CN114966717A - 一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统,包括基于硅光相控阵的多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式,所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块。本发明的硅光相控阵多线发射模块能够发射竖向排列的多个不同出射角度的准直光束,通过集成的氮化硅波导模块和硅波导模块确保多个光束输出功率较高,即多个准直光束发射、每个准直光束功率密度高,能量集中,探测距离较远,该光学相控阵激光雷达不需要宽谱段可调谐激光器即可完成探测,对光源要求低,不需要高成本宽谱段可调谐激光器即可完成三维场景的探测和感知。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域,具体为一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统。
背景技术
硅基光学相控阵是通过CMOS兼容的加工工艺,将复杂的光学元件集成到单颗芯片中,实现光束指向的控制。因此基于硅光相控阵技术的激光雷达具有集成度高、可芯片化集成的特点,能够极大的降低产品的生产成本、提高适用性,被认为是下一代调频连续波(FMCW)固态激光雷达的主要技术发展方向。
调频连续波激光雷达的基本原理是将单个功率较高、出射角度可操纵的准直光束发射到自由空间中,当光束照射到目标物体表面一点后产生漫反射,随后反射信号被光学系统收集并与本振信号拍频后进入探测单元,通过算法对探测单元输出的拍频信号解调即可得到该反射点的距离信息和速度信息。
目前,主流的激光雷达利用MEMS技术或机械方式对光束指向进行控制,从而获得探测视场内二维场景的距离信息和速度信息。其中所述激光器的输出波长在中心波长位置附近连续变化,且变化范围极小。因此可以采用普通的窄线宽激光器,上述激光器可通过改变注入电流或改变腔内温度实现小范围的波长调制。
但是,上述技术集成度较低,没有完全固态化,整体成本难以控制,硅光相控阵技术具有实现全固态化的潜力,但是传统相控阵的激光雷达方案具有成本较高、输出功率受限、实现困难的缺点,具体可以解释如下:
从大领域来看,激光雷达技术逐渐转向固态化,提供了全固态方案,传统激光雷达存在集成度低、成本高、尺寸大的缺点。硅基光学相控阵技术可以对出射光束的指向进行二维操控,但在实际应用时,一般采用波导光栅阵列生成单个近似准直光束。通过改变入射光波长,可以实现纵向的角度调控,阵列的相位调控则可以操控光束横向出射角度,结合两种调控方式,可以在二维平面调整光束指向,出射的单个准直光束照射到物体表面一点后,通过探测模块接收反射光并进行处理可以获得该点的距离信息。
上述方案存在以下几个问题:1、上述方案中要求激光器波长调谐范围较大(100nm)才能实现纵向<20°的光束偏转范围,因此对激光器的成本要求极高,难以降低成本。需要寻找一种能够兼容普通激光器(波长可以调节,但范围极小,例如商用的DFB激光器)的雷达方案来降低整体成本。2、传统纯硅波导的硅光相控阵由于双光子吸收和非线性效应难以承载较高的光功率,从而导致发射模块输出功率较低,探测距离受限。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统,具有准直光束功率密度高,能量集中,探测距离较远的优点。
为达成上述目的,本发明提出如下技术方案:一种基于准直光束的侦测系统,包括硅光相控阵多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块,所述氮化硅波导模块用于对大功率信号进行耦合和分光,硅波导模块用于调控发射低功率信号,进而提高准直光束输出功率;
还包括多个级联的波导光栅,并形成阵列形式,多个级联的波导光栅将发射准直光束调整为多个竖直排列的准直光束,提高单点的功率密度。
进一步的,在本发明中,所述氮化硅波导模块包括氮化硅耦合器、氮化硅波导、氮化硅分光器和垂直耦合器,所述硅波导模块包括硅波导,所述氮化硅耦合器用于接收光源中的发射信号,所述氮化硅耦合器通过氮化硅波导将发射信号传递给氮化硅分光器,所述氮化硅分光器将发射信号均匀分为多路信号,多路信号再经垂直耦合器后将输出光耦合至硅波导中。
进一步的,在本发明中,所述硅光相控阵多线发射模块包括移相器,每个信号经硅波导集成至移相器,经过调相后的光信号分别进入多个级联的波导光栅阵列中。
进一步的,在本发明中,所述移相器为电光移相器或者热光移相器。
进一步的,在本发明中,每个级联包含的波导光栅的周期和扰动强度均不相同,不同级联的横向对应分布的波导光栅的周期和扰动强度均相同,进而使得每一组横向分布光栅阵列出射光在第一平面上角度不同,定义波导光栅1出射角度对应光束1,波导光栅2出射角度对应光束2,波导光栅n出射角度对应光束n,通过横向相干,每个波导光栅能够独立的形成近似的准直光束。
