CN207301315U - 激光雷达及其相控阵激光发射单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种激光雷达及其相控阵激光发射单元。由于经多个光发射天线发射的多路激光频率相同且存在相位差，故多路激光便可在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向形成最强的主光束。进一步的，可调式激光光源可改变激光光束的波长，从而使多路激光的相位也相应改变，进而在远场得到不同的辐射方向图。激光光束的波长按预设规则变化，则可在远场得到各种辐射方向图案，以实现全方位扫描，故激光雷达无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。而且，激光雷达扫描的速率由相位变化的频率决定，而相位变化的频率又与激光光束波长变化的频率有关，不受到机械旋转部件转速的限制。因此，激光雷达的扫描速度更快。

Description

激光雷达及其相控阵激光发射单元

技术领域

本实用新型涉及激光探测技术领域，特别涉及一种激光雷达及其相控阵激光发射单元。

背景技术

激光雷达是一种用激光探测和测距的传感器，其原理与普通声波雷达和声呐类似。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。

为实现全方位的监测，雷达需进行360度空间的扫描。传统的雷达一般采用机械驱动的模式，即机械装置带动雷达的发射单元全方位转动，以实现360 度扫描。但是，这样的雷达使用笨重的机械装置，使得扫描速率缓慢。而且，机械转动装置一旦故障后很难继续正常使用。

与传统的普通雷达类似，目前市场上的激光雷达也使用机械转动的方式进行360度的空间扫描。这就造成了激光雷达与传统雷达一样，产品具有体积大、扫描慢、价格高昂和机械装置故障后难以继续正常使用的缺点，从而不利于大规模使用在消费电子领域。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有激光雷达体积大、扫描慢的问题，提供一种能减小体积且提高扫描速率的激光雷达及其相控阵激光发射单元。

一种相控阵激光发射单元，包括：

可调式激光光源，用于产生波长按预设规则变化的激光光束；

激光分束组件，包括光入射端及多个光出射端，所述光入射端与所述可调式激光光源连通，所述激光光束经所述光入射端入射后分别从所述多个光出射端出射，以得到多路激光；及

多个用于分别发射所述多路激光的光发射天线，所述多个光发射天线分别与所述光出射端配合，以形成多个相互并联且供所述多路激光传输的激光光路；

其中，所述光入射端与每个所述激光光路末端之间的光波导的长度不同，以使经所述多个光发射天线发射的所述多路激光之间产生相位差。

在其中一个实施例中，所述激光分束组件为具有多个输出端的光耦合器或光分束器。

在其中一个实施例中，所述光耦合器为边缘耦合器或光栅耦合器，所述光分束器为方向耦合器或多模干涉器。

在其中一个实施例中，所述多个光发射天线呈一维阵列分布。

在其中一个实施例中，所述光入射端与任意相邻两个所述激光光路末端之间的光波导的长度差相同。

在其中一个实施例中，所述多个光发射天线呈二维阵列排列。

在其中一个实施例中，所述光发射天线为光栅耦合器。

一种激光雷达，包括：

如上述优选实施例中任一项所述的相控阵激光发射单元；

回波接收单元，用于接收所述多路激光在远场干涉形成的主光束经标的物反射所产生的回波信号；及

与所述相控阵激光发射单元及所述回波接收单元通讯连接的处理器。

上述激光雷达及其相控阵激光发射单元，通过激光分束组件与多个光发射天线配合，可发出多路激光。而由于经多个光发射天线发射的多路激光频率相同且存在固定相位差，故多路激光便可在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向上形成最强的主光束，实现扫描。进一步的，可调式激光光源可改变激光光束的波长，从而使多路激光的相位也相应改变，进而在远场得到不同的辐射方向图，从而使得最强的主光束的方向实现动态调整。激光光束的波长按预设规则变化，则可在远场得到各种辐射方向图，并使主光束的方向覆盖待扫描区域，从而实现全方位扫描。因此，此相控阵激光雷达无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。而且，此相控阵激光雷达扫描的速率由相位变化的频率决定，而相位变化的频率又与激光光束波长变化的频率有关，并不会受到机械旋转部件旋转速度的限制。因此，激光雷达的扫描速度也更快。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例中激光雷达的模块示意图；

图2为本实用新型一个实施例中相控阵激光发射单元的结构示意图；

图3为产生激光光束的时序图。

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的实施例。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。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”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”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

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本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本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，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/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。

请参阅图1，本实用新型一个实施例中的激光雷达10包括相控阵激光发射单元100、回波接收单元101及处理器102。

相控阵激光发射单元100用于发出多路激光，激光经标的物反射后可产生回波信号。

具体的，相控阵激光发射单元100发出的多路光之间是相干的(频率相同且具有固定相位差)。因此，多路激光在远场干涉后可形成特定的辐射方向图。即在一个特定方向上会形成一束最强的主光束，在其它发射方向上会有较弱的其他次光束。主光束和次光束并不平行，而是具有相应的角度。激光雷达10使用时，所采集的回波信号是该主光束遇到标的物反射后得到的信号。

