CN111856481A - 一种扫描器以及应用该扫描器的同轴和非同轴雷达系统 - Google Patents

Abstract

一种扫描器以及应用该扫描器的同轴和非同轴雷达系统，属于属于激光雷达技术领域，其中，扫描器包括晶圆衬底、若干个光开关和若干组光栅天线组；所述晶圆衬底上端面固设有若干个光开关和若干组光栅天线组，所述若干个光开关和所述若干组光栅天线组一一对应，即一组光栅天线组和一个光开关电性连接，所述若干组光栅天线组阵列分布成光栅部，所述光栅部的上侧活动设置有透镜模块，其次，本发明通过扫描器进行二维扫描，再结合系统在第三维度计算出的距离信息，实现三维成像，提高探测精度，其次，通过光放大器和光栅天线的共同参与，进行噪点祛除，降低外界对探测结果的干扰性，提高探测距离，另外，本系统集成在芯片上，体积小，安装简易，方便降本量产。

Description

一种扫描器以及应用该扫描器的同轴和非同轴雷达系统

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，特别涉及一种扫描器以及应用该扫描器的同轴和非同轴雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种用激光探测和测距的传感器。它的原理是发射装置向目标发射出激光，通过接收装置测量返回激光的延迟和强度来测量目标的距离。

目前的激光雷达包括机械式扫描激光雷达、Flash激光雷达、Mems扫描激光雷达和OPA雷达，其中传统的机械式激光雷达采用机械装置旋转扫描，得到360度内点云信息，构建成一幅完整的三维图像，但由于机械扫描速度慢，分辨率低，得到的三维图像不能完整的呈现出较小物体，其次，机械式扫描激光雷达的体积较大，采用多线束组装，促使生产成本较高；Flash激光雷达测距距离较近，精确测量的距离在10M-20M，Mems扫描激光雷达在使用过程中稳定性差，且采用的Mems无法符合车规标准，长时间使用风险较高，单个Mems价格高；

OPA雷达制造价格贵，难以工业化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种扫描器以及应用该扫描器的同轴和非同轴雷达系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种扫描器，包括晶圆衬底、若干个光开关和若干组光栅天线组；所述晶圆衬底上端面固设有若干个光开关和若干组光栅天线组，所述若干个光开关和所述若干组光栅天线组一一对应，即一组光栅天线组和一个光开关电性连接，所述若干组光栅天线组阵列分布成光栅部，所述光栅部的上侧活动设置有透镜模块。

作为优选，所述透镜模块包括若干个间隔设置的透镜，所述若干个透镜的曲率值均不相同。

作为优选，所述透镜模块通过升降电机实现在光栅部上侧上下微调。

一种同轴激光雷达系统，由多个分路器连接工作部件集成而成：

激光器，用于发射激光，输出光信号；

光环形器，用于实现光信号的双向通信；

光放大器，用于对输出光信号放大，获得第一光信号，并将其输送至扫描器；

扫描器，用于将第一光信号输出至自由空间，同时，能够接收自由空间内的光信号，获取第二光信号；

光衰减器，用于接收激光器输出的光信号进行衰减，获得本地光信号，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比本地光信号和第二光信号，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

作为优选，所述光电平衡探测器组包括第一光电平衡探测器和第二光电平衡探测器；所述频谱仪组包括第一频谱仪和第二频谱仪。

一种非同轴激光雷达系统，由多个分路器连接工作部件集成而成：

激光器，用于发射激光，输出光信号；

光放大器，接收激光器经分路器后输送的光信号，并对其进行放大，得到第三光信号，并将其输送至扫描器；

第一扫描器，用于将第三光信号输出至自由空间；

第二扫描器，用于接收自由空间内的光信号，得到第四光信号；

光衰减器，接收激光器经分路器后输送的光信号，并对其进行衰减，获得第二本地光信号，同时，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比第二本地光信号和第四光信号，然后，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过扫描器进行二维扫描，再结合系统在第三维度计算出的距离信息，实现三维成像，提高探测精度，其次，通过光放大器和光栅天线的共同参与，进行噪点祛除，降低外界对探测结果的干扰性，提高探测距离，另外，本系统集成在芯片上，体积小，安装简易，方便降本量产。

附图说明

图1是本发明中扫描器的结构示意图；

图2是本发明中同轴雷达系统的框架图；

图3是本发明中非同轴雷达系统的框架图；

图4是本发明中透镜模块的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清除，完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。

