CN113671509A - 一种大能量多通道激光雷达光束切换方法 - Google Patents

一种大能量多通道激光雷达光束切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大能量多通道雷达光束切换方法，组成元件包括多模泵浦激光器和MEMS开关，具体步骤为：通过调节多模泵浦驱动电路中的滤波电容，减少驱动电压的上升沿及下降沿的时间，使得开关光的需求时间内；通过调整光开关通道切换顺序，采用多模泵浦激光器，当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦激光器，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，直至切换完成后，再使多模泵浦激光器出光，保持多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。该方法能够保证雷达数据高有效性的前提下，控制MEMS光开关与光路出光时序的配合，使得光学部分设计简单紧凑，雷达体积小型化，且在长时间以2‑10Hz频率切换光开关通道的情况下，提升MEMS光开关的可靠性。

Description

一种大能量多通道激光雷达光束切换方法
技术领域
本发明属于激光雷达系统的技术领域，特别是涉及一种大能量多通道雷达光束切换方法。
背景技术
激光雷达一般由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统通过激光器发射激光照射目标，接收系统采用望远镜接收目标的回光信号并通过光电探测器将光信号转换为电信号输出给信息处理系统。通过数据分析出回光信号的强度、波长、频率等信息，推算被测目标的一些距离、速度、姿态甚至形状等信息。见图1雷达发射系统的原理图中，发射系统一般通过由种子激光器模块、光纤放大器模块、调制器、分束器、耦合器、探测器、光开关及望远镜构成。
当前激光雷达系统中，要反演三维风场至少需要三个方向的风速值，所以引入1x4的光开关配合望远镜，得到4个方向的风速值来反演风场信息。目前常规的MEMS开关的工作原理：主要由两部分组成，一部分是光路部分，另一部分则是通过刻蚀技术制成的微反射镜。光学部分由光纤阵列和微透镜构成。光纤阵列用于固定输入输出光纤，有利于光路调节。微透镜作用为将从光纤输出的高斯光束准直为束腰较大而发散角较小的光束，以增加高斯光束的工作距离，并将从微反射镜的高斯光束耦合为束腰较小的光束以提高高斯光束在输出光纤中的耦合效率。光纤阵列端面和微透镜表面采用8°楔角可以提高回波损耗。
整个光路为从输入光纤输出的高斯光束，经微透镜准直，入射到微反射镜上；经微反射镜反射后的光束经过微透镜后，耦合进输出光纤中，完成了在光开关中的传输。随着微反射镜转动到不同位置(外加电压驱动微反射镜小角度转动)，依次实现开关各个通道的接通与关断。设计上的优点为输入输出光束均通过同一个微透镜，使得光学部分结构紧凑简单，便于器件的小型化，原理图如图2所示。
目前MEMS光开关一般使用于通信领域，但是由于脉冲式激光雷达的功率与一般通信领域所使用的的光功率相比，功率较高、切换频率较高，当高能量密度的光在通道切换时会扫过光纤阵列间隙中的胶水，热量在高频率切换时无法及时散去，热量积累导致胶水汽化，汽化的胶水微粒吸附在光纤阵列的端面上，高功率的光扫过时，就会将光纤端面的膜层烧毁，从而导致开关的插损及回损的严重恶化。
现有方案中对光纤表面进行扩束，使得光斑变大，从而能降低光的能量密度，起到保护膜层的作用。由图2可知，MEMS开关结构紧凑、小型化，通过微反射镜反射耦合至输出光纤时，扩束后光束的光斑变大，在准确耦合方面增加了调试难度，且保偏光纤需要进行“猫眼”对准，扩束后，在保偏对准方面的调试难度也有所增加，则在MEMS开关生产过程中的良品率会有所下降，从而增加其成本，进而增加了激光雷达成本的。并且扩束仅使光斑能量密度变小，只保证了在镀了高功率膜层的端面不易被烧坏，但当光开关通道间切换时，光还是会扫过阵列间隙的胶水，长时间的热量积累，胶水还是有被汽化的风险。