回波接收单元101用于接收多路激光在远场干涉形成的辐射主光束经标的物反射所产生的回波信号。处理器102对回波信号进行处理分析，从而获得标的物的形状、距离等参数。

请一并参阅图2，本实用新型一个实施例中还提供一种相控阵激光发射单元 100，包括可调式激光光源110、激光分束组件120、光发射天线130。

可调式激光光源110用于产生波长按预设规则变化的激光光束。具体的，可调式激光光源110可产生多种不同波长的激光光束。其中，可调式激光光源 110可以为多个可发出单一波长激光器的组合，并通过控制器实现不同激光器之间工作状态的切换，以实现激光束波长的调整。此外，可调式激光光源110还可为多波长激光器，并通过控制器控制振荡频率以实现不同波长的激光光束的输出。

具体在本实施例中，可调式激光光源110的预设规则可以是：在多个连续时间段内，分别产生不同波长的激光光束，并依次循环。具体如图3所示：

在0至t₁时间段内，可调式激光光源110产生的激光光束的波长为λ₁；在 t₁至t₂时间段内，其产生的激光光束的波长为λ₂；…….在t_m-1到t_m时间段内，其产生的激光光束的波长为λ_m。而且，经过t_m时间后，可调式激光光源110重复上述过程。

此外，相邻的两个时间段之间也可存在预设的时间间隔。

激光分束组件120包括光入射端及多个光出射端，光入射端与可调式激光光源110连通。激光光束经光入射端入射后分别从多个光出射端出射，以得到多路激光。当激光雷达10工作时，可调式激光光源110发出的激光光束从光入射端进入激光分束组件120，最终从光出射端出射，得到多束功率相同的激光信号(即“多路激光”)。

光发射天线130为多个，用于分别发射多路激光。其中，多个光发射天线 130分别与多个光出射端配合，以形成多个相互并联且供多路激光传输的激光光路。具体的，光出射端与光发射天线130可通过光波导连通，以实现光束在两者之间传递。其中，光波导可以为硅、光纤等。因此，经光出射端发出的多路激光信号可进入光发射天线130，并进一步的由多个光发射天线130发射到空间中。

由于多个激光光路之间是相互并联的，故每个激光光路之间相对独立。即使其中一个激光光路(光发射天线130或连接光发射天线130的光波导)出现故障，也不会对其余激光光路产生影响。因此，相控阵激光发射单元100的功能在出现局部故障时依然可正常实现，从而提升了激光雷达10的可靠性。

其中，光入射端与每个激光光路末端之间的光波导的长度不同，以使经多个光发射天线130发射的多路激光之间产生相位差。

具体的，入射端与每个激光光路末端之间的光波导的长度不同，是指多路激光从可调式激光光源110发出后，经过不同长度的光路传输(所经过光波导的长度)后进入相应的光发射天线130。

激光信号在光波导中传播的相位由其在光波导中的有效折射率(effectiverefractive index)决定，而相同波长的激光信号在不同长度的光波导中有效折射率不同。因此，从多个光发射天线130发出的多路激光之间会产生相位差。由于在同一时间段内，经多个光发射天线130发射的多路激光之间存在相位差且频率相同，故多路激光为相干光，可在远场通过干涉得到特定的辐射方向图。辐射方向图会因多路激光的相位不同而形状发生改变，但在一个方向上均会形成一束最强的主光束，在其它发射方向上会有较弱的其他次光束。激光雷达10扫描时，所使用的便是该主光束。

进一步的，激光信号在相同长度的光波导中有效折射率还与光波的频率(即波长)相关。因此，当可调式激光光源110改变激光光束的波长时，从多个光发射天线130发出的多路激光的相位会发生相应的改变，从而在远场得到不同的辐射方向图。也就是说，通过设置可调式激光光源110以改变输入的激光光束的波长，便可实现多个光发射天线130发出的多路激光的相位调节，从而替代了相位调节器，使得相控阵激光发射单元100的结构更简单。

激光光束的波长按预设规则变化，则可在远场依次得到各种辐射方向图，从而使主光束的方向实现动态变化，最终实现全方位扫描。因此，激光雷达10 无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。而且，激光雷达10扫描的速率由相位变化的频率决定，而相位变化的频率又与激光光束波长变化的频率有关，并不会受到机械旋转部件旋转速度的限制。因此，激光雷达 10的扫描速度也更快。

预设规则由预先的计算确定，可调式激光光源110发出的激光光束的波长变化一个周期后，多个光发射天线130发出的多路激光在远场得到的辐射方向图，其对应的主光束的方向能覆盖整个待扫描范围即可。具体在本实施例中，预设规则的内容包括在0至t₁、t₁至t₂…….t_m-1到t_m时间段的具体时长，以及对应的波长λ₁、λ₂…….λ_m的数值。其中，激光光束的波长变化周期则决定了激光雷达10的扫描频率。

