一种光场时间维度的调控方法及调控装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种光场时间维度的调控方法和调控装置，属于光电信息技术领域。本发明专利技术通过光延时信号模块生成具有不同延时的光脉冲信号；不同延时的光脉冲信号进入时间

【技术实现步骤摘要】
一种光场时间维度的调控方法及调控装置


[0001]本专利技术涉及一种光场时间维度的调控方法及调控装置，属于光电信息


技术介绍

[0002]随着激光雷达技术的快速发展，激光雷达在民用、军用、航空航天等领域均有广泛的应用。激光雷达模拟器是对激光雷达产品进行静态性能测试，以及对使用激光雷达作为传感器的智能无人系统进行内场试验的关键设备。
[0003]目前激光雷达模拟器技术中采用的光场时间维度调控方法主要有两种：第一种是(FPGAField
‑
Programmable Gate Array现场可编程门阵列)电子延时和激光脉冲器的组合，FPGA在模拟器接收到被测激光雷达发射的同步信号后开始计时，经过设定的延时时间后，生成电回波信号，再用电回波信号去驱动激光脉冲器产生光学回波信号，从而实现光场时间维度调控。第二种是基于时间切片技术，通过将光信号的延时信息和空间光调制器的空间区域建立映射关系，从而实现光场时间维度的调控。
[0004]上述两种调控方法都存在一定的局限性，对于FPGA电子延时器和脉冲激光器的组合方案，由于硬件成本高，无法实现很大的阵列规模。对于基于时间切片原理的方案，由于空间光调制器的像元数量资源有限，导致能够支持的时间切片数量少，所能模拟的场景深度小。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种光场时间维度的调控方法与调控装置，先将激光信号的时间信息与其空间传输方向的角度建立映射关系，再通过调控光信号传输方向实现光场时间维度的调控。本专利技术通过建立时间和空间角度的映射关系，充分利用空间光调制器的高像元数量资源和丰富的空间角度资源，解决了由于阵列规模小或时间切片数量少而导致的光场时间维度调控能力受限的问题，提高了光场时间维度调控能力和激光雷达模拟器的空间分辨率。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种光场时间维度的调控装置，由光延时信号生成模块、时间
‑
角度映射模块、微反射镜阵列、光学投影模块和光场平面组成；其中光延时信号生成模块和时间
‑
角度映射模块通过光纤连接，时间
‑
角度映射模块的光信号到达微反射镜阵列，经微反射镜阵列反射后进入光学投影模块。光延时信号生成模块主要包括光源和延时系统，在光源和延时系统的共同作用下生成具有不同延时的光脉冲信号，并将光信号传送到时间
‑
角度映射模块。时间
‑
角度映射模块通过机械定位的方式将具有不同延时的激光脉冲信号以不同的角度入射到微反射镜阵列表面。微反射镜阵列筛选与微反射镜像元法线成一定夹角的入射准直光束，并旋转微反射镜使准直光束出射，从而使具有特定延时的光信号进入投影系统的孔径角内。投影系统用于将入射的具有特定延时的光信号投影到光场平面上，从而在光场平面上获得时间维度调控后的光场。
[0008]所述光延时信号生成模块用于生成具有不同延时的光信号，即产生光场时间维度的基元集合，用t
k
表示第k个光信号的延时，光信号的总数为S。
[0009]所述的时间
‑
角度映射模块由光纤、光学准直系统和机械结构构成，其中光学准直系统是将非平行光转换为平行光的光学系统。时间
‑
角度映射模块运用机械定位的方法，通过基座控制每根光纤及其对应准直系统的移动，从而使具有不同延时的光信号以不同的方向入射到微反射镜阵列。
[0010]所述的时间
‑
角度映射模块中的准直系统用于光束的准直，但由于不是对理想的点光源进行准直，而是对光纤光束进行准直，故对于准直光束来说存在一定的发散角δ。光纤纤芯半径为r，准直系统的焦距为f，通过准直系统的发散角表示为δ＝r/f，为保证相邻准直光束不发生重叠，则相邻准直光束中心光线之间的夹角要大于2δ。
[0011]同时要保证准直光束覆盖整个微反射镜阵列表面，故需要满足：
[0012][0013]其中δ为准直光束的发散角，R表示光纤对应基座中心到反射镜阵列中心的距离。由于发散角δ非常小，故准直光束的入射方向近似表示为微反射镜阵列中心与基座中心连线的方向向量将不同延时的光信号所对应的延时分别记为t
k
，则光信号时间信息与准直光束的入射方向是一一对应的。因此时间
‑
角度映射模块通过机械定位的方式，建立光延时信号的时间信息和准直光束的入射方向之间的映射关系。
[0014]所述的微反射镜阵列由微反射镜像元组成的，像元数量为M*N，其中M表示微反射镜阵列的行数，N表示微反射镜阵列的列数。(x
i
,y
j
,0)表示每个微反射镜像元的空间坐标，其中i,j为整数，并有
‑
M/2≤i≤M/2，
‑
N/2≤j≤N/2，每个像元的尺寸为d。微反射镜像元通过绕x轴或y轴旋转选取与微反射镜像元法线成一定角度的准直光束。微反射镜像元旋转后的法向量为其中m为整数，且满足1≤m≤M*N。则入射到微反射镜阵列的准直光束和微反射镜像元的法线夹角α