而现有技术不对MEMS开关内部结构方面做更改，是通过控制外部环境，即对输入开关的光进行同步开关的方式，使得在光开关切换过程中，关闭多模泵浦，减小输入MEMS开关的功率，因此不会在光纤阵列间隙的胶水中累积热量导致胶水汽化，避免了膜层被烧毁的风险，提高了MEMS开关的寿命，操作方便简单，不增加成本，并且提高的脉冲式激光雷达的可靠性。
发明内容
技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明首先调节多膜泵浦驱动电路中的滤波电容，来减小驱动电压的上升沿及下降沿的时间，满足快速开关光的需求(2ms以内)；在此前提下，针对光开关通道切换顺序进行控制。采用多模泵浦关光方案，当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，等切换完成后，我们再使多模泵浦出光，然后使得多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。
本发明提供的一种大能量多通道激光雷达光束切换方法，该方法的组成元件包括多模泵浦激光器和MEMS开关，具体步骤为：
(1)通过调节多模泵浦驱动电路中的滤波电容，减少驱动电压的上升沿及下降沿的时间，使得开关光的需求时间内；
(2)通过调整光开关通道切换顺序，采用多模泵浦激光器，当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦激光器，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，直至切换完成后，再使多模泵浦激光器出光，保持多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。
作为改进，步骤(2)能够替换为对MEMS开关的光纤阵列表面进行扩束处理。
作为改进，通过对滤波电容C18进行调节容值，将多模泵浦激光器开关光的上升沿及下降沿限定在不大于2ms。
作为改进，步骤(2)包括
(a)使用外部逻辑器件进行精准时序控制MEMS通道切换顺序为1-2-3-4-1的口字型循环切换顺序，切换频率为2-10Hz；
(b)通道切换时，首先切换MEMS光开关通道位置，然后打开多模泵浦激光器，等待固定时间后，再关闭多模泵浦，再进行MEMS光开关通道切换。
作为改进，步骤(2)具体的步骤为：
(21)激光雷达上电，将激光器进行初始化处理；
(22)将多模泵浦激光器设置为关闭状态，并进行等待T1时间；
(23)采用外部逻辑器件通过信号时序将MEMS开关由1通道切换到2通道，并等待T2-T1时间；
(24)打开多模泵浦激光器，等待T3时间；
(25)采用外部逻辑器件通过信号时序并保持T4时间长度后，关闭数字采样使能，同时关闭多模泵浦开关；
(26)循环(22)～(25)，继续下一次通道切换，来完成一个周期T5的通道切换周期，且完成2-10Hz频率下，按照顺序1-2-3-4-1切换通道，及回光信号采集与处理。
有益效果：本发明提出的方法能够保证雷达数据高有效性的前提下，控制MEMS光开关与光路出光时序的配合，使得光学部分设计简单紧凑，雷达体积小型化，且在长时间以2-10Hz,尤其是4Hz的频率切换光开关通道的情况下，提升MEMS光开关的可靠性。
同时与现有的常规相比，具有以下优势和改进：
(1)简化光学部分结构，引入MEMS光开关器件，控制输入输出光束均通过同一个透镜，通过变换光开关中微反射镜转动到不同的位置(外加电压驱动微反射镜小角度转动)，依次实现开关各个通道的接通与关断，从而实现光脉冲信号最终从不同望远镜发射。
(2)解决在环境温度过高(70°以上)，MEMS开关在通道切换过程中高能量密度的光打在光纤阵列缝隙中的胶水上，该部分热散不出去，导致胶水汽化，汽化的胶水颗粒吸附在光纤端面，从而打坏膜层，引发器件插损和回损发生变化，甚至不出光等现象最终导致光开关使用寿命急剧缩短问题。
