CN113534098B - 相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法，该相控阵激光雷达，包括：SOI衬底，输入耦合器，分束器，调相器组，光学天线及保护层；在SOI衬底中形成依次光路连接的输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线，保护层位于输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线的上方；调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。在确定各调相器的基准电压后，只需要各调相器组统一改变电压值，就可实现连续扫描。提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。

Description

相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法
技术领域
本发明实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法。
背景技术
相控阵激光雷达的概念早已被提出，各种不同的设计方案也在不断开展。目前的相控阵激光雷达芯片的基本模块包括：光源模块、分束模块及调项模块等。这个模块间进行配合实现激光雷达的基本功能。
现有的相控阵激光雷达的调相器模块中，通常设置成给波导加热的调相器来调节波导中光的相位。其中各调相器波导上的加热长度为等长度，各调相器并联，这样相控阵激光雷达工作时，扫描不同位置就需要给各通道配置不同的电压，并且需要逐点优化各通道的电压值，才能完成相控阵激光雷达的扫描。会极大的降低相控阵激光雷达的工作效率，也增大了工作方式的复杂程度。
发明内容
本发明实施例提供一种相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法，解决了现有技术中极大的降低相控阵激光雷达的工作效率，也增大了工作方式的复杂程度的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种相控阵激光雷达，包括：SOI衬底，输入耦合器，分束器，调相器组，光学天线及保护层；
在所述SOI衬底中形成依次光路连接的所述输入耦合器，所述分束器，所述调相器组及所述光学天线，所述保护层位于所述输入耦合器，所述分束器，所述调相器组及所述光学天线的上方；
所述调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。
进一步地，如上所述的相控阵激光雷达，所述调相器组的组数为两组；
第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减的等比关系。
进一步地，如上所述的相控阵激光雷达，所述调相器为顶部加热型调相器；
所述顶部加热型调相器对应的波导上方设置金属加热电极，所述波导与所述金属加热电极间设置预设折射率材料层，所述预设折射率材料层的厚度大于或等于所述金属加热电极对所述波导中的光最大吸收距离。
进一步地，如上所述的相控阵激光雷达，所述调相器为集成加热型调相器；
所述集成加热型调相器对应的波导两侧设置有硅平板；所述至少一个硅平板中形成掺杂加热电极，所述掺杂加热电极与对应波导之间的距离大于所述掺杂加热电极中的掺杂粒子在硅平板中的最大扩散长度。
第二方面，本发明实施例提供一种相控阵激光雷达的扫描方法，所述调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极，所述方法包括：
确定所述调相器组中各调相器对应的基准电压值，所述各基准电压值形成基准电压列表；
在所述基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各所述调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表；
针对调相器组，将所述最小电压列表值中的最小电压值加到对应的调相器，并将各所述调相器的电压值线性增加至所述最大电压列表中对应的最大电压值，以完成输出光斑单次连续扫描。
进一步地，如上所述的方法，所述确定所述调相器组中各调相器对应的基准电压值，包括：
将各调相器对应的预设电压值加到对应的调相器；
获取所述预设电压值对应的光斑形态；
采用所述优化光斑的算法根据所述光斑形态，调整各调相器对应的电压值，直到达到全局最佳光斑形态；
将所述达到全局最佳光斑形态时各调相器对应的电压值确定为所述基准电压值。
进一步地，如上所述的方法，所述在所述基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各所述调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表，包括：
在所述基准电压列表的基础上，同时线性增大或减小各所述调相器相同的电压值；
获取所述光斑在反向最大角度或正向最大角度之一的最大角度时各所述调相器对应的电压值，以形成最小电压列表；
获取所述光斑在反向最大角度或正向最大角度另一最大角度时各所述调相器对应的电压值，以形成最大电压列表。
进一步地，如上所述的方法，还包括：
根据所述最大电压列表和最小电压列表确定电压差值点；
