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Title:
OPTICAL PHASED ARRAY-BASED LASER RADAR TRANSCEIVER ANTENNA AND DISTANCE MEASUREMENT METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/028948
Kind Code:
A1
Abstract:
An optical phased array-based laser radar transceiver antenna and a distance measurement method; the optical phased array-based laser radar transceiver antenna comprises a distance measurement module (17) based on a single-point transceiver, a signal processing module (7), a central controller (20) and a laser driving module (2); the laser driving module (2) and the signal processing module (7) are both connected to the central controller (20). The distance measurement module (17) comprises a single-point transmitting unit (50) and a single-point receiving unit (60); the laser driving module (2) drives the single-point transmitting unit (50) to emit a light beam, and controls the light signal transmission direction of the light beam; the single-point receiving unit (60) receives the light signal reflected by a detected object and transmits same to the signal processing module (7) for processing so as to calculate the displacement of the detected object. The single-point transmitting unit (50) and the single-point receiving unit (60) can be a transmissive optical phased array and can also be a reflective optical phased array; the central point of the emitted light and the received light can be on the same optical axis or can be on different optical axes, such that the design of the transceiver antenna of the laser radar system achieves solid-state imaging scanning, providing the advantages of low cost, high signal-to-noise ratio, etc.

Inventors:
ZHANG ZHONGXIANG (CN)
YANG DINGNING (CN)
WU KANGDA (CN)
YANG HONGQIANG (CN)
Application Number:
PCT/CN2017/099681
Publication Date:
February 14, 2019
Filing Date:
August 30, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SHENZHEN LITRA TECH CO LTD (CN)
International Classes:
G01S7/481; G01S7/483; G01S17/08
Foreign References:
CN207008051U2018-02-13
CN103645470A2014-03-19
CN103760689A2014-04-30
US6341136B12002-01-22
Other References:
DAI, YONGJIANG, PRINCIPLE OF LASER AND INFRARED DETECTION, 1 October 2012 (2012-10-01), pages 410 - 412, ISBN: 978-7-118-08084-1
YE, ZHENGYU ET AL.: "Optical-phased-array (OPA", TECHNOLOGY APPLIED TO LASER RADAR. OPTO- ELECTRONIC ENGINEERING, vol. 39, no. 2, 29 February 2012 (2012-02-29)
Attorney, Agent or Firm:
SHENZHEN SEMHOPE GUANGLIAN INTELLECTUAL PROPERTY AGENCY (CN)
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Claims:
权利要求书

[权利要求 1] 一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线, 其特征在于, 包括基于 单点收发器的测距模块、 信号处理模块、 中央控制器和激光驱动模块 , 所述激光驱动模块和信号处理模块均与所述中央控制器连接; 所述 测距模块包括单点发射单元和用于接收被探测物反射的光信号的单点 接收单元, 所述单点发射单元包括产生光信号的发射器和用于调整发 射光信号的光学相位的发射光学相位阵列芯片, 所述单点接收单元包 括用于调整被探测物反射的光信号的光学相位的接收光学相位阵列芯 片和用于接收发射光的光学接收器, 所述发射器与所述激光驱动模块 连接, 激光驱动模块驱动发射器发射出光束, 所述光学接收器与所述 信号处理模块连接, 信号处理模块处理所述光学接收器发送的光信号 计算并探测物的距离; 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵 列芯片均与所述中央控制器连接, 所述发射光学相位阵列芯片控制发 射光的发射方向, 所述接收光学相位阵列芯片控制接收光的发射方向

2、 根据权利要求 1所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线, 其 特征在于, 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列芯片均为 共振型结构的芯片, 均包括具有光学扫描单元的信号输入单元、 光学 天线、 电控调相单元、 馈电网络和耦合单元, 所述信号输入单元接收 光信号, 并产生一个控制信号通过所述馈电网络发送到所述电控调相 单元, 所述电控调相单元调整光信号的光学相位, 所述耦合单元耦合 相位的控制信号并输出到所述光学天线上; 所述发射光学相位阵列芯 片的光学相位阵列有源区域面积大于 4平方毫米, 所述接收光学相位 阵列芯片的光学相位阵列有源区域面积大于 25平方毫米。

