CN118011415B - 一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光雷达测距技术领域，公开了一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法，包括光源模块、第一集成光量子芯片、光放大模块、发射光路、接收光路、第二集成光量子芯片、第一探测模块、第二探测模块、差分电路以及主控模块，第一集成光量子芯片至少包含一个不等臂干涉仪，第二集成光量子芯片包含一个臂长差与第一集成光量子芯片中不等臂干涉仪相同的不等臂干涉仪。与现有技术相比，本发明使用集成化的光量子芯片来对激光脉冲信号进行编解码，通过平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，降低了大气湍流的影响。

Description

一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法

技术领域

本发明涉及激光雷达测距技术领域，特别涉及一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法。

背景技术

雷达在军事、民航、自动驾驶等领域具有非常重要的作用。激光雷达由于采用波长较短的激光作为信息载波，因而具有较高的分辨率，可用于对目标进行探测、跟踪和识别，以及进行测距、成像。

信噪比是激光雷达探测中非常重要的一个指标，能够直接影响系统的性能。现有技术中，采用光子计数法的激光雷达可以达到较远的测距范围，这是由于单光子探测器具有较高的灵敏度，但是其工作时需要降温至-30℃以下来降低暗计数，因此成本和复杂度较高，不利于小型化。对于日光背景噪声，只能通过滤波器进行滤波，在滤噪的同时真实信号会有一定的损失，因此在白天信噪比较低，难以正常工作。相干激光雷达具有天然的滤波作用，使用本振光与真实信号进行相干探测，不仅可以滤除不相干的背景噪声，还具有一定的增益。然而，在远距离时由于回波信号的退相干效应较为显著，使得相干探测变得困难，日光下背景噪声的影响增加，使得系统的信噪比较低。

发明内容

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于集成光量子芯片的激光雷达，包括光源模块、第一集成光量子芯片、光放大模块、发射光路、接收光路、第二集成光量子芯片、第一探测模块、第二探测模块、差分电路以及主控模块，

所述光源模块用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；

所述第一集成光量子芯片至少包含一个不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号；

所述光放大模块用于将经过编码的激光脉冲信号放大至预定功率；

所述发射光路用于将经放大后的激光脉冲信号扩束并向目标照射；

所述接收光路用于接收从目标反射的回波信号；

所述第二集成光量子芯片包含一个臂长差与第一集成光量子芯片中不等臂干涉仪相同的不等臂干涉仪，用于使回波信号中的两个子脉冲信号进行干涉，并在编码相位差为0时使干涉结果从其第一输出端口出射，以及在编码相位差为π时使干涉结果从其第二输出端口出射；

所述第二集成光量子芯片还用于使回波信号中的背景噪声信号等幅度地从其的第一输出端口和第二输出端口出射；

所述第一探测模块和第二探测模块分别用于对应地探测从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射光信号的幅度；

所述差分电路用于将第一探测模块和第二探测模块的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；

所述主控模块用于触发光源模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。

优选地，所述光源模块包括第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时发射激光脉冲。

优选地，所述第一集成光量子芯片包含第一不等臂干涉仪、第二不等臂干涉仪和第一分束器BS1，所述第一不等臂干涉仪的输入端口和第二不等臂干涉仪的输入端口分别对应连接第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述第一不等臂干涉仪和第二不等臂干涉仪为臂长差相同、且长臂上设置有热调移相器的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第一不等臂干涉仪的输出端口和第二不等臂干涉仪的输出端口分别连接第一分束器BS1的两个输入端口；

第一分束器BS1的输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

优选地，所述第一集成光量子芯片包含第三不等臂干涉仪，

所述第三不等臂干涉仪为包含两个输入端口和一个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第三不等臂干涉仪的两个输入端口分别连接第一激光器LD1和第二激光器LD2，其输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

优选地，所述光源模块还包括第三激光器LD3；

所述第一集成光量子芯片的输出端口与光放大模块的输入端口之间还设置有环形器CIR；所述环形器的第一端口、第二端口、第三端口分别对应连接第一集成光量子芯片的输出端口、光放大模块的输入端口、第三激光器LD3；