将各所述调相器的电压值按照所述电压差值点进行线性改变，以完成所述电压差值点对应差值角度的离散扫描。
进一步地，如上所述的方法，所述调相器组的组数为两组；
第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减关系；
所述第一调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第一最大电压列表和第一最小电压列表；所述第二调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第二最大电压列表和第二最小电压列表；
相应地，所述方法还包括：
控制所述第一调相器组和第二调相器组分时工作，以实现所述光斑的往返连续扫描。
进一步地，如上所述的方法，所述控制所述第一调相器组和第二调相器组分时工作，以实现所述光斑的往返扫描，包括：
控制所述第一调相器组供电且所述第二调相器组不供电；
将所述第一最大电压列表中的最大电压值加到所述第一调相器组中对应的调相器，并将所述第一调相器组中各所述调相器的电压值线性减小至所述第一最小电压列表中对应的最小电压值，再将所述第一调相器组中各所述调相器的电压值从所述第一最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至所述第一最大电压列表中对应的最大电压值，以完成所述光斑第一连续扫描；
控制所述第一调相器组不供电且所述第二调相器组供电；
将所述第二最大电压列表值中的最大电压值加到所述第二调相器组中对应的调相器，并将所述第二调相器组中各所述调相器的电压值线性减小至所述第二最小电压列表中对应的最小电压值，再将所述第二调相器组中各所述调相器的电压值从所述第二最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至所述第二最大电压列表中对应的最大电压值，以完成所述光斑第二连续扫描；
所述第一连续扫描与所述第二连续扫描构成往返连续扫描。
本发明实施例提供一种相控阵激光雷达及相控阵激光雷达的扫描方法，该相控阵激光雷达，包括：SOI衬底，输入耦合器，分束器，调相器组，光学天线及保护层；在SOI衬底中形成依次光路连接的输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线，保护层位于输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线的上方；调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。所以当各调相器中的波导中光的相位校准到一致或一定梯度，即确定各调相器的基准电压后，只需要各调相器组统一改变电压值，而不需要逐个方向去校准电压和光的相位，就可实现连续扫描。所以大大提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。
应当理解，上述发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的相控阵激光雷达的俯视结构示意图；
图2为本发明实施例一提供的相控阵激光雷达中SOI衬底的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例一提供的相控阵激光雷达中调相器中加热电极阵列的结构示意图；
图4为本发明实施例二提供的相控阵激光雷达中调相器组的结构示意图；
图5为本发明实施例二提供的相控阵激光雷达中顶部加热型调相器的结构示意图；
图6为本发明实施例二提供的相控阵激光雷达中集成加热型调相器的第一结构示意图；
图7为本发明实施例二提供的相控阵激光雷达中集成加热型调相器的第二结构示意图；
图8为本发明实施例三提供的相控阵激光雷达扫描方法的流程示意图；
图9为本发明实施例三提供的相控阵激光雷达扫描方法中步骤101的流程示意图；
图10为本发明实施例三提供的相控阵激光雷达扫描方法中步骤102的流程示意图；
图11为本发明实施例四提供的相控阵激光雷达扫描方法的流程示意图。
附图标记：
11-底部硅层 12-埋氧化层 13-顶部硅层 14-保护层 21-输入耦合器 22-分束器23-光学天线 31-第一调相器组 32-第二调相器组 311-波导 312-金属加热电极 313-硅平板 314-掺杂加热电极 315-正向等比加热电极阵列 321-反向等比加热电极阵列
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的实施例。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。
本发明实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明实施例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
以下参照附图来具体说明本发明的实施例。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的相控阵激光雷达的俯视结构示意图，如图1所示，则本实施例提供的相控阵激光雷达包括：SOI衬底，输入耦合器21，分束器22，调相器组31，光学天线23及保护层。
其中，在SOI衬底中形成依次光路连接的输入耦合器21，分束器22，调相器组31及光学天线23，保护层位于输入耦合器21，分束器22，调相器组31及光学天线23的上方。