3、 根据权利要求 1所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线, 其 特征在于, 所述单点发射单元还包括用于将发射光束准直的发射光准 直透镜, 所述发射光准直透镜为单透镜设计或者多透镜组设计; 所述 发射器发射光束的快轴和慢轴分别经过所述发射光准直透镜进行准直 , 将发散的出射光准直成近似平行光,垂直耦合到所述光学相位阵列 芯片中, 由所述发射光学相位阵列芯片调整光的出射方向。

4、 根据权利要求 1所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线, 其 特征在于, 所述单点接收单元还包括由单透镜或者多透镜组设计组合 的接收光学透镜, 直径范围为 5毫米 -40毫米,获得较大的通光孔径通过 反射的光信号, 将被探测物反射的光信号聚焦到光学接收器中。

5、 一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的测距方法, 应用于 上述激光雷达收发天线, 其特征在于, 测距模块采用飞行吋间测距法 进行对探测物进行测距, 其步骤如下:

中央控制器控制激光驱动模块驱动发射器发射一束光线作为光信号源 发射光准直透镜对发射器发出的光束进行准直并发射到发射光学相位 阵列芯片中;

发射光学相位阵列芯片接收由所述发射光准直透镜透射的光束信号, 并对发射光进行光学相位调整来控制发射光的发射方向;

发射光被探测物反射, 由接收光学相位阵列芯片接收并对接收光进行 光学相位调整, 控制接收光的发射方向;

接收光学透镜对接收光聚焦后发射到光学接收器中, 然后通过信号处 理模块处理并计算出探测物的位移。

6、 根据权利要求 5所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的测 距方法, 其特征在于, 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵 列芯片中的电控调相单元包括 X轴电控调相单元和 Y轴电控调相单元

, 馈电网络包括 X轴馈电网络和 Y轴馈电网络, 在对光信号进行相位 调整吋, 都分别进行 X轴的光学相位调整和 Y轴的光学相位调整再进 行耦合处理, 发射光学相位阵列芯片对发射光的相位调整过程和接收 光学相位阵列芯片对接收光的相位处理过程一致, 对光信号的处理过 程如下:

信号输入单元中的光学扫描单元扫描光信号并产生一个控制信号; 所述控制信号通过馈电网络中的 X轴馈电网络传送到 X轴电控调相单 元中进行 X轴的光学相位调整, 通过 Y轴馈电网络将控制信号传送到

Y轴电控调相单元中进行 Y轴的光学相位调整;

X轴的光学相位控制信号通过 X轴连接线链接到光学天线, Y轴的光 学相位控制信号通过 Y轴连接线链接到光学天线;

耦合单元将 X轴的光学相位控制信号和 Y轴的光学相位控制信号耦合 输出到光学天线上。

7、 根据权利要求 5所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的测 距方法, 其特征在于, 发射光和接收光的中心点在同一个光轴。

8、 根据权利要求 5所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的测 距方法, 其特征在于, 发射光和接收光的中心点在不同的光轴。

9、 根据权利要求 5所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的测 距方法, 其特征在于, 发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列芯 片采用透射型光学相位阵列进行发射光和接收光的光学相位调制。

10、 根据权利要求 5所述的基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的 测距方法, 其特征在于, 发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列 芯片采用反射型光学相位阵列进行发射光和接收光的光学相位调制。

