CN209542832U - 一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机及激光雷达，属于雷达技术领域，解决激光雷达系统的空间分辨率与性能受限问题；雷达发射机包括驱动电源、光子晶体半导体激光器和准直组件，驱动电源驱动光子晶体半导体激光器输出激光束，准直组件对所述激光束进行光路汇聚，输出准直激光束。本实用新型采用光子晶体半导体激光器作为激光雷达的光源，不仅可以提高激光器的脉冲发射能力，而且可以减小发散角，减小探测光斑的尺寸，从而提高激光雷达的空间分辨率；光子晶体半导体激光器相比于普通半导体激光器消耗更少的透镜个数和更小的透镜尺寸，降低系统的设计难度和成本，稳定性大幅提升。

Description

一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及雷达技术领域，尤其涉及一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机及激光雷达。

背景技术

激光器是激光雷达的光源，是激光雷达系统的重要组成部分。目前最主要的激光光源包括固体激光器和半导体激光器。固体激光器可作大能量和高功率相干光源，但是体型非常笨重，不利于系统集成化；半导体激光器发射的光脉冲是由激光器驱动电源产生的电脉冲直接调制得到的，但是它的激光发散角比较大，而且脉冲驱动半导体激光器需要较高的峰值电流，对光源驱动能力、电路电感的要求极高。这些特性在一定程度上限制了半导体激光雷达的发射光束的峰值功率与发散角，进而限制了激光雷达系统的空间分辨率与性能的进一步提升。因此，激光雷达迫切需要一种新的半导体激光器，以克服上述不足之处，提高系统的性能。

实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型提供了一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机及激光雷达，用于提高激光的脉冲发射能力，减小发散角，减小激光雷达探测光斑的尺寸。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种采用半导体激光器的雷达发射机，包括驱动电源、半导体激光器光源和准直组件，所述驱动电源驱动所述半导体激光器光源输出激光束，所述准直组件对所述激光束进行光路汇聚，输出准直激光束；所述半导体激光器光源为光子晶体半导体激光器。

进一步地，其特征在于，所述光子晶体半导体激光器慢轴发光宽度为90-100μm，发散角8-10°；快轴发光宽度为7-14μm，发散角8-12°。

进一步地，所述准直组件为单透镜组件，透镜材料K9，直径10mm，厚度5mm，焦距17mm。

进一步地，还包括光纤耦合组件，所述光纤耦合组件位于光子晶体半导体激光器与准直组件之间；所述光纤耦合组件的光纤端面与所述激光器发光面的距离处于预定距离范围内。

进一步地，所述光纤耦合组件的光纤端面与激光器发光面预设距离最大值为0.4mm；光纤耦合组件的光纤芯径50-400um。

一种激光雷达，包括上述任一种雷达发射机。

进一步地，还包括接收机；

所述接收机包括接收光学系统、APD探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、自动增益电路、时刻鉴别电路和峰值保持电路；

