CN109270550B - 扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法。其中，扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。该扫描光束发射器件的控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。

Description

扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法
技术领域
本公开属于激光雷达技术领域，涉及一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法。
背景技术
飞行时间型激光雷达与微波雷达类似，通过测量发射激光脉冲与接收到物体反射激光脉冲的时间差，来获取特定方位目标距离，实现对目标区域的三维重建。由于激光频率高、能量集中，激光雷达的抗电磁干扰能力强，测角、测距精度高。
在现有技术中，机械扫描型激光雷达由于其扫描范围大、光损耗小而得到广泛应用，但其扫描速度慢、体积重量大、成本高。相控阵型激光雷达通过波束控制来实现灵活的光束指向，体积小、速度快。然而目前光学相控阵尚处于发展阶段，有许多关键技术问题还未解决，不能满足实际工程需求。
目前相控阵型激光雷达存在如下问题：光学相控阵受限于制作工艺，辐射单元间距大于半波长时会带来栅瓣问题以及对扫描范围的限制；激光雷达进行二维扫描时对应的二维相控阵阵元控制电路复杂，导致体积大、工艺复杂、成本高、精度低，使其无法实现大面阵应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。
在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列满足：耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。
在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描，包括：当不对分束波导阵列中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的光束阵列；控制该一维光调制器阵列的输入电压，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向上进行一维扫描。
在本公开的一些实施例中，扫描光束发射器件为半导体器件，其材料包括如下材料中的一种或几种：硅、砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化钢、氮化铝或者由其构成的三元/四元化合物；和/或一维光调制器阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、锗或三五族半导体；和/或输入波导、分束波导阵列和耦合分束光栅阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、氮化硅、氧化硅。
在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。
根据本公开的另一个方面，提供了一种激光雷达装置，包括：激光器，用于提供激光雷达光源；扫描光束发射器件，与激光器相连，用于将激光器的光分为二维分布且强度均匀的激光束阵列，并可在一维方向扫描；该扫描光束发射器件，包括：输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描；接收光学系统，用于接收由目标反射的回波信号；以及阵列探测器，与接收光学系统相连，用于根据回波信号获取目标的三维图像。
在本公开的一些实施例中，阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管APD阵列探测器；和/或阵列探测器的阵元数目与扫描光束发射器件的分束比一致。
在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列满足：耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。
在本公开的一些实施例中，耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。
根据本公开的又一个方面，提供了一种激光雷达探测方法，包括：利用扫描光束发射器件对激光进行分束，并在特定方向上进行一维扫描，获取二维分布且强度均匀的激光束阵列；向目标发射激光束阵列；接收目标反射的光学回波信号；以及将光学回波信号转换为电信号，确定目标的三维图像。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，具有以下有益效果：
通过将耦合分束光栅阵列与一维光调制器阵列配合，耦合分束光栅阵列将波导中的光耦合出射至自由空间中并分为强度均匀的二维光束阵列，通过控制一维光调制器阵列实现对光相位的调制，使得二维光束阵列在特定一维方向上小范围扫描，覆盖原点阵间空隙，从而在一维方向扫描的条件下实现二维扫描的效果，控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的扫描光束发射器件的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的耦合分束光栅阵列输出的二维光束阵列，结合一维光调制器阵列的一维相控阵实现二维扫描的效果的示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的激光雷达装置的结构示意图。
图4为根据本公开一实施例所示的激光雷达探测方法的流程图。
【符号说明】
101-输入波导； 102-分支波导阵列；
103-一维光调制器阵列； 104-耦合分束光栅阵列；
3-激光雷达探测装置；
301-激光器； 302-扫描光束发射器件；
303-接收光学系统； 304-阵列探测器；
305-目标。
具体实施方式
