CN205080260U - 基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统 - Google Patents

Abstract

基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，包括激光器、光耦合系统、光波导器件和控制电源；所述的激光器用于发射激光，光耦合系统用于把激光器发射的激光耦合到光波导器件里，所述的光波导器件实现激光的空间扫描，控制电源对光波导器件施加电压；光耦合系统分别与激光器和光波导器件相连，光波导器件还与控制电源相连；本实用新型具有体积小、扫描范围大、响应速度快、适应波段宽、可靠性高、全固态化等优点。

Description

基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统

技术领域

本实用新型涉及一种扫描系统，尤其涉及一种基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统。

背景技术

汽车智能驾驶所需激光雷达系统不需要像测绘型激光雷达的海量数据去获取高精度环境信息，又不满足于工业安防型系统的低点云密度。需根据车辆道路应用环境设计具体高效的专用系统，在能够有效探测路面障碍物的点云密度前提下，做到实时目标识别，这便要求激光雷达具备高效的扫描系统，尽量减小旁向激光脚点间距和航向激光脚点间距，增加旁向和航向的激光脚点密度，真正做到无缝扫描。

车载激光雷达，顾名思义需要把激光雷达安装于车体上，由于车体空间有限，这便对激光雷达的小型化提出了要求。激光扫描子系统在激光雷达系统中占据重要地位，同样也占据着激光雷达系统中较大的空间，实现激光扫描子系统的小型化，对于车载激光雷达的研究是至关重要的。

激光雷达系统中分为2种典型的扫描方式：机械扫描方式、非机械扫描方式，其中机械扫描方式分为摆镜扫描、多面棱镜扫描和圆锥镜扫描；非机械扫描方式又分为电光扫描和声光扫描。现在的机载和舰载激光雷达扫描系统多采用机械扫描方式，其中的激光扫描子系统占据着较大的空间，但是对于车载激光雷达，这种扫描方式却不太合适，车体中没有较大的空间来安装这种机械的激光扫描系统。多面棱镜扫描主要包括一个多面棱镜和一个驱动马达；马达可以是电动，也可以是气动，由控制系统来驱动。多面棱镜，也称为转镜，各侧面都加工成反射镜面，所以其工作原理基于平面镜的反射特性实现偏转。激光光束照射到多面棱镜表面，经棱镜表面反射，马达带动多面棱镜旋转，转镜每转动角度，反射光线转动角度，多面棱镜周期性旋转，同样反射光线周期性偏转，实现扫描的目的。机械扫描方式虽然结构简单，成本较低，但是基于车载激光雷达，存在较多的缺点：结构笨重，马达和多面体棱镜重量和体积较大、容易造成机械磨损，不利于长时间运转使用、扫描速度慢，因为使用了对眼睛安全的波长，为了减少色散度，选择了较小的光窗数值孔径，一般为5cm。光通过每一个多棱镜的表面时，都会经历一段较短的不能接受光信号的时间，降低反射信号接收比，使得最大信号接收比一般低于70％。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，其具有体积小、扫描范围大、响应速度快、适应波段宽、可靠性高、全固态化等优点。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，包括激光器、光耦合系统、光波导器件和控制电源；所述的激光器用于发射激光，光耦合系统用于把激光器发射的激光耦合到光波导器件里，所述的光波导器件实现激光的空间扫描，控制电源对光波导器件施加电压；光耦合系统分别与激光器和光波导器件相连，光波导器件还与控制电源相连。

所述的光波导器件由n个阵列单元组成，每个阵列单元由芯层和包层构成。

所述的光波导器件的芯层为砷镓铝本征层。

所述的光波导器件的包层由芯层两侧交替掺杂的P型和N型砷镓铝半导体构成。

本实用新型专利由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：光波导光学相控阵扫描技术有别于传统机械扫描方式，是在传统机械扫描方式无法满足日益发展的技术需求的情况下发展起来的，光波导光学相控阵具有体积小、扫描范围大、响应速度快、适应波段宽、可靠性高、全固态化等优点，可满足扫描成像和测距的要求。

