CN107085386B - 一种可分布式多维高速光束扫描方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可分布式多维高速光束扫描方法及装置。本发明采用调谐激光器和AWG相结合，使得光束在高扫描速度(10MHz以上)的情况下实现自由方向扫描；扫描方向不再受限于调谐激光器的输出波长。在高速光束扫描的情况下，能保持较高的出射光束质量，其发散角可以控制在0.5mrad以下。本装置多个关键器件能片上高度集成减少系统尺寸、也能采用分布式扫描结构增加系统灵活性。本发明具有高扫描速度、扫描角度灵活、可分布式多维度扫描、可高度集成以及高光束质量等特点，在多维光束扫描、激光雷达、空间激光通信和光电检测等诸多领域有广阔的应用前景。

Description

一种可分布式多维高速光束扫描方法及装置

技术领域

本发明涉及光束角度精密控制领域，涉及的是一种基于调谐激光器和阵列波导光栅(AWG)的可分布式多维高速光束扫描方法及装置。

背景技术

光束扫描技术已经被广泛应用于光学雷达、空间光通信、光信息处理和存储、3D打印和三维立体成像等高新科技领域中。目前，光束扫描技术主要是指对光束的出射方向进行精确控制以及定位的技术。依据扫描的方式，光束扫描技术一般可分为机械式和电控式二种；依据扫描的维度可以将光束扫描技术分为一维扫描、面扫描和多维扫描。光束扫描技术传统上一般采用机械式结构，如：振镜扫描、转鼓扫描、光楔扫描以及MEMS转镜等技术。传统机械式结构技术具有扫描发射效率高、扫描范围广等优点，但该技术的角度定位精度差、扫描速度较慢、体积较大、系统稳定性差，这些弱点限制了它的进一步发展。由于传统机械式扫描技术的发展受到自身因素的限制，下一代光束扫描技术值得我们去思考和研究。

电控式扫描技术是光束扫描技术一种新的发展趋势，尺寸小、质量轻、能耗低、精度高以及偏转速度快等优点引起研究者的关注。经过多年的发展后，电控式光束扫描技术主要发展了声光扫描、电光扫描、光学相控阵扫描、全息扫描以及液晶扫描等五大研究方向。这些技术勿需机械转动就可实现光束扫描，能实现高扫描速度、高指向精度和高空间分辨率的三高性能，并且易于实现小型化和多功能化等优点,极具应用前景。声光式光束扫描技术是利用光弹效应使光束偏转，其响应的速度受到声波的限制，能够实现的扫描范围有限，且有改变光波频率的缺点。电光式光束扫描技术是利用泡克耳斯效应或克尔效应，具有响应速度快的优点，但其驱动电压高、功耗高。除此之外，电光调制器件的口径比较小，不适合大角度光束扫描。光学相控阵扫描技术是通过采用电子控制的方法,调节从各个移相器辐射出的光波的相位,实现光束的大角度偏转。由于目前的移相器尺寸限制，光学相控阵扫描技术实现光束偏转的过程会产生大量旁瓣光束，这将对扫描系统产生严重影响(如：C.T.DeRose,R.D.Kekatpure,et al.,Electronically controlled opticalbeam-steering by an active phased arrayof metallic nanoantennas.Opt.Express,2013,21(4):5198-5208)。全息光栅光束扫描方法是在玻璃基底上制作多个全息光栅，不同方向的小角度入射光束将产生不同方向的大角度出射光束，但前提是必须有能够产生不同入射角度的精细光束偏转装置。液晶光束扫描技术就是利用液晶分子取向可以电控的特性实现纯电控式光束偏转的。但由于目前液晶材料的响应速度限制(10kHz)，通光口径的限制(Y.H.Lin,M.Mahajan,D.Taber,et al，Compact 4cm aperture transmissive liquidcrystal optical phased array for free-space optical communications.Proc.SPIE,5892,5892001,2005)，液晶光束扫描技术主要应用于小角度，高精度光束扫描领域。依据目前光束扫描的研究现状，上述几种电控式光束扫描方法虽然具有较好的研究和应用前景，但在实际应用中仍存在一些缺陷。特别是在高速大角度光束扫描和多维光束扫描发展方向上的研究进展较为缓慢。除此之外，纯电控式扫描方案的扫描方向可调节能力有限，无法灵活的调节每个扫描方向，来实现分布式多维快速扫描。然而，人工智能带动的科技革命中对高速多维光束扫描技术的需求极为紧迫，在某些领域，甚至已经制约相关技术的进一步推进，例如，无人驾驶汽车中使用的三维实时成像激光雷达系统依旧使用机械式和电控式相结合的光束扫描技术，这大大增加了成本和系统不稳定性。因此，关于可以实现多维高速光束扫描方法及装置研究，是一项有必要的工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出了一种基于调谐激光器和AWG的可分布式多维高速光束扫描方法及装置，克服旁瓣光束、控制复杂和通光孔径小等各种扫描技术缺陷。同时，本发明能够根据实际的需要灵活调节每个扫描方向，可以实现分布式多维高速扫描。

