CN207133434U - 相控阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种相控阵激光雷达，包括：激光发生器，用于产生原始激光；光传输介质；光分配装置，所述光分配装置通过光传输介质连接所述激光发生器；所述光分配装置包括用于接收所述原始激光的器件；及Z个辐射单元，每一所述辐射单元分别与所述光分配装置相连；其中，Z为大于1的自然数；其中，光分配装置用于将原始激光分配为Z路第一种光信号，并将每一路第一种光信号分别发送至各辐射单元，以使得所有辐射单元辐射的电磁波合成一束雷达波；激光发生器、器件及光传输介质的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料。上述相控阵激光雷达可以提高相控阵激光雷达的输入功率，进而提高了所有辐射单元合成的雷达波的总功率。

Description

相控阵激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种相控阵激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种用激光探测和测距的传感器。它的原理与雷达和声呐类似，即用发射装置向目标发射出激光脉冲，通过接收装置测量返回脉冲的延迟和强度来测量目标的距离与反射率。传统的激光雷达使用机械转动装置实现360度的空间扫描，但这样的雷达使用笨重的机械装置，同时扫描速率缓慢，机械转动装置一旦故障后很难继续正常使用。

为了解决这些问题，相控阵激光雷达应运而生。相控阵激光雷达由许多相同的天线组成矩阵，所有天线的辐射波在远场通过干涉形成一束雷达波。电子系统实时控制每个天线的相位，从而控制远场的雷达波方向。电子系统改变某些天线的相位，就可以改变雷达波的方向，从而实现动态扫描。这样的电子扫描不需要机械转动装置、扫描速率快，而且即使有少量天线发生故障也不会影响相控阵激光雷达的实际使用。然而，传统的相控阵激光雷达难以达到较大的发射功率，因此如何提高相控阵激光雷达的发射功率是亟待解决的问题。

实用新型内容

基于此，有必要针对如何提高相控阵激光雷达的发射功率的问题，提供一种相控阵激光雷达。

一种相控阵激光雷达，包括：

激光发生器，用于产生原始激光；

光传输介质；

光分配装置，所述光分配装置通过光传输介质连接所述激光发生器；所述光分配装置包括用于接收所述原始激光的器件；及

Z个辐射单元，每一所述辐射单元分别与所述光分配装置相连；其中，Z为大于1的自然数；

其中，所述光分配装置用于将所述原始激光分配为Z路第一种光信号，并将每一路所述第一种光信号分别发送至各所述辐射单元，以使得所有所述辐射单元辐射的电磁波合成一束雷达波；所述激光发生器、所述器件及所述光传输介质的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料。

在其中一个实施例中，所述设定功率值满足的条件为：所述相控阵激光雷达能够利用功率为所述设定功率值的原始激光对距离大于设定距离值的目标进行探测。

在其中一个实施例中，所述设定功率值大于10W。

在其中一个实施例中，所述激光发生器、所述器件及所述光传输介质的材料为SiN。

在其中一个实施例中，所述辐射单元的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。

在其中一个实施例中，所述辐射单元的材料为Si。

在其中一个实施例中，所述光分配装置包括：

第一光分配单元，所述第一光分配单元通过所述光传输介质连接所述激光发生器；所述第一光分配单元的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料；及

M个第二光分配单元，各所述第二光分配单元分别连接所述第一光分配单元，且所述第二光分配单元连接N个所述辐射单元；所述M、N均为自然数，且M×N＝Z；所述第一光分配单元将所述原始激光分配为M路第二种光信号，并将各路第二种光信号发送至对应的各所述第二光分配单元；所述第二光分配单元将所述第二种光信号分配为N路所述第一种光信号，并将各路第一种光信号发送至对应的各所述辐射单元。

在其中一个实施例中，所述第一光分配单元及所述第二光分配单元为光耦合器或光分束器。

在其中一个实施例中，所述光分配装置还包括M个相位调节器；各所述相位调节器连接于所述第一光分配单元与各所述第二光分配单元之间；所述相位调节器用于对所述第二种光信号进行调相，并将调相后的第二种光信号发送至对应的所述第二光分配单元。

在其中一个实施例中，在所述相控阵激光雷达中，沿所述原始激光的传输方向位于所述第一光分配单元之后的光路上的各结构的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。

上述相控阵激光雷达中，光分配装置将原始激光分配为Z路第一种光信号，并将每一路第一种光信号分别发送至各辐射单元，以使得所有辐射单元辐射的电磁波合成一束雷达波，因此，原始激光的传输光路的性能直接影响整个相控阵激光笔雷达的发射功率，而在该相控阵激光雷达中，激光发生器、光分配装置中用于接收原始激光的器件及光传输介质的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料，即原始激光的传输光路能够进行高功率传输，从而可以提高相控阵激光雷达的输入功率，进而提高了所有辐射单元合成的雷达波的总功率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1为一实施方式提供的相控阵激光雷达的框图；