如图1所示的一种扫描器，包括晶圆衬底1、若干个光开关2和若干组光栅天线组；所述晶圆衬底1上端面固设有若干个光开关2和若干组光栅天线组，所述若干个光开关2和所述若干组光栅天线组一一对应，即一组光栅天线组和一个光开关2电性连接，所述若干组光栅天线组阵列分布成光栅部4，所述光栅部4的上侧活动设置有透镜模块3，其作用是，通过光开关2、光栅天线组和透镜模块3能够较好的实现二维成像，从而提高测距的精度。

参考图4可知，所述透镜模块3包括若干个间隔设置的透镜，所述若干个透镜的曲率值均不相同，且所述透镜模块3通过升降电机实现在光栅部4上侧上下微调，从而确保保证出射光准直出去。

在本实施例中，所述透镜模块3包括第一透镜5和第二透镜6，光线从左侧物体空间依次通过第一透镜5和第二透镜6至芯片；下面进行详细的阐述，根据芯片的自身尺寸L＝10mm，芯片发散角30度。为了让光全部出射，根据公式NA＝n*sinθ，n表示折射率，在空气中n＝1.0,可以确定系统像方NA＝0.5，其次，假设实际使用场景中物方扫描角度为60度，由tanθ＝L/F，计算出系统总焦距F＝8.6mm,若第一透镜5的焦距为f₁，第二透镜6的焦距为f₂，两个凸透镜的中心距离为d，由公式

计算出d，从而矫正边缘视场的像差。

具体来说，光开关2和透镜构成一个二维扫描机构，即第一维度通过光开关2的选通，根据焦平面定理，实现第一维度方向的扫描，其次，根据光的色散原理，不同波长的光经过光栅后出射角度不同，扫描第二维度方向。

另外，在本实施例中，由图1可知，光栅天线组为长条形，因此，为了能够取得最优的效果，降低光线畸变，所述透镜选用柱面镜。

其次，对光栅天线而言，其出射方向和可接收光的方向为sinθ＝n_eff-λ/Λ，θ为光栅天线发射/接收光的角度，λ为波长，n_eff为波导的等效折射率，Λ为光栅周期，改变波长，可以改变波导光栅天线的收发光方向，改变效率为：

同时，光束发散角Ω与有效长度L的关系为：

在本实施例中光栅选用波导光栅，而波导光栅为上下对称出射，所以需要通过其他结构使得光主要从一测出射，比如在波导上设一层反射镜或者多层增强反射薄膜，使得从衬底出射；或者在波导下放置反射结构，在波导上放置干涉光栅等办法，使得从上方出射。

因此可知，光栅结构越浅，其对波导中传导的光的扰动越弱，辐射速率越低，光栅的有效辐射长度将变大，出射光的平行度将更好，光束也更汇聚。

实施例1：

如图2所示，一种同轴激光雷达系统，由多个分路器连接工作部件集成而成:具体连接方式如下：

激光器，用于发射激光，输出光信号，经第一分路器，将光信号分别输送至光环形器和光衰减器，得到第一光信号和本地光信号；

光环形器，用于实现光信号的双向通信；在本实施例中，光环形器有3个接口，其中，第一接口和第一分路器连接，第二接口连接有光放大器，第三接口连接至检测线路中，便于实现后续的扫描距离计算；

光放大器，用于接收经第一分路器输送的光信号接收第一光信号，并对其进行放大，然后，将其输送至扫描器；

扫描器，接收光放大器输出的光信号输出至自由空间，另外，能够接收自由空间内的光信号，获得第二光信号；

光衰减器，用于接收激光器输出的光信号进行衰减，获得本地光信号，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比本地光信号和第二光信号，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

所述光电平衡探测器组包括第一光电平衡探测器和第二光电平衡探测器；所述频谱仪组包括第一频谱仪和第二频谱仪。

值得一说的是，所述检测线路的具体工作步骤如下：第二光信号依次通过扫描器和光放大器进入光环形器的第二接口，从光环形器的第三接口输送至第一光电平衡探测器的输入端，同时，光衰减器的输出端连接有第二分路器，第二分路器输出端分别与第一光电平衡探测器的输入端和第三分路器的输入端连接，从而分别获得第一本地光信号和第二本地光信号，通过将第一本地光信号作为差分，输出第二光信号转化后的第一电信号，该第一电信号输出至第一频谱仪，检测出空间回波的频率，即第二光信号的频率；其次，第三分路器输出端分别连接至光纤和第二光电平衡探测器的输入端，且光纤的输出端连接至第二光电平衡探测器的输入端，通过光纤做延迟处理，然后，经过第二光电平衡探测器输出第二电信号，再讲第二电信号经过第二频谱仪得出本地频率，接着，将空间回波频率和本地频率均输送至处理器进行拍频处理，计算出时间差，从而得出距离。