(3)采用多模泵浦关光方案，当外围逻辑器件控制MEMS开关通道切换的同时，关闭多模泵浦，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，等切MEMS开关通道切换完成后，再控制多模泵浦出光，最终实现多模泵浦开关光与MEMS切换光同步，进而提高器件的耐受功率(使用寿命)。
附图说明
图1为背景技术中雷达发射系统的原理图。
图2为背景技术中MEMS开关的结构原理图。
图3为本发明多模泵浦驱动电路示意图。
图4为本发明调节前多模泵浦开关光边沿的波形图。
图5为本发明调节后多模泵浦开关光边沿的波形图。
图6为本发明光束切换过程中多种通道下的开关及信号状态示意图。
图7为本发明MEMS光开关老化测试图。
图8为本发明MEMS光开关插损和回损测试框图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明中大能量多通道激光雷达光束切换方法，是针对现有的在激光雷达设计过程中，由于MEMS光开关的器件自身特性，如果在当前高峰值功率脉冲光输出的情况下，如果直接单一控制MEMS出光通道切换，会导致MEMS光开关在短期内产生导致胶水汽化，打坏膜层，引发器件插损和回损发生变化，甚至不出光等现象，最终直接导致数据有效性降低，雷达性能降低甚至无法使用的背景下进行的改进。
具体内容为：首先调节多膜泵浦驱动电路中的滤波电容，来减小驱动电压的上升沿及下降沿的时间，满足快速开关光的需求，优选地2ms以内；在此前提下，针对光开关通道切换顺序进行控制，采用多模泵浦关光方案。当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，等切换完成后，再使多模泵浦出光，然后使得多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。
作为本发明的具体实施方式，本发明还可以通过对MEMS开关的光纤阵列表面进行扩束，降低输出光的能量密度，给光纤阵列端面镀高功率膜层，提高膜层的耐受阈值。
具体实施例：
图3为本发明多模泵浦驱动电路具体是：通过调节多膜泵浦驱动电路中的滤波电容，来减小驱动电压的上升沿及下降沿的时间，满足快速开关光的需求(2ms以内)；具体地需要调节图中方框内的C18电容的容值来实现。
调节前多膜泵浦开关光边沿如图4所示，关光时间5ms左右；调节后多模泵浦开关光边沿如图5所示，多膜泵浦开关关光时间为1.6ms，已经达到小于2ms的需求；由以上的可以得出实验结果：通过调节电路上C18的容值，能够达到多膜泵浦开关光达到边沿2ms以内的要求。为了进一步地详细介绍本发明的方法，以以下实施例进行说明。
使用外部逻辑器件进行精准时序控制MEMS通道切换顺序为1-2-3-4-1的口字型循环切换顺序，切换频率为2-10Hz，优选为4Hz。
通道切换时，首先切换MEMS光开关通道位置，然后打开多模泵浦，等待固定时间后，先关闭多模泵浦，再进行MEMS光开关通道切换；这样可以保证在切换MEMS通道期间，没有光功率输出打在光开关的胶水或者膜层之上。
光开关控制时序工作过程如下：
1.雷达上电，控制激光器初始化；
2.首先控制多膜泵浦关闭，并等待时间T1(4ms)后；
3.逻辑控制单元通过多根TTL电平信号控制MEMS光开关由1通道切换到2通道，并等待T2-T1(23ms)后；
4.打开多膜泵浦开关使能，继续等待T3(3ms)；
5.逻辑控制单元产生数据采样使能并保持T4(220ms)的时间长度后，关闭数字采样使能，同时关闭多模泵浦开关；
5.循环(2～5)步骤，继续下一次通道切换；
以此完成一个周期T5(250ms)的通道切换周期；并保证雷达通道以4Hz的频率按顺序1-2-3-4-1稳定切换各个通道，并在数字采样使能有效的情况下进行216.667ms的回光信号采集与处理，见图6。
本发明通过图7的MEMS开关老化测试图及图8的MEMS开关插损和回损测试框图来进行对上述技术方案的测试和验证，具体内容如下。