Description:
一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线及 测距方法 技术领域

[0001] 本发明涉及高性价比的电控扫描式固态激光雷 达, 尤其涉及一种基于光学相位 阵列的激光雷达收发天线及测距方法。

背景技术

[0002] 激光雷达 (LIDAR) 技术, 早在 20世纪 70年代就幵始应用, 刚幵始主要用于舰 船入港吋避障及防碰撞。 到了八十年代, 随着光电二极管、 CCD、 CMOS等光学 器件慢慢成熟, 激光雷达幵始用于航天飞机回收卫星吋精确定 位。 驱动技术发 展的动力往往是战争的压力。 在海湾战争中, 激光雷达已经普遍用于直升机在 舰船甲板上升降控制和直升机夜间飞行引导。 美国休斯公司、 Schwatz公司、 Spa rate公司、 洛雷尔系统公司、 法国汤姆逊公司等纷纷研制出激光雷达成像系 统, 用于战场侦査、 低空飞行控制、 主动激光制导等领域。 随着半导体光电器件的 进一步发展, 元器件成本慢慢降低, 而且性能不断提升, 从而为激光雷达技术 进入民用领域打下了基础。 激光雷达慢慢地被应用于机器视觉、 汽车辅助驾驶 、 电子游戏、 医疗健康、 休闲娱乐、 智能家居等领域。 激光雷达技术的核心是 激光测距, 但是发展到今天, 激光雷达这一概念已经远远超出了 "测距 "这一范畴

[0003] 现代雷达技术, 概括而言就是机器工业为人类探索三维世界所 提供的眼睛, 最 常见的有微波雷达、 超声波雷达等。 而激光雷达作为一种光学探测手段, 因为 激光的高精度、 方向性、 单色性、 相干性等诸多优点, 在诞生之日起就在很多 领域发挥了前所未有的作用, 应用领域包括工业、 农业、 医学、 国防等。 而发 展到今天, 不少大众型电子消费品也广泛应用了激光雷达 技术, 例如 Xbox中微 软的 Kinect三维传感器, 用的是激光雷达里面飞行吋间 (ToF) 技术, Intel推出 的 3D传感模块 RealSense则基于结构光技术。 除此以外, 激光雷达还被用在电子 游戏中的人机互动, 休闲娱乐电子产品中的动作捕获, 医疗健康领域的光学相 干断层成像 (optical coherence tomography , OCT) , 智能家居的室内定位、 三维成 像与人机互动等等。

[0004] 激光雷达由单点测距向二维或者三维成像系统 过渡, 光学扫描系统必不可少。

如上所述, 目前应用上以机械式的扫描为主, 包括光学震镜、 特制的同轴转镜 等。 其特点都是相对笨重难以集成而且制作成本不 低, 对于大部分消费级的应 用要求来说非常困难。 光束的非机械式扫描优点非常多, 其中一个显著特点就 是可以随机调节扫描区域与扫描点, 使得激光雷达系统可以根据环境需要变换 扫描区域、 动态调节扫描密度。

技术问题

[0005] 目前, 集成化的光学扫描系统有两个典型方案, 其中一个为微机电系统 (ME MS) 微镜实现的电控扫描, 另外一种则为光学相位阵列。 MEMS微镜的扫描系 统解决了一部分机械式扫描的缺点, 例如难以集成等, 但是依然是基于机械震 动, 在扫描速度、 稳定性等方面依然没法满足应用的需求。 而光学相位阵列 (o ptical phased array) 则是未来的一个重要发展方向, 在成本、 集成度等方面都有 巨大优势, 其原理是通过光学天线阵列的方法, 调节光波发射相位, 达到控制 光波发射方向或者调节光斑发射模式的目的。 其概念与微波雷达的相控阵雷达 类似, 实现无机械的扫描。 目前主流的基于光学相位阵列的激光雷达基于 集成 硅光子学, 收发天线单元具有高集成度、 低成本等特点, 但是集成化的硅基激 光雷达具有加工难度大、 片上耦合损耗大、 硅基相位调制器速度慢等缺点。

[0006] 因此, 现有技术存在缺陷, 需要改进。

问题的解决方案

技术解决方案

[0007] 针对上述技术中存在的不足之处, 本发明提供一种低成本、 低加工难度、 高性 能的扫描式激光雷达收发天线及其测距方法。

[0008] 为实现上述目的, 本发明提供一种基于光学相位阵列的激光雷达 收发天线, 包 括基于单点收发器的测距模块、 信号处理模块、 中央控制器和激光驱动模块, 所述激光驱动模块和信号处理模块均与所述中 央控制器连接; 所述测距模块包 括单点发射单元和用于接收被探测物反射的光 信号的单点接收单元, 所述单点 发射单元包括产生光信号的发射器和用于调整 发射光信号的光学相位的发射光 学相位阵列芯片, 所述单点接收单元包括用于调整被探测物反射 的光信号的光 学相位的接收光学相位阵列芯片和用于接收发 射光的光学接收器, 所述发射器 与所述激光驱动模块连接, 激光驱动模块驱动发射器发射出光束, 所述光学接 收器与所述信号处理模块连接, 信号处理模块处理所述光学接收器发送的光信 号计算并探测物的距离; 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵 列芯片 均与所述中央控制器连接, 所述发射光学相位阵列芯片控制发射光的发射 方向 , 所述接收光学相位阵列芯片控制接收光的发射 方向。