m
为：
[0015][0016]微反射镜像元旋转后的法向量与Z轴夹角β
m
为：
[0017][0018]与微反射镜像元的法线夹角为α
m
的准直光束经过微反射镜像元反射，得到的反射光束与法线夹角为α
m
，则反射光束与Z轴的夹角γ
m
为：
[0019]γ
m
＝|β
m
‑
α
m
|
[0020]与微反射镜像元的法线夹角为α
m
的入射准直光束与Z轴的夹角ε
m
为：
[0021]ε
m
＝α
m
+β
m
。
[0022]所述的光学投影模块对准直光束进行投影，投影模块的孔径为D,投影模块中心到空间光调制器中心的距离为L1,投影系统中心表示为(0,0,L1),孔径角为则孔径角为：
[0023][0024]在确定光学投影模块的孔径角后，出射光束要进入光学投影模块，则需要保证出射光束与Z轴的夹角小于孔径角，即同时要保证入射光束与Z轴的夹角大于孔径角，即
[0025]所述的光场平面用于接收光学投影模块发射的光信号，将光场平面中心到投影系统中心的距离记为L2，则用(x
p
,y
q
,L1+L2)表示光场平面接收到的每个时间调制后的光信号的空间坐标，其中p,q为整数，并有
‑
M/2≤p≤M/2，
‑
N/2≤q≤N/2。
[0026]本专利技术公开的一种光场时间维度的调控方法，基于一种光场时间维度的调控装置实现，包含以下步骤：
[0027]步骤1、通过延时光信号生成模块产生具有不同延时t
k
的光信号，t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光场时间维度的调控装置，其特征在于：由光延时信号生成模块、时间
‑
角度映射模块、微反射镜阵列、光学投影模块和光场平面组成；其中光延时信号生成模块和时间
‑
角度映射模块通过光纤连接，时间
‑
角度映射模块的光信号到达微反射镜阵列，经微反射镜阵列反射后进入光学投影模块；光延时信号生成模块主要包括光源和延时系统，在光源和延时系统的共同作用下生成具有不同延时的光脉冲信号，并将光信号传送到时间
‑
角度映射模块；时间
‑
角度映射模块通过机械定位的方式将具有不同延时的激光脉冲信号以不同的角度入射到微反射镜阵列表面；微反射镜阵列筛选与微反射镜像元法线成预定夹角的入射准直光束，并旋转微反射镜使准直光束出射，从而使具有特定延时的光信号进入投影系统的孔径角内；投影系统用于将入射的具有特定延时的光信号成像到光场平面上，从而在光场平面上获得具有时间维度的光场。2.如权利要求1所述的一种光场时间维度的调控装置，其特征在于：所述光延时信号生成模块用于生成具有不同延时的光信号，即产生光场的时间维度的基元集合，用t
k
表示第k个光信号的延时，光信号的总数为S。3.如权利要求1所述的一种光场时间维度的调控装置，其特征在于：所述的时间
‑
角度映射模块由光纤、光学准直系统和机械结构构成，其中光学准直系统将非平行光转换为平行光的光学系统；时间
‑
角度映射模块运用机械定位的方法，通过基座控制每根光纤及其对应准直系统的移动，从而使具有不同延时的光信号以不同的方向入射到微反射镜阵列；所述的时间
‑
角度映射模块中的准直系统用于光束的准直，但由于不是对理想的点光源进行准直，而是对光纤光束进行准直，故对于准直光束来说存在一定的发散角δ；光纤纤芯半径为r，准直系统的焦距为f，通过准直系统的发散角可表示为δ＝r/f，为保证相邻准直光束不发生重叠，则相邻准直光束中心光线之间的夹角要大于2δ；同时要保证准直光束覆盖整个微反射镜阵列表面，故需要满足：其中δ为准直光束的发散角，R表示光纤对应基座中心距离反射镜阵列中心距离；由于发散角δ非常小，故准直光束的入射方向近似表示为微反射镜阵列中心与基座中心连线的方向向量将不同延时的光信号所对应的延时分别记为t
k
，则光信号时间信息与准直光束的入射方向是一一对应的；故时间
‑
角度映射模块通过机械定位的方式，建立光延时信号所携带的时间信息和准直光束的入射方向的映射关系。4.如权利要求1所述的一种光场时间维度的调控装置，其特征在于：所述微反射镜阵列由微反射镜像元组成的，像元数量为M*N，其中M表示微反射镜阵列的行数，N表示微反射镜阵列的列数；(x
i
,y
j
,0)表示每个微反射镜像元的空间坐标，其中i,j为整数，并有
‑
M/2≤i≤M/2，
‑
N/2≤j≤N/2，每个像元的尺寸为d；微反射镜像元绕x轴或y轴旋转选取与微反射镜像元法线成一定角度的准直光束；微反射镜像元旋转后的法向量为其中m为整数，且满足1≤m≤M*N；则入射到微反射镜阵列的准直光束和微反射镜像元的法线夹角α
m
为：
微反射镜像元旋转后的法向量与Z轴夹角β
m
为：与微反射镜像元的法线夹角为α
m
的准直光束经过微反射镜像元反射，得到的反射光束与法线夹角为α
m
，则反射光束与Z轴的夹角γ
m
为：γ
m
＝|β

【专利技术属性】
技术研发人员：高彦泽，何晋，李卓，刘伟杰，骆一鸣，李仁杰，陆俊杰，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：