进一步的,在本发明中,还包括光源、接收模块和控制处理单元;
所述光源用于生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块;
所述接收模块包括接收天线和云点匹配光学系统,所述接收天线包括光栅耦合器阵列,所述光栅耦合器阵列数量决定了雷达系统的分辨点数,纵向排列的光栅耦合器个数与硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束的总数量是匹配的,横向排列的光栅耦合器数量与该激光雷达系统的横向分辨点数是匹配的;
云点匹配光学系统包括透镜,当硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束同时照射到待测物体表面后,产生的反射光经过透镜被接收天线收集,其中接收天线平面置于透镜的后焦面,接收天线能够接收特定角度的入射光,每一行接收天线参数相同,且接收角度一致,接收天线通过与本振信号相干拍频后输出至控制处理单元,接收模块得到本振信号相干拍频后输出和待测物体表面产生的反射光后即可得到多个反射点处的距离和速度信息信息。
进一步的,在本发明中,所述硅光相控阵多线发射模块集成在芯片上;
所述接收模块集成在芯片上。
进一步的,在本发明中,所述控制处理单元分别与光源、硅光相控阵多线发射模块和接收模块连接;
所述控制处理单元控制光源,所述控制处理单元通过调整注入电流对光源输出信号波长产生调制;
所述控制处理单元控制硅光相控阵多线发射模块,所述控制处理单元通过控制硅光相控阵多线发射模块的阵列中每个单元的相位,进而能够同时调整所有出射的准直光束横向发射角度;
所述控制处理单元控制接收模块,所述控制处理单元接收并处理接收模块中每个接收天线接收的发射光信号与本振信号,分析计算出对应角度处激光云点的距离信息。
一种基于准直光束的侦测方法,所述方法基于上述的一种基于准直光束的侦测系统,包括如下步骤:
S1:光源生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块;
S2:硅光相控阵多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束并照射到待测物体上,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
S3:当多个准直光束照射到待测物体的会产生多个反射信号,并被接收模块同时接收并通过控制处理单元解调,并获得准直光束扫描范围内的3D场景信息。
一种激光雷达系统,所述激光雷达系统具有上述的一种基于准直光束的侦测系统,或者上述一种基于准直光束的侦测方法。
有益效果,本申请的技术方案具备如下技术效果:
1、本发明的硅光相控阵多线发射模块能够发射竖向排列的多个不同出射角度的准直光束,通过集成的氮化硅波导模块和硅波导模块确保多个光束输出功率较高,即多个准直光束发射、每个准直光束功率密度高,能量集中,探测距离较远,该光学相控阵激光雷达不需要宽谱段可调谐激光器即可完成探测,对光源要求低,不需要宽谱段可调谐激光器即可完成三维场景的探测和感知。
2、本发明发射的准直线束可扩展,进而面向高分辨率应用。
应当理解,前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见,或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中,在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见,在每个图中,并非每个组成部分均被标记。现在,将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例,其中:
图1为本发明系统架构示意图。
图2为本发明硅光相控阵多线发射模块的结构示意图。
图3为本发明硅光相控阵多线发射模块出射准直光束的典型样例图。
图4为本发明接收模块的接收示意图。
图5为本发明接收模块的接收示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容,特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面,附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解,上面介绍的多种构思和实施例,以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施,这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外,本发明公开的一些方面可以单独使用,或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
如图1所示,一种基于准直光束的侦测系统,包括光源、硅光相控阵多线发射模块、接收模块和控制处理单元。
