CN113433556B - 一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测方法，将包含M个扫频梳齿的光频梳信号分为两路，一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号依次送入包含N个输入端口的Rotman光透镜；不同输入端口的探测光信号在ϕ平面扫描，同时每个输入端口内探测光信号通过光天线在垂直于ϕ平面的θ平面进行扫描；探测光信号遇到目标后反射回光天线，与参考光信号合为一路复合光信号解波分复用后得到M个包含子梳齿的待检测子光信号群，处理后可获取目标三维空间分布及速度信息；本发明还公开了基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测装置，通过频率色散波束扫描技术与基于Rotman光透镜的波束方向控制技术，可无机械扫描实现目标三维空间分布及速度信息的高精度测量。

Description

一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种固态激光雷达探测方法，尤其涉及一种基于色散及Rotman光透镜技术实现二维波束控制的固态激光雷达探测方法及装置。

背景技术

作为一种高精度传感器，激光雷达广泛应用于自动驾驶、智能机器人、三维传感等领域。目前激光雷达系统多采用机械扫描方式结合脉冲时间到达技术获取探测场景/目标的三维/二维空间分布信息，(参见[T. Raj, F. Hashim, A. Huddin, etc, " A Surveyon LiDAR Scanning Mechanisms," electronics, vol. 9, no. 5, pp. 741,2020.])。由于机械部件结构复杂、稳定性及寿命受限，且安装校准过程繁琐，体积庞大。导致基于机械扫描方式的方案其在日常消费级应用场景受限。与此同时，集成光相控阵、光晶体波导、色散介质等固态波束控制技术的方案也在快速发展，采用电控/热控实现激光波束的快速扫描，与机械扫描相比具有更好的稳定性，且系统紧凑 (参见[S. Miller, Y. Phare, M.Shin, etc, " Large-scale optical phased array using a low-power multi-passsilicon photonic platform," Optica, vol. 7, no. 1, pp. 3-6, 2020.])。虽然相关技术目前主要还处于实验室研究阶段，但固态波束控制技术因其潜在的优势特性，仍吸引着学术及产业界推动其向实用化方向发展，特别是基于调频连续波外差法及固态波束控制技术的方案。论文 (参见[M. Okano, C. Chong, " Swept Source Lidar: simultaneousFMCW ranging and nonmechanical beam steering with a wideband swept source,"Optics Express, vol. 28, no. 16, pp. 23898-23915, 2020.]) 提出了一种基于垂直腔体激光器(VCSEL)宽带扫频源的激光雷达方案，通过将宽带连续扫频源分段并利用波长色散机理实现目标距离、角度二维信息的获取，系统结构简单，效率高。但因为基于VCSEL的扫频源存在非线性且相干长度有限，导致该方案需要较复杂的非线性校正电路及非线性校正算法。此外，因宽带扫频源的时间分段探测，导致系统时间利用率不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术不足，基于色散机理，实现频率复用光扫频信号光波束的一维扫描，并基于Rotman光透镜通道-波束角度映射机理实现光波束另一个维度的扫描，从而实现目标三维空间信息的获取；整个系统纯固态，无需机械扫描控制波束方向，系统可一体化集成。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测方法，该方法具体为：

首先将包含M个扫频梳齿的扫频周期为T的光频梳信号分为两路，一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号送入1×N路光开关；光开关输出端口与Rotman光透镜的N个输入端口一一链接，并依次选通；选通的Rotman光透镜的第j个输入端口的探测光信号通过Rotman光透镜后端光天线在ϕ平面ϕ _j 角度辐射到空间中，同时，Rotman光透镜后端光天线控制探测光信号不同梳齿扫频子信号波束在垂直于ϕ平面的θ平面上同时指向M个不同方向，得到M个指向不同方向的探测子光信号；探测子光信号遇到目标后反射回光天线，与参考光信号合为一路复合光信号；复合光信号经解波分复用后得到M个包含子梳齿的待检测复合子光信号群，完成光电转换及信号采集后，基于雷达信号算法获取目标θ平面角度、距离二维空间分布及速度信息。