本公开提供了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，在扫描光束发射器件中，通过将耦合分束光栅阵列与一维光调制器阵列配合，耦合分束光栅阵列将波导中的光耦合出射至自由空间中并分为强度均匀的二维光束阵列，通过控制一维光调制器阵列实现对光相位的调制，使得二维光束阵列在特定一维方向上小范围扫描，覆盖原点阵间空隙，从而在一维方向扫描的条件下实现二维扫描的效果，控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种扫描光束发射器件。
图1为根据本公开一实施例所示的描光束发射器件的结构示意图。
参照图1所示，本公开的扫描光束发射器件，包括：输入波导101；分束波导阵列102，与输入波导101相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列103，与分束波导阵列102相连，对分束波导阵列102中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列104，与一维光调制器阵列103相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，在一维光调制器阵列103的调制下合成二维分布且强度均匀的光束阵列。
本实施例中，通过对耦合分束光栅阵列104进行设置，使得耦合分束光栅阵列104的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。
本实施例中，耦合分束光栅阵列104中包含多个阵列排布的耦合光栅，利用耦合光栅将波导内的光耦合到自由空间需要满足布拉格条件，即：
Figure BDA0001795829850000041
其中，x为耦合光栅的周期方向，m表示耦合阶数，kin，x为波导内光在x方向的波矢分量，kx为衍射光波矢k在x方向的分量，Λ为耦合光栅的周期。
Figure BDA0001795829850000051
其中，θ为耦合光栅将波导内光耦合到自由空间中时，出射光的角度；ni为出射自由空间的折射率。
图2为根据本公开一实施例所示的耦合分束光栅阵列输出的二维光束阵列，结合一维光调制器阵列的一维相控阵实现二维扫描的效果的示意图。
参照图2所示，本实施例中，一维光调制器阵列103与耦合分束光栅阵列104配合，实现对目标进行一维扫描而达到二维扫描的效果，配合的方式为：当不对分束波导阵列102中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列104能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的光束阵列；控制该一维光调制器阵列103的输入电压，对分束波导阵列102中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列104中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列104的光栅阵列排布方向上进行一维扫描。
由于光束阵列在耦合分束光栅阵列104的光栅阵列排布方向上进行一维扫描，而耦合分束光栅阵列104的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角，即对应二维分布的光束阵列的排布方向与其扫描方向有一个夹角，参照图2中虚线箭头所指示的扫描方向，那么一维扫描即可对光束之间的空隙进行扫描覆盖，实现二维扫描的效果。
本实施例中，耦合分束光栅阵列104输出二维分布且强度均匀的具有固定角间隔的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描。通常相控阵仅使用单光束扫描，即只使用衍射光的一个级次，因此为避免旁瓣干扰、增大扫描范围，需要减小耦合分束光栅阵列间距来增大旁瓣与主瓣角间隔，或是采用不均匀周期抑制旁瓣。在本实施例中，通过设计特殊图案形成耦合分束光栅阵列，使得光栅各衍射级次均匀分布，形成二维分布且强度均匀的具有固定角间隔的光束阵列，实现二维光束阵列的扫描，降低工艺难度，增大了激光雷达的空间分辨率和扫描范围；此外，耦合分束光栅阵列在一维光调制器阵列103的相位调制下实现二维分布的光束阵列的一维扫描，进一步增加激光雷达的空间分辨率，同时与传统二维相控阵扫描相比，简化了控制线路，提高了集成度。
本实施例中，扫描光束发射器件为半导体器件，其材料包括如下材料中的一种或几种：硅、砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝中的任何一种，或者由其构成的三元/四元化合物。一维光调制器阵列103的材料包括：硅、锗或三五族半导体等；输入波导101、分束波导阵列102和耦合分束光栅阵列104的的材料包括：硅、氮化硅、氧化硅等。
本实施例中，输入波导101，用于将激光耦合入片上器件中。
本实施例中，耦合分束光栅阵列104输出的二维分布的光束阵列强度均匀，分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于上述扫描光束发射器件的激光雷达装置。
图3为根据本公开一实施例所示的激光雷达装置的结构示意图。
参照图3所示，图中单箭头表示信号的传递方向，粗箭头表示连接关系，本公开的激光雷达装置3，包括：
激光器301，用于提供激光雷达光源；
扫描光束发射器件302，与激光器301相连，用于将激光器的光分为二维分布且强度均匀的激光束阵列，并可在一维方向扫描；该扫描光束发射器件302，包括：输入波导101；分束波导阵列102，与输入波导101相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列103，与分束波导阵列102相连，对分束波导阵列102中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列104，与一维光调制器阵列103相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描；
接收光学系统303，用于接收由目标305反射的回波信号；以及
阵列探测器304，与接收光学系统303相连，用于根据回波信号获取目标305的三维图像。