在本实施例中，多个光发射天线130呈一维阵列分布。因此，多个光发射天线130可组成一维操控的光相控阵。一维操控的光相控阵结构简单，能满足精确度一般的扫描需求。而且，处理器102在数据分析处理过程中的运算量较小。

进一步的，在本实施例中，光入射端与任意相邻两个激光光路末端之间的光波导的长度差相同。

由于波长相同时，激光信号的相位与光波导的长度相关。也就是说，在上述一维操控的光相控阵结构中，前一个光发射天线30发出的激光信号与后一个光发射天线30发出的激光信号的相位差均相同。如图2所示，其中与与与的相位差相同。因此，多路激光在远场得到的辐射方向图变化更规则，从而进一步方便后续的数据处理。

在另一个实施例中，多个光发射天线130呈二维阵列排列。

具体的，多个光发射天线130可形成二维的发射面。二维的多路激光在远场干涉后，得到的主光束截面积更小，故可反馈更小尺寸标的物产生的回波信号。因此，激光雷达10的扫描精度更高。

在本实施例中，激光分束组件120具有多个输出端的光耦合器或光分束器。其中，光耦合器的入射端作为光入射端，其输出端作为光出射端。

具体的，多路激光的数量与光耦合器输出端的数量一致。光耦合器可防止激光光束入射时过度损耗，从而避免相控阵激光发射单元100的发射功率降低，进而保证激光雷达100的扫描效果。

多个光分束器可组成激光分束组件120。其中，多个光分束器分为多个层级，下一个层级的光分束器的入射端与上一个层级的光分束器的出射端连接。光分束器可以为为一分二分束器，也可为一分四等其他类型的分束器。

进一步的，在本实施例中，光耦合器为边缘耦合器(edge coupler)或光栅耦合器(grating coupler)。光分束器为方向耦合器或多模干涉器。

在本实施例中，光发射天线130为光栅耦合器。需要指出的是，在其他实施例中，光发射天线130还可为铜、铝等金属发射结构。

其中，作为激光分束组件120的光耦合器、光发射天线130可集成于芯片上，从而进一步减小相控阵激光发射单元100及激光雷达10的体积。具体的，耦合器及光发射天线130可以由基于与CMOS工艺兼容的“硅光子集成光路技术”实现于芯片上。

上述激光雷达10及其相控阵激光发射单元100，通过激光分束组件120与多个光发射天线130配合，可发出多路激光。而由于经多个光发射天线130发射的多路激光频率相同且存在相位差，故多路激光便可在远场通过干涉得到辐射方向图，以在特定方向上形成最强的主光束，实现扫描。进一步的，可调式激光光源110可改变激光光束的波长，从而使多路激光的相位也相应改变，进而在远场得到不同的辐射方向图，从而使得最强的主光束的方向实现动态调整。激光光束的波长按预设规则变化，则可在远场得到各种辐射方向图，并使主光束的方向覆盖待扫描区域，从而实现全方位扫描。因此，激光雷达10无需机械旋转部件便能实现全方位监测，从而有利于减小体积。而且，激光雷达10扫描的速率由相位变化的频率决定，而相位变化的频率又与激光光束波长变化的频率有关，并不会受到机械旋转部件旋转速度的限制。因此，激光雷达10的扫描速度也更快。

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 (8)

1.一种相控阵激光发射单元，其特征在于，包括：

可调式激光光源，用于产生波长按预设规则变化的激光光束；

激光分束组件，包括光入射端及多个光出射端，所述光入射端与所述可调式激光光源连通，所述激光光束经所述光入射端入射后分别从所述多个光出射端出射，以得到多路激光；及

多个用于分别发射所述多路激光的光发射天线，所述多个光发射天线分别与所述光出射端配合，以形成多个相互并联且供所述多路激光传输的激光光路；

其中，所述光入射端与每个所述激光光路末端之间的光波导的长度不同，以使经所述多个光发射天线发射的所述多路激光之间产生相位差。

2.根据权利要求1所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述激光分束组件为具有多个输出端的光耦合器或光分束器。

3.根据权利要求2所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述光耦合器为边缘耦合器或光栅耦合器，所述光分束器为方向耦合器或多模干涉器。

4.根据权利要求1所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述多个光发射天线呈一维阵列分布。

5.根据权利要求4所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述光入射端与任意相邻两个所述激光光路末端之间的光波导的长度差相同。

6.根据权利要求1所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述多个光发射天线呈二维阵列排列。

7.根据权利要求1所述相控阵激光发射单元，其特征在于，所述光发射天线为光栅耦合器。

8.一种激光雷达，其特征在于，包括：

如上述权利要求1～7任一项所述的相控阵激光发射单元；

回波接收单元，用于接收所述多路激光在远场干涉形成的辐射主光束经标的物反射所产生的回波信号；及

与所述相控阵激光发射单元及所述回波接收单元通讯连接的处理器。