实施例2：

如图3所示，一种非同轴激光雷达系统，由多个分路器连接工作部件集成而成：

激光器，用于发射激光，输出光信号，经第一分路器，得到第三光信号和本地光信号，并将第三光信号和本地光信号分别输送至光放大器和光衰减器；

光放大器，用于接收第三光信号，并对其进行放大，然后，将其输送至扫描器；其中，通过光放大器和扫描器中的光栅天线组进行噪点祛除和功率增强，提高测量距离，降低外界的干扰性；

第一扫描器，用于将第三光信号输出至自由空间；

第二扫描器，用于接收自由空间内的光信号，得到第四光信号；

光衰减器，接收本地光信号，并对其进行衰减，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比衰弱后的本地光信号和第四光信号，然后，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

所述光电平衡探测器组包括第一光电平衡探测器和第二光电平衡探测器；所述频谱仪组包括第一频谱仪和第二频谱仪。

值得一说的是，所述检测线路的具体工作步骤如下：第四光信号通过第二扫描器送至第一光电平衡探测器的输入端，同时，光衰减器的输出端连接有第二分路器，第二分路器输出端分别与第一光电平衡探测器的输入端和第三分路器的输入端连接，从而分别获得第一本地光信号和第二本地光信号，通过将第一本地光信号作为差分，输出第二光信号转化后的第一电信号，该第一电信号输出至第一频谱仪，检测出空间回波的频率，即第二光信号的频率；其次，第三分路器输出端分别连接至光纤和第二光电平衡探测器的输入端，且光纤的输出端连接至第二光电平衡探测器的输入端，通过光纤做延迟处理，然后，经过第二光电平衡探测器输出第二电信号，再将第二电信号经过第二频谱仪得出本地频率，接着，将空间回波频率和本地频率均输送至处理器进行拍频处理，计算出时间差，从而得出距离。

另外，无论实施例1或实施例2都可以封装集成化在同一块电路板上，减小体积便于安装，实现降本量产的目的。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本发明按照实施例进行了说明，在不脱离本原理的前提下，本装置还可以作出若干变形和改进。应当指出，凡采用等同替换或等效变换等方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种扫描器，其特征在于：包括晶圆衬底、若干个光开关和若干组光栅天线组；所述晶圆衬底上端面固设有若干个光开关和若干组光栅天线组，若干个所述光开关和若干组所述光栅天线组一一对应，即一组光栅天线组和一个光开关电性连接，若干组所述光栅天线组阵列分布成光栅部，所述光栅部的上侧活动设置有透镜模块。

2.根据权利要求1所述的一种扫描器，其特征在于：所述透镜模块包括若干个间隔设置的透镜，所述若干个透镜的曲率值均不相同。

3.根据权利要求1所述的一种扫描器，其特征在于：所述透镜模块通过升降电机实现在光栅部上侧上下微调。

4.一种基于权利要求1的同轴激光雷达系统，其特征在于：由多个分路器连接工作部件集成而成，所述工作部件包括如权利要求1中所述的扫描器：

激光器，用于发射激光，输出光信号；

光环形器，用于实现光信号的双向通信；

光放大器，用于对输出光信号放大，获得第一光信号，并将其输送至扫描器；

扫描器，用于将第一光信号输出至自由空间，同时，能够接收自由空间内的光信号，获取第二光信号；

光衰减器，用于接收激光器输出的光信号进行衰减，获得第一本地光信号，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比第一本地光信号和第二光信号，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

5.根据权利要求4所述的一种同轴激光雷达系统，其特征在于：所述光电平衡探测器组包括第一光电平衡探测器和第二光电平衡探测器；所述频谱仪组包括第一频谱仪和第二频谱仪。

6.一种基于权利要求1的非同轴激光雷达系统，其特征在于：由多个分路器连接工作部件集成而成，所述工作部件包括两个如权利要求1中所述的扫描器：

激光器，用于发射激光，输出光信号；

光放大器，接收激光器经分路器后输送的光信号，并对其进行放大，得到第三光信号，并将其输送至扫描器；

第一扫描器，用于将第三光信号输出至自由空间；

第二扫描器，用于接收自由空间内的光信号，得到第四光信号；

光衰减器，接收激光器经分路器后输送的光信号，并对其进行衰减，获得第二本地光信号，同时，避免损坏检测线路；

检测线路，用于对比第二本地光信号和第四光信号，然后，计算出检测距离；其中，所述检测线路包括光电平衡探测器组、频谱仪组、处理器和光纤。

Images