具体地，如图2所示，该SOI衬底包括：底部硅层11，埋氧化层12和顶部硅层13。
其中，埋氧化层12位于底部硅层11和顶部硅层13的中间；
可选地，在本实施例中，选择常规标准CMOS工艺的SOI衬底，其中，底部硅层11的材料可以为硅，其厚度可以为500～600μm，埋氧化层12的材料可以为二氧化硅，其厚度可以为2μm，顶部硅层13的材料可以为硅，其厚度可以为220nm。
具体地，在顶部硅层13中形成输入耦合器21，分束器22，调相器组31及光学天线23。
具体地，本实施例中，输入耦合器21、分束器22、调相器组31及光学天线23之间采用对应的波导进行光路连接。
其中，波导为TE模单模波导，形状为脊形波导或者条形波导。
其中，输入耦合器21为端面耦合器或者光栅耦合器；分束器22为定向耦合器或者多模干涉耦合器。
其中，光学天线23为均匀分布光学天线，即波导间隔相同，并且各波导上光学天线结构完全一致，例如波导宽度、光栅周期、光栅占空比和光栅的刻蚀深度等参数均完全一致。光学天线23可以为阵列波导光栅天线，其中光栅为二级衍射光栅，光栅周期及占空比与工作波长相匹配，各波导上的光学天线结构完全一致，且各相邻波导间的间距完全相同，间距大于等于工作波长的一半。
具体地，本实施例中，保护层位于输入耦合器21，分束器22，调相器组31及光学天线23的上方，并且保护层完全覆盖相控阵激光雷达的芯片，保护层的材料是一种与CMOS工艺兼容且比硅折射率低的材料，保护层的厚度与工作波长相匹配，例如保护层的厚度为4μm，或其他数值，本实施例中对此不做限定。
本实施例中，调相器组中相邻调相器对应的波导311加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。
具体地，本实施例中，在调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度为加热电极的长度，则相邻调相器的加热电极间的长度呈单调递增或单调递减的等比关系。若在调相器组中有N根波导，每根波导311上具有加热电极，则相邻波导311上的加热电极的长度呈等比关系，并且第一根波导311至第N根波导311的加热电极的长度单调递增或单调递减。如在图3中则加热电极的长度呈单调递增的等比关系，则该呈单调递增的等比关系的加热电极构成正向等比加热电极阵列315。
值得说明的是，其中相邻调相器的加热电极间的长度呈等比关系，其比值的大小与相控阵激光雷达的调相器的个数有关，调相器的个数与相控阵激光雷达的通道数相同，即相控阵激光雷达的通道数越多，该比值需要设置的越小。否则会导致最长的一个加热电极太长，致使整个相控阵激光雷达的芯片很大，导致波导造成的光损耗很大，从而影响其性能。反之，相控阵激光雷达的通道数越少，则该比值可以设置的越大。
并且本实施例中，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。即可将调相器组中每个调相器的一极接地，另一极单独加入不同的电压值。
本实施例中，将调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极，能够在确定调相器组中各调相器对应的基准电压值后，可同时线性增加或减小加到各调相器的电压值，不需要逐点优化各通道的电压值，就可完成相控阵激光雷达的扫描。
更为具体地，若第n+1个调相器和第n个调相器之间的相位差为：
其中，为第n+1个调相器的相位，/>为第n个调相器的相位，/>是折射率随温度的变化率，ΔL是两个调相器之间的长度差，ΔT是两个调相器之间的温度差，λ是工作波长。则：
ΔL＝Ln+1-Ln (2)
其中，Ln+1是第n+1个调相器的长度，Ln第n个调相器的长度，ΔU是每个相控阵激光雷达通道的步进电压值，Rn+1是第n+1个调相器的电阻值，Rn第n个调相器的电阻值。本实施例中，调相器的厚度和宽度均一样，仅长度不同，故公式(3)可简化为：
因此，可简化为：
相似的，可得到为：
因为，相控阵激光雷达不同光学天线间的相位差需相等，才能正常工作，故有：
通过合并化简(5)-(7)式，可得：
通过(8)式，可知当采用等比加热电极阵列时，可以实现连续电压调节时，各通道间相位差仍保持相等的关系。所以同时线性增加或减小加到各调相器的电压值，不需要逐点优化各通道的电压值，就可完成相控阵激光雷达的扫描。
其中，调相器组中各调相器可以为顶部加热型调相器或集成加热型调相器，本实施例中对此不做限定。
具体地，本实施例中，在相控阵激光雷达工作时，输入耦合器21，用于将输入光耦合到相控阵激光雷达的芯片上。分束器22，用于对耦合到相控阵激光雷达芯片上的光波进行分束。调相器组，用于通过加电压偏制，调控波导311的折射率，进而改变各波导中的光波的相位。各波导中的光波通过调相器组调好相位后通过对应波导传输到光学天线23中发射至空间中。
本实施例提供的相控阵激光雷达，包括：SOI衬底，输入耦合器，分束器，调相器组，光学天线及保护层；在SOI衬底中形成依次光路连接的输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线，保护层位于输入耦合器，分束器，调相器组及光学天线的上方；调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极。所以当各调相器中的波导中光的相位校准到一致或一定梯度，即确定各调相器的基准电压后，只需要各调相器组统一改变电压值，而不需要逐个方向去校准电压和光的相位，就可实现连续扫描。所以大大提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。