为了实现上述技术目的、克服上述各种不足，本发明首先提出一种可分布式多维高速光束扫描方法，包括如下步骤：

步骤一：选取一个可大范围、高速调谐的调谐激光器，该调谐激光器根据控制信号产生波长变化的输出光束；

步骤二：使调谐激光器的输出光束通过调制，在不同波长上加载高速光脉冲；同时屏蔽调谐激光器在光脉冲加载时段以外的输出；

步骤三：将高速光脉冲通过光放大，实现对输出光功率的大范围实时调节，产生高功率高质量的高速光脉冲；

步骤四：所述高速光脉冲通过AWG将不同输出波长上加载的光脉冲从不同的输出波导输出，利用光波导或光纤引导将不同波长的光脉冲在空间上分开；

步骤五：将从所述AWG的不同输出波导输出的光脉冲，利用光波导或光纤接入扫描面板相对应的发射天线上，通过改变调谐激光器的输出波长，使得光脉冲在不同扫描方向上依次切换，从而实现多维高速扫描；所述扫描面板包括多个指向方向不同的发射天线；

步骤六：采集回波信号并进行处理，获取目标物体的特征；

步骤七：对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

进一步的，所述光放大器与光调制器相结合大范围实时地调节输出光功率方法，是通过利用所述光调制器实现对输出光功率实时小范围的调节；在此基础上，再利用所述光放大器实现对输出光功率大范围的实时调节。

所述扫描面板确定扫描的方向，是根据实际的应用场景所需要的扫描维度和扫描角度，来固定扫描面板上的每个发射天线的安放位置和方向。由于发射天线和AWG输出端口是通过光纤或光波导连接，发射天线的位置和方向可以方便调节。

本发明同时提出了基于调谐激光器和AWG的可分布式多维高速光束扫描装置，包括调谐激光器、光调制器、光放大器、驱动控制电路单元、AWG、扫描面板、光接收单元、主控单元八个部分；

所述调谐激光器：用于提供波长可高速精准切换的光源；

所述光调制器：用于光调制产生光脉冲；

所述光放大器：用于大范围实时地调节输出光功率；

所述驱动控制电路单元：用于产生所述调谐激光器、光调制器和光放大器工作所需的驱动信号；

所述AWG：用于将不同波长的光波在空间上分离开，从不同输出波导输出；

所述扫描面板：包括多个指向方向不同的发射天线，所述发射天线选用自光纤准直器，或能实现光束整形的其它装置，用于整形光束和指向不同的扫描方向；

所述光接收单元：用于接收各个扫描方向上的回波信号，并将光信号转化成电信号；

所述主控单元：作为整个扫描装置的控制中心，用于装置各个部分的控制与协调，以及与外部的交互；对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

优选的，所述的调谐激光器、光调制器、光放大器、AWG可以实现单片集成或部分集成，减少装置尺寸。

进一步优选的，所述调谐激光器、光调制器、光放大器和驱动控制电路单元组成的控制部分，可以控制多个由所述AWG、扫描面板和光接收单元构成的扫描部分，实现分布式多维扫描；进一步优选的，所述光接收单元包括接收天线、光电转化单元和信号采集处理单元。

