CN116908812B - 半固态激光雷达系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种半固态激光雷达系统。该系统包括：光源用于出射调频连续波激光信号；收发扫描光子芯片，用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；出射光处理单元，用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；转镜，接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。采用本系统能够大扫描角小尺寸、低功耗低成本的激光雷达扫描。
Description
技术领域
本申请涉及光学系统或仪器技术领域，特别是涉及一种半固态激光雷达系统。
背景技术
自动驾驶、空间光通信、生物传感等领域的迅猛发展不断推动三维成像技术的发展，进而带动激光雷达技术得到越来越多的关注。基于光学相控阵（Optical PhasedArray，OPA）和焦平面开关阵列的全固态激光雷达在尺寸、重量和速度上都具有机械式激光雷达无法比拟的优势。
然而，采用OPA实现激光雷达所需的大角度、高分辨率光束扫描，需要攻克多方难题，而使用焦平面开关阵列的方法实现激光雷达所需的光束扫描可以很好地避免，通过开关阵列切换光源输入到不同的发射光栅通道，就可以实现激光雷达所需的二维光束扫描。其中，常见的开关阵列包括MZI（Mach-Zehnder Interferometer，马赫增德尔干涉仪）光开关和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微电机系统）光开关。采用级联MZI光开关主要受限于尺寸和高功耗，很难在单片上实现非常多的通道，而采用MEMS光开关对工艺要求非常高。
因此，如何既能低成本实现大视场角、高分辨率和精度光束扫描，又能兼顾可靠性和功耗，同时便于工程实现是目前固态激光雷达亟待解决的关键问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种实现大扫描角小尺寸、低功耗低成本的半固态激光雷达系统。
第一方面，本申请提供了一种半固态激光雷达系统。所述系统包括：
光源，用于出射调频连续波激光信号；
收发扫描光子芯片，用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；
出射光处理单元，用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；
转镜，接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。
在一个实施例中，出射光处理单元包括透镜，透镜具有后焦面，转镜设置于出射光处理单元的后焦面或后焦面附近位置。
在一个实施例中，转镜包括一个或多个反射面，多个反射面的垂直倾角均不相同。
在一个实施例中，收发扫描光子芯片包括：光源耦合器、本振光分光耦合器、光开关和扫描阵列出射波导；
光源耦合器，用于将光源出射的激光信号耦合进收发扫描光子芯片的输入波导；
本振光分光耦合器包括第一本振光分光耦合器和第二本振光分光耦合器，其中第一本振光分光耦合器用于将耦合进收发扫描光子芯片输入波导的激光信号分光为信号光和本振光，第二本振光分光耦合器用于将本振光和外部目标物体的激光回波信号光混频获得激光回波信号光的相干接收处理信号；
光开关，用于将接收自第一本振光分光耦合器的信号光，并将信号光分路传输至扫描阵列出射波导，并控制信号光从扫描阵列出射波导的不同波导出射出去。
在一个实施例中，系统还包括光开关阵列驱动控制单元，光开关阵列驱动控制单元用于控制光开关将信号光传输至扫描阵列出射波导。
在一个实施例中，收发扫描光子芯片还包括相干平衡探测接收器 ，与第二本振光分光耦合器连接，第二本振光分光耦合器将激光回波信号光的相干接收处理信号传输至相干平衡探测接收器 。
在一个实施例中，系统还包括调频连续波接收信号处理单元，与相干平衡探测接收器 连接，用于处理相干平衡探测接收器 传输的相干接收处理信号，获得探测结果。
在一个实施例中，收发扫描光子芯片为空分收发扫描光子芯片，空分收发扫描光子芯片包括多个光开关。
在一个实施例中，收发扫描光子芯片为波分收发扫描光子芯片，波分收发扫描光子芯片包括：
波分复用合波器，与第一本振光分光耦合器连接，用于将激光信号合波，并将合波后的激光信号输入光开关；