实施例二
图4为本发明实施例二提供的相控阵激光雷达中调相器组的结构示意图，图。如图4所示，本实施例提供的相控阵激光雷达中调相器组，是在本发明实施例一提供的相控阵激光雷达的基础上，对调相器组的进一步细化，则本实施例提供的相控阵激光雷达还包括以下技术方案。
进一步地，本实施例中，调相器组的组数为两组。
其中，第一调相器组31中相邻调相器对应的波导311加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组32中相邻调相器对应的波导311加热长度间呈单调递减的等比关系。
具体地，如图4所示，两个调相器组的调相器的个数可以相同。如在图4中位于左侧的调相器组为第一调相器组31，在第一调相器组31中相邻调相器对应的波导311加热长度为加热电极的长度，则在第一调相器组31中相邻调相器的加热电极间的长度呈单调递增的等比关系。呈单调递增的等比关系的加热电极构成正向等比加热电极阵列315。若第一调相器组31中有N根波导311，每根波导311上具有加热电极，则相邻波导311上的加热电极的长度呈等比关系，并且第一根波导311至第N根波导311的加热电极的长度单调递增。
同理，在图4右侧的调相器组为第二调相器组32，在第二调相器组32中，相邻调相器的加热电极间的长度呈单调递减的等比关系。呈单调递减的等比关系的加热电极构成反向等比加热电极阵列321。若第二调相器组32中有N根波导311，每根波导311上具有加热电极，则相邻波导311上的加热电极的长度呈等比关系，并且第一根波导311至第N根波导311的加热电极的长度单调递减。
本实施例中，将调相器组设置为两个调相器组，可控制两个调相器组分时工作，实现相控阵激光雷达的往返扫描，并且在相控阵激光雷达的往返扫描过程中不需要逐点优化各通道的电压值，就可完成相控阵激光雷达的扫描，所以大大提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。
需要说明的是，该相控阵激光雷达具体扫描过程在下面提出的相控阵激光雷达扫描方法中详细说明。
可选地，本实施例中，如图5所示，调相器组中的调相器为顶部加热型调相器。
其中，顶部加热型调相器对应的波导311上方设置金属加热电极312，波导311与金属加热电极312间设置预设折射率材料层，预设折射率材料层的厚度大于或等于金属加热电极312对波导311中的光最大吸收距离。
具体地，在顶部加热型调相器对应的波导311上方设置金属加热电极312。还可在对应的波导311的两侧可设置硅平板313。在金属加热电极312与对应波导311之间通过预设折射率材料相隔开。该预设折射率材料为低折射率材料。该低折射率材料层的厚度大于或等于金属加热电极312对波导311中的光最大吸收距离，能够避免金属加热电极离对应的波导太近，会吸收波导中的光，从而造成较大的损耗的问题。
可选地，本实施例中，如图6所示，调相器组中的调相器为集成加热型调相器。
其中，集成加热型调相器对应的波导311两侧设置有硅平板313；至少一个硅平板313中形成掺杂加热电极314，掺杂加热电极314与对应波导311之间的距离大于掺杂加热电极314中的掺杂粒子在硅平板313中的最大扩散长度。
具体地，本实施例中，在集成加热型调相器对应的波导311两侧设置有硅平板313。如图6所示，可通过掺杂工艺在一个硅平板313内形成高电阻区域。该高电阻区域形成掺杂加热电极314。则在对集成加热型调相器进行加热时，可通过掺杂加热电极314对该集成加热型调相器的波导311进行加热。或者，如图7所示，可通过掺杂工艺在两个硅平板313内形成高电阻区域，两个高电阻区域均形成掺杂加热电极314。则在对集成加热型调相器进行加热时，可通过两个掺杂加热电极314对该集成加热型调相器的波导311进行加热。
本实施例中，掺杂加热电极与对应波导之间的距离大于高电阻区域中的掺杂粒子在硅平板中的最大扩散长度，能够避免掺杂加热电极与对应波导太近，会吸收波导中的光，从而造成较大的损耗的问题。
值得说明的是，如图5-图7所示，保护层14完全覆盖相控阵激光雷达的芯片。
实施例三
图8为本发明实施例三提供的相控阵激光雷达扫描方法的流程示意图，如图8所示，本实施例提供的相控阵激光雷达扫描方法是在实施例一提供的相控阵激光雷达的基础上执行的扫描方法，则本实施例提供的相控阵激光雷达的扫描方法包括以下步骤：
步骤101，确定调相器组中各调相器对应的基准电压值，各基准电压值形成基准电压列表。
其中，基准电压值为该相控阵激光雷达输出的光斑达到全局最佳光斑形态时对应的电压值。在输出光斑达到全局最佳光斑形态时，光强最强且主瓣和栅瓣位置与理论相符。由调相器组中各调相器对应的基准电压值构成基准电压列表。
作为一种可选实施方式，如图9所示，本实施例中，步骤101包括以下步骤：
步骤1011，将各调相器对应的预设电压值加到对应的调相器。
具体地，本实施例中，给调相器组供电，在各调相器中分别加入预设电压值，该预设电压值可以为同一电压值或不同电压值，本实施例中对此不做限定。在将预设电压值加到对应的调相器后，可调控波导的折射率，进而改变各波导中的光波的相位。各波导中的光波通过调相器组调好相位后通过光学天线中发射至空间中，在空间中会形成光斑。