优选地，所述1×N路光开关的通断时序周期与扫频光频梳的扫频周期T同步，使得依次进入Rotman光透镜N个输入端的扫频光频梳信号具有完整的周期。

进一步地，所述Rotman光透镜控制进入其输入端口的扫频光频梳信号通过后端光天线首先在ϕ平面指向ϕ _j (j=1,2,…,N)，同时基于光天线的频率（波长）色散机理，光频梳不同梳齿扫频子信号同时通过光天线后，光波束在垂直于ϕ平面的θ平面同时分别指向θ _i (i=1,2,…,M)，实现θ平面中一维波束扫描，遇到目标的反射信号同时由光天线接收；其中波束扫描范围为∆θ=θ _M -θ ₁ ，通过增加光频梳间隔可以扩大∆θ。

进一步地，所述Rotman光透镜及后端光天线为平面光波导结构，且两者在同一平面一体化集成，且平面ϕ平行于该平面；通过改变光天线的光栅周期、天线孔径等参数可改变光波束宽度及θ平面波束扫描范围和/或通过适量增加Rotman光透镜输入端口数量，可增加ϕ平面波束扫描范围。

根据相同的发明思路还可以得到以下技术方案：

一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测装置，包括：

扫频光频梳源，用于生成包含M个扫频梳齿的光频梳信号；

第一光耦合器，用于将光频梳信号分为两路，一路为参考光信号输入到第二光耦合器的一个输入端口，一路为探测光信号输入到光环行器的第一端口；

光环形器，所述光环形器包括三个端口，其中，第一端口接收第一光耦合器输出的探测光信号，通过第二端口输入到1×N路光开关，并将1×N路光开关返回的目标反射信号通过第三端口送入第二光耦合器的另一个输入端口；

1×N路光开关，用于依次将探测光信号送入Rotman光透镜天线的N个输入端口，并依次将Rotman光透镜天线接收的信号返回到光环形器的第二端口；

Rotman光透镜天线，用于依次将1×N路光开关送入的探测光信号辐射到空间中，并依次分别接收目标反射信号，并返回到Rotman光透镜天线对应的输入端口；根据不同通道及不同探测信号频率，控制波束在二维空间扫描；

第二光耦合器，用于将第一光耦合器输入的参考光信号与光环形器的第三端口输入的目标反射信号合为一路复合光信号，并送入解波分复用器；

解波分复用器，用于将复合光信号解波分复用，得到M个仅包含单个子梳齿的待检测复合子光信号群；

光电探测器阵列，用于分别将待检测复合子光信号群光电转换为携带目标信息的中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对中频电信号进行模数转换，并进行固态激光雷达数字信号处理，提取出目标信息；

同步控制模块，用于根据扫频光频梳源的扫频周期控制1×N路光开关通断时序。

进一步地，所述扫频光频梳源包括：

光频梳源，用于生成包含M个梳齿的光频梳信号；

调频源，用于生成周期为T的电线性扫频信号；

扫频移频器，用于利用电线性扫频信号控制光频梳信号不同梳齿信号实现同时扫频，生成包含M个扫频子带的扫频光频梳信号。

优选地，所述光频梳源可以为以下设备中的一种：飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号源外调制电光调制器的组合设备；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器、声光移频器。

进一步地，所述光开关的通断时序周期与扫频光频梳的扫频周期T同步，使得依次进入Rotman光透镜N个输入端的扫频光频梳信号具有完整的周期。

进一步地，所述Rotman光透镜天线由Rotman光透镜及将Rotman光透镜输出光信号耦合入空间的光栅天线组成；Rotman光透镜与光栅天线为平面波导结构，且两者在同一平面内一体化集成。

相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：

1) 本发明通过频率（波长）色散技术实现光波束一个维度的扫描，单个光天线即可实现激光频率（波长）-探测角度映射，并最终通过解波分复用实现来自不同通道中频信号-探测角度映射；单个周期即可并行实现目标距离、速度、一维角度等信息的高精度快速获取。

2) 本发明基于Rotman光透镜通道选择技术实现空间波束另一个维度的扫描，通过通道切换即可实现信号时间(Rotman光透镜输入通道)-探测角度映射，并最终通过信号不同周期-探测角度映射实现目标另一个维度角度信息的获取；方案扫描速度快，简单无需机械扫描，结合频率（波长）-探测角度映射可实现目标三维空间及速度信息获取。