所述接收光学系统，用于将反射回来的激光回波信号收集到APD探测器上；

所述APD探测器，用于将接收到的激光回波转换成电流信号；

所述跨阻放大电路，用于对APD探测器输出的电流信号进行放大并转换为电压信号；

所述压控放大电路，用于对跨阻放大电路输出的电压信号进行放大，压控放大电路的增益由外部输入的电压控制；

所述自动增益控制电路，用于产生随时间变化的电压信号，用来控制压控放大电路的增益；

所述时刻鉴别电路，用于对压控放大电路的输出信号进行鉴别，确定激光回波的到达时刻，产生停止信号；

所述峰值保持电路，用于检测压控放大器输出的电压信号的峰值，该峰值代表激光回波信号的强度。

进一步地，还包括激光扫描器；

所述激光扫描器包括转镜、驱动电机和轴角编码器；

所述转镜包括多个反射面，每个反射面在转动的过程中扫描出视场中的一行像素；

所述驱动电机，用于带动转镜转动，转镜每转动一周扫描出一帧图像；

所述轴角编码器，用于实时提供转镜的转动位置。

进一步地，还包括处理机；

所述处理机包括FPGA电路、A/D转换电路、微控制器、数据传输电路和信息处理计算机；

所述FPGA电路，用于测量起始时刻和停止时刻之间的时间间隔；

所述A/D转换电路，用于将接收机的峰值保持电路所检测到的激光回波强度转换成数字信号；

所述微控制器，用于将FPGA电路和A/D转换电路的检测结果输出到数据传输电路；

所述数传电路，用于将接收到的检测结果传输到上位机。

进一步地，所述激光扫描器的轴角编码器通过所述FPGA电路连接所述发射机的驱动电源。

与现有技术相比，本实用新型有益效果如下：

本实用新型采用光子晶体半导体激光器作为激光雷达的光源，不仅可以提高激光器的脉冲发射能力，而且可以减小发散角，减小探测光斑的尺寸，从而提高激光雷达的空间分辨率；光子晶体半导体激光器相比于普通半导体激光器消耗更少的透镜个数和更小的透镜尺寸，降低系统的设计难度和成本，稳定性大幅提升。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实施例中的发射机组成连接示意图；

图2为本实施例中的二维光子晶体缺陷腔激光器结构示意图；

图3为本实施例中的光子晶体半导体激光器发光面示意图；

图4为本实施例中的单透镜准直组件结构示意图；

图5为本实施例中的光纤耦合组件结构示意图；

图6为本实施例中的激光雷达组成连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理。

本实用新型具体实施例提供了一种采用光子晶体半导体激光器雷达发射机，如图1所示，包括驱动电源、光子晶体半导体激光器和准直组件；

驱动电源连接光子晶体半导体激光器，用于为光子晶体半导体激光器发射激光束提供驱动能量；

光子晶体半导体激光器是一种集光量子技术和半导体纳米技术于一身的新型半导体激光器。如图2所示，光子晶体是不同介电性能的材料在空间中周期排列的结构，具有类似于半导体能带的光子带隙，在光子带隙频率范围内的光无法传播，而是发生全反射。如果将一个带有缺陷的光子晶体引入激光器中，而且缺陷态的频率正好对应原子自发辐射频率，那么自发辐射将显著增强，可以得到高品质因子的谐振腔，形成激光振荡。由于光子晶体独特的光子带隙特性，使得光子晶体半导体激光器可以突破普通半导体激光器的限制，得到发散角小、亮度高、光束质量好的激光光束。同时，针对封装与结构进行独立的设计可以有效地降低半导体激光器与电路之间的寄生电感，提高了激光脉冲前沿速度和峰值功率。采用光子晶体半导体激光器作为光源的激光雷达，不仅可以提高激光器的脉冲发射能力，而且可以减小发散角，减小探测光斑的尺寸，从而提高激光雷达的空间分辨率。

具体的，本实施例的光子晶体半导体激光器发光面为长方形，如图3所示，慢轴(平行于结平面方向)发光宽度为90-100μm，发散角8-10°；快轴(垂直于结平面方向)发光宽度为7-14μm，发散角8-12°。得到进行圆形的激光光斑；圆形光斑可以大幅简化整形与准直组件，节约系统空间和成本；低发散角缩减了光斑大小，提高了雷达系统的空间分辨能力。

如图4所示，准直组件接收光子晶体半导体激光器输出的激光光束进行准直，准直后的激光发散角为mrad量级；

具体的，本实施例的准直组件为单透镜组件；

可选的，选用透镜的具体参数为，材料K9，直径10mm，厚度5mm，焦距17mm；可选镀增透膜或不进行镀膜

本实施例的发射机对光子晶体半导体激光器进行准直的准直组件，相比于普通半导体激光器消耗更少的透镜个数和更小的透镜尺寸，降低系统的设计难度和成本，稳定性大幅提升。

特殊的，本实施例的雷达发射机采用通过光纤耦合组件耦合半导体出射的激光光束，以降低系统设计的复杂度，节省空间，增加稳定性。

具体的，如图5所示，光纤耦合组件的光纤端面与激光器发光面距离预设；光子晶体半导体激光器输出的激光束，经过预设距离后，照射光纤耦合组件的光纤端面，加入预设光纤芯径和数值孔径尺寸的光纤后，再经过准直组件，最终发射出去。