步骤1012，获取预设电压值对应的光斑形态。
具体地，可采用摄像机或其他设备获取输出的光斑形态。
其中，在预设电压值的作用下，调相器组在输出光斑后，光斑形态与预设电压值是否为调相器最适合的电压值有关。若预设电压值为调相器最适合的电压值，则光斑形态为规则图案。否则光斑形态为不规则图案。
步骤1013，采用优化光斑的算法根据光斑形态，调整各调相器对应的电压值，直到达到全局最佳光斑形态。
具体地，本实施例中，根据光斑形态，采用优化光斑的算法确定调整后的各调相器对应的电压值，将调整后的各调相器对应的电压值加到对应的调相器上，继续获取各调相器对应的光斑形态，根据各调相器对应的光斑形态和判断是否达到全局最佳光斑形态。若达到全局最佳光斑形态，则光强最强且主瓣和栅瓣位置与理论相符，则说明满足最优扫描状态，否则确定未满足最优扫描状态，继续调整各调相器对应的电压值，直到光斑形态达到全局最佳光斑形态为止。
其中，优化光斑的算法可以为穷举法、梯度下降法、随机梯度下降法或其他优化算法，本实施例中对优化光斑的算法类型不做限定。
步骤1014，将达到全局最佳光斑形态时各调相器对应的电压值确定为基准电压值。
具体地，本实施例中，在光斑形态为全局最佳光斑形态时，获取各调相器对应的电压值，将该电压值确定为各调相器的基准电压值。
步骤102，在基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表。
作为一种可选实施方式，本实施例中，如图10所示，步骤102包括以下步骤：
步骤1021，在基准电压列表的基础上，同时线性增大或减小各调相器相同的电压值。
进一步地，本实施例中，在基准电压列表的基础上，给各调相器同时线性增大或减小相同的电压值，则各调相器对应通道内传输光的相位也都会同时线性增大或减小，所以输出光斑的形态仍然可以保持最佳形态，即光强仍然最强且主瓣和栅瓣位置与理论相符。所以在基准电压列表的基础上，同时线性增大或减小各调相器相同的电压值，可以实现相控阵激光雷达的连续扫描。
步骤1022，获取光斑在反向最大角度或正向最大角度之一的最大角度时各调相器对应的电压值，以形成最小电压列表。
步骤1023，获取光斑在反向最大角度或正向最大角度另一最大角度时各调相器对应的电压值，以形成最大电压列表。
具体地，本实施例中，可通过摄像头沿光斑扫描轨迹，分别确定光斑正向最大角度和反向最大角度。然后根据摄像头反馈的正向最大角度和反向最大角度，将正向最大角度或反向最大角度之一的最大角度对应的各调相器的电压值形成的电压列表作为最大电压列表，将正向最大角度或反向最大角度中另一最大角度对应的各调相器的电压值形成的列表作为最小电压列表。
例如，可将正向最大角度对应的各调相器的电压值形成的列表作为最大电压列表，将反向最大角度对应的各调相器的电压值形成的列表作为最小电压列表。
步骤103，针对调相器组，将最小电压列表值中的最小电压值加到对应的调相器，并将各调相器的电压值线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值，以完成输出光斑单次连续扫描。
具体地，本实施例中，将最小电压列表值中的电压值分别对应的加到各调相器上。将各调相器的电压值线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值，若最小电压列表与光斑的反向最大角度相对应，最大电压列表与光斑的正向最大角度相对应。则在将各调相器的电压值从最小电压列表中的最小电压值线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值的过程中，设置调相器组中每次各调相器线性增加的相同的电压值都是连续变化的，所以能够实现输出光斑从反向最大角度至正向最大角度的单次连续扫描。
本实施例提供的相控阵激光雷达的扫描方法，通过确定调相器组中各调相器对应的基准电压值，各基准电压值形成基准电压列表；在基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表；针对调相器组，将最小电压列表值中的最小电压值加到对应的调相器，并将各调相器的电压值线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值，以完成输出光斑单次连续扫描。由于调相器组中相邻调相器对应的波导311加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极，所以当各调相器中的波导中光的相位校准到一致或一定梯度，即确定各调相器的基准电压后，只需要各调相器组统一改变电压值，而不需要逐个方向去校准电压和光的相位，就可实现连续扫描。所以大大提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。
进一步地，本实施例中，在步骤102之后，还可以包括以下步骤：
步骤1041，根据最大电压列表和最小电压列表确定各调相器对应的电压中值。
具体地，本实施例中，获取最大电压列表和最小电压列表中各调相器的最大电压值和最小电压值，计算各调相器的最大电压值和最小电压值的均值，作为各调相器对应的电压中值。
步骤1042，将电压中值加到对应的调相器，以使光斑指向全扫描角的正中角度。