波分复用分波器，用于接收光开关传输的激光信号，并将激光信号传输至扫描阵列出射波导。
在一个实施例中，光源包括多个可输出不同波长激光的激光器。
在一个实施例中，出射光处理单元与转镜之间设置反射元件。
在一个实施例中，光开关包括马赫增德尔光开关阵列和微环阵列。
上述半固态激光雷达系统，包括光源、收发扫描光子芯片、出射光处理单元、转镜。其中，光源用于出射调频连续波激光信号，收发扫描光子芯片用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出，出射光处理单元用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光，转镜用于接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。具体地，利用光开关实现多路激光信号到任意空间分布的一维焦平面出射阵列光的转换，再结合转镜将一维扫描阵列光反射至外部目标物体，从而实现大视场、高分辨率激光雷达二维光束扫描。同时收发扫描光子芯片通过利用空分或波分复用并行技术降低芯片和控制系统的复杂度，进一步实现半固态调频连续波激光雷达大扫描角小尺寸、低功耗低成本的目标。
附图说明
图1为一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；
图2为一个实施例中MZ光开关级联的光开关示意图；
图3为一个实施例中共用Bus波导微环阵列的光开关示意图；
图4为又一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；
图5为再一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；
图6为另一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；
图7为另一个实施例中第二种半固态激光雷达系统的结构示意图；
图8为另一个实施例中第三种半固态激光雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
自动驾驶、空间光通信、生物传感等领域的迅猛发展不断推动三维成像技术的发展，进而推动激光雷达技术的飞速发展。通常激光雷达波束控制可以通过机械方式实现。但是机械式光束扫描的尺寸、功耗以及抗振动性能往往不尽如人意，而基于光学相控阵（OPA）和焦平面开关阵列的全固态激光雷达在尺寸、重量和速度上都具有机械式激光雷达无法比拟的优势。
然而，采用OPA实现激光雷达所需的大角度、高分辨率光束扫描，不仅需要精确的相位控制，而且还有多个难关需要攻克。首先，OPA光束扫描范围受限于其输出光束旁瓣，因此，为了消除旁瓣，相控阵发射天线单元间距理论上要小于1/2波长。而通常情况下，即使用波导光栅作为发射单元，为有效抑制发射单元间的串扰，波导间距一般也需要远大于光波波长。虽然使用随机间距波导光栅阵列可以一定程度上抑制旁瓣，但不可避免会增大噪声。其次，实现高分辨率光束扫描，需要大口径OPA，而为了抑制旁瓣影响，发射天线单元间距需要尽可能小，这就导致OPA阵列规模庞大。二维OPA往往需要有几万甚至几十万个相控发射单元，工程实现的难度巨大。因此，现有OPA通常使用一维相控波导阵列加波导光栅输出阵列的方案，通过波导相位控制实现在一维方向上进行扫描，通过改变光波波长引起波导光栅输出角度变化来实现第二维度的扫描。但这样做的又会产生新的问题，即为了实现激光雷达所需的扫描范围，需要很大范围的波长调谐才能实现，如激光雷达所需的扫描范围为30°的情况下，需要200nm的波长调谐，但这样的大范围可调激光器成本昂贵，很难满足激光雷达产品需求。
而使用焦平面开关阵列的方法实现激光雷达所需的光束扫描可以很好地避免上述OPA的问题。它是将视场内每个角度都映像成焦平面的一个像素，每个像素仅由一个光学天线和一个开关组成，这有助于提高单片集成度。通过开关阵列切换光源输入到不同的发射光栅通道，就可以实现激光雷达所需的二维光束扫描。
常见的开关阵列包括MZI 光开关和MEMS光开关。其中，若采用级联MZI光开关，实现激光雷达多采用热调方式，但由于MZI本身的工作性质，主要会受限于尺寸和高功耗，所以很难在单片上实现非常多的通道；而若是采用MEMS光开关，虽然具有尺寸小、功耗低、开关速度快等优势，然而硅基片上MEMS光开关对工艺要求非常高，世界上仅少数几家研究机构拥有此项技术。另外，应用于自动驾驶的车载激光雷达等应用，往往不仅要求实现大的视场范围，如120°的视场范围，还要有较高的角度分辨率，如0.1°。如果采用MEMS光开关焦平面阵列方案的话，就意味着需要一个1200*300的超大规模光开关矩阵，一来这样的大型MEMS光开关矩阵芯片的面积巨大，甚至有可能超过光刻的窗口尺寸限制，若要覆盖整个视场范围则需要用多个芯片拼接，成本较高；二来如此多的开关单元，相应的控制单元数也巨大，给电路设计和实现带来很大的工程挑战。
