CN112748419A - 一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达 - Google Patents
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Abstract
一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达涉及激光雷达技术领域，解决了现有光学相控阵光束扫描范围小、分辨率低和回波信噪比大幅下降的问题，包括：近红外单波长脉冲激光器，用于发射TE模式激光光束；二维光学相控阵芯片，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，发射的激光光束的主瓣和栅瓣同时对目标进行扫描；接收器，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，能够发送扫描信号。本发明提出对相控阵主瓣与栅瓣的同步利用的方法，对多点回波信号同步接收，优化缩小天线阵元间距，扩大光学相控阵二维扫描范围，提高了分辨率，可用于光通信等领域。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于二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(Micro-Electro-Mechanical System)、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。光学相控阵理念起源为射频相控阵，工作波长为近红外波段，与传统的扫描体制相比，光学相控阵使用硅或氮化硅材料，器件集成在一个芯片上，无扫描结构，具有体积小，扫描速度快，能耗低，精度高，集成度高，成本低，易于大规模量产等优点。
光学相控阵使用近红外波段的TE模式光，工作原理是将耦合进光学相控阵的模式光通过光分束器进行分束，在经相位控制单元后，TE模式光经天线单元辐射到自由空间，调节各天线单元发射光的相位差和振幅实现光束扫描和设计的空间辐射场分布。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。二维硅基相控阵工作波长为光学波段，而相控阵架构中天线单元间距一般为光波长的数倍，导致辐射远场不仅有主瓣，还会出现多个栅瓣，致使光学相控阵单光束扫描角度受到限制，现有研究思路更多通过优化缩小天线单元间距，扩大单光束扫描角度。
此外，国内相关机构提出多线扫描法，将多个一维相控阵单元集于一体，每个光学相控阵具有一个独立控制的扫描光束，实现多线扫描目的。
关于集合多个光学相控阵的多线扫描系统，公开号为CN108646430A名称为《一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统》的中国专利中公开了一种单波长多线扫描系统，技术原理是在一个芯片上整合多个一维硅基相控阵，每个相控阵的发射天线的光栅周期不同，即光波纵向辐射角度不同，再通过光开关对相控阵进行选择和相位控制光波横向偏转，从而实现波束在半球面的多光束扫描。
基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统集成多个一维硅基相控阵单元于一体，如果使用单波长激光会导致相控阵纵向分辨率低，如果使用多波长调谐激光可以覆盖一定纵向扫描范围，但多波长调谐导致激光雷达回波信噪比大幅下降，且在光通信等领域无法应用。
发明内容
为了解决上述光学相控阵光束扫描范围小、分辨率低和回波信噪比大幅下降的问题，本发明提供一种基于二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：
一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，包括：
近红外单波长脉冲激光器，用于发射激光光束，所述激光光束为TE模式；
二维光学相控阵芯片，所述二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，二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；
接收器，所述接收器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，能够发送扫描信号。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达创新性提出对相控阵远场主瓣与栅瓣的同步利用的方法，在发射端，二维光学相控阵的辐射远场形式呈现二维分布的点阵，各天线发射的激光经调制后存在相位差，使远场主瓣与栅瓣同时对目标实现分区域的二维扫描，表现为二维点阵对目标进行扫描，实现单个二维光学相控阵对远场目标的多点同步扫描，通过接收器实现对多点回波信号同步接收，并优化缩小天线阵元间距，扩大光学相控阵二维扫描范围，解决了光学相控阵光束扫描范围小和分辨率低的问题，同时可用于光通信等领域。
附图说明
图1为本发明的一种基于二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二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的工作图。
图3为本发明的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的二维光学相控阵芯片的示意图。
图4为本发明的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达的二维光学相控阵芯片的远场单方向辐射示意图。
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。
一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，如图1，包括：近红外单波长脉冲激光器、二维光学相控阵芯片和接收器。