具体地，本实施例中，将电压中值加到对应的调相器，调相器调控波导311的折射率，进而改变各波导中的光波的相位，由光学天线发射至空间中后，形成的光斑指向全扫描角的正中角度，即指向反向最大角度和正向最大角度中的正中角度。
本实施例提供的相控阵激光雷达的扫描方法，在基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表之后，能够根据最大电压列表和最小电压列表确定各调相器对应的电压中值，将电压中值加到对应的调相器，以使光斑指向全扫描角的正中角度。提高了确定相控阵激光雷达全扫描角中正中角度的效率。
作为一种可选实施方式，本实施例中，在步骤102之后，还可以包括以下步骤：
步骤104a，根据最大电压列表和最小电压列表确定电压差值点。
具体地，本实施例中，可根据最大电压列表和最小电压列表中各调相器的最大电压值和最小电压值的特点确定电压差值点。该电压差值点是在每次调整各调相器对应的电压值时的间隔电压值。
步骤104b，将各调相器的电压值按照电压差值点进行线性改变，以完成电压差值点对应差值角度的离散扫描。
其中，差值角度为在各调相器每增加电压差值点后激光雷达对应的扫描角度。例如各调相器的电压差值点为0.5V，则各调相器在最小电压值的基础上，依次加上0.5V的电压后，激光雷达的扫描角度从反向最大角度，以5度的角度依次增加，每次增加5度后的扫描角度就为对应的差值角度。
具体地，本实施例中，将各调相器的电压值按照电压差值点进行线性增大或减小时，每次电压调整后的输出光斑指向对应的差值角度，若各调相器从最小电压列表值中的最小电压值以电压差值点为间隔线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值，则能够完成输出光斑从反向最大角度至正向最大角度的单次离散扫描，或者能够完成输出光斑从正向最大角度至反向最大角度的单次离散扫描。
本实施例提供的相控阵激光雷达的扫描方法，在基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表之后，能够根据最大电压列表和最小电压列表确定电压差值点，将各调相器的电压值按照电压差值点进行线性改变，实现了输出光斑指向全扫描角相应的差值角度，从而实现任意角度的随机离散扫描。
实施例四
图11为本发明实施例四提供的相控阵激光雷达扫描方法的流程示意图，如图11所示，本实施例提供的相控阵激光雷达扫描方法在实施例三提供的相控阵激光雷达扫描方法的基础上，通过控制第一调相器组和第二调相器组分时工作，实现光斑的往返连续扫描。其中，相控阵激光雷达的调相器组为两组；第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减关系；第一调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第一最大电压列表和第一最小电压列表；第二调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第二最大电压列表和第二最小电压列表。则本实施例提供的相控阵激光雷达扫描方法包括以下步骤：
步骤201，控制第一调相器组供电且第二调相器组不供电。
本实施例中，通过给第一调相器组供电并控制各调相器中的电压值，调节各各调相器通道波导内传输光的相位，此时第二调相器组不供电，即第二调相器组不工作。
步骤202，将第一最大电压列表中的最大电压值加到第一调相器组中对应的调相器，并将第一调相器组中各调相器的电压值线性减小至第一最小电压列表中对应的最小电压值，再将第一调相器组中各调相器的电压值从第一最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至第一最大电压列表中对应的最大电压值，以完成光斑第一连续扫描。
其中，可将第一最大电压列表与光斑的正向最大角度相对应，第一最小电压列表与光斑的反向最大角度相对应。
本实施例中，第一最大电压列表和第一最小电压列表是根据本发明实施例二中的步骤102确定出的第一调相器组中的最大电压列表和最小电压列表。
具体地，本实施例中，将第一最大电压列表值中的电压值分别对应的加到第一调相器组中各调相器上。将第一调相器组中各调相器的电压值线性减小至第一最小电压列表中对应的最小电压值，由于第一最大电压列表与光斑的正向最大角度相对应，第一最小电压列表与光斑的反向最大角度相对应。所以在将第一调相器组中各调相器的电压值从第一最大电压列表中的最大电压值线性减小至第一最小电压列表中对应的最小电压值的过程中，设置第一调相器组中每次各调相器线性减小的相同的电压值都是连续变化的，所以能够实现输出光斑从正向最大角度至反向最大角度的连续扫描。然后将第一调相器组中各调相器的电压值从第一最小电压列表中的最小电压值线性增大至第一最大电压列表中对应的最大电压值的过程中，设置第一调相器组中每次各调相器线性增大的相同的电压值都是连续变化的，所以能够实现输出光斑从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描。
其中，从正向最大角度至反向最大角度的连续扫描，并且从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描为第一连续扫描。例如第一调相器组的正向最大角度为0度，反向最大角度为120度，则第一调相器的第一连续扫描从0度连续扫描到120度，然后又从120度连续扫描到0度。
步骤203，控制第一调相器组不供电且第二调相器组供电。