上述OPA技术方案以及焦平面开关阵列技术方案的缺陷主要是由设计和工艺复杂、阵列单元尺寸较大、功耗成本高等问题引起，因此，如何既能低成本实现大视场角及高分辨率高精度光束扫描、又能兼顾可靠性与功耗、并且便于工程实现是目前固态激光雷达亟待解决的关键问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
参阅图1，图 1 示出了本发明一实施例中的一种半固态激光雷达系统的结构示意图，本发明一实施例提供了的一种半固态激光雷达系统100，包括：
光源102，用于出射调频连续波激光信号；收发扫描光子芯片104，用于接收光源102出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片104中以一维扫描阵列光的形式输出；出射光处理单元106，用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；转镜108，接收经出射光处理单元106传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。
具体地，所需的一维扫描阵列光的光束角度满足的关系如公式（1）所示：
其中，是一维扫描阵列光的光束角度；h i 是扫描阵列出射子波导相对于出射光
处理单元光轴的垂直距离；f是出射光处理单元106的焦距。
示例性的，出射光处理单元106包括准直透镜等光学元件，用于将收发扫描光子芯片104上不同出射位置的出射光信号转化为不同出射角度光束，同时将出射光扩束成发散角更小的准直光束。
示例性的，透镜具有后焦面，转镜108设置于出射光处理单元106的后焦面或后焦面附近位置。具体地，在准直透镜后焦面或后焦面附近放置一个多面体转镜108，以L表示多面体转镜108反射面的数量，L≥1。通过转镜108的旋转，实现雷达光束在水平面内的扫描。其中，过第二焦点（第二焦点为出射光处理单元106为准直透镜时的后焦点或象方焦点）且垂直于准直透镜系统主光轴的平面称后焦面。
具体地，转镜108包括一个或多个反射面，多个反射面的垂直倾角均不相同。
具体地，转镜108包括多个反射面，各个反射面的表面可以有不同的垂直倾角，结合焦平面阵列从而实现垂直方向更多的线数或更高的扫描分辨率，其中垂直倾角即为转镜108反射面相对于旋转轴的夹角。
进一步地，射向转镜108的一维扫描阵列光所在平面与转镜108旋转轴是垂直的，进而实现两维方向的扫描。
示例性的，依旧如图1所示，收发扫描光子芯片104包括：光源耦合器（图中未示出）、本振光分光耦合器、光开关110和扫描阵列出射波导（图中未示出）；
光源耦合器，用于将光源102出射的激光信号耦合进收发扫描光子芯片104的输入波导；
本振光分光耦合器包括第一本振光分光耦合器112和第二本振光分光耦合器114，其中第一本振光分光耦合器112用于将耦合进收发扫描光子芯片104输入波导的激光信号分光为信号光和本振光，第二本振光分光耦合器114用于将本振光和外部目标物体的激光回波信号光混频获得激光回波信号光的相干接收处理信号；
光开关110，用于将接收自第一本振光分光耦合器112的信号光，并将信号光分路传输至扫描阵列出射波导，并控制信号光从扫描阵列出射波导的不同波导出射出去。光开关110的数量为多个，并呈阵列排布。
示例性的，第一本振光分光耦合器112为X/Y本振光分光耦合器，第二本振光分光耦合器114为50/50本振光分光耦合器，也可以采用环形器以减小光损耗。
示例性的，依旧如图1所示，该系统还包括光开关阵列驱动控制单元116，光开关阵列驱动控制单元116用于控制光开关110将信号光传输至扫描阵列出射波导。
具体地，光开关110包括马赫增德尔光开关阵列和微环阵列。
具体地，1*M光开关可以用不同的技术实现。可选地，采用级联的MZ（Mach-Zehnder）光开关阵列或者共用BUS（总线）波导的微环阵列。