3) 本发明激光源、调制器、光开关、Rotman光透镜天线等光电器件可一体化集成，有利于系统的模块化量产应用。

附图说明

图1为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例的结构示意图；

图2为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例中第1个扫频周期发射扫频光信号、目标反射信号、探测角度、中频电信号等彼此之间的映射关系图；

图3为本发明固态激光雷达系统一个具体实施例中第N个扫频周期发射扫频光信号、目标反射信号、探测角度、中频电信号等彼此之间的映射关系图。

具体实施方式

针对现有技术不足，本发明基于频率复用与Rotman光透镜通道选择激光波束控制技术实现目标二维角度信息获取，以及基于调频连续波雷达探测技术实现高分辨率目标距离与速度信息的获取。系统简单紧凑，无需机械扫描即可同时实现目标三维分布及速度信息的获取，可大大提高激光雷达系统的工作效率。

一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测装置，如图1所示，包括扫频光频梳源、第一光耦合器、光环形器、1×N路光开关、Rotman光透镜天线、第二光耦合器、解波分复用器、光电探测器阵列、信号采集处理单元、同步控制模块。

其中，所述扫频光频梳源包括：光频梳源、调频源、扫频移频器；所述光频梳源可以为以下设备：飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号源外调制电光调制器的组合设备；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器、声光移频器。

首先将扫频光频梳源输出的包含M个扫频梳齿的扫频周期为T的光频梳信号通过第一光耦合器分为两路，一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号通过光环形器送入1×N光开关，光开关输出端口与包含N个输入端口的Rotman光透镜一一链接，并依次选通；送入Rotman光透镜第一输入端口的探测光信号通过Rotman光透镜后端光天线在ϕ平面ϕ ₁ 角度辐射到空间中，Rotman光透镜后端光天线控制探测光信号不同梳齿扫频子信号波束在ϕ ₁ 角度同时指向M个不同方向，得到M个指向不同方向的探测子光信号；探测子光信号遇到目标后反射回光天线，并通过光环形器送到第二光耦合器处与参考光信号合为一路复合光信号；复合光信号经解波分复用后得到M个包含子梳齿的待检测复合子光信号群，在光电探测阵列及信号采集处理单元完成光电转换及信号采集后，基于雷达信号处理算法即可获取目标θ平面角度、距离二维空间分布及速度信息；而后续依次送入Rotman透镜其它输入端口的探测光信号与第一输入端口同理，通过Rotman透镜后端光天线依次在ϕ平面ϕ _j 角度分散辐射到空间中，完成Rotman所有透镜输入端口切换后，即可实现目标ϕ平面角度、θ平面角度、距离三维空间分布及速度信息。

为了便于公众理解，下面通过一个具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实施例的固态激光雷达探测系统包括：1个调频源、1个双平行马赫-曾德尔调制器 (DP-MZM)、1个锁模激光器、2个光耦合器、1个光环形器、1个1×N路光开关、1个解波分复用器、1个光电探测器阵列、1个Rotman光透镜天线、1个信号采集处理单元、1个同步控制模块。

首先锁模激光器输出重频为∆f的光脉冲，即频率间隔为∆f的光频梳信号，频谱分布为：f _s +i∆f, (i=0,1,…,M-1)，其中M为光频梳梳齿个数，f _s 为光频梳起始梳齿频率，将其送入双平行马赫-曾德尔调制器。调频源输出瞬时频率为f _LFM = f ₀+kt的电线性调频信号，通过双平行马赫-曾德尔调制器对光频梳信号进行抑制载波单边带调制，得到包含M个扫频梳齿f _{LFM_i} (i=1,2,…,M)的光频梳信号,扫频光频梳信号S _comb (t)具体可以表示为：

S _comb (t) = A ₁exp[2π(f _s t+ f ₀ t +0.5kt ²)]+ A ₂exp[2π((f _s +∆f) t+ f ₀ t +0.5kt ²)]+…A _N exp[2π((f _s +( M-1)∆f) t+ f ₀ t +0.5kt ²)](0≤ t ≤T) (1)

