CN108693513A - 激光雷达及其二维相控阵激光发射单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光雷达及其二维相控阵激光发射单元。二维相控阵激光发射单元包括激光分束组件、多个呈矩阵分布的光发射天线及多个相位调节器。通过激光分束组件与多个光发射天线配合，可发出多路激光。而且，通过相位调节器调节多路激光的相位可使多路激光存在固定相位差，从而在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向上形成最强的主光束，实现扫描。进一步的，改变多路激光的相位可得到不同的辐射方向图，从而实现全方位的扫描。因此，激光雷达无需机械旋转部件便能实现全方位监测。而且，激光雷达扫描的速率由相位调节的频率决定，故激光雷达的扫描速度也更快。因此，上述激光雷达及其二维相控阵激光发射单元的体积较小且扫描速率更高。

Description

激光雷达及其二维相控阵激光发射单元

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，特别涉及一种激光雷达及其二维相控阵激光发射单元。

背景技术

激光雷达是一种用激光探测和测距的传感器，其原理与普通声波雷达和声呐类似。即用发射装置向目标发射出激光脉冲，通过接收装置测量返回脉冲的延迟和强度来测量目标的距离与反射率。

为实现全方位的监测，雷达需进行360度空间的扫描。传统的雷达一般采用机械驱动的模式，即机械装置带动雷达的发射单元全方位转动，以实现360度扫描。但是，这样的雷达使用笨重的机械装置，使得扫描速率缓慢。而且，机械转动装置一旦故障后很难继续正常使用。

与传统的普通雷达类似，目前市场上的激光雷达也使用机械转动的方式进行360度的空间扫描。这就造成了激光雷达与传统雷达一样，产品具有体积大、扫描慢、价格高昂和机械装置故障后难以继续正常使用的缺点，从而不利于大规模使用在消费电子领域。

发明内容

基于此，有必要针对现有激光雷达体积大、扫描慢的问题，提供一种体积较小且扫描速率较高的激光雷达及其二维相控阵激光发射单元。

一种二维相控阵激光发射单元，包括：

激光分束组件，包括光入射端及多个光出射端，激光光束经所述光入射端入射后分别从所述多个光出射端出射，以得到多路激光；

多个用于发射所述多路激光的光发射天线，所述多个光发射天线分别与所述多个光出射端配合，以形成多个相互并联且供所述多路激光传输的激光光路，所述多个光发射天线呈NxM矩阵分布，其中M、N均为大于或等于2的整数；及

多个相位调节器，每个所述相位调节器用于调节对应的所述激光光路上的所述多路激光的相位。

在其中一个实施例中，所述激光分束组件包括1到N光耦合器及N个1到M光耦合器，其中，所述1到N光耦合器的入射端作为所述光入射端，所述1到M光耦合器的出射端作为所述光出射端，且N个所述1到M光耦合器的入射端分别与所述1到N光耦合器的输出端连通。

在其中一个实施例中，所述1到M光耦合器及所述1到N光耦合器为边缘耦合器或光栅耦合器。

在其中一个实施例中，所述多个相位调节器分别设置于所述多个激光光路上。

在其中一个实施例中，位于所述NxM矩阵同一行或同一列上的所述光发射天线所对应的所述激光光路，由同步的所述相位调节器实现相位调节。

在其中一个实施例中，位于所述NxM矩阵同一行或同一列上的所述光发射天线所对应的所述激光光路，由同一个所述相位调节器实现相位调节。

在其中一个实施例中，所述光发射天线为光栅耦合器。

在其中一个实施例中，所述相位调节器为包括光波导及用于对所述光波导进行加热的微型加热器，所述光波导位于所述激光光路上。

在其中一个实施例中，所述相位调节器包括Pn节及用于调节所述Pn节两端电压的电压调节器，所述Pn节位于所述激光光路上。

一种激光雷达，其特征在于，包括：

如上述优选实施例中任一项所述的二维相控阵激光发射单元；

回波接收单元，用于接收所述多路激光在远场干涉形成的辐射主光束经标的物反射所产生的回波信号；及

与所述二维相控阵激光发射单元及所述回波接收单元通讯连接的处理器。

上述激光雷达及其二维相控阵激光发射单元，通过激光分束组件与多个光发射天线配合，可发出多路激光。而且，通过相位调节器调节可使多路激光存在固定的相位差，从而在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向上形成最强的主光束，实现扫描。进一步的，多路激光的相位改变可在远场得到不同的辐射方向图，从而使得最强的主光束的方向实现动态调整，最终实现全方位的扫描。因此，激光雷达无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。进一步的，激光雷达扫描的速率由相位调节的频率决定，而不会受到机械旋转部件旋转速度的限制，故激光雷达的扫描速度也更快。因此，上述激光雷达及其二维相控阵激光发射单元的体积较小且扫描速率更高。

附图说明

图1为本发明较佳实施例中激光雷达的模块示意图；

图2为图1所示激光雷达中二维相控阵激光发射单元的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明较佳实施例中的激光雷达10包括二维相控阵激光发射单元100、回波接收单元101及处理器102。