具体地，本实施例中，在控制第一调相器组实现第一连续扫描后，通过给第二调相器组供电并控制各调相器中的电压值，调节各各调相器通道波导内传输光的相位，此时第一调相器组不供电，即第一调相器组不工作。
步骤204，将第二最大电压列表值中的最大电压值加到第二调相器组中对应的调相器，并将第二调相器组中各调相器的电压值线性减小至第二最小电压列表中对应的最小电压值，再将第二调相器组中各调相器的电压值从第二最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至第二最大电压列表中对应的最大电压值，以完成光斑第二连续扫描。
其中，将第二最大电压列表与光斑的反向最大角度相对应，第二最小电压列表与光斑的正向最大角度相对应。
具体地，本实施例中，将第二最大电压列表值中的电压值分别对应的加到第二调相器组中各调相器上。将第二调相器组中各调相器的电压值线性减小至第二最小电压列表中对应的最小电压值，由于第二最大电压列表与光斑的反向最大角度相对应，第二最小电压列表与光斑的正向最大角度相对应。所以在将第二调相器组中各调相器的电压值从第二最大电压列表中的最大电压值线性减小至第二最小电压列表中对应的最小电压值的过程中，设置第二调相器组中每次各调相器线性减小的相同的电压值都是连续变化的，所以能够实现输出光斑从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描。然后将第二调相器组中各调相器的电压值从第二最小电压列表中的最小电压值线性增大至第二最大电压列表中对应的最大电压值的过程中，设置第二调相器组中每次各调相器线性增大的相同的电压值都是连续变化的，所以能够实现输出光斑从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描。
其中，从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描，并且从反向最大角度至正向最大角度的连续扫描为第二连续扫描。例如第二调相器组的正向最大角度为0度，反向最大角度为-120度，则第二调相器的第二连续扫描从0度连续扫描到-120度，然后又从-120度连续扫描到0度。
所以第一连续扫描与第二连续扫描构成往返连续扫描。则通过控制第一调相器组和第二调相器组分时工作，以实现光斑的往返扫描时，该往返连续扫描将扫描的范围增大到原来单个调相器组的两倍。
值得说明的是，若步骤201-步骤204循环执行，则可实现相控阵激光雷达的多次往返连续扫描。
可以理解的是，根据步骤104a-步骤104b，也可实现相控阵激光雷达的往返离散扫描，具体的过程不再一一赘述。
本实施例提供的相控阵激光雷达的扫描方法，通过控制第一调相器组供电且第二调相器组不供电；将第一最大电压列表中的最大电压值加到第一调相器组中对应的调相器，并将第一调相器组中各调相器的电压值线性减小至第一最小电压列表中对应的最小电压值，再将第一调相器组中各调相器的电压值从第一最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至第一最大电压列表中对应的最大电压值，以完成光斑第一连续扫描；控制第一调相器组不供电且第二调相器组供电；将第二最大电压列表值中的最大电压值加到第二调相器组中对应的调相器，并将第二调相器组中各调相器的电压值线性减小至第二最小电压列表中对应的最小电压值，再将第二调相器组中各调相器的电压值从第二最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至第二最大电压列表中对应的最大电压值，以完成光斑第二连续扫描；第一连续扫描与第二连续扫描构成往返连续扫描。由于第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减关系，第一调相器组和第二调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极，所以能够控制第一调相器组和第二调相器组分时工作，来实现光斑的往返连续扫描。该往返连续扫描将扫描的范围增大到原来单个调相器组的两倍。当第一调相器组或第二调相器组中各调相器中的波导中光的相位校准到一致或一定梯度，即确定第一调相器组或第二调相器组中各调相器的基准电压后，只需要第一调相器组或第二调相器组中各调相器组统一改变电压值，而不需要逐个方向去校准电压和光的相位，就可实现往返连续扫描。所以大大提高了相控阵激光雷达的工作效率，降低了工作的复杂程度。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种相控阵激光雷达的扫描方法，其特征在于，调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极，所述方法包括：
确定所述调相器组中各调相器对应的基准电压值，所述各基准电压值形成基准电压列表；
在所述基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各所述调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表；
针对调相器组，将所述最小电压列表值中的最小电压值加到对应的调相器，并将各所述调相器的电压值线性增加至所述最大电压列表中对应的最大电压值，以完成输出光斑单次连续扫描。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述调相器组中各调相器对应的基准电压值，包括：