图7可知，测试原理图包括由种子源、分束器、声光调制器及放大模块输出激光雷达所需功率的脉冲激光，取一支MEMS光开关，按图8进行测试MEMS开光初始插、回损值并记录，然后按图7，来接入光路进行加速老化测试(开关进行温度加速，正常工作温度为25℃，加速老化温度为85℃)，老化一段时间后，再按照图8，复测其插损、回损值，老化前后插损值变化小于0.5dB、回损值变化小于3dB即为合格。
具体插损、回损测试方法为：记录ASE光源(宽带光源)经过环形器2端口功率P0(单位dBm)作为光开关输入功率，然后将测试工装调整为手动切换模式，通过测试工装切换光开关通道，记录光开关各输出端功率P1和环形器3端口功率P2,环形器port2→port3插损为P3,插损和回损计算公式分别为：
插损：P0-P1-0.3，单位dB
回损：P0-P2-P3-0.6，单位dB
测试结果为表1所示：
表1关光方案老化开关前后数据
Figure BDA0003213420270000061
根据加速老化公式：AF＝exp{(Ea/k)·[(1/Tu)-(1/Tt)]}(其中AF为加速倍数，Ea为器件激活能，此开关取0.6eV计算，K为玻尔兹曼常数，取k＝8.617385×10-5)，Tu为使用条件的温度：25℃，即298.15开尔文，Tt为加速条件下的温度：85℃，即358.15开尔文)，则此老化条件下的加速倍数约为50倍。
加速老化测试816h，相当于正常工作了约4.65年，由表1结果证明，关光方案有效地保护了MEMS开关的膜层，很好地延长了其在高功率脉冲激光的使用条件下的寿命，有利于提高开关可靠性，从而提高了激光雷达的可靠性。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种大能量多通道雷达光束切换方法，其特征在于：该方法的组成元件包括多模泵浦激光器和MEMS开关，具体步骤为：
(1)通过调节多模泵浦驱动电路中的滤波电容，减少驱动电压的上升沿及下降沿的时间，使得开关光的需求时间内；
(2)通过调整光开关通道切换顺序，采用多模泵浦激光器，当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦激光器，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，直至切换完成后，再使多模泵浦激光器出光，保持多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。
2.根据权利要求1所述大能量多通道雷达光束切换方法，其特征在于：步骤(2)能够替换为对MEMS开关的光纤阵列表面进行扩束处理。
3.根据权利要求1所述大能量多通道雷达光束切换方法，其特征在于：通过对滤波电容C18进行调节容值，将多模泵浦激光器开关光的上升沿及下降沿限定在不大于2ms。
4.根据权利要求1所述大能量多通道雷达光束切换方法，其特征在于：步骤(2)包括
(a)使用外部逻辑器件进行精准时序控制MEMS通道切换顺序为1-2-3-4-1的口字型循环切换顺序，切换频率为2-10Hz；
(b)通道切换时，首先切换MEMS光开关通道位置，然后打开多模泵浦激光器，等待固定时间后，再关闭多模泵浦，再进行MEMS光开关通道切换。
5.根据权利要求4所述大能量多通道雷达光束切换方法，其特征在于：步骤(2)具体的步骤为：
(21)激光雷达上电，将激光器进行初始化处理；
(22)将多模泵浦激光器设置为关闭状态，并进行等待T1时间；
(23)采用外部逻辑器件通过信号时序将MEMS开关由1通道切换到2通道，并等待T2-T1时间；
(24)打开多模泵浦激光器，等待T3时间；
(25)采用外部逻辑器件通过信号时序并保持T4时间长度后，关闭数字采样使能，同时关闭多模泵浦开关；
(26)循环(22)～(25)，继续下一次通道切换，来完成一个周期T5的通道切换周期，且完成2-10Hz频率下，按照顺序1-2-3-4-1切换通道，及回光信号采集与处理。
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