[0009] 其中, 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵 列芯片均为共振型结构的 芯片, 均包括具有光学扫描单元的信号输入单元、 光学天线、 电控调相单元、 馈电网络和耦合单元, 所述信号输入单元接收光信号, 并产生一个控制信号通 过所述馈电网络发送到所述电控调相单元, 所述电控调相单元调整光信号的光 学相位, 所述耦合单元耦合相位的控制信号并输出到所 述光学天线上; 所述发 射光学相位阵列芯片的光学相位阵列有源区域 面积大于 4平方毫米, 所述接收光 学相位阵列芯片的光学相位阵列有源区域面积 大于 25平方毫米。

[0010] 其中, 所述单点发射单元还包括用于将发射光束准直 的发射光准直透镜, 所述 发射光准直透镜为单透镜设计或者多透镜组设 计; 所述发射器发射光束的快轴 和慢轴分别经过所述发射光准直透镜进行准直 , 将发散的出射光准直成近似平 行光,垂直耦合到所述光学相位阵列芯片中, 由所述发射光学相位阵列芯片调整 光的出射方向。

[0011] 其中, 所述单点接收单元还包括由单透镜或者多透镜 组设计组合的接收光学透 镜, 直径范围为 5毫米 -40毫米,获得较大的通光孔径通过反射的光信 , 将被探 测物反射的光信号聚焦到光学接收器中。

[0012] 一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线的 测距方法, 应用于上述激光雷达 收发天线, 测距模块采用飞行吋间测距法进行对探测物进 行测距, 其步骤如下

[0013] 中央控制器控制激光驱动模块驱动发射器发射 一束光线作为光信号源;

[0014] 发射光准直透镜对发射器发出的光束进行准直 并发射到发射光学相位阵列芯片 中; [0015] 发射光学相位阵列芯片接收由所述发射光准直 透镜透射的光束信号, 并对发射 光进行光学相位调整来控制发射光的发射方向 ;

[0016] 发射光被探测物反射, 由接收光学相位阵列芯片接收并对接收光进行 光学相位 调整, 控制接收光的发射方向;

[0017] 接收光学透镜对接收光聚焦后发射到光学接收 器中, 然后通过信号处理模块处 理并计算出探测物的位移。

[0018] 其中, 所述发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵 列芯片中的电控调相单元 包括 X轴电控调相单元和 Y轴电控调相单元, 馈电网络包括 X轴馈电网络和 Y轴馈 电网络, 在对光信号进行相位调整吋, 都分别进行 X轴的光学相位调整和 Y轴的 光学相位调整再进行耦合处理, 发射光学相位阵列芯片对发射光的相位调整过 程和接收光学相位阵列芯片对接收光的相位处 理过程一致, 对光信号的处理过 程如下:

[0019] 信号输入单元中的光学扫描单元扫描光信号并 产生一个控制信号;

[0020] 所述控制信号通过馈电网络中的 X轴馈电网络传送到 X轴电控调相单元中进行 X 轴的光学相位调整, 通过 Y轴馈电网络将控制信号传送到 Y轴电控调相单元中进 行 Y轴的光学相位调整;

[0021] X轴的光学相位控制信号通过 X轴连接线链接到光学天线, Y轴的光学相位控制 信号通过 Y轴连接线链接到光学天线;

[0022] 耦合单元将 X轴的光学相位控制信号和 Y轴的光学相位控制信号耦合输出到光 学天线上。

[0023] 其中, 发射光和接收光的中心点在同一个光轴。

[0024] 其中, 发射光和接收光的中心点在不同的光轴。

[0025] 其中, 发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列芯 片采用透射型光学相位阵 列进行发射光和接收光的光学相位调制。