MZ光开关通过加热器（Heater）改变其两臂的相对相位，将输入光信号直通或交叉至其两个输出端口，通过i级MZ光开关级联协同操作，其中i表示光开关的级数，可将输入信号切换到最多2i个输出端口的任意一个。如图2所示，提供一个3级1*2 MZ光开关级联的1*8光开关，输入光信号到达8个输出端口中的任意一个需经过3个MZ光开关，增加更多级可以实现更多输出端口的1*M光开关。但每个MZ光开关都带来一定的插损，更多级级联意味着更多的光开关控制和更大的插损。
如图3所示，提供一种共用BUS波导微环阵列的1*M光开关，当任意一个微环i通过加热器热调令其谐振波长和输入信号波长一致，即工作位置，而其他微环则将其谐振波长调至远离信号波长的位置时，即停驻（Parking）位置，输入信号就可以切换到输出端口i。增加更多的微环可以实现更多输出端口。
可选地，光开关驱动单元可与收发扫描光子芯片不在同一个芯片上。
示例性的，收发扫描光子芯片104还包括相干平衡探测接收器 118，与第二本振光分光耦合器114连接，第二本振光分光耦合器114将激光回波信号光的相干接收处理信号传输至相干平衡探测接收器118（Balanced PD）。
进一步地，相干平衡探测接收器118经转镜108反射输出的一维扫描阵列光照射到外部目标物体时，反射光沿原路返回，经转镜108、出射光处理单元106汇聚耦合回同一发射波导，再经相同光开关110和第一本振光分光耦合器112形成激光回波信号光。激光回波信号光和其相应光源分光得到的本振光通过第二本振光分光耦合器114混频，输出激光回波信号光的相干接收处理信号至相干平衡探测接收器118。
示例性的，系统还包括调频连续波接收信号处理单元120，与相干平衡探测接收器118连接，用于处理相干平衡探测接收器 118传输的相干接收处理信号，获得探测结果。
具体地，调频连续波接收信号处理单元120处理相干平衡探测接收器118的信号，其中，调频连续波接收信号处理单元120的处理包括放大、AD（Analog to DigitalConverter，将模拟量转换为数字量）采样、FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换）等。
示例性的，光源包括多个可输出不同波长激光器。
具体地，在收发扫描光子芯片应用空分复用技术时，各路空间组合形成垂直向完整视场的扫描和探测，因此光源可以是相同波长，也可以是不同波长；在收发扫描光子芯片应用波分复用技术时，对应的光源即为不同波长的激光光源。
可选地，收发扫描光子芯片可以采用SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）、薄膜铌酸锂、SiN（氮化硅）或其它材料来实现。
示例性的，光源102包括多路激光光源，激光光源的数量用N表示，N路激光光源102
发射线性调频信号通过光源耦合器分别耦合进收发扫描光子芯片104的输入波导，其中每
一路的输入波导都连接一个第一本振光分光耦合器112，第一本振光分光耦合器112将耦合
进收发扫描光子芯片104输入波导的激光信号分光成信号光和本振光两个部分，其中信号
光作为发射信号进入一个1*M 光开关110，本振光用于信号接收。N路光开关110的N*M个输
出波导依次按顺序排列，控制信号光从扫描阵列出射波导的不同波导出射出去，即通过边
缘出射波导耦合器在收发扫描光子芯片104的一边形成边缘输出一维扫描阵列光，或者通
过光栅耦合器形成表面垂直输出一维扫描阵列光。其中，扫描阵列出射波导又称一维扫描
输出阵列，置于出射光处理单元106的前焦面上，阵列中每个子波导输出的光信号经过出射
光处理单元106后形成扩束准直光束，不同位置子波导输出的光信号经过出射光处理单元
106后形成不同出射角度的光束，不同出射角度的光束即为所需的一维扫描阵列光。在出射
光处理单元106后焦面或后焦面附近设置有一个转镜108，射向转镜108的一维扫描阵列光
所在平面与转镜108旋转轴是垂直的，进而实现两维方向的扫描。在多面体转镜108每个面
都具有不同垂直倾角的情况下线垂直向扫描，其中Nvs表示半固态激光雷
达系统100垂直方向扫描的激光线数量，N表示光源102的数量，M表示光开关110的输出波导
数，L表示多面体转镜的反射面数量。
进一步地，经转镜108反射输出的扫描光束照射到外部目标物体时，反射光束沿原路返回，经转镜108、出射光处理单元106汇聚耦合回同一发射波导，再经相同光开关110通道和第一本振光分光耦合器112形成激光回波信号光。激光回波信号光和其相应光源分光得到的本振光通过第二本振光分光耦合器114混频，输出激光回波信号光的相干接收处理信号至相干平衡探测接收器 118。调频连续波接收信号处理单元120处理相干平衡探测接收器 118输出的激光回波信号光的相干接收处理信号。
