CN116299510A - 基于mems的调频连续波激光雷达系统 - Google Patents

基于mems的调频连续波激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本公开提供一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，包括：激光光源，硅光芯片，扫描单元，信号处理模块。其中，激光光源用于产生线性调频信号；硅光芯片包括：端面耦合器，用于接收所述线性调频信号；片上分束器，用于将所述线性调频信号分束为参考光和信号光；线列平衡探测芯片，用于接收所述参考光；扫描单元用于将所述信号光处理为一维线阵点光源后作用于目标物进行探测，并接收返回的探测信号光；所述线列平衡探测芯片还被配置为接收所述探测信号光并与参考光相干得到混频信号，并对所述混频信号进行光电转换得到模拟探测信号；信号处理模块用于对模拟探测信号进行处理，生成激光雷达点云图像。

Description

基于MEMS的调频连续波激光雷达系统
技术领域
本公开涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于MEMS(微机电系统)的调频连续波激光雷达。
背景技术
激光雷达利用主动方式发射激光进行目标探测，从反射光中获取目标距离、速度、方位等信息，激光雷达作为三维环境感知的信息源头，是实现智能交通、无人配送等应用场景的关键传感器。
目前激光雷达发展趋势主要分为两个方面，如下：
①在工作体制方面，FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)测距是技术演进的方向。调频连续波(FMCW)激光雷达采用线性调频信号调制激光，通过比较反射光信号和本振光信号的瞬时频率差获得目标距离信息，以及对运动目标的多普勒测速。由于采用了相干探测方式，FMCW激光雷达能够以更低的激光发射功率获得更高的信噪比，大幅消除外界辐射噪声的影响。此外，FMCW激光雷达可以获得比脉冲激光雷达更高的距离分辨率，在低功耗、抗干扰、实时速度获取方面也有明显优势。
②在扫描方式方面，MEMS扫描是同时满足探测距离、角度分辨率和扫描频率要求的均衡选择。激光雷达扫描方式有多种解决方案，机械式扫描的寿命短、难以满足可靠性和低成本要求；面阵Flash是全固态方案，其能量密度最低，难以实现远距离探测；OPA(Optical Phased Array，光学相控阵)扫描能够满足全固态、小型化的发展需求，但加工难度较高，现阶段很难实现产品化；MEMS方案可以减少激光器和探测器的使用数量，极大地降低物料成本，并且具备可靠性高、批量成本低、分辨率高等优势，但是双轴MEMS和透射式多楔形棱镜非重复扫描方案(Livox)，仍然是采用单点测距结合复杂光学扫描系统的方式，实现混合固态扫描方案；但当面对更高的性能要求时，角度分辨率和扫描帧率无法同时突破。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，以缓解现有技术中激光雷达体积大、装配不足、成本高、环境适应性差，以及目前片上集成激光雷达系统传输链路损耗高、作用距离受限等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，包括：激光光源，硅光芯片，扫描单元，信号处理模块。其中，激光光源用于产生线性调频信号；硅光芯片包括：端面耦合器，用于接收所述线性调频信号；片上分束器，用于将所述线性调频信号分束为参考光和信号光；线列平衡探测芯片，用于接收所述参考光；扫描单元用于将所述信号光处理为一维线阵点光源后作用于目标物进行探测，并接收返回的探测信号光；所述线列平衡探测芯片还被配置为接收所述探测信号光并与参考光相干得到混频信号，并对所述混频信号进行光电转换得到模拟探测信号；信号处理模块用于对模拟探测信号进行处理，生成激光雷达点云图像。
根据本公开实施例，所述线列平衡探测芯片包括多个线列平衡探测单元，每个线列平衡探测单元用于接收探测信号光，并使探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后再处理为光电压信号。
根据本公开实施例，每个线列平衡探测单元包括：片上光耦，单元平衡探测芯片，跨阻放大器。其中，片上光耦，用于将探测信号光耦合至光波导中；其中，探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后被分束器分束为两路混频信号；单元平衡探测芯片，包括两个单元平衡探测单元，两个单元平衡探测单元分别对两路混频信号进行光电转换得到两路光电流信号并作差得到输出电流信号；跨阻放大器，用于将输出电流信号处理为光电压信号并放大。
根据本公开实施例，每个单元平衡探测芯片中的两个单元平衡探测单元用于消除共模噪声，实现平衡探测。