将各调相器对应的预设电压值加到对应的调相器；
获取所述预设电压值对应的光斑形态；
采用优化光斑的算法根据所述光斑形态，调整各调相器对应的电压值，直到达到全局最佳光斑形态；
将所述达到全局最佳光斑形态时各调相器对应的电压值确定为所述基准电压值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各所述调相器的电压值，以获取最大电压列表和最小电压列表，包括：
在所述基准电压列表的基础上，同时线性增大或减小各所述调相器相同的电压值；
获取所述光斑在反向最大角度或正向最大角度之一的最大角度时各所述调相器对应的电压值，以形成最小电压列表；
获取所述光斑在反向最大角度或正向最大角度另一最大角度时各所述调相器对应的电压值，以形成最大电压列表。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
根据所述最大电压列表和最小电压列表确定电压差值点；
将各所述调相器的电压值按照所述电压差值点进行线性改变，以完成所述电压差值点对应差值角度的离散扫描。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述调相器组的组数为两组；
第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减关系；
所述第一调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第一最大电压列表和第一最小电压列表；所述第二调相器组对应的最大电压列表和最小电压列表分别为第二最大电压列表和第二最小电压列表；
相应地，所述方法还包括：
控制所述第一调相器组和第二调相器组分时工作，以实现所述光斑的往返连续扫描。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制所述第一调相器组和第二调相器组分时工作，以实现所述光斑的往返扫描，包括：
控制所述第一调相器组供电且所述第二调相器组不供电；
将所述第一最大电压列表中的最大电压值加到所述第一调相器组中对应的调相器，并将所述第一调相器组中各所述调相器的电压值线性减小至所述第一最小电压列表中对应的最小电压值，再将所述第一调相器组中各所述调相器的电压值从所述第一最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至所述第一最大电压列表中对应的最大电压值，以完成所述光斑第一连续扫描；
控制所述第一调相器组不供电且所述第二调相器组供电；
将所述第二最大电压列表值中的最大电压值加到所述第二调相器组中对应的调相器，并将所述第二调相器组中各所述调相器的电压值线性减小至所述第二最小电压列表中对应的最小电压值，再将所述第二调相器组中各所述调相器的电压值从所述第二最小电压列表中对应的最小电压值线性增大至所述第二最大电压列表中对应的最大电压值，以完成所述光斑第二连续扫描；
所述第一连续扫描与所述第二连续扫描构成往返连续扫描。
7.一种相控阵激光雷达，用于实现如权利要求1-6所述的方法，其特征在于，包括：SOI衬底，输入耦合器，分束器，调相器组，光学天线及保护层；
在所述SOI衬底中形成依次光路连接的所述输入耦合器，所述分束器，所述调相器组及所述光学天线，所述保护层位于所述输入耦合器，所述分束器，所述调相器组及所述光学天线的上方；
所述调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增或单调递减的等比关系，调相器组中各调相器共用负极且具有独立的正极；
当针对所述调相器组，将最小电压列表值中的最小电压值加到对应的调相器，并将各调相器的电压值线性增加至最大电压列表中对应的最大电压值，则可以完成输出光斑单次连续扫描；其中，所述最大电压列表和所述最小电压列表，是在所述基准电压列表的基础上，同时线性改变加到各所述调相器的电压值获取的，所述基准电压列表包含所述调相器组中各调相器对应的基准电压值。
8.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述调相器组的组数为两组；
第一调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递增的等比关系，第二调相器组中相邻调相器对应的波导加热长度间呈单调递减的等比关系。
9.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述调相器为顶部加热型调相器；
所述顶部加热型调相器对应的波导上方设置金属加热电极，所述波导与所述金属加热电极间设置预设折射率材料层，所述预设折射率材料层的厚度大于或等于所述金属加热电极对所述波导中的光最大吸收距离。
10.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述调相器为集成加热型调相器；
所述集成加热型调相器对应的波导两侧设置有硅平板；至少一个所述硅平板中形成掺杂加热电极，所述掺杂加热电极与对应波导之间的距离大于所述掺杂加热电极中的掺杂粒子在硅平板中的最大扩散长度。
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