本发明以调谐激光器和AWG为基础，结合光调制器、光放大器、驱动控制电路单元、扫描面板、光接收单元以及主控单元，实现了电控式高速、大角度、可分布式多维光束扫描。解决了目前电控式光束扫描技术面临的若干技术难题。在此基础上，本发明利用调谐激光器和光调制器相结合实现激光器高质量大范围快速调谐。并且利用光调制器和光放大器相结合方法实现大范围快速有效地调节输出光功率，以及改善输出光束的质量。本发明具有高扫描速度、扫描角度灵活、可分布式多维度扫描以及高光束质量等特点，在激光雷达、空间激光通信等诸多领域有广阔的应用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步具体说明。

图1是本发明基于调谐激光器和AWG的可分布式多维高速光束扫描装置的结构原理示意图。

图2是光调制器的调制信号图2(a)与调谐激光器的波长调谐驱动信号图2(b)之间的关系示意图。

图3是利用光调制器和光放大器动态调节输出光功率方法示意图。

图4是1×N式AWG实现不同波长光波分离原理示意图4(a)与n×N式AWG实现不同波长光波分离原理示意图4(b)。

图5是实现面阵扫描的发射面板结构示意图5(a)与实现多维扫描的发射面板结构示意图5(b)。

图6是实现分布式多维扫描下的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的基于调谐激光器和AWG的可分布式多维高速光束扫描方法及装置的实施结构原理示意图如图1所示。它主要包括：调谐激光器、光调制器、光放大器、驱动控制电路单元、AWG、发射面板、光接收单元、主控单元八个部分。

其中，调谐激光器及其控制单元主要用于提供波长可精准高速切换的光源。调谐激光器为可高速、大范围调谐的调谐激光器，如图2(a)中所示，根据其工作和调谐原理，设计相关控制和驱动电路；使得调谐激光器的输出波长能以MHz量级的调谐速度稳定切换，产生多个波长通道。

光调制器级联在调谐激光器的输出端。光调制器及其驱动单元主要用于调制产生光脉冲信号；并结合调谐激光器的工作原理，改善输出光的边模抑制比，提高输出光质量。如图2(b)中所示，根据所选光调制器的工作原理，设计光调制器的控制驱动电路，并使其与调谐激光器调谐控制单元时钟同步。在每个波长通道的波长最稳定时段进行调制，产生光脉冲；在波长通道切换过程中使光调制器处于关断状态，抑制波长通道切换过程产生杂散波长的干扰，提高输出光信号的边模抑制比和单模特性。为了确保光束扫描过程中的安全可靠性，在光调制器后面接一个光放大器来调整输出光功率。由于通过调节光调制器的调制信号的幅度，虽然可以实时根据回波的强度快速调整输出光功率，但过度依赖光调制器来调节输出光功率会影响到输出光脉冲的调制强度。因此本发明采用光调制器和光放大器相结合的方法，既能大范围调节输出光功率，也能实现输出光功率的实时调节。

光放大器的输出端连接一个AWG(阵列波导光栅)，AWG主要用于将不同波长的光波在空间上分隔开来，为不同波长的光波提供不同光路，如图所示4所示；如图4(a)中所示，由所述调谐激光器和光调制器产生的不同波长的光脉冲通过光波导输入到AWG的输入波导中，这些不同波长的光脉冲经由AWG的阵列波导从不同的输出波导中输出来，实现了不同波长的空间上分隔。