二维相控阵激光发射单元100用于发出多路激光，激光经标的物反射后可产生回波信号。

具体的，相控阵激光发射单元100发出的多路光之间是相干的(频率相同且具有固定相位差)。因此，多路激光在远场干涉后可形成特定的辐射方向图。即在一个特定方向上会形成一束最强的主光束，在其它发射方向上会有较弱的其他次光束。主光束和次光束并不平行，而是具有相应的角度。激光雷达10使用时，所采集的回波信号是该主光束遇到标的物反射后得到的信号。

回波接收单元101用于接收回波信号。处理器102对回波信号进行处理分析，从而获得标的物的形状、距离等参数。

请一并参阅图2，本发明还提供一种二维相控阵激光发射单元100，包括激光分束组件110、光发射天线120及相位调节器130。

激光分束组件110包括光入射端及多个光出射端。激光光束经光入射端入射后分别从多个光出射端出射，以得到多路激光。当激光雷达10工作时，激光光源20发出的激光光束从光入射端进入激光分束组件110，最终从光出射端出射，得到多束功率相同的激光信号(即“多路激光”)。

光发射天线120多个。其中，多个光发射天线呈NxM矩阵分布，且M、N均为大于或等于2的整数。多个光发射天线120分别与多个光出射端配合，以形成多个相互并联且供多路激光传输的激光光路。具体的，光出射端与光发射天线120可通过光波导连通，以实现光束在两者之间传递。其中，光波导可以为硅、光纤等。因此，经光出射端发出的多路激光信号可进入光发射天线120，并进一步的由多个光发射天线120发射到空间中。

由于多个激光光路之间是相互并联的，故每个激光光路之间相对独立。即使其中一个激光光路(光发射天线120或连接光发射天线120的光波导)出现故障，也不会对其余激光光路产生影响。因此，二维相控阵激光发射单元100的功能在出现局部故障时依然可正常实现，从而提升了激光雷达10的可靠性。

相位调节器130为多个。其中，每个相位调节器130用于调节对应的激光光路上的多路激光的相位。相位调节器130与激光光路可以是一对一，也可以是一对多。

多个光发射天线120发出的多路激光信号在远场相互干涉，从而形成特定方向的最强光束，实现对特定范围内的扫描。而多路激光信号相互干涉得到的最强光束的方向与每一路激光信号的相位有关。因此，通过相位调节器130按照预设规则分别调节多路激光的相位，可使多路激光在远方通过干涉得到不同的扫描范围，从而使得扫描范围是动态的，进而实现全方位扫描。

进一步的，激光雷达10扫描的速率由相位调节器130进行相位调节的频率决定，而不会受到机械旋转部件旋转速度的限制。而相位调节的速率可实现电路控制，响应迅速，故激光雷达10的扫描速度也更快。

在本实施例中，多个相位调节器130分别设置于多个激光光路上。

每个激光光路都对应一个相位调节器130，即相位调节器130与激光光路为一对一。因此，针对经过每个激光光路传输的激光信号，可以分别进行相位的单独调节，互不影响。

在本实施例中，位于NxM矩阵同一行或同一列上的光发射天线120所对应的激光光路，由同步的相位调节器130实现相位调节。

具体的，将由同步的相位调节器130实现相位调节的激光光路称为同步激光光路。其中，同步激光光路，是指多个传输相同相位的激光信号的激光光路，其对应的光发射天线120发出的激光信号相位也相同。具体在本实施例中，同步激光光路所对应的光发射天线120位于NxM矩阵的同一列。通过对同一行或同一列上的光发射天线120所发出的激光信号实现同步控制，可在满足激光雷达10扫描需求的同时降低运算量。

在另一个实施例中，位于NxM矩阵同一行或同一列上的光发射天线所对应的激光光路，由同一个相位调节器130实现相位调节。

具体的，同一个相位调节器130实现相位调节的多个光路形成与上一个实施例相同的同步激光光路。其区别在于：上一个实施例中的同步激光光路由多个同步的相位调节器130实现相位调节，而本实施例中的同步激光光路由同一个相位调节器130实现相位调节，即相位调节器130与激光光路为一对多。

进一步的，可通过在同一列或同一行上设置一个统一的相位调节器130，从而分别实现对应行或列上的激光光路中激光信号的相位调节。通过采用同一个相位调节器130对同一列或同一行上的光发射天线120所发出的激光信号的相位进行同步控制，能使激光雷达10的性能符合需求。同时，还可有效地简化结构。

激光雷达10进行扫描时，同一列的位于同步激光光路中的光发射天线120发射出相同相位的激光信号。而其他列上的光发射天线120则可发射出不同相位的激光信号(如图2所示，φ₁，φ₂，φ₃，...，φ_M)。通过控制相位调节器130，以使不同列的光发射天线120发射出的激光信号进行相位切换，从而在远场通过干涉生成一个动态扫描范围。

在本实施例中，激光分束组件110包括1到N光耦合器111及N个1到M光耦合器113。其中，1到N光耦合器111的入射端作为光入射端，1到M光耦合器113的出射端作为光出射端，且N个1到M光耦合器113的入射端分别与1到N光耦合器111的输出端连通。

