导为硅基波导。一维天线阵列6采用光栅天线，一维天线阵列6的功能是将相位调制后的激光辐射到目标空间。光耦合器3、光分束器4、移相器5和一维天线阵列6顺次设置。移相器5与光分束器4分得的光束数量相同，移相器5为N个，与光分束器4分得的激光光束对应一一设置。

接收单元8主要包括透镜和探测器，透镜可采用但不限于自由曲面透镜或非球面透镜，探测器可采用但不限于线阵APD传感器、面阵APD传感器、GM线阵APD探测器、GM面阵APD探测器、PIN阵列、像素探测器或集成光子电路等，接收单元8的功能是实现大视场测距回波信号接收。透镜能够接收主瓣和栅瓣的反射图样，即同时接收目标反射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号，然后探测器接收透镜折射的反射图样后得到扫描信号并将扫描信号发送至信号处理单元9，信号处理单元9则是对接收信号进行数据处理得到扫描数据。

工作流程如图3所示，激光器1发出的单模光源经光耦合器3耦合进一维光学相控阵芯片2中，随后经光分束器4分束，光分束器4分束后的激光光束传输到各支路对应的移相器5，移相器5如果使用电光调制相位，通过电路控制改变波导载流子浓度，进而改变波导折射率，使各支路模式光的光程差不同，从而实现模式光相位调制；移相器5如果使用热光移相器，通过对波导进行加热，改变波导折射率，使各支路模式光的光程差不同，从而实现模式光相位调制，经相位调制后的光经一维天线阵列6N个天线单元7辐射出一维光学相控阵芯片2，并对目标进行扫描，对应图3的“探测目标”；经目标反射回的模式光经过透镜后汇聚到探测器感光面上，探测器将接收的多束激光的光信号转换成电信号(即扫描信号)，将一维光学相控阵芯片2发送给信号处理单元9进行信号处理得到扫描数据。通过移相器5的调制使得一个一维天线阵列6的天线单元7之间实现相位差，即通过移相器5的调制使得一个一维天线阵列6的天线单元7所对应的激光光束之间存在相位差，再通过天线单元7将经相位调制后的激光光束辐射到自由空间中用于扫描。上述激光器1为单波长激光器，为连续或脉冲激光器。单波长激光器可替换为可调谐激光器，利用光栅天线的色散效应，波长调谐和相位调制相结合实现二维扫描。一维光学相控阵芯片2硅基材料不限于硅或氮化硅材料，本发明所用激光器1波段可为1.3-1.6μm和800-1100nm或其他波段。若一维光学相控阵芯片2的硅基材料为硅，则激光器1波段为1.3-1.6μm。若一维光学相控阵芯片2的硅基材料为氮化硅，则激光器1波段为800-1100nm。信号处理单元9采用计算机图像处理系统。

本发明还包括控制单元10，如图3，控制单元10连接激光器1、一维光学相控阵芯片2和信号处理单元9，用于控制激光器1的开关、控制激光器1的输出波长、控制的一维光学相控阵芯片2的移相器5的相位调制、接收信号处理单元9的扫描数据。

对于图2所示一维光学相控阵芯片2，其远场辐射场相对光强的分布函数表达式为：

f(θ)为天线单元7的辐射方向图函数；d为天线阵元间的距离，即相邻两个天线单元7之间的距离；λ为波长，即天线单元7发射的激光在自由空间中的波长；θ为天线单元7衍射角；θ

由上式可知，当由相邻阵元(即天线单元7)间空间距离产生的相位差和移相器5附加的相位差平衡时，远场波瓣图出现最大值，也就是由下式决定

式中，θ

图5和图6为本发明的另外两种实施方式，均为一维光学相控阵芯片2上的一维天线阵列6的数量超过1个，下面进行详述。

图5中，一维光学相控阵芯片2的光耦合器3数量为1个，一维天线阵列6为M个，M为大于1的整数。针对远场扫描范围，将待扫描的远场区域分为M个子区域，M个子区域一一对应于M个一维天线阵列6。M个一维天线阵列6相对独立，分别对其进行相位调制，扫描相对应的子区域，一个一维天线阵列6对应一个子区域，一维天线阵列6用于扫描其对应的子区域内的目标，接收单元8同时接收M个子区域的回波信号，信号处理单元9对其进行拼接处理，当M个一维天线阵列6均完成所负责子区域的扫描时，即可得到完整的远场信息，即得到扫描数据。

图6中，一维光学相控阵芯片2的光耦合器3数量为M个，一一对应M个光耦合器3设有M个一维天线阵列6，也就是相当于一块芯片基板上设有M个一维光学相控阵，M个一维光学相控阵的一维天线阵列6顺次设置，构成一个大的阵列。针对远场扫描范围，将其分为M个子区域，M个子区域分别一一对应于M个一维光学相控阵，M个一维光学相控阵相对独立，分别对其进行相位调制，扫描相对应的子区域，接收单元8可同时接收M个子区域的回波信号，信号处理单元9对其进行拼接处理，当M个一维光学相控阵均完成所负责子区域的扫描时，得到完整的远场信息，即得到扫描数据。

本发明一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达使用一维光学相控阵芯片2，通过天线单元7将经相位调制后的光辐射到自由空间中，在目标远场发生相干叠加，产生远场衍射图样，并利用自由曲面或非球面透镜扩大接收单元8视场，采用线阵或面阵接收单元8同时接收主瓣和栅瓣的反射图样，实现主瓣和栅瓣的多点叠加扫描，扩展了扫描范围，提高了能量利用效率。本发明利用接收单元8同时接收主瓣和栅瓣的回波信号，实现主瓣和栅瓣的多点叠加扫描，不仅扩展了扫描范围，而且有效地利用栅瓣的能量，提高了能量利用效率。本发明设计简单，制造容易，易实现商业化。本发明一种基于一维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达可用于无人驾驶、避障、3D打印、图像显示、自由空间光通信等应用领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。