光波导光学相控阵扫描系统相比于传统的机械扫描系统体积更小，适合运用于车载激光雷达中；光波导阵列通过加电方式来实现光束扫描，无机械结构，弥补了机械扫描方式带来的机械磨损，延长了使用寿命，可靠性高；光波导阵列是利用晶体的电光效应，响应速度快，达到ns级，可实现高速扫描；机械扫描方式中光信号通过棱镜表面时，会经历短时间接收不到光信号的情况，降低了反射信号比，使得最大信号接收比降低，而光波导光学相控阵扫描方式不存在类似的情况，提高了最大信号接收比。

附图说明

本实用新型共有附图2幅：

图1是本实用新型的结构框图；

图2是光波导器件内部结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的解释说明。

基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，包括激光器、光耦合系统、光波导器件和控制电源；所述的激光器用于发射激光，光耦合系统用于把激光器发射的激光耦合到光波导器件里，所述的光波导器件实现激光的空间扫描，控制电源对光波导器件施加电压；光耦合系统分别与激光器和光波导器件相连，光波导器件还与控制电源相连。所述的光波导器件由n个阵列单元组成，每个阵列单元由芯层和包层构成。所述的光波导器件的芯层为砷镓铝本征层。所述的光波导器件的包层由芯层两侧交替掺杂的P型和N型砷镓铝半导体构成。

光波导光学相控阵技术是基于电光效应的一种新型激光扫描技术，其概念来源于微波相控阵但又不同于微波相控阵，其采用可编程方式控制光学孔径上的相位分布来控制光束的方向和形状，能够为激光雷达和其它传感器提供可编程波束扫描，不但解决了系统体积小，造价更低。光波导芯层具有高电光系数、高折射率、高电阻、低光损耗，由它实现电光效应。包层则具有良好的导电性、低折射率，作为电极层。利用光波导电光效应，对波导芯层加载电压，使每个波导芯层具有不同的附加折射率，从而波束在波导阵元输出截面光场有不同附加相位差，而按一定规律分布的相位差可引起输出光速的偏转。通过设计输出按照一定规律分布的相位差，实现光束扫描。

本实用新型的工作流程为：激光器出射激光，经过光耦合系统进入光波导器件，控制电源根据程序设定对光波导器件施加电压，通过电光效应使激光束在空间上实现一维快速扫描。

非机械扫描方式中利用电光效应实现光速扫描的技术除了基于光波导阵列的，还存在铌酸锂晶体、PLZT压电陶瓷、液晶等方式，但是相比于光波导阵列，上述列举的方式都存在其缺点，如下表所示不同光学相控阵方式特点比较：

如上表所示，光波导光学相控阵扫描技术相比于其他三种技术，有其自身的优势，该技术的特点更适合运用于车载激光雷达中。

光波导光学相控阵扫描系统体积小，易于集成到车载激光雷达中；光波导阵列响应快，使得光波导光学相控阵扫描方式具有高扫描速度，能及时对前方快速行进车辆及周围路况成像；光波导光学相控阵扫描系统利用电光效应实现光束扫描，无任何机械结构，不存在机械磨损情况，系统可靠性高；光波导光学相控阵扫描方式能实时接收信号，最大信号接收比较高。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，其特征在于：包括激光器、光耦合系统、光波导器件和控制电源；所述的激光器用于发射激光，光耦合系统用于把激光器发射的激光耦合到光波导器件里，所述的光波导器件实现激光的空间扫描，控制电源对光波导器件施加电压；光耦合系统分别与激光器和光波导器件相连，光波导器件还与控制电源相连。

2.根据权利要求1所述的基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，其特征在于：所述的光波导器件由n个阵列单元组成，每个阵列单元由芯层和包层构成。

3.根据权利要求2所述的基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，其特征在于：所述的光波导器件的芯层为砷镓铝本征层。

4.根据权利要求2所述的基于车载激光雷达的光波导光学相控阵扫描系统，其特征在于：所述的光波导器件的包层由芯层两侧交替掺杂的P型和N型砷镓铝半导体构成。