CN117233783B

CN117233783B - 一种激光雷达光通信一体化系统

Info

Publication number: CN117233783B
Application number: CN202311507218.1A
Authority: CN
Inventors: 王玉冰; 张明时; 梁磊; 秦莉; 王立军
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2023-11-14
Filing date: 2023-11-14
Publication date: 2024-01-12
Anticipated expiration: 2043-11-14
Also published as: CN117233783A

Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达光通信一体化系统。包括第一半导体激光器、相位调制器、信号发生器、分束器、I/Q调制器、环形器、光束对准单元、第一光纤耦合器、第一平衡探测器、低通滤波器、模式转换单元、通信单元；第一半导体激光器产生激光光束经相位调制器、分束器后分为本振光束和探测光束；探测光束经由I/Q调制器进行调制，调制后经环形器进入光束对准单元，发出雷达扫描光束和通信光束；雷达扫描光束照到目标产生的回波光束由光束对准单元接收；回波光束与本振光束经第一平衡探测器、低通滤波器、模式转换单元后实现雷达测距；通信光束经由通信单元实现通信。优点在于：提高通信传输速率，探测距离远、精度高。

Description

一种激光雷达光通信一体化系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达光通信一体化系统。

背景技术

激光雷达是一种以激光作为光源的主动探测设备，往往通过直接或者间接的测量激光在雷达端与目标端的往返时间来获取目标的距离信息。激光雷达技术是一种将激光与传统雷达技术相结合的具有独特优势的新产物。利用激光发射角小、能量集中、高相干性的优点，激光雷达技术可以实现传统雷达技术不具备的特殊优势。由于激光雷达优异的性能，受到了许多领域的关注，尤其在自动驾驶领域，激光雷达作为主动探测体制，以激光为载体，可以实现全时段工作和高精度、高距离分辨率、高角度分辨率的测量及成像，能够为汽车提供丰富、准确、可靠的三维环境数据，这些优势使得激光雷达成为了未来自动驾驶技术必备的核心部件。

但截止目前，由于光沿直线传播的特性，单车探测始终难以解决“鬼探头”、异常入侵等问题。而自由空间光通信技术（FSO）可以通过建立通信链路实现车-路信息共享，帮助自动驾驶解决“鬼探头”问题。因此，许多研究机构认为，只有结合激光雷达（LiDAR）与光通信，实现车-车协同、车-路协同，才是未来自动驾驶的发展方向。

目前，在LiDAR与自由空间光通信技术（FSO）一体化研究的领域，仅有少数团队开展了研究工作，采用的方案多为将传统激光雷达系统与光通信系统的简单拼凑，取得的成果十分有限。LiDAR-FSO一体化系统的研究面临诸多困境，难以满足应用的需求。例如，在2022年ECOC会议上Aina Val Marti 等人提出的一项代表性的方案中采用调频连续波技术（FMCW）搭建了激光雷达系统。由于FMCW的原理是通过线性调频技术对时间进行编码，从而解调中频信号获得飞行时间，因此限制了光通信系统的调制格式，只能与采用调幅原理的通断键连（OOK）通信调制格式相结合实现雷达通信一体化系统。但OOK受限于体制本身及现有器件问题导致传输速率有限，最快仅达到2.5 Gb/s，面对“万物互联”的需求略显不足。另一方面，光通信系统需要建立光通信链路，目前多采用机械部件实现光束的转向、对准，导致一体化系统普遍存在体积大、部署难的问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种结合相位调制连续波激光雷达（PhMCW）与高阶相干光通信调制体制的激光雷达光通信一体化系统。

本发明目的在于提供一种激光雷达光通信一体化系统，包括：第一半导体激光器、相位调制器、信号发生器、分束器、I/Q调制器、环形器、光束对准单元、第一光纤耦合器、第一平衡探测器、低通滤波器、模式转换单元、通信单元；

所述通信单元包括第二光学相控阵芯片、第二半导体激光器、第二光纤耦合器、第二平衡探测器、高通滤波器、数字信号处理器；

所述第一半导体激光器产生激光光束；所述激光光束经所述相位调制器进行相位调制；所述信号发生器用于控制所述相位调制器产生相位调制信号；调制后的光束经所述分束器分为本振光束和探测光束；所述探测光束经由所述I/Q调制器进行调制，调制后的光束经由所述环形器进入所述光束对准单元；所述光束对准单元发出两束光束，一束是用于雷达测距的不断进行扫描的雷达扫描光束，另一束是用于通信的通信光束；