[0026] 其中, 发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列芯 片采用反射型光学相位阵 列进行发射光和接收光的光学相位调制。

发明的有益效果

有益效果 [0027] 本发明的有益效果是: 与现有技术相比, 本发明提供的基于光学相位阵列的激 光雷达收发天线, 包括基于单点收发器的测距模块、 信号处理模块、 中央控制 器和激光驱动模块, 所述激光驱动模块和信号处理模块均与所述中 央控制器连 接; 所述测距模块包括单点发射单元和单点接收单 元, 所述激光驱动模块驱动 所述单点发射单元发射出一束光线, 并控制该光束的光信号发射方向, 所述单 点接收单元接收被探测物反射的光信号并发送 至所述信号处理模块进行处理, 计算出探测物的位移。 单点发射单元和单点接收单元可以为透射型光 学相位阵 列也可以为反射型光学相位阵列, 发射光和接收光的中心点可以在同一个光轴 , 也可以在不同的两个光轴, 使得激光雷达系统的收发天线设计实现成像扫 描 固态化, 具有低成本、 高信噪比等优点

[0028] 本发明通过结合传统光学工具和光学相位阵列 , 收发天线实现固态化, 对微纳 加工工艺的要求大大降低。 而且, 本发明采用光源的发射和接收同步光学相位 阵列的设计, 避免接收端采用广角接收方式, 保持激光雷达窄视场角的技术特 征, 使得雷达更加适应强光环境, 具有更高的信噪比, 更强的抗干扰能力。 共 振型光学相位阵列的采用会进一步替代窄带滤 光片的功能, 达到更高的滤光效 果。

对附图的简要说明

附图说明

[0029] 图 1为本发明的原理图。

[0030] 图 2为本发明的流程图。

[0031] 图 3为本发明的光学相位阵列的控制架构示意图

[0032] 图 4是本发明典型的基于透射型光学相位阵列系 结构示意图。

[0033] 图 5是本发明基于反射型光学相位阵列的系统结 示意图。

[0034] 图 6是本发明共轴型系统结构示意图。

[0035] 主要元件符号说明如下:

[0036] 1、 发射器 2、 激光驱动模块

[0037] 3、 发射光准直透镜 4、 发射光学相位阵列芯片

[0038] 5、 发射天线波瓣图 6、 光学接收器 [0039] 7、 信号处理模块 8、 接收光学透镜

[0040] 9、 接收光学相位阵列芯片 10、 接收天线波瓣图

[0041] 14、 小孔 15、 反射镜组

[0042] 17、 测距模块 50、 单点发射单元

[0043] 60、 单点接收单元 201、 信号输入单元

[0044] 202、 X轴馈电网络 203、 Y轴馈电网络

[0045] 204、 X轴电控调相单元 205、 Y轴电控调相单元

[0046] 206、 X轴连接线 207、 Y轴连接线

[0047] 208、 耦合单元。

本发明的最佳实施方式

[0048] 为了更清楚地表述本发明, 下面结合附图对本发明作进一步地描述。

[0049] 请参阅图 1和图 4-图 6, 相较于现有技术的情况, 本实用新型提供的一种基于光 学相位阵列的激光雷达收发天线, 包括基于单点收发器的测距模块 17、 信号处 理模块 7、 中央控制器 20和激光驱动模块 2, 激光驱动模块 2和信号处理模块 7均 与中央控制器 20连接; 测距模块 17使用飞行吋间测距法对探测物进行测距, 包 括作为发射端产生光信号的单点发射单元 50和作为接收端接收被探测物反射的 光信号的单点接收单元 60, 激光驱动模块 2驱动单点发射单元 50发射出一束光线 , 并控制该光束的光信号发射方向, 单点接收单元 60接收被探测物反射的光信 号并发送至信号处理模块 7进行处理, 计算出探测物的位移。

[0050] 单点发射单元 50中的发射光学相位阵列芯片 4采用光学相位阵列作为发射扫描 单元, 单点接收单元 60采用与发射光学相位阵列芯片 4同步的接收光学相位阵列 芯片 9接收被探测物反射的光信号并形成反射光学 位阵列, 使得单点接收单元 60可以保持窄视场角特性, 保持扫描式激光雷达的高信噪比优点。