本实施例中，阵列探测器304为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管(APD)阵列探测器。
本实施例中，阵列探测器304的阵元数目与扫描光束发射器件的分束比一致。
本实施例中的扫描光束发射器件302的各部件与第一个实施例的相同，这里不作赘述。
在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种基于激光雷达装置的激光雷达探测方法。
图4为根据本公开一实施例所示的激光雷达探测方法的流程图。
参照图4所示，本公开的激光雷达探测方法，包括：
步骤S402：利用扫描光束发射器件对激光进行分束，并在特定方向上进行一维扫描，获取二维分布且强度均匀的激光束阵列；
步骤S404：向目标发射激光束阵列；
本实施例中，利用扫描光束发射器件302向目标发射激光束阵列。
步骤S406：接收目标反射的光学回波信号；
本实施例中，利用接收光学系统303接收目标反射的光学回波信号。
步骤S408：将光学回波信号转换为电信号，确定目标的三维图像；
本实施例中，利用阵列探测器304将光学回波信号转换为电信号，确定目标的三维图像。
综上所述，本公开提供了一种扫描光束发射器件、激光雷达装置及探测方法，在扫描光束发射器件中，通过将耦合分束光栅阵列与一维光调制器阵列配合，耦合分束光栅阵列将波导中的光耦合出射至自由空间中并分为强度均匀的二维光束阵列，通过控制一维光调制器阵列实现对光相位的调制，使得二维光束阵列在特定一维方向上小范围扫描，覆盖原点阵间空隙，从而在一维方向扫描的条件下实现二维扫描的效果，控制线路简单、集成度高，且有利于增加激光雷达的空间方位分辨率。
需要说明的是，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种扫描光束发射器件，包括：
输入波导；
分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；
一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及
耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描；其中包括，
当不对分束波导阵列中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的具有固定角间隔的光束阵列；控制该一维光调制器阵列的输入电压，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向上进行一维扫描。
2.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中，所述耦合分束光栅阵列满足：
耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。
3.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中：
所述扫描光束发射器件为半导体器件，其材料包括如下材料中的一种或几种：硅、砷化镓、砷化铝、砷化铟、磷化铟、磷化铝、磷化镓、氮化镓、氮化铟、氮化铝或者由其构成的三元/四元化合物；和/或
所述一维光调制器阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、锗或三五族半导体；和/或
所述输入波导、分束波导阵列和耦合分束光栅阵列的材料包括以下材料中的一种或几种：硅、氮化硅、氧化硅。
4.根据权利要求1所述的扫描光束发射器件，其中，所述耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。
5.一种激光雷达装置，包括：
激光器，用于提供激光雷达光源；
扫描光束发射器件，与激光器相连，用于将激光器的光分为二维分布且强度均匀的激光束阵列，并可在一维方向扫描；该扫描光束发射器件，包括：
输入波导；分束波导阵列，与输入波导相连，将输入波导中的光均匀地等分成多路；一维光调制器阵列，与分束波导阵列相连，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制；以及耦合分束光栅阵列，与一维光调制器阵列相连，将分束波导阵列中的光耦合到自由空间中，输出二维分布且强度均匀的光束阵列，且在一维光调制器阵列的调制下，该光束阵列可沿一维方向扫描；其中包括，
当不对分束波导阵列中的多路光进行相位调制时，耦合分束光栅阵列能在垂直器件表面方向输出二维分布且强度均匀的具有固定角间隔的光束阵列；控制该一维光调制器阵列的输入电压，对分束波导阵列中的多路光进行相位调制，以使得出射光从耦合分束光栅阵列中出射时，光束阵列在耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向上进行一维扫描；
接收光学系统，用于接收由目标反射的回波信号；以及
阵列探测器，与接收光学系统相连，用于根据回波信号获取目标的三维图像。
6.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其中：
所述阵列探测器为PIN型光电二极管阵列探测器或雪崩光电二极管阵列探测器；和/或
所述阵列探测器的阵元数目与扫描光束发射器件的分束比一致。
7.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其中，所述耦合分束光栅阵列满足：
耦合分束光栅阵列的光栅阵列排布方向与输出的光束阵列的排布方向有一夹角。
8.根据权利要求5所述的激光雷达装置，其中，所述耦合分束光栅阵列输出的光束阵列的分束比介于4×4～64×64之间，覆盖角度范围为±20°～80°。
9.一种基于权利要求5至8任一项所述的激光雷达装置的激光雷达探测方法，包括：
利用扫描光束发射器件对激光进行分束，并在特定方向上进行一维扫描，获取二维分布且强度均匀的激光束阵列；
向目标发射激光束阵列；
接收目标反射的光学回波信号；以及
将光学回波信号转换为电信号，确定目标的三维图像。
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