所述雷达扫描光束照到目标产生的回波光束由所述光束对准单元接收；接收到的回波光束与所述本振光束通过所述第一光纤耦合器进行相干混频成为第一混频光信号；所述第一平衡探测器用于将所述第一混频光信号转换为第一模拟电信号；所述第一模拟电信号通过所述低通滤波器滤除无用的高频信号后，由模式转换单元对信号进行接收、分析、储存，得到与待测目标之间距离信息从而实现雷达测距；

所述通信光束由通信单元的第二光学相控阵芯片进行接收，接收后的光束与所述第二半导体激光器产生的相干光束通过所述第二光纤耦合器进行相干混频成为第二混频光信号；所述第二平衡探测器用于将所述第二混频光信号转换为第二模拟电信号；所述第二模拟电信号通过所述高通滤波器滤除对通信单元无用的低频信号后，由所述数字信号处理器对信号进行接收、分析，从而实现通信。

优选的，还包括位于所述第一半导体激光器和所述相位调制器之间的光纤放大器，用于对所述第一半导体激光器发出的激光光束功率进行放大。

优选的，光纤放大器为掺铒光纤放大器。

优选的，I/Q调制器的调制信号来自于码源产生的用于通信的高频信号。

优选的，相位调制信号为用于雷达的低频信号。

优选的，光束对准单元为第一光学相控阵芯片。

优选的，模式转换单元为示波器，用于对信号进行接收、分析、储存，从而实现雷达测距。

优选的，模式转换单元为时间-数字转换器，用于直接计时。

优选的，模式转换单元由模拟-数字转换器和数字信号处理器组成。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

（1）本系统采用了相位调制连续波激光雷达探测体系，该体系通过对激光的相位进行调制实现时间编码，相干解调相位延时读取飞行时间，可以实现高质量的测距和测速。并且PhMCW原理上与光通信常用的相移键控（PSK）十分相似，相位调制体制使得PhMCW适配于大多数常见的光通信调制格式，有效解决了FMCW只能与OOK调制格式相结合的问题，是一种理论上非常适合结合光通信的激光雷达测距方法；

（2）本系统选择了调制效率更高的正交相移键控(Quadrature Phase ShiftKeying，QPSK）调制格式，QPSK通信体制是一种高阶相干光通信调制体制，每次调制可以实现2bit的传输，有效地提高了通信传输速率，为实现高通信提供了可能；

（3）本系统采用了OPA这种固态扫描装置替代现有的机械对准，OPA是一种“芯片级”的固态光束扫描装置，具有体积小、功耗低、可靠性高等诸多优势，可以使激光更集中于部分区域甚至一个“点”上，平均功率密度更高，探测距离更远，探测精度更高。同时由于其采用互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制作，便于与系统中的其他部件进行片上集成，为一体化系统的小型化、芯片化提供了新的方向。

附图说明

图1是根据本发明实施例1提供的激光雷达光通信一体化系统结构示意图。

图2是根据本发明实施例2提供的激光雷达光通信一体化系统结构示意图。

附图标记：

1、第一半导体激光器；2、光纤放大器；3、相位调制器；4、信号发生器；5、分束器；6、I/Q调制器；7、码源；8、环形器；9、第一光学相控阵芯片；10、第一光纤耦合器；11、第一平衡探测器；12、低通滤波器；13、示波器；14、第二光学相控阵芯片；15、第二半导体激光器；16、第二光纤耦合器；17、第二平衡探测器；18、高通滤波器；19、数字信号处理器。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明提供一种激光雷达光通信一体化系统，包括：第一半导体激光器、相位调制器、信号发生器、分束器、I/Q调制器、环形器、光束对准单元、第一光纤耦合器、第一平衡探测器、低通滤波器、模式转换单元、通信单元；