所述光源用于生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块。
硅光相控阵多线发射模块能够生成竖直方向排列的多个准直光束,且每个光束的角度指向不同,且角度间隔遵循预设的规律,每个准直光束为表示一线,例如竖直方向生成有三个准直光束,则表示为三线激光雷达系统,当多个准直光束照射到待测物体的会产生多个反射信号,并被接收模块同时接收并通过控制处理单元解调。
具体的硅光相控阵多线发射模块实施例如下:
所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
如图2所示,所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块,所述氮化硅波导模块用于对大功率信号进行耦合和分光,硅波导模块用于调控发射低功率信号,进而提高准直光束输出功率。
所述氮化硅波导模块包括氮化硅耦合器、氮化硅波导、氮化硅分光器和垂直耦合器,所述硅波导模块包括硅波导,所述氮化硅耦合器用于接收光源中的发射信号,所述氮化硅耦合器通过氮化硅波导将发射信号传递给氮化硅分光器,所述氮化硅分光器将发射信号均匀分为多路信号,多路信号再经垂直耦合器后将输出光耦合至硅波导中。
所述硅光相控阵多线发射模块还包括多个级联的波导光栅和移相器,波导光栅形成阵列形式,多个级联的波导光栅将发射准直光束调整为多个竖直排列的准直光束,提高单点的功率密度,每个信号经硅波导集成至移相器,所述移相器为电光移相器或者热光移相器,经过调相后的光信号分别进入多个级联的波导光栅阵列中。
进一步的,在本实施例中,每个级联包含的波导光栅的周期和扰动强度均不相同,不同级联的横向对应分布的波导光栅的周期和扰动强度均相同,进而使得每一组横向分布光栅阵列出射光在第一平面上角度不同,定义波导光栅1出射角度对应光束1,波导光栅2出射角度对应光束2,波导光栅n出射角度对应光束n,通过横向相干,每个波导光栅能够独立的形成近似的准直光束。
如图3所示,硅光相控阵多线发射模块出射准直光束的典型样例,当阵列的近场相位面对齐时(相位梯度为0),如下图所示,在远场产生了n个光束。在一定规律的相位控制后(产生固定相位梯度),所有光束指向发生横向的偏转。
另外,在硅光相控阵多线发射模块的其他实施例中,可以进行如下设置,每个通路内波导光栅在第一平面内长度约较短,波导光栅之间有若干微米的波导作为时延段。通过所有光栅阵列的共同作用,生成纵向一系列不同发射角度的近似准直光束,光束1,光束2,……光束n的强度不同,但角度间隔相同。在第二平面内所有光束指向可通过控制阵列相位进行操纵。
所述硅光相控阵多线发射模块集成在芯片上,硅光相控阵多线发射模块全固态,不需进行要额外的光束整形,实施简单、发射芯片尺寸较小,损耗低。线束数量和线束角度由结构参数决定。通过调整光栅阵列的设计,线束数量可扩展,可以并行设置一个或多个相控阵芯片,进一步扩大线束数量,扩展分辨点数。
采用氮化硅波导-硅波导多层结构,氮化硅波导模块用于承载传到功率较强的光信号,经氮化硅分光器分光后,每路信号的功率缩小为M倍,并能够被硅波导及衍生器件承载。如在不考虑损耗的前提下,输入光能量强度约为1W,分为1000路后,每个硅波导通路能量仅为1mW。该方式相比于只包含硅波导的光学相控阵,能够极大的提高相干合成后的光束发射功率,提高探测效率。
通过调整阵列的相位,能够同时操控所有准直光束在第二平面的指向。具体实施时需要注意的点在于:每个光栅阵列的扰动形式可以是硅波导直接刻蚀、顶层氮化硅、多晶硅薄膜刻蚀获得。光栅阵列底部可制作反射层,提高能量输出效率。单个相控阵中,包含两个及以上光栅阵列组,用于产生多个出射角度竖直排列的多个准直线束。
所述接收模块包括接收天线和云点匹配光学系统,所述接收天线包括光栅耦合器阵列,所述光栅耦合器阵列数量决定了雷达系统的分辨点数,纵向排列的光栅耦合器个数与硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束的总数量是匹配的,横向排列的光栅耦合器数量与该激光雷达系统的横向分辨点数是匹配的。所述接收模块集成在芯片上。
云点匹配光学系统包括透镜,当硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束同时照射到待测物体表面后,产生的反射光经过透镜被接收天线收集,其中接收天线平面置于透镜的后焦面,接收天线能够接收特定角度的入射光,每一行接收天线参数相同,且接收角度一致,接收天线通过与本振信号相干拍频后输出至控制处理单元,接收模块得到本振信号相干拍频后输出和待测物体表面产生的反射光后即可得到多个反射点处的距离和速度信息信息,如图4-5。
进一步本实施例中,所述控制处理单元分别与光源、硅光相控阵多线发射模块和接收模块连接;
所述控制处理单元控制光源,所述控制处理单元通过调整注入电流对光源输出信号波长产生调制;