具体的，1到N光耦合器111的作用是将入射光平均分为N束出射光，1到M光耦合器113的作用亦相同。激光光源20发出的激光光束经1到N光耦合器111入射后，得到N束出射光；进一步的，N束出射光分别从N个1到M光耦合器113的入射端入射；最终，得到M乘以N束激光信号(即多路激光)。对应的，光发射天线120数量也为M乘以N个。

需要指出的是，在其他实施例中，激光分束组件110还可由多个光分束器组成。其中，多个光分束器分为多个层级，下一个层级的光分束器的入射端与上一个层级的光分束器的出射端连接。光分束器可以为为一分二分束器，也可为一分四等其他类型的分束器。

在本实施例中，1到N光耦合器111及1到M光耦合器113为边缘耦合器(edgecouple)或光栅耦合器(grating coupler)。

在本实施例中，光发射天线120为光栅耦合器。

其中，1到N光耦合器111及1到M光耦合器113、光发射天线120及相位调节器130可集成于芯片上，从而进一步减小二维相控阵激光发射单元100及激光雷达10的体积。具体的，1到N光耦合器111、1到M光耦合器113、光发射天线120及相位调节器130可以由基于与CMOS工艺兼容的“硅光子集成光路技术”实现于芯片上。

在本实施例中，相位调节器130为包括光波导及用于对光波导进行加热的微型加热器，光波导位于激光光路上。

具体的，光波导位于激光光路上，则多路激光在传输过程中会经过光波导。激光在光波导中传播的相位由其在光波导中的有效折射率(effective refractive index)决定。而有效折射率随光波导的温度而变化，即“热光效应”。因此，利用微型加热器对光波导进行加热或停止加热便能改变光波导的温度，从而调节对应的多路激光的相位。

在另一个实施例中，相位调节器130包括Pn节及用于调节Pn节两端电压的电压调节器，Pn节位于激光光路上。

具体的，有效折射率也与光波导中载流子(电子和空穴)的浓度有关，即“等离子色散效应”。Pn结两端加不同电压可以导致光波导中载流子的浓度发生改变，从而改变有效折射率，进而改变对应的多路激光的相位。

需要指出的是，在其他实施例中，相位调节器130实现相位调节的方式不限于以上两种。

上述激光雷达10及其二维相控阵激光发射单元100，通过激光分束组件110与多个光发射天线120配合，可发出多路激光。而且，通过相位调节器130调节可使多路激光存在固定的相位差，从而在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向上形成最强的主光束，实现扫描。进一步的，多路激光的相位改变可在远场得到不同的辐射方向图，从而使得最强的主光束的方向实现动态调整，最终实现全方位的扫描。因此，激光雷达10无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。进一步的，激光雷达10扫描的速率由相位调节的频率决定，而不会受到机械旋转部件旋转速度的限制，故激光雷达10的扫描速度也更快。因此，上述激光雷达10及其二维相控阵激光发射单元100的体积较小且扫描速率更高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种二维相控阵激光发射单元，其特征在于，包括：

激光分束组件，包括光入射端及多个光出射端，激光光束经所述光入射端入射后分别从所述多个光出射端出射，以得到多路激光；

多个用于发射所述多路激光的光发射天线，所述多个光发射天线分别与所述多个光出射端配合，以形成多个相互并联且供所述多路激光传输的激光光路，所述多个光发射天线呈NxM矩阵分布，其中M、N均为大于或等于2的整数；及

多个相位调节器，每个所述相位调节器用于调节对应的所述激光光路上的所述多路激光的相位。

2.根据权利要求1所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述激光分束组件包括1到N光耦合器及N个1到M光耦合器，其中，所述1到N光耦合器的入射端作为所述光入射端，所述1到M光耦合器的出射端作为所述光出射端，且N个所述1到M光耦合器的入射端分别与所述1到N光耦合器的输出端连通。

3.根据权利要求2所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述1到M光耦合器及所述1到N光耦合器为边缘耦合器或光栅耦合器。

4.根据权利要求1所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述多个相位调节器分别设置于所述多个激光光路上。

5.根据权利要求4所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，位于所述NxM矩阵同一行或同一列上的所述光发射天线所对应的所述激光光路，由同步的所述相位调节器实现相位调节。

6.根据权利要求1所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，位于所述NxM矩阵同一行或同一列上的所述光发射天线所对应的所述激光光路，由同一个所述相位调节器实现相位调节。

7.根据权利要求1所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述光发射天线为光栅耦合器。

8.根据权利要求1至7任一项所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述相位调节器为包括光波导及用于对所述光波导进行加热的微型加热器，所述光波导位于所述激光光路上。

9.根据权利要求1至7任一项所述二维相控阵激光发射单元，其特征在于，所述相位调节器包括Pn节及用于调节所述Pn节两端电压的电压调节器，所述Pn节位于所述激光光路上。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括：

如上述权利要求1～9任一项所述的二维相控阵激光发射单元；

回波接收单元，用于接收所述多路激光在远场干涉形成的辐射主光束经标的物反射所产生的回波信号；及

与所述二维相控阵激光发射单元及所述回波接收单元通讯连接的处理器。