本实施例中，通过收发扫描光子芯片、出射光处理单元与转镜的组合扩大扫描角角度、减小激光雷达的尺寸；基于出射光处理单元的后焦面或后焦面附近位置设置转镜的位置，能够使一维扫描阵列光能够汇聚在转镜上，进而减少一维扫描阵列光的损耗；多面体转镜每个反射面都具有不同垂直倾角能够实现半固态激光雷达系统的多角度线垂直向扫描；通过光开关阵列驱动控制单元控制光开关实现多路激光信号到一维扫描阵列光的转换，是实现对多路激光信号灵活选择和切换的关键；通过调频连续波接收信号处理单元获取探测结果，进而实现对外部目标物体空间方位、距离以及移动速度探测的目的。光源包括多个可输出不同波长激光器，从而在收发扫描光子芯片应用不同技术时都能提供相应的激光信号。
在一个实施例中，收发扫描光子芯片为空分收发扫描光子芯片，空分收发扫描光子芯片包括多个光开关。
具体地，如图4所示，半固态激光雷达系统400包括光源402、空分复用收发扫描光子芯片404（Photonic Integrated Circuit，PIC）、光开关阵列驱动控制单元406、调频连续波接收信号处理单元408、出射光处理单元410、转镜412。出射光处理单元410与转镜412之间设置反射元件。其中，反射元件包括反射镜422。可选地，依旧如图4所示，采用反射镜422改变扫描光束出射方向。
在本实施例中空分复用收发扫描光子芯片404集成了第一本振光分光耦合器414、光开关416、第二本振光分光耦合器418、相干平衡探测接收器420等元件，在其它实施例中，空分复用收发扫描光子芯片404也可以集成光源、光开关阵列驱动控制单元、调频连续波接收信号处理单元等元件，或者把相干平衡探测接收器等做成分离的元件。
本实施例中，收发扫描光子芯片为空分收发扫描光子芯片的情况下，半固态激光雷达系统又称空分复用FMCW（Frequency-Modulated Continuous Wave，调频连续波）激光雷达，采用的是空间复用的并行架构，空分收发扫描光子芯片中包括多路并行收发线路（circuits），每一路配置有独立的光源、光开关和相干平衡探测接收器 ，能够实现部分垂直向视场的覆盖，降低芯片和控制系统复杂度。通过空分复用收发扫描光子芯片上的光开关将来自光源的调频连续波信号切换到不同的子波导输出，就可以实现如图4所示的在垂直面内的一维扫描光束，同时采用反射镜能够更好地控制和改变扫描光束的出射方向。
由于上述半固态激光雷达系统需要用到多个1*M光开关，而每个光开关又由多个1*2或2*2光开关单元组成。收发扫描光子芯片的尺寸较大，而且需要多个光开关驱动控制。虽然每一个1*2或2*2光开关单元的功耗只有几十毫瓦，但是几十个甚至上百个开关单元会导致驱动控制电路比较复杂且功耗很大。因此，在一个实施例中，如图5所示，提供另一种半固态激光雷达系统500，包括光源502、波分复用收发扫描光子芯片504、光开关阵列驱动控制单元506、调频连续波接收信号处理单元508、出射光处理单元510、转镜512。
其中，波分收发扫描光子芯片504包括：第一本振光分光耦合器514、波分复用合波器516、光开关518、波分复用分波器520、第二本振光分光耦合器522、相干平衡探测接收器524，其中波分复用合波器516与第一本振光分光耦合器514连接，用于将激光信号合波，并将合波后的激光信号输入光开关518；波分复用分波器520用于接收光开关518传输的激光信号，并将激光信号传输至扫描阵列出射波导。
在本实施例中波分复用收发扫描光子芯片504集成了第一本振光分光耦合器514、波分复用合波器516、光开关518、波分复用分波器520、第二本振光分光耦合器522、相干平衡探测接收器524等元件，在其它实施例中，波分复用收发扫描光子芯片504也可以集成光源、光开关阵列驱动控制单元、调频连续波接收信号处理单元等元件，或者把相干平衡探测接收器等做成分离的元件。
具体地，N路不同波长激光光源502发射线性调频信号分别耦合进波分复用收发扫
描光子芯片504的输入波导中，其中波长用表示，不同波长可表示为。
每一路的输入波导都连接一个第一本振光分光耦合器514，其中的一路输出作为本振光用
于信号接收时使用，另外一路输出则作为发射信号进入N*1波分复用合波器516
（Multiplexer，MUX），合波后的激光信号输入至一个1*M 宽谱光开关518。光开关518与光开
关阵列驱动控制单元506相连，由光开关阵列驱动控制单元506控制光开关518的工作。例