其中A _i (i=1,2,…,M)为扫频光频梳信号不同扫频梳齿信号的幅度；t为时间，f ₀表示电线性调频信号的起始频率，k为其调平斜率，T为其周期。将此信号通过第一光耦合器分为两路，其中一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号送入光环形器。光环形器将其送入1×N路光开关，1×N路光开关的输出端口与包含N个输入端口的Rotman光透镜天线（Rotman光透镜天线由Rotman光透镜及其后端光天线组成）一一链接。首先光开关选择第一路为通路，从而探测光信号通过光开关送入Rotman光透镜的第1个输入端口。基于Rotman透镜的工作原理，Rotman光透镜可控制输入其1端口的探测光信号通过光天线波束在ϕ平面指向角度ϕ ₁ ，ϕ平面与Rotman光透镜平面所在平面平行。同时，Rotman光透镜后端光天线通过参数设计，基于频率与角度存在与色散相关的映射关系，光天线控制扫频光频梳探测光信号不同梳齿扫频子信号同时在θ平面射向不同方向θ _i (i=1,2,…,M)，角度θ _i 与扫频子信号存在映射关系，θ平面与ϕ平面垂直正交。射向空间中的探测光信号遇到目标后发生反射，目标反射信号同时经光天线接收后通过Rotman光透镜及1×N光开关送入光环形器，光环形器将目标反射信号送入第二光耦合器与参考光信号合为一路得到复合光信号。设角度为θ _i 的探测光信号探测到目标，对应子信号的目标反射信号与参考光信号延时差为τ _i ，则目标反射信号可以表示为：

S _combR (t) = A _1R exp[2π((f _s (t - τ₁)+ f ₀(t - τ₁) +0.5k(t - τ₁)²)]+ A _2R exp[2π((f _s +∆f)(t – τ₂)+ f ₀(t – τ₂) +0.5k(t – τ₂)²)]+…A _MR exp[2π((f _s +(M-1)∆f)(t – τ _M )+ f ₀(t –τ _M ) +0.5k(t –τ _M )²)](0≤ t ≤T) (2)

其中A _iR (i=1,2,…,M)为目标反射信号子信号幅度，将复合光信号送入解波分复用器后得到M路复合扫频子信号，可以表示为：

S _Chi (t) = A _i exp[2π((f _s +i∆f ) t + f ₀ t +0.5kt ²)]+ A _iR exp[2π((f _s +i∆f ) (t – τ _i )+ f ₀ (t – τ _i ) + 0.5k (t – τ _i )²)] (0≤ t ≤T); (i=1,2,…,M) (3)

将M路复合扫频子信号送入包含M个低频光电探测器的光电探测器阵列，分别完成光电转换后，忽略寄生相位可得到M个携带目标信息的中频电信号，其表达式为：

S _ILi (t) = A _RIi exp(2πkτ _i ) (0≤ t ≤T) (i=1,2,…,M) (4)

其中A _RIi 为子信号中频电信号的幅度，对此信号进行采集，并进行通道角度映射及距离维信息提取，即可获取目标θ平面角度、距离二维空间分布及速度信息。为便于理解，图2详细描绘了第一个周期目标距离信息及角度信息的测量原理及扫频光频梳探测信号频率-角度的映射关系。

同步控制模块控制1×N路光开关根据扫频周期T依次选通Rotman光透镜其他端口，依次将探测光信号送入Rotman 光透镜的其他输入端口，Rotman光透镜可控制输入其它端口的探测光信号通过光天线波束在ϕ平面依次指向角度ϕ _j (j=2,3,…,N)，实现波束的另一个维度依次扫描，图3详细描绘了第N个周期目标距离信息及角度信息的测量原理及扫频光频梳探测信号频率-角度的映射关系。在完成持续时间为NT的整个二维扫描后，通过信号重组及处理，即可实现目标ϕ平面角度、θ平面角度、距离三维空间分布及速度信息。

本发明基于线性调频连续波外调制光频梳实现高线性、参数灵活可调、子带信号一致性好的宽带扫频光频梳信号产生，并基于频率（波长）色散-方向映射与Rotman光透镜的通道-方向映射关系，可实现目标空间三维分布及速度等信息的获取，且系统简单紧凑，可集成，无需机械扫描。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测方法，其特征在于，该方法具体为：