近红外单波长脉冲激光器用于发射TE模式激光光束，近红外单波长脉冲激光器发射的光束为单波长所述近红外对应的波长范围为780-2526nm。近红外单波长脉冲激光器发出的激光光束入射到二维光学相控阵芯片，经过二维光学相控阵芯片分束和相位调制，进行分束和相位调制后，二维光学相控阵芯片输出相位调制后的光束，二维光学相控阵芯片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器接收，接收器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，接收器能够发送扫描信号。
一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达还包括计算机图像处理系统。接收器将扫描信号发送至计算机图像处理系统，计算机图像处理系统接收接收器发送的扫描信号，并对扫描信号进行信号处理和显示。计算机图像处理系统包括信号处理单元和图像显示单元，信号处理单元接收接收器发送的扫描信号，并对扫描信号进行信号处理得到扫描数据，将扫描数据发送至图像显示单元进行扫描图像显示。
一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达还包括控制单元，控制单元连接近红外单波长脉冲激光器、二维光学相控阵芯片和计算机图像处理系统的信号处理单元，控制单元用于控制近红外单波长脉冲激光器的开关、控制二维光学相控阵芯片的相位调制、接收信号处理单元的扫描数据。
近红外单波长脉冲激光器和二维光学相控阵芯片之间设有锥形光纤，锥形光纤大端朝向近红外单波长脉冲激光器小端朝向二维光学相控阵芯片，近红外单波长脉冲激光器出射的激光光束通过锥形光纤传输到二维光学相控阵芯片中。通过对锥形光纤位置进行调整固定，使下述光耦合器光耦合效率达到最大值。
如图1，二维光学相控阵芯片的芯片基板上设有光耦合器、波导、光分束器、移相器和二维天线阵列。波导使用的材料为硅或氮化硅，功能是传输激光。光耦合器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。光分束器可采用但不限于MMI分束器、Y分支或定向耦合器等，其功能是将光耦合器耦合进二维光学相控阵芯片的激光光束进行分束，分成Nx×Ny束激光光束，Nx和Ny均为大于1的整数。二维天线阵列为Nx×Ny矩阵，二维天线阵列包括Nx×Ny个顺次设置的天线单元(阵元)，Nx×Ny束激光和Nx×Ny个天线单元一一对应设置，光分束器分得的Nx×Ny束激光光束通过波导传输到相应的天线单元。移相器与光分束器分得的光束数量相同。移相器可采用但不限于电光移相器或热光移相器，移相器作为相位调制单元，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。二维天线阵列采用光栅天线，依据天线单元阵列排布，可选择使用条形光栅天线或者taper型光栅天线，二维天线阵列的功能是将相位调制后的激光辐射到目标空间。光耦合器、光分束器、移相器和二维天线阵列顺次设置。
二维光学相控阵芯片为二维硅基光学相控阵芯片，硅基材料不限于硅、氮化硅或二氧化硅材料，若硅基材料为硅，二维光学相控阵芯片工作波长为1300-1500nm；若硅基材料为氮化硅，二维光学相控阵芯片工作波长为800-1100nm。二维光学相控阵芯片通过绝缘体上硅技术(SOI)兼容的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术制造。
接收器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光学相控阵列、线阵APD、面阵APD、GM线阵APD、GM面阵APDPIN阵列、像素探测器或集成光子电路等。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计算机图像处理系统。接收器的功能是对远场扫描使用光点数进行选择和目标的回波信号进行同步接收，使用探测器，同时设计光学系统，通过自由曲面透镜或非球面透镜扩大接收器视场。接收器通过采用自由曲面光学系统或非球面光学系统扩大接收视场，配合探测器实现对主/栅瓣的同步接收，
如图2所示，本发明的工作流程为：近红外单波长脉冲激光器发出的TE模式的近红外激光光束经锥形光纤传输至光耦合器，经光耦合器耦合进二维光学相控阵芯片中，随后经光分束器分束，光分束器分束后的激光光束传输到各支路对应的移相器，移相器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，经相位调制后的光束经天线单元辐射出二维光学相控阵芯片，天线单元辐射出的光束用于对目标进行扫描，使主瓣和栅瓣共同对目标进行扫描；经目标反射回的模式光(主瓣回波信号和栅瓣回波信号)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)，将二维光学相控阵芯片发送给计算机图像处理系统进行信号处理和显示扫描所得的图像。通过移相器的调制使得位于同一行中的天线单元之间存在相位差、位于同一列的天线单元之间存在相位差，即通过移相器的调制使得同一行中的天线单元所发射的激光光束之间存在相位差、同一列中的天线单元所发射的激光光束之间存在相位差，同一行中相邻两天线单元所发射激光光束的相位差为恒定值A，同一列中相邻两天线单元所发射激光光束的相位差为恒定值B。
二维光学相控阵芯片如图3所示，建立xyz直角坐标系，位于二维天线阵列第一行第一列的天线单元作为二维天线阵列原点，第一行天线单元均位于x轴上，第一列天线单元均位于y轴上，m表示x方向的某一列，n表示y方向的某一行(m，n)表示天线单元的坐标，二维光学相控阵芯片的远场辐射场E表达式为：
其阵因子Γ(θ,ψ)为：
ux＝kdxcosψsinθ-αx
uy＝kdysinψsinθ-αy
式中x和y表示方向，x方向对应二维天线阵列的行，y方向对应二维天线阵列的列，Emn代表坐标为(m，n)(即第mn个)的天线单元的辐射场，
Imn表示第mn个天线单元的激励振幅，R是二维光学相控阵芯片到观察点的距离，R也就是天线单元到观察点(即目标点)的距离，j代表虚数单位，k代表波束，k＝2π/λ，λ表示波长，C表示天线单元因子，C为常数，x方向上两个相邻天线单元的间距为dx，y方向上两个相邻天线单元的间距为dy，dx＝dy，αx为x方向上两个相邻天线单元的相位差，αy为y方向上两个相邻天线单元的相位差，θ代表观察点与二维天线阵列原点的连线矢量与z轴的夹角，ψ代表观察点与二维天线阵列原点的连线矢量在xy平面投影与x轴的夹角。对于均匀排列的二维阵列，相位差恒定，激励振幅相同。