[0051] 进一步地, 单点发射单元 50包括用于发射光信号的发射器 1, 用于控制光信号 的发射方向的发射光学相位阵列芯片 4和用于对光信号进行准直的发射光准直透 镜 3, 请参阅图 2, 本实用新型的流程图, 发射器 1发射一束光束, 产生光信号, 发射光准直透镜 3对光信号进行准直过滤, 将发散的出射光准直成近似平行光耦 合到发射光学相位阵列芯片 4中, 在光学扫描单元上形成发射光相位阵列对发射 光信号进行相位调节, 用于控制发射的光信号的发射方向。 具体地, 发射器 1与 激光驱动模块 2连接, 发射光学相位阵列芯片 4与中央控制器 7连接, 由中央控制 器 7电控调制。 发射光学相位阵列芯片 4采用自由空间光耦合的方式和电调制的 方式控制相位延吋, 并且发射光的相位阵列有源区域面积大于 4mmA2。

[0052] 更进一步地, 单点接收单元 60包括接收光学相位阵列芯片 9、 接收光学透镜 8和 光学接收器 6, 被探测物反射的光信号经过接收光学相位阵列 芯片 9的光学扫描 单元吋形成反射光学相位阵列, 对反射的光信号的相位进行调整, 控制反射的 光信号的反射方向, 并且接收光学相位阵列芯片 9与中央控制器 7连接, 也采用 自由空间光耦合的方式和电调制的方式控制相 位延吋, 实现与发射光学相位阵 列芯片 4的同步。 为了增加接收的被探测物发射的光信号的光学 孔径, 接收光学 相位阵列芯片 9有源区域面积大于 25mmA2。 接收光学透镜 8将反射的光信号聚焦 到光学接收器 6中, 光学接收器 6接收被探测物反射的光信号, 传递至信号处理 模块 7处理。

[0053] 进一步地, 本实用新型的光束偏转控制由自由空间耦合的 光学相位阵列 (也称 为空间光调制器) 实现, 其中, 发射光学相位阵列芯片 4控制发射光的光学相位 阵列, 接收光学相位阵列芯 9片控制接收光的光学相位阵列。 具体地, 如图 3所 示, 发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵列芯片 9均为具有光学扫描单元 的共振型结构的芯片, 均包括信号输入单元 201、 光学天线 (图未示) 、 耦合单 元 208、 电控调相单元: 包括 X轴电控调相单元 204和 Y轴电控调相单元 205, 馈电 网络: 包括 X轴馈电网络 202和 Y轴馈电网络 203, 发射光学相位阵列芯片 4和接收 光学相位阵列芯 9中的光信号的相位调整都分为 X轴和 Y轴独立控制的相位调整。 发射光学相位阵列芯片 4对发射光信号的处理和接收光学相位阵列芯 9对反射光 信号的处理过程一致。 具体为: 信号输入单元 201中的光学扫描单元 (图未示) 扫描接收光束的光波信号, 并产生一个控制信号, 通常为正弦 /余弦或者三角波, 调制频率根据系统需要而定。 该控制信号被 X轴馈电网络 202传递到 X轴电控调 相单元 204中进行 X轴的光学相位调整, 也被 Y轴馈电网络 203传递到 Y轴电控调 相单元 205中进行 Y轴的光学相位调整, X轴电控调相单元 204和 Y轴电控调相单 元 205简化为线性移相器, 分别控制 X轴的相位控制信号和 Y轴的相位控制信号。 X轴电控调相单元 204通过 X轴连接线 206链接光学天线, Y轴电控调相单元 205通 过 Y轴连接线 207链接光学天线, X轴电控调相单元 204和 Y轴电控调相单元 205的 相位控制信号通过耦合单元 208耦合后输出到光学天线上。