所述控制处理单元控制硅光相控阵多线发射模块,所述控制处理单元通过控制硅光相控阵多线发射模块的阵列中每个单元的相位,进而能够同时调整所有出射的准直光束横向发射角度;
所述控制处理单元控制接收模块,所述控制处理单元接收并处理接收模块中每个接收天线接收的发射光信号与本振信号,分析计算出对应角度处激光云点的距离信息。
一种基于准直光束的侦测方法,所述方法基于上述的一种基于准直光束的侦测系统,包括如下步骤:
S1:光源生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块;
S2:硅光相控阵多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束并照射到待测物体上,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
S3:当多个准直光束照射到待测物体的会产生多个反射信号,并被接收模块同时接收并通过控制处理单元解调,并获得准直光束扫描范围内的3D场景信息。
本实施例中提供一种激光雷达系统,所述激光雷达系统具有上述的一种基于准直光束的侦测系统,或者上述一种基于准直光束的侦测方法。上述激光雷达系统能够极大的降低对光源的需求,可采用普通的商用窄线宽DFB激光器、光纤激光器、激光二极管作为光源,能够极大的降低硅光相控阵激光雷达系统的成本和控制复杂度,提高可用性。同时,又兼顾了远距离探测的对功率的需求。
本实施例的,硅光相控阵多线发射模块的准直线束可以通过调整级联的波导光栅设计参数进行灵活调整。同时,可以在单个芯片上集成多个硅光相控阵多线发射模块进行扩展。普通的硅光相控阵难以承载较大的功率密度,因此我们采用了氮化硅和硅混合集成方式来解决,氮化硅波导器件用来对大功率信号进行耦合、分光,硅波导用调控发射低功率信号。最直观的改进就是,能够极大的提高输出功率,提高雷达系统探测距离。
接收模块分为两个部分:光栅耦合器阵列和云点匹配光学系统。光栅耦合器中阵列数量决定了雷达系统的分辨点数。纵向排列的光栅耦合器个数与发射系统发射的准直光束的总数量是匹配的。横向排列的光栅耦合器数量与激光雷达系统的横向分辨点数是匹配的。云点匹配光学系统则是通过一个或多个透镜将各个发射的准直光束反射信号投射到片上期望位置的所有列光栅耦合器中。接收阵列位于光学系统的后焦平面上。经过匹配接收系统,纵向的排列的每个光栅耦合器会接收对应发射线束的反射信号。同时;纵向排列的光栅耦合器周期不同,具有角度选择性,能够降低噪声。雷达的接收模块与硅光相控阵多线发射模块是主从关系,能够有效提高雷达系统的探测距离。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上,然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者,在不脱离本发明的精神和范围内,当可作各种的更动与润饰。因此,本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:包括硅光相控阵多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块,所述氮化硅波导模块用于对大功率信号进行耦合和分光,硅波导模块用于调控发射低功率信号,进而提高准直光束输出功率;
还包括多个级联的波导光栅,并形成阵列形式,多个级联的波导光栅将发射准直光束调整为多个竖直排列的准直光束,提高单点的功率密度。
2.根据权利要求1所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:所述氮化硅波导模块包括氮化硅耦合器、氮化硅波导、氮化硅分光器和垂直耦合器,所述硅波导模块包括硅波导,所述氮化硅耦合器用于接收光源中的发射信号,所述氮化硅耦合器通过氮化硅波导将发射信号传递给氮化硅分光器,所述氮化硅分光器将发射信号均匀分为多路信号,多路信号再经垂直耦合器后将输出光耦合至硅波导中。
3.根据权利要求2所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:所述硅光相控阵多线发射模块包括移相器,每个信号经硅波导集成至移相器,经过调相后的光信号分别进入多个级联的波导光栅阵列中。
4.根据权利要求3所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:所述移相器为电光移相器或者热光移相器。
5.根据权利要求3所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:每个级联包含的波导光栅的周期和扰动强度均不相同,不同级联的横向对应分布的波导光栅的周期和扰动强度均相同,进而使得每一组横向分布光栅阵列出射光在第一平面上角度不同,定义波导光栅1出射角度对应光束1,波导光栅2出射角度对应光束2,波导光栅n出射角度对应光束n,通过横向相干,每个波导光栅能够独立的形成近似的准直光束。