根据本公开实施例，所述扫描单元包括准直镜，衍射光栅，MEMS扫描镜，以及透镜，其中，准直镜用于将信号光准直后输入衍射光栅衍射成一维线阵点光源，后由MEMS扫描镜作用于目标物上，以对目标物进行扫描探测生成探测信号光，探测信号光返回后再经所述MEMS扫描镜后由所述透镜汇聚进入线列平衡探测芯片。
根据本公开实施例，所述MEMS扫描镜为单轴扫描镜。
根据本公开实施例，信号处理模块包括前端信号调理电路、高稳定时钟模块、高速AD转换电路、高速采样控制与数据处理电路、数据存储电路、数据传输电路以及供电网络，用于对光电压信号进行ADC采样并量化为数字信号。
根据本公开实施例，信号处理模块还对数字信号进行FFT傅里叶变换处理，输出距离和速度信息，最终生成激光雷达的点云图像。
根据本公开实施例，所述激光光源为FMCW窄线宽激光芯片。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开基于MEMS的调频连续波激光雷达系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本通过在单个像素单元引入两个片上光电探测器，实现平衡探测，消除共模噪声，提升信噪比。
(2)通过合理设计硅光芯片的布局，优化单个像素单元的光波导路径及器件尺寸，可在硅光芯片上实现多路片上光栅耦合器与片上平衡探测器的集成，并将电信号引入后级放大器、滤波器，实现多通道信号并行处理。
(3)调频光源经光栅将单点光源衍射成为一维线阵点光源，从而可以与MEMS镜配合进行二维视场的扫描，充分利用了单轴扫描MEMS镜口径大、稳定性高等优点，避免了采用双轴扫描MEMS镜口径小，工艺困难。接收镜组调节时，使其视场恰好完全覆盖扫描视场，实现最高效率的探测光接收。
附图说明
图1为本公开实施例的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统的原理架构示意图。
图2示意性示出了本公开实施例的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统的组成框图。
图3为本公开实施例的线列平衡探测单元的示意图。
图4为本公开实施例的共噪声抑制原理示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-激光光源，2-端面耦合器，3-片上分束器，4-准直镜，5-衍射光栅，6-MEMS扫描镜，7-透镜，8-光栅耦合器，9-单元平衡探测器芯片，10-TIA，11-线列平衡探测芯片，12-信号处理模块。
具体实施方式
本公开提供了一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，其原理是利用线性调频信号的高宽带特性，结合MEMS扫描与相干平衡探测等处理技术，实现远距离、高精度、强抗干扰的目标探测及成像。实现传感距离达到数百米量级，测距测速多维度探测。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，结合图1至图3所示，所述基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，包括：
激光光源1，用于产生线性调频信号；
硅光芯片，包括：
端面耦合器2，用于接收所述线性调频信号；
片上分束器3，用于将所述线性调频信号分束为参考光和信号光；
线列平衡探测芯片11，用于接收所述参考光；
扫描单元，用于将所述信号光处理为一维线阵点光源后作用于目标物进行探测，并接收返回的探测信号光；
所述线列平衡探测芯片11还被配置为接收所述探测信号光并与参考光相干得到混频信号，并对所述混频信号进行光电转换得到模拟探测信号；
信号处理模块12，用于对模拟探测信号进行处理，生成激光雷达点云图像。
根据本公开实施例，结合图1、图2、图3所示，线列平衡探测芯片11包括多个线列平衡探测单元，每个线列平衡探测单元用于接收探测信号光，并使探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后再处理为光电压信号。
根据本公开实施例，每个线列平衡探测单元包括：
片上光耦8，用于将探测信号光耦合至光波导中；其中，探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后被分束器分束为两路混频信号；
单元平衡探测芯片9，包括两个单元平衡探测单元，两个单元平衡探测单元分别对两路混频信号进行光电转换得到两路光电流信号并作差得到输出电流信号；
跨阻放大器(TIA)10，用于将输出电流信号处理为光电压信号并放大。
每个单元平衡探测芯片中的两个单元平衡探测单元用于消除共模噪声，实现平衡探测。
根据本公开实施例，扫描单元包括准直镜4，衍射光栅5，MEMS扫描镜6，以及透镜7，其中，准直镜4用于将信号光准直后输入衍射光栅5衍射成一维线阵点光源，后由MEMS扫描镜6作用于目标物上，以对目标物进行扫描探测生成探测信号光，探测信号光返回后再经所述MEMS扫描镜6后由所述透镜7汇聚进入线列平衡探测芯片11。
其中，所述MEMS扫描镜6为单轴扫描镜。