可选的，光纤耦合组件的光纤端面与激光器发光面预设距离最大为为0.4mm；光纤耦合组件的光纤芯径50-400um，数值孔径NA0.22；光子晶体半导体激光器和普通半导体激光器与光纤的耦合参数如表1所示。

表1光子晶体半导体激光器和普通半导体激光器的耦合参数对比

由表中可以看出，由于光子晶体激光近似圆斑输出，减小了半导体激光器快轴和慢轴的像散，提高了激光器与光纤的耦合效率。而快轴较大的发散角使得普通半导体激光器同光纤的直接耦合效率较低，限制了半导体激光器在工业领域的直接应用。

另一方面，在保证耦合效率的前提下，光子晶体半导体激光器的出射光束可以耦合到芯径更小、数值孔径更低的光纤中，应用范围更加广泛。

综上，相比于目前市场上的其他LD产品，光子晶体半导体激光器具有更低的发散角、圆形光斑的特点。这些特点极大地提升了半导体激光雷达的性能：圆形光斑可以大幅简化整形与准直系统，节约系统空间和成本；低发散角缩减了光斑大小，提高了雷达系统的空间分辨能力。

得益于光子晶体半导体激光器的突出能力，采用光子晶体半导体激光器的激光雷达在空间扫描的过程中具有更小的圆形光斑，可以更准确地分辨物体的形状与地形的变化，本专利的激光雷达具有很高的空间分辨率。

本实施例还公开了一种激光雷达，如图6所示，包括发射机、接收机、激光扫描器和处理机；

发射机包括，用于发射准直的激光束；包括驱动电源、光子晶体半导体激光器和准直组件；

驱动电源连接光子晶体半导体激光器，用于为光子晶体半导体激光器发射激光束提供驱动能量；

光子晶体半导体激光器，在驱动电源的驱动下，发射激光光斑为圆形的激光束；

准直组件接收光子晶体半导体激光器输出的激光束，经过光学透镜输出准直激光；

接收机，用于接收从目标反射回来的激光回波信号，转换成电信号进行放大、时刻鉴别和峰值保持；

接收机包括接收光学系统、APD探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、自动增益电路、时刻鉴别电路和峰值保持电路。