所述环形器用于将从第一集成光量子芯片的输出端口出射的光信号传输至第三激光器LD3进行注入锁定，并将第三激光器LD3产生的光信号传输至光放大模块。

优选地，所述第二集成光量子芯片包含第四不等臂干涉仪，所述第四不等臂干涉仪为包含1个输入端口和2个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第四不等臂干涉仪的长臂上设置有一个热调移相器。

优选地，所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

优选地，所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30dB。

优选地，所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

优选地，所述第一探测模块和第二探测模块为单光子级平衡探测器。

本发明还提供了一种激光雷达测距方法，包括以下步骤：

S1：主控模块制备随机序列生成驱动信号触发光源模块发出激光脉冲信号，并进入第一集成光量子芯片进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号，形成发射序列；

S2：经过编码的激光脉冲信号经光放大模块放大至预定功率，并通过发射光路扩束后向目标照射，使用接收光路接收从目标反射的回波信号；

S3：回波信号进入第二集成光量子芯片进行干涉，产生的两路干涉信号分别进入第一探测模块和第二探测模块进行探测，并使用差分电路将两个探测结果进行差分得到探测序列，根据探测结果的正负将探测序列转化为接收序列，其中大于0的结果为0，小于0 的结果为1，等于0的结果随机赋值为0或1；

S4：将所述发射序列与接收序列进行移位互相关运算，根据互相关运算结果达到峰值对应的位置得到目标的距离信息。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明提出了一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法，使用集成化的光量子芯片来对激光脉冲信号进行编解码，通过高灵敏度的平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，可以降低大气湍流的影响。

附图说明

图1为本发明基于集成光量子芯片的激光雷达的原理框图；

图2为本发明基于集成光量子芯片的激光雷达实施例一的原理框图；

图3为本发明基于集成光量子芯片的激光雷达实施例二的原理框图；

图4为本发明基于集成光量子芯片的激光雷达实施例三的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种基于集成光量子芯片的激光雷达，包括光源模块、第一集成光量子芯片、光放大模块、发射光路、接收光路、第二集成光量子芯片、第一探测模块、第二探测模块、差分电路以及主控模块，

所述光源模块用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；

所述第一集成光量子芯片至少包含一个不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号；

所述光放大模块用于将经过编码的激光脉冲信号放大至预定功率；

所述发射光路用于将经放大后的激光脉冲信号扩束并向目标照射；

所述接收光路用于接收从目标反射的回波信号；

所述第二集成光量子芯片用于使回波信号中的两个子脉冲信号进行干涉，并在编码相位差为0时使干涉结果从其第一输出端口出射，以及在编码相位差为π时使干涉结果从其第二输出端口出射；

所述第二集成光量子芯片还用于使回波信号中的背景噪声信号等幅度地从其的第一输出端口和第二输出端口出射；

所述第一探测模块和第二探测模块分别用于对应地探测从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射光信号的幅度；

所述差分电路用于将第一探测模块和第二探测模块的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；

所述主控模块用于触发光源模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。

具体工作过程如下：

主控模块产生随机驱动信号触发光源模块产生时域宽度较窄的激光脉冲信号，进入第一集成光量子芯片进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号，得到发射序列。随后经光放大模块放大至预定功率，通过发射光路扩束并向目标照射。

编码光信号被目标反射后进入接收光路，成为回波信号，随后进入第二集成光量子芯片进行解码。假设两个子脉冲信号从第一集成光量子芯片出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第二集成光量子芯片时相位差不变。回波信号中的两个子脉冲信号在第二集成光量子芯片中进行干涉，从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为

，

其中，A为进入第二集成光量子芯片的子脉冲幅度。回波信号中伴随两个子脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二集成光量子芯片的两个输出端口出射的噪声幅度度相同，即。

当两个子脉冲之间的相位差为0时，从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号分别为/>和/>。

使用第一探测模块和第二探测模块分别探测从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射光信号的幅度，并通过差分电路将两个探测结果相减，可得当两个子脉冲之间的相位差为0时，差分结果为A；当二者之间的相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。