进一步说明，本发明可以采用的1×N式AWG来实现，即一个输入端对应N个输出端如图4(a)中所示；也能采用n×N式AWG来实现，并且还能提升装置的扫描速度，以2×N式AWG为例进行说明；如图4(b)中所示，波长分别为λ₁、λ₃…λ_2n+1的光脉冲序列从输入波导1依次输入到AWG中，相邻光脉冲的时间间隔为T，另一路波长为λ₂…λ_2n的光脉冲，其相邻光脉冲的时间间隔也为T，从输入波导2中输入到AWG中，并且波长分别为λ₁和λ₂的光脉冲的间隔为T/2，那么波长分别为λ₁、λ₂…λ_2n+1，且时间间隔为T/2的光脉冲，依次从不同输出波导输出；这样，利用2×N式AWG实现了将两个调谐速度为1/T的调谐激光器组合起来，实现装置的调谐速度的倍增，从而实现了扫描速度的倍增；同样道理，n×N式AWG可以将n个调谐激光器组合起来，实现扫描速度的n倍的提升。在所述的AWG后面接上一个发射面板，所述发射面板由指向不同方向的发射天线组成，其中所述发射天线主要用于对光束的发射角度进行调整；并对光束的发散角和质量进行改善。

进一步说明，所述的发射面板上的发射天线的分布和指向，决定扫描方向的分布。如图5中，根据实际应用需要，可以对所述的发射面板上的发射天线的分布和指向进行设计，实现面阵扫描如图5(a)和多维度扫描如图5(b)。

光接收单元主要用于接收各个扫描方向上的回波光信号，并将光信号转化成电信号。

主控单元是整个扫描系统的控制中心，主要用于系统各个部分的控制与协调，以及与外部的交互。

调谐激光器、光调制器、光放大器和驱动控制电路单元组成的控制部分，可以控制多个由所述AWG、扫描面板和光接收单元构成的扫描部分，实现分布式多维扫描。如图6中所示，A为控制部分，B、C分别为两个相互独立的扫描部分，扫描部分B、C可以安装在两个独立的空间中进行扫描，与控制部分A通过光纤和传输线进行连接交互。

本发明提供的一种基于调谐激光器和AWG的可分布式多维高速光束扫描方法，包括如下实施步骤。

步骤一：可高速、大范围调谐的调谐激光器以MHz量级的调谐速度稳定地切换输出波长，产生多个波长通道。

步骤二：使光束经过光调制器的调制产生一定强度的高速光脉冲；如图3中所示，利用光调制器来实现输出光功率动态调节，根据第N个回波信号幅度与与预设功率预警线的差值，利用负反馈自动控制原理来调节第n+1个波长通道的调制驱动信号幅度，使得第n+1个波长通道的输出光功率减少；同理在依据第N+1个回波信号幅度来调节第n+2个波长通道的调制驱动信号幅度，依次类推，实现输出光功率的动态调节。

同时，通过控制光调制器的驱动信号，提高调谐激光器输出波长的边模抑制比。如图2中所示，光调制器选择在每个波长通道的波长最稳定的中间时刻点调制，产生该波长下的光脉冲。这样，在波长通道切换时刻使光调制器处于关断状态，避免由于图2(a)中①处由λ₄到λ₅切换过程中产生大量杂散波长分量，提高输出光信号的边模抑制比和单模特性。

步骤三：利用光放大器对高速光脉冲进行功率放大。所述通过光调制器来调节输出光功率只适合小幅度快速调节输出光功率，一般只在输出光功率在图3(a)中所示的功率警戒线附近进行调节。在大幅调节输出光功率时，如图3(a)中①所标识的位置，这种情况就需要利用光放大器来调节光功率，确保输出光功率不会超过功率安全线。

步骤四：将光放大器输出的不同波长的高速大功率光脉冲，从AWG的输入波导中输入；如图4中所示，不同波长的光脉冲从输入波导输入到AWG后，经由图中所示的阵列波导将不同波长的光脉冲从不同的输出波导中输出；于是，不同的波长的光脉冲被分隔开，每一个波长对应AWG的一个输出波导，也对应着所述的一个扫描方向。

步骤五：利用波导或光纤将从AWG输出波导输出的光脉冲，连接到发射面板中发射天线的波导接口中，如图5中所示；发射面板中发射天线的分布和指向可以根据具体的应用来设计；光束经过发射天线进行光束整形处理，获得高质量的光束发射出去。所述的发射天线的数量、调谐的波长数量和AWG的输出波导数量一一对应；这样通过控制调谐激光器的输出波长，就能选择扫描方向，快速的切换调谐激光器的输出波长就可以实现不同方向的快速扫描。