图2为图1所示实施方式的相控阵激光雷达的其中一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本实用新型。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参考图1，一实施方式提供了一种相控阵激光雷达，包括激光发生器100、光传输介质400、光分配装置200及Z个辐射单元300。激光发生器100通过光传输介质400与光分配装置200连接。光分配装置200分别连接各辐射单元300。其中，Z为自然数，且Z>1。

激光发生器100用于产生原始激光。其中，原始激光为激光，对于远距离激光雷达来说，其需要具备较高的功率。光传输介质400能够传播光波，例如为光波导。

光分配装置200用于将原始激光分配为Z路第一种光信号，并将每一路第一种光信号分别发送至各辐射单元300，以使得所有辐射单元300辐射的电磁波合成一束雷达波。换言之，光分配装置200具有Z个输出端，每一个输出端连接一个辐射单元300，使得各路第一种光信号都分别通过不同的光路传播至不同的辐射单元300。第一种光信号是指对原始激光进行一定比例的功率分配后得到的光波。

其中，光分配装置200例如为光耦合器或光分束器，其作用是将原始激光分配到每一个辐射单元300中。光耦合器例如为方向耦合器(Directional coupler)或星型耦合器(Star coupler)等。光分束器例如为多模干涉光分束器(Multi-mode interferometer,MMI)或Y型分束器等。具体地，光分配装置200将原始激光均匀分配到各辐射单元300中，即各路第一种光信号的能量相同。

辐射单元300可以对接收的第一种光信号进行调相，并辐射相应的电磁波。因此，通过调节各辐射单元300的相移量，就能改变电磁波的相位分布，从而使得所有辐射单元300辐射的电磁波在远场通过干涉合成特定的雷达波。

具体地，光传输介质400、光分配装置200及辐射单元300都可以利用硅光子技术制造。硅光子技术是以硅和硅基衬底材料作为光学介质，通过集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件(例如：硅基发光器件、调制器、探测器、光波导器件等)，并利用这些器件对光子进行激发、处理、操纵，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用。

另外，光分配装置200包括用于接收原始激光的器件。并且，该器件、激光发生器100及光传输介质400的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料，例如：激光发生器100、光传输介质400及光分配装置200需保证能够传输高功率激光。具体地，设定功率值满足的条件为：相控阵激光雷达能够利用功率为设定功率值的原始激光对距离大于设定距离值的目标进行探测。例如：该设定功率值至少能够满足远程激光雷达的需求。具体地，设定功率值例如大于10W。这时，激光发生器100、光传输介质400及光分配装置200中用于接收原始激光的器件的材料能够传输功率大于10W的激光。可选地，激光发生器100、光传输介质400及光分配装置200中用于接收原始激光的器件的材料例如为但不局限于SiN。

其中，激光发生器100、光传输介质400及光分配装置200中用于接收原始激光的器件共同构成原始激光的传输光路，该传输光路的性能直接决定了相控阵激光雷达可以接受的输入功率的大小。由于对于远距离激光雷达来说，激光发生器100的输入功率越大越好，且在本实施方式中，激光发生器100、光传输介质400与光分配装置200中用于接收原始激光的器件都能够传输高功率激光，即原始激光的传输光路可以通过高功率的激光，从而能够提高该相控阵激光雷达的输入功率。由于输入功率提高，所有的辐射单元300合成的雷达波的总功率也就相应提高，从而可以延长探测距离。

在其中一个实施例中，辐射单元300的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。例如：辐射单元300采用具有较高调相效率的材料(例如Si)制成，从而可以提高整个相控阵激光雷达的调相效率。

具体地，所有的辐射单元300构成平面阵。请参考图2，光分配装置200包括第一光分配单元210及M个第二光分配单元220。激光发生器100通过光传输介质400连接第一光分配单元210。第一光分配单元210分别连接各第二光分配单元220，即第一光分配单元210包括1个输入端和M个输出端，且每个输出端连接一个第二光分配单元220。第二光分配单元220连接N个辐射单元300。M、N均为自然数，且M×N＝Z。因此，第二光分配单元220包括1个输入端和N个输出端，若每一个第二光分配单元220位于不同列，则不同的第二光分配单元220连接位于不同列的N个辐射单元300。

其中，第一光分配单元210将原始激光分配为M路第二种光信号，并将各路第二种光信号发送至对应的各第二光分配单元220。第二种光信号，是指对原始激光进行一定比例的功率分配后得到的光波。具体地，第一光分配单元210例如为1：M光耦合器或1：M光分束器。进一步地，第二种光信号的功率小于或等于1/M倍的原始激光的功率。因此，在本实施例中，第一光分配单元210为光分配装置200中用于接收原始激光的器件，则第一光分配单元210的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料。

第二光分配单元220将第二种光信号分配为N路第一种光信号，并将各路第一种光信号分别发送至对应的各辐射单元300。具体地，第二光分配单元220例如为1：N光耦合器或1：N光分束器。进一步地，第一种光信号的功率小于或等于1/N倍的第二种光信号的功率，即第一种光信号的功率小于或等于1/(M×N)倍的原始激光的功率。