将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。

如图2所示，本发明实施例一：

所述基于集成光量子芯片的激光雷达结构为：所述光源模块包括第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时发射激光脉冲。

所述第一集成光量子芯片包含第一不等臂干涉仪、第二不等臂干涉仪和第一分束器BS1，所述第一不等臂干涉仪的输入端口和第二不等臂干涉仪的输入端口分别对应连接第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述第一不等臂干涉仪和第二不等臂干涉仪为臂长差相同、且长臂上设置有热调移相器的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第一不等臂干涉仪的输出端口和第二不等臂干涉仪的输出端口分别连接第一分束器BS1的两个输入端口；

第一分束器BS1的输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

所述第二集成光量子芯片包含第四不等臂干涉仪，所述第四不等臂干涉仪为包含1个输入端口和2个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第四不等臂干涉仪的长臂上设置有一个热调移相器。

所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30dB。

所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

所述第一探测模块和第二探测模块为单光子级平衡探测器，为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2。

实施例一具体工作过程如下：

主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2分别产生一路窄脉宽的激光脉冲信号。由于触发两个激光器的电平刚好相反，当第一激光器LD1发光时，第二激光器LD2不发光；反之，当第一激光器LD1不发光时，第二激光器LD2发光。

第一激光器LD1产生的激光脉冲信号进入第一不等臂干涉仪，通过调节其长臂上的第一热调移相器PS1将沿长短臂传输的光信号之间的相位差调为0，并进入第一分束器BS1；第二激光器LD2产生的激光脉冲信号进入第二不等臂干涉仪，通过调节其长臂上的第二热调移相器PS2将沿长短臂传输的光信号之间的相位差调为π，并进入第一分束器BS1；由于在同一时刻，只有第一激光器LD1和第二激光器LD2其中之一被触发产生激光脉冲信号，因此从第一分束器BS1出射的两个子脉冲信号之间的相位差为0或π，从而得到发射序列。随后经光放大模块放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。

编码光信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第四不等臂干涉仪进行解码。假设两个子脉冲信号从第一集成光量子芯片出射时，二者之间的相位差为，由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第四不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的两个子脉冲信号在第四不等臂干涉仪中进行干涉，假设第四不等臂干涉仪长短臂相位差可由第三热调移相器PS3调节为0，则从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为

，

其中，A为进入第四不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随两个子脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二集成光量子芯片的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。

当两个子脉冲之间的相位差为0时，从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为和/>；当二者之间的相位差为π时，从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为/>和/>。

第一探测模块和第二探测模块分别为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2，二者分别对从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的第一光信号和第二光信号进行探测。其中，当两个子脉冲之间的相位差为0时，第一平衡探测器HD1对第一光信号进行平衡探测，可以得到真实回波的I分量和Q分量/>，其中/>为该信号与第一平衡探测器HD1内本振光之间的相位差，加上噪声后可以得到第一光信号的幅度度为；第二平衡探测器HD2对第二光信号进行探测，得到噪声幅度为/>，通过差分电路将两个探测结果相减，可得当差分结果为A。类似地，当二者之间的相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。

将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。

如图3所示，本发明实施例二：

所述基于集成光量子芯片的激光雷达结构为：所述光源模块包括第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时发射激光脉冲。

所述第一集成光量子芯片包含第三不等臂干涉仪，所述第三不等臂干涉仪为包含两个输入端口和一个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第三不等臂干涉仪的两个输入端口分别连接第一激光器LD1和第二激光器LD2，其输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

所述第二集成光量子芯片包含第四不等臂干涉仪，所述第四不等臂干涉仪为包含1个输入端口和2个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第四不等臂干涉仪的长臂上设置有一个热调移相器。

所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30dB。

所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

所述第一探测模块和第二探测模块为单光子级平衡探测器，为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2。

实施例二具体工作过程如下：

主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2分别产生一路窄脉宽的激光脉冲信号。由于触发两个激光器的电平刚好相反，当第一激光器LD1发光时，第二激光器LD2不发光；反之，当第一激光器LD1不发光时，第二激光器LD2发光。