接收光学系统，用于的将反射回来的激光回波信号收集到APD探测器上；

APD探测器，用于将接收到的激光回波转换成电流信号；

跨阻放大电路，用于对APD探测器输出的电流信号进行放大并转换为电压信号；

压控放大电路，用于对跨阻放大电路输出的电压信号进行放大，压控放大电路的增益由外部输入的电压控制；

自动增益控制电路，用于产生随时间变化的电压信号，用来控制压控放大电路的增益；

时刻鉴别电路，用于对压控放大电路的输出信号进行鉴别，确定激光回波的到达时刻，产生停止信号；

峰值保持电路，用于检测压控放大器输出的电压信号的峰值，该峰值代表激光回波信号的强度。

激光扫描器，用于对发射机的发射光束和接收机的瞬时接收视场方向进行同步扫描。

激光扫描器包括转镜、驱动电机和轴角编码器。

转镜包括多个反射面，每个反射面在转动的过程中可以扫描出视场中的一行像素；

驱动电机，用于带动转镜转动，转镜每转动一周可以扫描出一帧图像；

轴角编码器，用于实时提供转镜的转动位置。

处理机，与时刻鉴别电路、峰值保持电路和轴角编码器连接，用于检测时刻鉴别电路和峰值保持电路的输出结果，并通过数据传输电路传输到上位机计算机进行信息处理；

处理机包括FPGA电路、A/D转换电路、微控制器、数据传输电路和信息处理计算机组成；

FPGA电路，用于测量起始时刻和停止时刻之间的时间间隔；

A/D转换电路，用于将接收机的峰值保持电路所检测到的激光回波强度转换成数字信号；

微控制器，将FPGA电路和A/D转换电路的检测结果通过数据传输电路传输到上位机计算机进行信息处理。信息处理计算机的主要作用是从数据传输电路接收数据，并且处理得到距离图像和强度图像，进行存盘和显示。

进一步地，激光扫描器的轴角编码器通过FPFA电路连接发射机的驱动电源；激光扫描器的轴角编码器输出控制信号，到FPFA电路进行信号转换后，输出到发射机的驱动电源，使驱动电源工作，驱动光子晶体半导体激光器发射激光。

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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机，其特征在于，包括驱动电源、半导体激光器光源和准直组件，所述驱动电源驱动所述半导体激光器光源输出激光束，所述准直组件对所述激光束进行光路汇聚，输出准直激光束；所述半导体激光器光源为光子晶体半导体激光器；还包括光纤耦合组件，所述光纤耦合组件位于光子晶体半导体激光器与准直组件之间；所述光纤耦合组件的光纤端面与光子晶体半导体激光器发光面的距离处于预定距离范围内。

2.根据权利要求1所述的一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机，其特征在于，所述光子晶体半导体激光器慢轴发光宽度为90-100μm，发散角8-10°；快轴发光宽度为7-14μm，发散角8-12°。

3.根据权利要求1所述的一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机，其特征在于，所述准直组件为单透镜组件，透镜材料K9，直径10mm，厚度5mm，焦距17mm。

4.根据权利要求1所述的一种采用光子晶体半导体激光器的雷达发射机，其特征在于，所述光纤耦合组件的光纤端面与激光器发光面预设距离最大值为0.4mm；光纤耦合组件的光纤芯径50-400um。

5.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1-4中任意一项所述的雷达发射机。

6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，还包括接收机；

所述接收机包括接收光学系统、APD探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、自动增益电路、时刻鉴别电路和峰值保持电路；

所述接收光学系统，用于将反射回来的激光回波信号收集到APD探测器上；

所述APD探测器，用于将接收到的激光回波转换成电流信号；

所述跨阻放大电路，用于对APD探测器输出的电流信号进行放大并转换为电压信号；

所述压控放大电路，用于对跨阻放大电路输出的电压信号进行放大，压控放大电路的增益由外部输入的电压控制；

所述自动增益控制电路，用于产生随时间变化的电压信号，用来控制压控放大电路的增益；

所述时刻鉴别电路，用于对压控放大电路的输出信号进行鉴别，确定激光回波的到达时刻，产生停止信号；

所述峰值保持电路，用于检测压控放大器输出的电压信号的峰值，该峰值代表激光回波信号的强度。

7.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，还包括激光扫描器；

所述激光扫描器包括转镜、驱动电机和轴角编码器；

所述转镜包括多个反射面，每个反射面在转动的过程中扫描出视场中的一行像素；

所述驱动电机，用于带动转镜转动，转镜每转动一周扫描出一帧图像；

所述轴角编码器，用于实时提供转镜的转动位置。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，还包括处理机；

所述处理机包括FPGA电路、A/D转换电路、微控制器、数据传输电路和信息处理计算机；

所述FPGA电路，用于测量起始时刻和停止时刻之间的时间间隔；

所述A/D转换电路，用于将接收机的峰值保持电路所检测到的激光回波强度转换成数字信号；

所述微控制器，用于将FPGA电路和A/D转换电路的检测结果输出到数据传输电路；

所述数传电路，用于将接收到的检测结果传输到上位机。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述激光扫描器的轴角编码器通过所述FPGA电路连接所述发射机的驱动电源。