6.根据权利要求5所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:还包括光源、接收模块和控制处理单元;
所述光源用于生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块;
所述接收模块包括接收天线和云点匹配光学系统,所述接收天线包括光栅耦合器阵列,所述光栅耦合器阵列数量决定了雷达系统的分辨点数,纵向排列的光栅耦合器个数与硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束的总数量是匹配的,横向排列的光栅耦合器数量与该激光雷达系统的横向分辨点数是匹配的;
云点匹配光学系统包括一个或多个透镜,当硅光相控阵多线发射模块发射的准直光束同时照射到待测物体表面后,产生的反射光经过透镜被接收天线收集,其中接收天线平面置于光学系统的后焦面,接收天线能够接收特定角度的入射光,每一行接收天线参数相同,且接收角度一致,接收天线通过与本振信号相干拍频后输出至控制处理单元,接收模块得到本振信号相干拍频后输出和待测物体表面产生的反射光后即可得多个反射点处的距离和速度信息。
7.根据权利要求6所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:所述硅光相控阵多线发射模块集成在芯片上;
所述接收模块集成在芯片上。
8.根据权利要求6所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:所述控制处理单元分别与光源、硅光相控阵多线发射模块和接收模块连接;
所述控制处理单元控制光源,所述控制处理单元通过调整注入电流对光源输出信号波长产生调制;
所述控制处理单元控制硅光相控阵多线发射模块,所述控制处理单元通过控制硅光相控阵多线发射模块的阵列中每个单元的相位,进而能够同时调整所有出射的准直光束横向发射角度;
所述控制处理单元控制接收模块,所述控制处理单元接收并处理接收模块中每个接收天线接收的发射光信号与本振信号,分析计算出对应角度处激光云点的距离信息。
9.一种基于准直光束的侦测方法,所述方法基于权利要求8所述的一种基于准直光束的侦测系统,其特征在于:包括如下步骤:
S1:光源生成连续的调频信号,并通过分光器件分别进入硅光相控阵多线发射模块和接收模块;
S2:硅光相控阵多线发射模块,所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束并照射到待测物体上,且每个准直光束的角度指向不同,角度间隔遵循预设方式;
S3:当多个准直光束照射到待测物体的会产生多个反射信号,并被接收模块同时接收并通过控制处理单元解调,并获得准直光束扫描范围内的3D场景信息。
10.一种激光雷达系统,其特征在于:所述激光雷达系统具有权利要求1-8任意一项所述的一种基于准直光束的侦测系统,或者所述激光雷达系统具有权利要求9所述一种基于准直光束的侦测方法。
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CN202210354092.8A CN114966717A (zh) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | 一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统 |
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CN202210354092.8A CN114966717A (zh) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | 一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统 |
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CN114966717A true CN114966717A (zh) | 2022-08-30 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116087965A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-05-09 | 天津大学合肥创新发展研究院 | 基于光学相控阵技术的全固态调频连续波式激光雷达系统 |
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2022
- 2022-04-06 CN CN202210354092.8A patent/CN114966717A/zh active Pending
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