第一激光器LD1产生的激光脉冲信号从第三不等臂干涉仪的第一输入端口进入，沿长短臂传输的光信号之间的相位差为，随后从其输出端口出射；第二激光器LD2产生的激光脉冲信号从第三不等臂干涉仪的第二输入端口进入，沿长短臂传输的光信号之间的相位差为/>，随后从其输出端口出射；由于在同一时刻，只有第一激光器LD1和第二激光器LD2其中之一被触发产生激光脉冲信号，因此从第三不等臂干涉仪的输出端口出射的两个子脉冲信号之间的相位差为/>或/>，从而得到发射序列。随后经光放大模块放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。

编码光信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第四不等臂干涉仪进行解码。假设两个子脉冲信号从第一集成光量子芯片出射时，二者之间的相位差为，/>或/>。由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第四不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的两个子脉冲信号在第四不等臂干涉仪中进行干涉，假设第四不等臂干涉仪长短臂相位差可由第三热调移相器PS3调节为/>，则从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为

，

其中，A为进入第四不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随两个子脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二集成光量子芯片的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。

当两个子脉冲之间的相位差为0时，从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为和/>；当二者之间的相位差为/>时，从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为/>和/>。

第一探测模块和第二探测模块分别为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2，二者分别对从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的第一光信号和第二光信号进行探测。其中，当两个子脉冲之间的相位差为0时，第一平衡探测器HD1对第一光信号进行平衡探测，可以得到真实回波的I分量和Q分量/>，其中/>为该信号与第一平衡探测器HD1内本振光之间的相位差，加上噪声后可以得到第一光信号的幅度度为；第二平衡探测器HD2对第二光信号进行探测，得到噪声幅度为/>，通过差分电路将两个探测结果相减，可得当差分结果为A。类似地，当二者之间的相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。

将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。

如图4所示，本发明实施例三：

所述基于集成光量子芯片的激光雷达结构为：所述光源模块包括第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时发射激光脉冲。

所述第一集成光量子芯片包含第三不等臂干涉仪，所述第三不等臂干涉仪为包含两个输入端口和一个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第三不等臂干涉仪的两个输入端口分别连接第一激光器LD1和第二激光器LD2，其输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

所述光源模块还包括第三激光器LD3；

所述第一集成光量子芯片的输出端口与光放大模块的输入端口之间还设置有环形器CIR；所述环形器的第一端口、第二端口、第三端口分别对应连接第一集成光量子芯片的输出端口、光放大模块的输入端口、第三激光器LD3；

所述环形器用于将从第一集成光量子芯片的输出端口出射的光信号传输至第三激光器LD3进行注入锁定，并将第三激光器LD3产生的光信号传输至光放大模块。

所述第二集成光量子芯片包含第四不等臂干涉仪，所述第四不等臂干涉仪为包含1个输入端口和2个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第四不等臂干涉仪的长臂上设置有一个热调移相器。

所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30dB。

所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

所述第一探测模块和第二探测模块为单光子级平衡探测器，为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2。

实施例三具体工作过程如下：

主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2分别产生一路窄脉宽的激光脉冲信号。由于触发两个激光器的电平刚好相反，当第一激光器LD1发光时，第二激光器LD2不发光；反之，当第一激光器LD1不发光时，第二激光器LD2发光。

第一激光器LD1产生的激光脉冲信号从第三不等臂干涉仪的第一输入端口进入，沿长短臂传输的光信号之间的相位差为，随后从其输出端口出射；第二激光器LD2产生的激光脉冲信号从第三不等臂干涉仪的第二输入端口进入，沿长短臂传输的光信号之间的相位差为/>，随后从其输出端口出射；由于在同一时刻，只有第一激光器LD1和第二激光器LD2其中之一被触发产生激光脉冲信号，因此从第三不等臂干涉仪的输出端口出射的两个子脉冲信号之间的相位差为/>或/>。由于第一激光器LD1和第二激光器LD2发射光信号的波长可能存在一定的差异，对后续平衡探测产生影响，可以通过使两个光信号分别对同一个激光器进行注入锁定来输出波长一致的光脉冲信号。从第三不等臂干涉仪的输出端口出射的两个子脉冲信号进入环形器CIR的第一端口，随后从第二端口出射，进入第三激光器LD3进行注入锁定，产生波长一致的子脉冲信号再次经CIR从其第三端口出射，从而得到发射序列。随后经光放大模块放大至预定功率，通过发射望远镜扩束并向目标照射。