具体地，第一光分配单元210和第二光分配单元220为光耦合器或光分束器。

进一步地，请继续参考图2，光分配装置200还包括M个相位调节器230。各相位调节器230连接于第一光分配单元210与各第二光分配单元220之间。换言之，第一光分配单元210的每一个输出端都通过一个相位调节器230连接一个第二光分配单元220。相位调节器230用于对第二种光信号进行调相，并将调相后的第二种光信号发送至对应的第二光分配单元220。因此，每一个相位调节器230可以同时控制一列中所有辐射单元300的辐射波的相位，从而可以提高调相的效率。

具体地，相位调节器230可以利用热光效应(Thermo-optic effect)或等离子体色散效应(Plasma-dispersion effect)进行相位调制。例如，相位调节器230可以为受微型加热器控制的光波导或者含PN结的光波导。具体地，相位调节器230的制造材料例如但不局限于Si。

进一步地，在上述相控阵激光雷达中，沿原始激光的传输方向位于第一光分配单元210之后的光路上的各结构的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。例如：位于第一光分配单元210之后的光路上的各结构采用相位调节效率高的材料制成。具体在图2中，从相位调节器230开始至辐射单元300，光经过的所有结构的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。由于光分别经过第一光分配单元210、第二光分配单元220后，光功率分别小于原始激光功率的(1/M)倍、小于原始激光功率的1/(M×N)倍，因此，位于第一光分配单元210之后的光路上的各结构无需采用能够传输高功率激光的材料，即可以由与第一光配单元210及光传输介质400不同的材料制成，例如选用相位调制效率较高的材料制成，从而提高调相效率。

因此，本实施例提供的上述相控阵激光雷达，在前后两级不同的光路上采用不同的材料，既可以高功率传输激光，又具有大范围调相的特性，从而可以实现远距离及大扫描角度的激光雷达。

具体地，请继续参考图2，上述辐射单元300包括光学天线310及调相器320。其中，调相器320用于对来自第二光分配单元220的第一种光信号进行调相，并将调相后的光信号通过光学天线310发射出去。具体地，调相器320可以受电子系统的控制来调节光学天线310的相位。可选地，调相器320可以利用热光效应或等离子体色散效应进行相位调制。

因此，在本实施例提供的上述相控阵激光雷达中，在包括相位调节器230的前提下，既可以通过相位调节器230来调节位于一列的所有光学天线310发射出相位相同的电磁波，又可以通过各辐射单元300中的调相器320，使得每一列的不同光学天线310发射出不同相位的电磁波，从而在远场通过干涉生成高精度的辐射分布图案。

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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种相控阵激光雷达，包括：

激光发生器，用于产生原始激光；

光传输介质；

光分配装置，所述光分配装置通过光传输介质连接所述激光发生器；所述光分配装置包括用于接收所述原始激光的器件；及

Z个辐射单元，每一所述辐射单元分别与所述光分配装置相连；其中，Z为大于1的自然数；

其中，所述光分配装置用于将所述原始激光分配为Z路第一种光信号，并将每一路所述第一种光信号分别发送至各所述辐射单元，以使得所有所述辐射单元辐射的电磁波合成一束雷达波；所述激光发生器、所述器件及所述光传输介质的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料。

2.根据权利要求1所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述设定功率值满足的条件为：所述相控阵激光雷达能够利用功率为所述设定功率值的原始激光对距离大于设定距离值的目标进行探测。

3.根据权利要求2所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述设定功率值大于10W。

4.根据权利要求1所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述激光发生器、所述器件及所述光传输介质的材料为SiN。

5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述辐射单元的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。

6.根据权利要求5所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述辐射单元的材料为Si。

7.根据权利要求5所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述光分配装置包括：

第一光分配单元，所述第一光分配单元通过所述光传输介质连接所述激光发生器；所述第一光分配单元的材料为能够传输功率大于设定功率值的激光的材料；及

M个第二光分配单元，各所述第二光分配单元分别连接所述第一光分配单元，且所述第二光分配单元连接N个所述辐射单元；所述M、N均为自然数，且M×N＝Z；所述第一光分配单元将所述原始激光分配为M路第二种光信号，并将各路第二种光信号发送至对应的各所述第二光分配单元；所述第二光分配单元将所述第二种光信号分配为N路所述第一种光信号，并将各路第一种光信号发送至对应的各所述辐射单元。

8.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述第一光分配单元及所述第二光分配单元为光耦合器或光分束器。

9.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，所述光分配装置还包括M个相位调节器；各所述相位调节器连接于所述第一光分配单元与各所述第二光分配单元之间；所述相位调节器用于对所述第二种光信号进行调相，并将调相后的第二种光信号发送至对应的所述第二光分配单元。

10.根据权利要求7所述的相控阵激光雷达，其特征在于，在所述相控阵激光雷达中，沿所述原始激光的传输方向位于所述第一光分配单元之后的光路上的各结构的材料的相位调制效率大于设定效率阈值。