对二维相控阵阵因子分析可知，其x方向与y方向参数互相独立，所以对x方向分析(y方向同理)相邻栅瓣间距为Δθ＝λ/dx，最大偏转角度为
光束偏转公式为：
θ0代表主瓣方向与二维天线阵列原点的连线矢量与其在z轴的夹角，ψ0代表主瓣方向与二维天线阵列原点的连线矢量在xy平面投影与x轴的夹角。
二维光学相控阵芯片单方向辐射远场如图4所示，纵坐标表示增益，单位为dB，横坐标仅示意性的表示距离，无单位。由图4可见主瓣和栅瓣的分布，多光点扫描原理通过所述的相控阵原理可知，通过外部电路控制移相器，改变波导的折射率，使各天线单元辐射光产生相位差，远场的主瓣和栅瓣的指向也会随之改变，达到多光点同时对目标扫描的目的。使用栅瓣(光点)数由接收器视场决定。
本发明一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达针对热光开光多线扫描系统的缺点设计二维光学相控阵，创新性提出对相控阵远场主瓣与栅瓣的同步利用的方法。在发射端，二维光学相控阵的辐射远场形式呈现二维分布的点阵，各天线发射的激光经调制后存在相位差，使远场主瓣与栅瓣同时对目标实现分区域的二维扫描，表现为二维点阵对目标进行扫描；在接收器处实现对主/栅瓣的同步接收。本发明使用单个二维光学相控阵，利用光学相控阵辐射远场的主瓣、栅瓣同时对目标进行扫描，实现单个二维光学相控阵对远场目标的多点同步扫描，采用大视场光学系统配合面阵探测器件实现，对多点回波信号同步接收，并且通过缩小天线阵元间距，能够扩大光学相控阵二维扫描范围，解决了光学相控阵光束扫描范围小和分辨率低的问题，同时保证了回波信噪比，可用于光通信和雷达等领域，具体可用于激光雷达、避障、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。
Claims (8)
1.一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，包括：
近红外单波长脉冲激光器，用于发射激光光束，所述激光光束为TE模式；
二维光学相控阵芯片，所述二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，二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；
接收器，所述接收器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，能够发送扫描信号。
2.如权利要求1所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，还包括计算机图像处理系统，所述计算机图像处理系统能够接收接收器发送的扫描信号并对扫描信号进行信号处理和显示。
3.如权利要求1所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述近红外单波长脉冲激光器和二维光学相控阵芯片之间设有锥形光纤，所述锥形光纤大端朝向近红外单波长脉冲激光器小端朝向二维光学相控阵芯片。
4.如权利要求1所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述接收器包括透镜和探测器，透镜同时接收目标反射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号并折射至探测器，探测器接收透镜折射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号得到扫描信号发送扫描信号。
5.如权利要求1所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述二维光学相控阵芯片包括光耦合器、光分束器、移相器和二维天线阵列，光耦合器将近红外单波长脉冲激光器发射的激光光束耦合到二维光学相控阵芯片中，光分束器将光耦合器耦合到二维光学相控阵芯片中的激光分束，移项器能够对耦合到二维光学相控阵芯片中的激光光束进行相位调制，相位调制后的激光光束通过天线单元发射用于扫描。
6.如权利要求5所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述位于二维天线阵列同一行的天线单元所发射的激光光束之间存在相位差、位于二维天线阵列同一列的天线单元所发射的激光光束之间存在相位差。
7.如权利要求5所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述光耦合器、光分束器、移相器和二维天线阵列顺次设置。
8.如权利要求5所述的一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，其特征在于，所述二维天线阵列为Nx×Ny矩阵，位于二维天线阵列第一行第一列的天线单元作为二维天线阵列原点，第一行天线单元均位于x轴上，第一列天线单元均位于y轴上，(m，n)表示天线单元的坐标，二维光学相控阵芯片的远场辐射场E表达式为：
ux＝kdxcosψsinθ-αx
uy＝kdysinψsinθ-αy
式中Emn代表坐标(m，n)的天线单元的辐射场，
Imn表示坐标(m，n)天线单元的激励振幅，R是二维光学相控阵芯片到观察点的距离，j代表虚数单位，k代表波束，C代表天线单元因子，dx代表x方向上两个相邻天线单元的间距为，dy代表y方向上两个相邻天线单元的间距，αx代表x方向上两个相邻天线单元的相位差，αy代表y方向上两个相邻天线单元的相位差，θ代表观察点与二维天线阵列原点的连线矢量与z轴的夹角，ψ代表观察点与二维天线阵列原点的连线矢量在xy平面投影与x轴的夹角。
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-
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