编码光信号被目标反射后进入接收望远镜，成为回波信号，随后进入第四不等臂干涉仪进行解码。假设两个子脉冲信号从第一集成光量子芯片出射时，二者之间的相位差为，/>或/>。由于二者之间的时间间隔不大于500ps，对应在空间中传输的距离差不大于15cm，湍流对两个子脉冲的相位影响相同，因此经历大气传输和反射后到达第四不等臂干涉仪时相位差不变。回波信号中的两个子脉冲信号在第四不等臂干涉仪中进行干涉，假设第四不等臂干涉仪长短臂相位差可由第三热调移相器PS3调节为/>，则从其两个输出端口出射的干涉结果可分别写为

，

其中，A为进入第四不等臂干涉仪的子脉冲幅度。回波信号中伴随两个子脉冲信号的背景噪声信号相位随机，不发生干涉，因此第二集成光量子芯片的两个输出端口出射的噪声幅度相同，即。

当两个子脉冲之间的相位差为0时，从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为和/>；当二者之间的相位差为/>时，从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射的光信号幅度分别为/>和/>。

第一探测模块和第二探测模块分别为第一平衡探测器HD1和第二平衡探测器HD2，二者分别对从第四不等臂干涉仪的第一输出端口和第二输出端口出射的第一光信号和第二光信号进行探测。其中，当两个子脉冲之间的相位差为0时，第一平衡探测器HD1对第一光信号进行平衡探测，可以得到真实回波的I分量和Q分量/>，其中/>为该信号与第一平衡探测器HD1内本振光之间的相位差，加上噪声后可以得到第一光信号的幅度度为；第二平衡探测器HD2对第二光信号进行探测，得到噪声幅度为/>，通过差分电路将两个探测结果相减，可得当差分结果为A。类似地，当二者之间的相位差为π时，差分结果为-A。可以看出，差分结果中已经消除了背景噪声，只包含真实的反射信号。将差分结果序列中的A和-A分别替换为0和1，可以得到接收序列。

将发射序列逐位移动与接收序列进行互相关运算，得到每次移动时的互相关值。当互相关值达到峰值时表明收发序列一一对应，通过所移动的位数即可得到相应的目标距离，实现测距功能。

综合本发明各个实施例可知，本发明提出一种基于集成光量子芯片的激光雷达及测距方法，使用集成化的光量子芯片来对激光脉冲信号进行编解码，通过高灵敏度的平衡探测器探测解码后的回波信号并进行差分，可以大幅度降低回波信号中背景噪声，提高系统的信噪比。另外，使用时间间隔较短的两个子脉冲之间的相对相位进行编码，可以降低大气湍流的影响。

Claims (11)

1.一种基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，包括光源模块、第一集成光量子芯片、光放大模块、发射光路、接收光路、第二集成光量子芯片、第一探测模块、第二探测模块、差分电路以及主控模块，

所述光源模块用于产生窄脉宽的激光脉冲信号；

所述第一集成光量子芯片至少包含一个不等臂干涉仪，用于对激光脉冲信号进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号；

所述光放大模块用于将经过编码的激光脉冲信号放大至预定功率；

所述发射光路用于将经放大后的激光脉冲信号扩束并向目标照射；

所述接收光路用于接收从目标反射的回波信号；

所述第二集成光量子芯片包含一个臂长差与第一集成光量子芯片中不等臂干涉仪相同的不等臂干涉仪，用于使回波信号中的两个子脉冲信号进行干涉，并在编码相位差为0时使干涉结果从其第一输出端口出射，以及在编码相位差为π时使干涉结果从其第二输出端口出射；