[0054] 本实施例结合电控光学相位阵列和传统光学零 部件例如发射光准直透镜 3、 接 收光学透镜 8等, 将准直等功能由传统光学透镜承担, 大大降低光学相位阵列的 设计和控制难度。 此外, 本实施例的发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵 列芯片 9均采用共振型的结构, 例如光学天线为纳米天线, 使得发射光学相位阵 列和接收光学相位阵列会起到窄带滤波作用, 可以进一步提高系统信噪比, 简 化系统结构。

[0055] 本实用新型通过结合传统光学工具和光学相位 阵列, 收发天线实现固态化, 对 微纳加工工艺的要求大大降低。 而且, 本实用新型采用光源的发射和接收同步 光学相位阵列的设计, 避免单点接收单元 60采用广角接收方式, 保持激光雷达 窄视场角的技术特征, 使得雷达更加适应强光环境, 具有更高的信噪比, 更强 的抗干扰能力。 共振型光学相位阵列的采用会进一步替代窄带 滤光片的功能, 达到更高的滤光效果。

本发明的实施方式

[0056] 在另一个实施例中, 如图 4所示, 本实用新型采用双光轴设计, 即将发射光轴 与接收光轴分幵, 发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵列芯片 9的光学扫 描单元都采用透射型光学相位阵列。 具体地, 发射器 1采用 905nm的半导体激光 , 激光驱动模块 2由模拟电路组成, 产生峰值功率 70W、 半高宽 5纳秒的电脉冲。 发射光准直透镜 3为非球面镜, 材料为 PMMA (Polymethylmethacrylate , 聚甲基 丙烯酸甲酯) , 具有良好的透光性。 当然, 本实施例并不局限于 PMMA制作的 发射光准直透镜 3, 也可以用 PQPolycarbonate,聚碳酸酯)、 玻璃 (二氧化硅) 、 硒化锌 (ZnSe) 、 硫化锌 (ZnS) 、 氟化钙 (CaF2) 、 氟化镁 (MgF2) 、 氟化 锂 (LiF) 、 硅 (Si) 单晶、 锗 (Ge) 单晶等。 发射器 1激光发光的快轴和慢轴分 别经过发射光准直透镜 3准直后, 发散角为 3mrad。 准直后的激光垂直耦合到光 学扫描单元, 通过发射光学相位阵列芯片 4形成发射光相位阵列, 该相位阵列由 中央控制器 20的电信号控制, 对经过相位阵列每一个像素单元的激光作相位 调 制。 发射光学相位阵列芯片 4调制形成的发射光相位阵列的发射方向形成 射光 波瓣图 5, 相位阵列的出射光的波前被调制到某个特定角 度, 改变电调制信号进 而实现电控扫描。 单点接收单元 60采用单像素单元的雪崩二极管 (APD) 作为 光学接收器 6, 接收到的光信号由信号处理模块 7进行处理, 包括小信号放大、 峰值保持、 计吋等。 单点接收单元 60的收光天线由接收光学透镜 8和接收光学相 位阵列芯片实现, 接收光学透镜 8为大面积 (直径 5mm-40mm) PMMA凸透镜, 具有较大的通光孔径透过接收光。 发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵列 芯片 9 均与中央控制器 20连接, 由中央控制器 20电控调制, 并且接收光学相位阵 列芯片 9的电控信号与发射光学相位阵列芯片 4的控信号同步, 具有相同或者接 近的接收光波瓣图 10。 收发同步光学相位阵列的设计, 保持激光雷达窄视场角 的技术特征, 使得雷达更加适应强光环境, 具有更高的信噪比, 更强的抗干扰 能力。

[0057] 为方便光信号集中聚焦, 以上发射光准直透镜 3、 接收光学透镜 8均可为单透镜 设计或者多透镜组设计, 以便达到光信号集中的标准。 并且, 发射光准直透镜 3 对激光或者 LED光源做准直后发散角小于 lOmrad; 接收光学透镜 8将收集到的光 信号聚焦在光学接收器 6上。 而发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵列芯 片 9的电控调制方式不限于基于液晶的电控调制 基于压电陶瓷材料的电控调制 、 基于非线性晶体的电控调制、 基于纳米天线的电控调制。 并且, 发射光学相 位阵列芯片 4和接收光学相位阵列芯片 9均采用共振型的结构, 例如纳米天线, 发射光学相位阵列和接收光学相位阵列会起到 窄带滤波作用, 可以进一步提高 系统信噪比, 简化系统结构。