在具体的本实施例中，I/Q调制器的调制信号来自于码源产生的用于通信的高频信号。

在具体的本实施例中，光束对准单元为第一光学相控阵芯片。

在具体的本实施例中，一种激光雷达光通信一体化系统还包括光纤放大器，用于对第一半导体激光器发出的激光光束功率进行放大；若激光雷达光通信一体化系统中的第一半导体激光器的功率不够高，可以使用光纤放大器来进行放大，这样第一半导体激光器不仅可以使用高功率的激光器，也可以使用光纤放大器配合功率低的激光器；优选的，光纤放大器为掺铒光纤放大器。

在具体的实施例中，模式转换单元用于对模拟电信号进行转换、分析等，可以为示波器，用于对信号进行接收、分析、储存，从而实现雷达测距；或者为时间-数字转换器（TDC），用于直接计时；或者由模拟-数字转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP）组成。

实施例1

参见图1，本实施例提供一种激光雷达光通信一体化系统，包括：第一半导体激光器1、光纤放大器2、相位调制器3、信号发生器4、分束器5、I/Q调制器6、码源7、环形器8、光束对准单元、第一光纤耦合器10、第一平衡探测器11、低通滤波器12、模式转换单元、通信单元；

光束对准单元包括第一光学相控阵芯片9；

通信单元包括第二光学相控阵芯片14、第二半导体激光器15、第二光纤耦合器16、第二平衡探测器17、高通滤波器18、数字信号处理器19；

模式转换单元包括示波器13；

由第一半导体激光器1产生激光光束；产生的光束由光纤放大器2进行放大；放大后的光束由相位调制器3进行调制，调制信号来自于信号发生器4产生的用于雷达的低频信号；调制后的光束由分束器5分为本振光束（LO）和探测光束（TX）；探测光经由I/Q调制器6进行调制，调制信号来自于码源7产生的用于通信的高频信号；调制后的光束经由环形器8进入光束对准单元，即第一光学相控阵芯片9；第一光学相控阵芯片9发出两束光束，一束是用于雷达测距的不断进行扫描的雷达扫描光束（图1中实线箭头所示），另一束是相对固定用于通信的通信光束（图1中虚线箭头所示）；雷达扫描光束照到目标产生的回波光束（RX）根据光束可逆原理由第一光学相控阵芯片9接收；接收到的回波光束（RX）与本振光束（LO）通过第一光纤耦合器10相干混频；产生的混频信号由第一平衡探测器11转化为模拟电信号；模拟电信号通过低通滤波器12滤除对雷达系统无用的高频信号后，由示波器13（OSC）对信号进行接收、分析、储存，得到与待测目标之间距离信息从而实现雷达测距；另一束相对固定的通信光束由通信单元的第二光学相控阵芯片14（OPA2）进行接收，接收后的光与第二半导体激光器15产生的相干光经由第二光纤耦合器16进行相干混频；混频信号由第二平衡探测器17转化为模拟电信号；模拟电信号通过高通滤波器18滤除对通信系统无用的低频信号后，由数字信号处理器19对信号进行接收、分析，从而实现通信。

实施例2

参见图2，当第一半导体激光器1为高功率半导体激光器时，可直接连接相位调制器3，对产生的激光光束进行调制。

实施例3

在本实施例中，模式转换单元为时间-数字转换器（TDC），用于直接计时。其余结构同实施例1相同。

实施例4

在本实施例中，模式转换单元由模拟-数字转换器（ADC）和数字信号处理器（DSP）组成。其余结构同实施例1相同。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于，包括：第一半导体激光器、相位调制器、信号发生器、分束器、I/Q调制器、环形器、光束对准单元、第一光纤耦合器、第一平衡探测器、低通滤波器、模式转换单元、通信单元；

2.根据权利要求1所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于，还包括：位于所述第一半导体激光器和所述相位调制器之间的光纤放大器，用于对所述第一半导体激光器发出的激光光束功率进行放大。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述I/Q调制器的调制信号来自于码源产生的用于通信的高频信号。

5.根据权利要求4所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述相位调制信号为用于雷达的低频信号。

6.根据权利要求5所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述光束对准单元为第一光学相控阵芯片。

7.根据权利要求6所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述模式转换单元为示波器，用于对信号进行接收、分析、储存，从而实现雷达测距。

8.根据权利要求6所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述模式转换单元为时间-数字转换器，用于直接计时。

9.根据权利要求6所述的一种激光雷达光通信一体化系统，其特征在于：所述模式转换单元由模拟-数字转换器和数字信号处理器组成。