根据本公开实施例，信号处理模块包括前端信号调理电路、高稳定时钟模块、高速AD转换电路、高速采样控制与数据处理电路、数据存储电路、数据传输电路以及供电网络，用于对光电压信号进行ADC采样并量化为数字信号。进一步地，信号处理模块还对数字信号进行FFT傅里叶变换处理，输出距离和速度信息，最终生成激光雷达的点云图像。
根据本公开实施例，所述激光光源为FMCW窄线宽激光芯片。
工作时，线性调频信号通过端面耦合器输入到硅光芯片后经过片上分束器一分为二：参考光和信号光。参考光直接进入阵列平衡探测芯片等待混频，信号光经MEMS发射并进行相应的目标探测或成像。目标物反射或漫散射回来的信号光利用MEMS接收后通过透镜实现与探测器线列的像素模式精确匹配，之后与参考光相干产生的混频信号作用到线列平衡探测芯片，之后由信号处理装置采集。接收相干光产生的微弱光信号差值，作为低噪声平衡放大电路的输入信号，之后对输入的模拟信号进行ADC采样、量化为数字信号，再对信号进行FFT傅里叶变换处理，获取目标距离、强度、角度等信息，并进行空间坐标校准。最后，将所探测及成像的结果在显示装置中呈现。本发明克服了现阶段片上激光雷达微系统作用距离有限的问题，包括提高光源发射功率，减小激光传输链路的损耗，以及提高探测灵敏度等，通过多种手段的共同作用，有针对性的降低链路预算，可以实现远距离、高精度、强抗干扰的目标探测及成像。
本发明结合FMCW探测与MEMS扫描的原理及优势，将产生的线性调频信号通过端面耦合器输入到硅光芯片，之后通过片上分束器分为参考光和信号光。参考光直接进入阵列平衡探测芯片等待混频，信号光则经准直镜准直后经过光栅衍射成一维线阵点光源后由MEMS扫描作用于目标物上，经目标物反射或漫散射回来的信号光经过MEMS后由透镜汇聚到光栅耦合器接收并与参考光相干，最后产生的混频信号作用到平衡探测器上。经由探测器和放大器的光电转换成为光电压信号，将输入的模拟信号进入信号处理模块进行ADC采样、量化为数字信号，再对信号进行FFT傅里叶变换处理，输出距离和速度信息，最终生成激光雷达的点云图像；控制单元对激光频率的线性调控，配合扫频带宽和扫频周期调节，实现对目标的测距和测速，通过扫频动态调控技术实现高精度测距，同时降低系统采样率需求，从而实现远距离、高精度、强抗干扰性测距及成像。线性调频信号是一种频率随时间线性变化的信号，发射信号可以表示为：
T(t)＝exp[j2π(f0t+1/2kt2)]；
其中f0表示载波频率，t表示连续时间变量，k表示调制频率。
本发明通过在单个像素单元引入两个片上光电探测器，实现平衡探测，消除共模噪声，提升信噪比。接收端探测到的信号光与参考光进行相干，通过分束器后在两个光电探测器上做光电转换，两个拍信号经光电转换后通过作差消去共模噪声，其输出电流为：
Figure BDA0004134244960000061
其中R表示探测器响应度，PS表示信号光功率，PLO表示参考光功率，ωIF表示拍频频率，θs表示信号光相位，θLO表示参考光相位。
根据本公开实施例，上述基于MEMS的调频连续波激光雷达系统具体工作流程如下：
1、FMCW激光光源1产生线性调频信号，通过端面耦合器2输入到硅光芯片，之后通过片上分束器3分为参考光和信号光；
2、参考光直接进入单元平衡探测芯片9用于混频；
3、信号光经准直镜4准直后经过光栅5衍射成一维线阵点光源后由MEMS扫描镜6扫描作用于目标物上对目标物进行探测发射后对目标物进行探测；
4、由目标物反射或漫散射回来的探测信号光经过MEMS扫描镜6后通过透镜7汇聚进入线列平衡探测芯片11中，由片上光栅耦合器8接收，探测信号光与参考光相干，最后产生的混频信号作用到单元平衡探测芯片9上；
5、单元平衡探测芯片9接收相干光产生的微弱光信号差值，作为低噪声平衡放大电路的输入信号，由集成在探测器芯片上的跨阻放大器(TIA)10放大；
6、将输入的模拟信号进入信号处理模块12进行ADC采样、量化为数字信号，再对信号进行FFT傅里叶变换处理，输出距离和速度信息，最终生成激光雷达的点云图像。
本实施例中，所述FMCW激光光源用来产生线性调频信号，线性调频信号是一种大时宽带宽积信号，有着良好的距离分辨率和径向速度分辨率，是现代高性能雷达体制中经常采用的信号波形之一。
本发明要求保护的范围：1、一种基于MEMS的调频连续波激光雷达，其特征在于，该片上集成的激光雷达由发射端和接收端组成，所述的发射端包括FMCW激光光源、MEMS微振镜，所述的接收端包括线阵列平衡探测芯片。所述FMCW激光光源为可调谐窄线宽激光芯片，所述线列平衡探测芯片的数量可以随具体场景应用需求增加或删减。2、所述的信号处理模块涉及高速信号采集与处理电路，包括前端信号调理电路、高稳定时钟模块、高速AD转换电路、高速采样控制与数据处理电路、数据存储电路、数据传输电路以及供电网络等。对FMCW相干拍频信号进行实时高速采样和频谱解算，提取拍频和频移信号，实时在线处理测量目标的速度和距离。3、应用场景不仅局限于无人驾驶、物流配送等民用领域，异物检测、周界防护等安防领域，还可以应用在星载及机载平台空对空、空对地、天对天探测监测等领域。