如，光开关518中开关通道的选择。光开关518的M个输出波导都连接到M个1*N波分复用分波
器520（Demultiplexer，DeMUX），M个波分复用分波器520的输出依次按顺序排列。每个波分
复用分波器520的一端（具有一个输入的一端）均连接光开关518，另一端（具有N个输出的一
段）连接边缘出射波导耦合器。通过边缘出射波导耦合器526，在波分复用收发扫描光子芯
片504的一边形成边缘输出M*N路的一维扫描阵列光；或者通过光栅耦合器形成表面垂直输
出M*N路的一维扫描阵列光。此处边缘出射波导耦合器在波分复用收发扫描光子芯片504的
边缘处呈一维阵列排列。出射出去的一维扫描阵列光依次经过出射光处理单元510和转镜
512后从半固态激光雷达系统500出射出去。
进一步地，经转镜512反射输出的N个波长一维扫描阵列光照射到外部目标物体时被外部目标物体反射形成反射光，反射光原路返回，经转镜512、出射光处理单元510汇聚耦合回与出射光相同的边缘出射波导耦合器，再经1*N波分复用分波器520合波回到同一光开关通道，再经N*1 波分复用合波器516分波，回到各波长对应的第一本振光分光耦合器514，形成不同波长的激光回波信号光。激光回波信号光和其相应光源分光得到的本振光通过第二本振光分光耦合器522混频输出至相干平衡探测接收器524。也就是说，从第一本振光分光耦合器514向外发射的激光信号在被外部目标物体反射后沿原路返回至第一本振光分光耦合器514，在第二本振光分光耦合器522与本振光进行混频后传输至相干平衡探测接收器524进行信号的探测。
本实施例中，收发扫描光子芯片采用波分复用的方式时，半固态激光雷达系统又称波分复用FMCW激光雷达，只需一个1*M光开关，大大简化了多通道扫描探测光子芯片的结构以及光开关的驱动控制，可以有效降低系统成本和功耗，同时降低芯片和控制系统复杂度。在性能上，结合无源1*N波分复用器件，可以实现与空分复用收发扫描光子芯片相同的垂直向激光雷达扫描线数。
在其中一个实施例中，如图6所示，N路不同波长激光光源602发射线性调频信号分
别耦合进波分复用收发扫描光子芯片604的输入波导626中，其中不同波长可表示为。输入波导共用一个1*N波分复用合波器606，波分复用合波器合波后的激
光光束经过一个第一本振光分光耦合器608，一路输出激光信号作为本振光输入一个1*N波
分复用分波器610用于信号接收，另外一路输出激光信号则作为发射信号进入一个1*M光开
关612。光开关612的M个输出波导都连接到一个1*N波分复用分波器614，M个波分复用分波
器614的输出依次按顺序排列，通过边缘出射波导耦合器，在波分复用收发扫描光子芯片
604的一边形成边缘输出一维扫描阵列光；或者通过光栅耦合器形成表面垂直输出一维扫
描阵列光。光开关612和波分复用分波器614采用和上一个实施例中图5所示相同的结构和
连接方式。
一维扫描输出阵列置于出射光处理单元616的前焦面上，阵列的所有子波导输出经过出射光处理单元616后形成扩束准直光束，不同位置的阵列子波导输出经过出射光处理单元616准直后形成不同出射角度的光束。进一步地，在出射光处理单元616的后焦面附近放置一个多面体转镜618，经转镜618反射输出的一维扫描阵列光照射到外部目标物体时，反射光束沿原路返回，经转镜618、出射光处理单元616汇聚耦合回同一发射波导，再经1*N波分复用分波器614合波回到同一光开关通道。经第一本振光分光耦合器608输入至一个1*N波分复用分波器620，经1*N波分复用分波器620分波后的激光回波信号光与1*N波分复用分波器610分波后的本振光通过第二本振光分光耦合器622混频，获得不同波长的激光回波信号光的相干接收处理信号，激光回波信号光的相干接收处理信号输出至相干平衡探测接收器624。
可选地，如图7所示，也可以采用反射镜702改变扫描光束出射方向。反射镜702的数量可以为一个或多个，通过反射镜702的设置可以方便对半固态激光雷达系统中各部件进行灵活布置，有效调整空间布局。
可选地，如图8所示，光开关的M个输出波导不连接波分复用分波器，直接依次按顺序排列，通过边缘出射波导耦合器在光子芯片的一边形成边缘输出一维扫描阵列光；或者通过光栅耦合器形成表面垂直输出一维扫描阵列光，同时采用闪耀光栅802改变扫描光束出射方向。闪耀光栅802相对于反射镜具有较高的光谱分辨率、高透过率、小尺寸、易于集成等特点。
本实施例中，在半固态激光雷达系统的基础上，通过添加波分复用分波器、添加反射镜等方法，进一步降低芯片和控制系统复杂度，扩大扫描角的同时降低系统尺寸、功耗与成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