所述第二集成光量子芯片还用于使回波信号中的背景噪声信号等幅度地从其的第一输出端口和第二输出端口出射；

所述第一探测模块和第二探测模块分别用于对应地探测从第二集成光量子芯片的第一输出端口和第二输出端口出射光信号的幅度；

所述差分电路用于将第一探测模块和第二探测模块的输出电信号进行差分，以消除背景噪声信号；

所述主控模块用于触发光源模块进行编码得到编码序列，并采集差分电路输出的信号产生解码序列，以及将所述编码序列和解码序列进行相关运算，获取目标的距离信息。

2.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述主控模块产生一个0和1比特随机出现的第一序列，同时将第一序列中的0和1比特分别取反得到第二序列，并根据第一序列和第二序列产生两路用于触发第一激光器LD1和第二激光器LD2的电信号，其中0比特对应低电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时不发射激光脉冲；1比特对应高电平，触发第一激光器LD1和第二激光器LD2时发射激光脉冲。

3.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，所述第一集成光量子芯片包含第一不等臂干涉仪、第二不等臂干涉仪和第一分束器BS1，所述第一不等臂干涉仪的输入端口和第二不等臂干涉仪的输入端口分别对应连接第一激光器LD1和第二激光器LD2；

所述第一不等臂干涉仪和第二不等臂干涉仪为臂长差相同、且长臂上设置有热调移相器的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第一不等臂干涉仪的输出端口和第二不等臂干涉仪的输出端口分别连接第一分束器BS1的两个输入端口；

第一分束器BS1的输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

4.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，所述第一集成光量子芯片包含第三不等臂干涉仪，

所述第三不等臂干涉仪为包含两个输入端口和一个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第三不等臂干涉仪的两个输入端口分别连接第一激光器LD1和第二激光器LD2，其输出端口作为第一集成光量子芯片的输出端口。

5.根据权利要求3或4所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，

所述光源模块还包括第三激光器LD3；

所述第一集成光量子芯片的输出端口与光放大模块的输入端口之间还设置有环形器CIR；所述环形器的第一端口、第二端口、第三端口分别对应连接第一集成光量子芯片的输出端口、光放大模块的输入端口、第三激光器LD3；

所述环形器用于将从第一集成光量子芯片的输出端口出射的光信号传输至第三激光器LD3进行注入锁定，并将第三激光器LD3产生的光信号传输至光放大模块。

6.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，

所述第二集成光量子芯片包含第四不等臂干涉仪，所述第四不等臂干涉仪为包含1个输入端口和2个输出端口的马赫-曾德尔干涉仪；

所述第四不等臂干涉仪的长臂上设置有一个热调移相器。

7.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，

所述激光脉冲信号的时域宽度不大于100ps，所述子脉冲信号之间的时间间隔不大于500ps。

8.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，

所述光放大模块为掺铒光纤放大器，增益不低于30dB。

9.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，所述发射光路和接收光路分别为发射望远镜和接收望远镜。

10.根据权利要求1所述的基于集成光量子芯片的激光雷达，其特征在于，所述第一探测模块和第二探测模块为单光子级平衡探测器。

11.一种基于权利要求1-10任一项所述激光雷达的测距方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：主控模块制备随机序列生成驱动信号触发光源模块发出激光脉冲信号，并进入第一集成光量子芯片进行编码，产生相位差随机为0或π的两个子脉冲信号，形成发射序列；

S2：经过编码的激光脉冲信号经光放大模块放大至预定功率，并通过发射光路扩束后向目标照射，使用接收光路接收从目标反射的回波信号；

S3：回波信号进入第二集成光量子芯片进行干涉，产生的两路干涉信号分别进入第一探测模块和第二探测模块进行探测，并使用差分电路将两个探测结果进行差分得到探测序列，根据探测结果的正负将探测序列转化为接收序列，其中大于0的结果为0，小于0 的结果为1，等于0的结果随机赋值为0或1；

S4：将所述发射序列与接收序列进行移位互相关运算，根据互相关运算结果达到峰值对应的位置得到目标的距离信息。