步骤六：光束在各个扫描方向上遇到相关目标物体后，会在扫描方向产生后向散射回波信号；光接收单元通过采集不同方向回波信号，将光信号转化为电信号，从而将回波信号中携带的目标物体特征信息转移到相应电信号中，并对该电信号进行整形放大，为信号传输和处理做准备。

步骤七：主控单元利用高速模数转化器，将光接收单元输出模拟信号转化成数字信号，通过对采集的信息进行分析和提取，获取被扫描范围内扫描目标的特征量，完成整个扫描过程。

本发明具有高扫描速度、扫描角度灵活、可分布式多维度扫描以及高光束质量等特点，并且本发明方案可以实现调谐激光器、光调制器、光放大器以及AWG等关键器件可单片集成或部分集成，大大缩小扫描系统尺寸，在激光雷达、空间激光通信、三维实时成像系统等诸多领域有广阔的应用前景。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种可分布式多维高速光束扫描方法，包括如下步骤：

步骤一：选取一个可大范围、高速调谐的调谐激光器，该调谐激光器根据控制信号产生波长变化的输出光束；

步骤二：使调谐激光器的输出光束通过调制，在不同波长上加载高速光脉冲；同时屏蔽调谐激光器在光脉冲加载时段以外的输出；

步骤三：将高速光脉冲通过光放大，实现对输出光功率的大范围实时调节，产生高功率高质量的高速光脉冲；

步骤四：所述高速光脉冲通过AWG将不同输出波长上加载的光脉冲从不同的输出波导输出，利用光波导或光纤引导将不同波长的光脉冲在空间上分开；

步骤五：将从所述AWG的不同输出波导输出的光脉冲，利用光波导或光纤接入扫描面板相对应的发射天线上，通过改变调谐激光器的输出波长，使得光脉冲在不同扫描方向上依次切换，从而实现多维高速扫描；所述扫描面板包括多个指向方向不同的发射天线；

步骤六：采集回波信号并进行处理，获取目标物体的特征；

步骤七：对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

2.一种实现权利要求1所述扫描方法的扫描装置，其特征在于：包括调谐激光器、光调制器、光放大器、驱动控制电路单元、AWG、扫描面板、光接收单元、主控单元八个部分；

所述调谐激光器：用于提供波长可高速精准切换的光源；

所述光调制器：位于所述调谐激光器之后，用于光调制产生光脉冲；

所述光放大器：位于所述光调制器之后，用于大范围实时地调节输出光功率；

所述驱动控制电路单元：分别控制连接所述调谐激光器、光调制器和光放大器，用于产生所述调谐激光器、光调制器和光放大器工作所需的驱动信号；

所述AWG：位于所述光放大器与扫描面板之间，用于将不同波长的光波在空间上分离开，从不同输出波导输出；

所述扫描面板：包括多个指向方向不同的发射天线，所述发射天线选用自光纤准直器，或能实现光束整形的其它装置，用于整形光束和指向不同的扫描方向；

所述光接收单元：用于接收所述扫描面板发出的各个扫描方向上的回波信号，并将光信号转化成电信号；

所述主控单元：分别与所述驱动控制电路单元、光接收单元连接，作为整个扫描装置的控制中心，用于装置各个部分的控制与协调，以及与外部的交互；对光接收单元采集的信号进行分析和处理，获取被扫描物体的相应特征量。

3.根据权利要求2所述的扫描装置，其特征在于：所述的调谐激光器、光调制器、光放大器和AWG四个部分均实现单个片上集成，或部分片上集成。

4.根据权利要求2所述的扫描装置，其特征在于：所述的调谐激光器、光调制器、光放大器和驱动控制电路单元组成控制部分，AWG、扫描面板和光接收单元组成扫描部分，所述的控制部分和扫描部分通过光纤和传输线连接，一个所述控制部分可以同时驱动控制多个扫描部分，实现分布式多维度高速扫描。