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 (12)
1.一种半固态激光雷达系统，其特征在于，包括：
光源，用于出射调频连续波激光信号；
收发扫描光子芯片，用于接收所述光源出射的激光信号，将所述激光信号分为多路激光信号，所述多路激光信号从所述收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；其中，所述收发扫描光子芯片包括：光源耦合器、本振光分光耦合器、光开关和扫描阵列出射波导；所述光源耦合器，用于将所述光源出射的激光信号耦合进所述收发扫描光子芯片的输入波导；所述本振光分光耦合器，用于将耦合进所述收发扫描光子芯片输入波导的激光信号分光进行分光；所述光开关，用于接收自所述本振光分光耦合器传来的激光信号，并将所述激光信号分路传输至所述扫描阵列出射波导，并控制信号光从所述扫描阵列出射波导的不同波导出射出去；
出射光处理单元，用于对所述一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；
转镜，接收经所述出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将所述一维扫描阵列光反射至外部目标物体。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述出射光处理单元包括透镜，所述透镜具有后焦面，所述转镜设置于所述出射光处理单元的后焦面或后焦面附近位置。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转镜包括一个或多个反射面，所述多个反射面的垂直倾角均不相同。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本振光分光耦合器包括第一本振光分光耦合器和第二本振光分光耦合器，其中第一本振光分光耦合器用于将耦合进所述收发扫描光子芯片输入波导的激光信号分光为信号光和本振光，第二本振光分光耦合器用于将所述本振光和外部目标物体的激光回波信号光混频获得激光回波信号光的相干接收处理信号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光开关阵列驱动控制单元，所述光开关阵列驱动控制单元用于控制光开关将所述信号光传输至所述扫描阵列出射波导。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述收发扫描光子芯片还包括相干平衡探测接收器，与所述第二本振光分光耦合器连接，所述第二本振光分光耦合器将所述激光回波信号光的相干接收处理信号传输至所述相干平衡探测接收器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括调频连续波接收信号处理单元，与相干平衡探测接收器连接，用于处理所述相干平衡探测接收器传输的相干接收处理信号，获得探测结果。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述收发扫描光子芯片为空分收发扫描光子芯片，所述空分收发扫描光子芯片包括多个光开关。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述收发扫描光子芯片为波分收发扫描光子芯片，所述波分收发扫描光子芯片包括：
波分复用合波器，与所述第一本振光分光耦合器连接，用于将所述激光信号合波，并将所述合波后的激光信号输入光开关；
波分复用分波器，用于接收所述光开关传输的激光信号，并将所述激光信号传输至所述扫描阵列出射波导。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源包括多个可输出不同波长激光的激光器。
11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述出射光处理单元与转镜之间设置反射元件。
12.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光开关包括马赫增德尔光开关阵列和微环阵列。
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