[0058] 本实施案例的测距模块基于脉冲飞行吋间测距 方法 (包括脉冲、 相位、 调频连 续波测距机制) , 使用脉冲测距法或者相位测距法或者调频连续 波测距法进行 测距, 光学准直和聚焦通过传统光学透镜完成, 而光学扫描则由发射端和接收 端同步电信号的两个光学相位阵列实现。

[0059] 请参阅图 5, 在再一个实施例中, 本实用新型采用双光轴设计, 发射光轴与接 收光轴分幵, 发射光学相位阵列芯片 4和接收光学相位阵列芯片 9的光学扫描单 元都采用反射型光学相位阵列。 单点发射单元 50采用 905nm的半导体激光作为发 射器 1, 由激光驱动模块 2驱动发射一束光线, 经过发射光准直透镜 3准直后打到 光学相位阵列芯片 4形成的反射型光学相位阵列上, 经过探测目标反射回来的光 信号, 经过单点接收单元 50的接收光学相位阵列芯片 9形成的反射型光学相位阵 列后, 光信号传导被引导到探测收光孔径内, 经过接收光学透镜 8后, 被聚焦在 光学接收器 6上, 接收到的信号被信号处理模块 7处理。 本实施例提供的反射型 光学相位阵列的激光雷达收发天线设计和加工 都较为简单, 容易实现。

[0060] 在又一个实施例中, 请参阅图 6, 本实用新型还可采用单光轴设计, 即发射光 轴与接收光轴共轴, 发射光学相位阵列和接收光学阵列共面, 发射光学相位阵 列芯片 4和接收光学相位阵列芯片 9的光学扫描单元都采用透射型光学相位阵列 , 除发射光准直透镜 3、 接收光学透镜 8外还设置一组反光镜组 15用于将反射的 光信号反射到单点接收单元中 60中, 反光镜组 15倾斜放置, 发射光准直透镜 3、 接收光学透镜 8分别面对反光镜组 15两个倾斜面, 并且反光镜组 15上设置有通过 光信号的小孔 14。 具体地, 单点发射单元用发射光源为 905nm波长的半导体激光 器作为发射器 1, 被脉冲激光驱动模块 2驱动发射光束, 经过光准直透镜 3准直后 得到准直光, 然后经过小孔 14直接打在发射光学相位阵列芯片 4中的光学扫描单 元形成的的发射光学相位阵列上, 经过目标反射回来的信号光经过接收光学相 位阵列芯片 9控制的接收光学相位阵列后出射波前被调制 收光孔径内, 经过带 小孔 14的反光镜组 15后经过接收光学透镜 8被聚焦于光学接收器 6上, 信号经过 信号处理模块 7实现测距信号读出。

工业实用性

[0061] 本发明的优势在于:

[0062] 1、 扫描式激光雷达的收发天线实现固态化, 通过传统光学器件的配合使用, 激光准直、 平行光聚焦等功能由传统光学镜头实现, 光学电控扫描的功能通过 光学相位阵列实现, 大大降低了设计难度和加工难度;

[0063] 2、 收发天线皆由包含发射光学相位阵列和接收光 学相位阵列的光学扫描单元 作为发射光和接收光的光学窗口, 发射光和接收光的光学相位阵列的控制信号 同步后, 可以有效的保持窄视场角激光雷达的高信噪比 的优点, 避免使用大视 场角接收天线和面阵接收器, 既提高了信噪比, 又大大降低了系统成本, 同吋 降低了系统复杂度;

[0064] 3、 发射光学相位阵列芯片和接收光学相位阵列芯 片均采用共振型的结构, 例 如光学天线为纳米天线, 发射光学相位阵列和接收光学相位阵列会起到 窄带滤 波作用, 可以进一步提高系统信噪比, 简化系统结构。

序列表自由内容

[0065] 以上仅为本发明的较佳实施例而已, 并不用于限制本发明, 凡在本发明的精神 和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等, 均应包含在本发明的保护范 围之内。