本发明针对未来芯片化激光雷达系统低链路损耗的需求，采用创新技术和方法，将激光光源、MEMS微振镜、线列平衡探测器芯片，利用光电混合集成和封装技术构建调频连续波固态激光雷达系统，有针对性的降低链路预算。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于MEMS的调频连续波激光雷达系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，采取“FMCW探测体制+MEMS扫描方式+线列平衡接收”激光雷达微系统，不仅解决传统激光雷达体积大、装配不足、成本高、环境适应性差等问题，同时解决目前片上集成激光雷达系统传输链路损耗高、作用距离受限的问题，实现低成本、高可靠性的同时具备卓越性能。FMCW激光雷达采用线性调频信号调制激光，通过比较反射光信号和本振光信号的瞬时频率差获得目标距离信息，以及对运动目标的多普勒测速。由于采用了相干探测方式，FMCW激光雷达能够以更低的激光发射功率获得更高的信噪比，大幅消除外界辐射噪声的影响。此外，FMCW激光雷达可以获得比d％F激光雷达更高的距离分辨率，在低功耗、抗干扰、实时速度获取方面也有明显优势。单轴MEMS扫描采用了并行发射和并行接收的激光收发方式，因此只需要在一个维度上进行固态扫描，充分利用了单轴扫描MEMS镜口径大、稳定性高、可以通过车规验证的优点，具备可靠性高、批量成本低、分辨率高等优势，可同时满足探测距离、分辨率和扫描频率要求，是平衡各项核心指标的优选方案。
还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，包括：
激光光源，用于产生线性调频信号；
硅光芯片，包括：
端面耦合器，用于接收所述线性调频信号；
片上分束器，用于将所述线性调频信号分束为参考光和信号光；
线列平衡探测芯片，用于接收所述参考光；
扫描单元，用于将所述信号光处理为一维线阵点光源后作用于目标物进行探测，并接收返回的探测信号光；
所述线列平衡探测芯片还被配置为接收所述探测信号光并与参考光相干得到混频信号，并对所述混频信号进行光电转换得到模拟探测信号；信号处理模块，用于对模拟探测信号进行处理，生成激光雷达点云图像。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，所述线列平衡探测芯片包括多个线列平衡探测单元，每个线列平衡探测单元用于接收探测信号光，并使探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后再处理为光电压信号。
3.根据权利要求2所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，每个线列平衡探测单元包括：
片上光耦，用于将探测信号光耦合至光波导中；其中，探测信号光和参考光进行相干得到混频信号后被分束器分束为两路混频信号；
单元平衡探测芯片，包括两个单元平衡探测单元，两个单元平衡探测单元分别对两路混频信号进行光电转换得到两路光电流信号并作差得到输出电流信号；
跨阻放大器，用于将输出电流信号处理为光电压信号并放大。
4.根据权利要求3所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，每个单元平衡探测芯片中的两个单元平衡探测单元用于消除共模噪声p实现平衡探测。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，所述扫描单元包括准直镜，衍射光栅，MEMS扫描镜，以及透镜，其中，准直镜用于将信号光准直后输入衍射光栅衍射成一维线阵点光源，后由MEMS扫描镜作用于目标物上，以对目标物进行扫描探测生成探测信号光，探测信号光返回后再经所述MEMS扫描镜后由所述透镜汇聚进入线列平衡探测芯片。
6.根据权利要求5所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，所述MEMS扫描镜为单轴扫描镜。
7.根据权利要求1所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，信号处理模块包括前端信号调理电路、高稳定时钟模块、高速AD转换电路、高速采样控制与数据处理电路、数据存储电路、数据传输电路以及供电网络，用于对光电压信号进行ADC采样并量化为数字信号。
8.根据权利要求7所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，信号处理模块还对数字信号进行FFT傅里叶变换处理，输出距离和速度信息，最终生成激光雷达的点云图像。
9.根据权利要求1所述的基于MEMS的调频连续波激光雷达系统，所述激光光源为FMCW窄线宽激光芯片。
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