首先将包含M个扫频梳齿的扫频周期为T的光频梳信号分为两路，一路作为参考光信号，另一路作为探测光信号送入1×N路光开关；光开关输出端口与Rotman光透镜的N个输入端口一一连接，并依次选通；选通的Rotman光透镜的第j个输入端口的探测光信号通过Rotman光透镜后端光天线在ϕ平面ϕ _j 角度辐射到空间中，同时，Rotman光透镜后端光天线控制探测光信号不同梳齿扫频子信号波束在垂直于ϕ平面的θ平面上同时指向M个不同方向，得到M个指向不同方向的探测子光信号；探测子光信号遇到目标后反射回光天线，与参考光信号合为一路复合光信号；复合光信号经解波分复用后得到M个包含子梳齿的待检测复合子光信号群，完成光电转换及信号采集后，基于雷达信号算法获取目标θ平面角度、距离二维空间分布及速度信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述1×N路光开关的通断时序周期与扫频光频梳的扫频周期T同步。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Rotman光透镜控制进入其输入端口的扫频光频梳信号通过后端光天线首先在ϕ平面指向ϕ _j , j=1,2,…,N，同时基于光天线的频率色散机理，光频梳不同梳齿扫频子信号同时通过光天线后，光波束在垂直于ϕ平面的θ平面同时分别指向θ _i , i=1,2,…,M，实现θ平面中一维波束扫描，遇到目标的反射信号同时由光天线接收；其中波束扫描范围为∆θ=θ _M -θ ₁ ，通过增加光频梳间隔扩大∆θ。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述Rotman光透镜及后端光天线为平面光波导结构，且两者在同一平面内一体化集成，且平面ϕ平行于该平面；通过改变光天线的光栅周期、天线孔径改变光波束宽度及θ平面波束扫描范围和/或通过增加Rotman光透镜输入端口数量，增加ϕ平面波束扫描范围。

5.一种基于Rotman光透镜的固态激光雷达探测装置，其特征在于，包括：

扫频光频梳源，用于生成包含M个扫频梳齿的光频梳信号；

第一光耦合器，用于将光频梳信号分为两路，一路作为参考光信号，一路作为探测光信号；

光环形器，所述光环形器包括三个端口，其中，第一端口接收第一光耦合器输出的探测光信号，通过第二端口输入到1×N路光开关，并将1×N路光开关返回的目标反射信号通过第三端口送入第二光耦合器的另一个输入端口；

1×N路光开关，用于依次将探测光信号送入Rotman光透镜天线的N个输入端口，并依次将Rotman光透镜天线接收的信号返回到光环形器的第二端口；

Rotman光透镜天线，用于依次将1×N路光开关送入的探测光信号辐射到空间中，并依次分别接收目标反射信号，并返回到Rotman光透镜天线对应输入端口；根据不同通道及不同探测信号频率，控制波束在二维空间扫描；

第二光耦合器，用于将第一光耦合器输入的参考光信号与光环形器的第三端口输入的目标反射信号合为一路复合光信号；

解波分复用器，用于将复合光信号解波分复用，得到M个仅包含单个子梳齿的待检测复合子光信号群；

光电探测器阵列，用于分别将待检测复合子光信号群光电转换为携带目标信息的中频电信号；

信号采集与处理单元，用于对中频电信号进行模数转换，并进行固态激光雷达数字信号处理，提取出目标信息；

同步控制模块，用于根据扫频光频梳源的扫频周期控制1×N路光开关通断时序。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述扫频光频梳源包括：

光频梳源，用于生成包含M个梳齿的光频梳信号；

调频源，用于生成周期为T的电线性扫频信号；

扫频移频器，用于利用电线性扫频信号控制光频梳信号不同梳齿信号实现同时扫频，生成包含M个扫频子带的光频梳信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光频梳源为以下设备中的一种：飞秒激光器、主动/被动锁模激光器、光频梳产生器、微谐振腔或单频信号源与外调制电光调制器的组合设备；所述扫频移频器为双平行马赫-曾德尔调制器或声光移频器。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述光开关的通断时序周期与扫频光频梳的扫频周期T同步。

9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述Rotman光透镜天线由Rotman光透镜及将Rotman光透镜输出光信号耦合入空间的光天线组成；Rotman光透镜与光天线为平面波导结构，且两者在同一平面内一体化集成。

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