半固态激光雷达系统技术方案

本申请涉及一种半固态激光雷达系统。该系统包括：光源用于出射调频连续波激光信号；收发扫描光子芯片，用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；出射光处理单元，用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；转镜，接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。采用本系统能够大扫描角小尺寸、低功耗低成本的激光雷达扫描。的激光雷达扫描。的激光雷达扫描。

【技术实现步骤摘要】
半固态激光雷达系统


[0001]本申请涉及光学系统或仪器
，特别是涉及一种半固态激光雷达系统。

技术介绍

[0002]自动驾驶、空间光通信、生物传感等领域的迅猛发展不断推动三维成像技术的发展，进而带动激光雷达技术得到越来越多的关注。基于光学相控阵（Optical Phased Array，OPA）和焦平面开关阵列的全固态激光雷达在尺寸、重量和速度上都具有机械式激光雷达无法比拟的优势。
[0003]然而，采用OPA实现激光雷达所需的大角度、高分辨率光束扫描，需要攻克多方难题，而使用焦平面开关阵列的方法实现激光雷达所需的光束扫描可以很好地避免，通过开关阵列切换光源输入到不同的发射光栅通道，就可以实现激光雷达所需的二维光束扫描。其中，常见的开关阵列包括MZI（Mach
‑
Zehnder Interferometer，马赫增德尔干涉仪）光开关和MEMS（Micro
‑
Electro
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Mechanical System，微电机系统）光开关。采用级联MZI光开关主要受限于尺寸和高功耗，很难在单片上实现非常多的通道，而采用MEMS光开关对工艺要求非常高。
[0004]因此，如何既能低成本实现大视场角、高分辨率和精度光束扫描，又能兼顾可靠性和功耗，同时便于工程实现是目前固态激光雷达亟待解决的关键问题。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种实现大扫描角小尺寸、低功耗低成本的半固态激光雷达系统。
[0006]第一方面，本申请提供了一种半固态激光雷达系统。所述系统包括：光源，用于出射调频连续波激光信号；收发扫描光子芯片，用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；出射光处理单元，用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；转镜，接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。
[0007]在一个实施例中，出射光处理单元包括透镜，透镜具有后焦面，转镜设置于出射光处理单元的后焦面或后焦面附近位置。
[0008]在一个实施例中，转镜包括一个或多个反射面，多个反射面的垂直倾角均不相同。
[0009]在一个实施例中，收发扫描光子芯片包括：光源耦合器、本振光分光耦合器、光开关和扫描阵列出射波导；光源耦合器，用于将光源出射的激光信号耦合进收发扫描光子芯片的输入波导；本振光分光耦合器包括第一本振光分光耦合器和第二本振光分光耦合器，其中第一本振光分光耦合器用于将耦合进收发扫描光子芯片输入波导的激光信号分光为信号光
和本振光，第二本振光分光耦合器用于将本振光和外部目标物体的激光回波信号光混频获得激光回波信号光的相干接收处理信号；光开关，用于将接收自第一本振光分光耦合器的信号光，并将信号光分路传输至扫描阵列出射波导，并控制信号光从扫描阵列出射波导的不同波导出射出去。
[0010]在一个实施例中，系统还包括光开关阵列驱动控制单元，光开关阵列驱动控制单元用于控制光开关将信号光传输至扫描阵列出射波导。
[0011]在一个实施例中，收发扫描光子芯片还包括相干平衡探测接收器 ，与第二本振光分光耦合器连接，第二本振光分光耦合器将激光回波信号光的相干接收处理信号传输至相干平衡探测接收器 。
[0012]在一个实施例中，系统还包括调频连续波接收信号处理单元，与相干平衡探测接收器 连接，用于处理相干平衡探测接收器 传输的相干接收处理信号，获得探测结果。
[0013]在一个实施例中，收发扫描光子芯片为空分收发扫描光子芯片，空分收发扫描光子芯片包括多个光开关。
[0014]在一个实施例中，收发扫描光子芯片为波分收发扫描光子芯片，波分收发扫描光子芯片包括：波分复用合波器，与第一本振光分光耦合器连接，用于将激光信号合波，并将合波后的激光信号输入光开关；波分复用分波器，用于接收光开关传输的激光信号，并将激光信号传输至扫描阵列出射波导。
[0015]在一个实施例中，光源包括多个可输出不同波长激光的激光器。
[0016]在一个实施例中，出射光处理单元与转镜之间设置反射元件。
[0017]在一个实施例中，光开关包括马赫增德尔光开关阵列和微环阵列。
[0018]上述半固态激光雷达系统，包括光源、收发扫描光子芯片、出射光处理单元、转镜。其中，光源用于出射调频连续波激光信号，收发扫描光子芯片用于接收光源出射的激光信号，将激光信号分为多路激光信号，多路激光信号从收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出，出射光处理单元用于对一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光，转镜用于接收经出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将一维扫描阵列光反射至外部目标物体。具体地，利用光开关实现多路激光信号到任意空间分布的一维焦平面出射阵列光的转换，再结合转镜将一维扫描阵列光反射至外部目标物体，从而实现大视场、高分辨率激光雷达二维光束扫描。同时收发扫描光子芯片通过利用空分或波分复用并行技术降低芯片和控制系统的复杂度，进一步实现半固态调频连续波激光雷达大扫描角小尺寸、低功耗低成本的目标。
附图说明
[0019]图1为一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；图2为一个实施例中MZ光开关级联的光开关示意图；图3为一个实施例中共用Bus波导微环阵列的光开关示意图；图4为又一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；图5为再一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；
图6为另一个实施例中半固态激光雷达系统的结构示意图；图7为另一个实施例中第二种半固态激光雷达系统的结构示意图；图8为另一个实施例中第三种半固态激光雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
[0020]自动驾驶、空间光通信、生物传感等领域的迅猛发展不断推动三维成像技术的发展，进而推动激光雷达技术的飞速发展。通常激光雷达波束控制可以通过机械方式实现。但是机械式光束扫描的尺寸、功耗以及抗振动性能往往不尽如人意，而基于光学相控阵（OPA）和焦平面开关阵列的全固态激光雷达在尺寸、重量和速度上都具有机械式激光雷达无法比拟的优势。
[0021]然而，采用OPA实现激光雷达所需的大角度、高分辨率光束扫描，不仅需要精确的相位控制，而且还有多个难关需要攻克。首先，OPA光束扫描范围受限于其输出光束旁瓣，因此，为了消除旁瓣，相控阵发射天线单元间距理论上要小于1/2波长。而通常情况下，即使用波导光栅作为发射单元，为有效抑制发射单元间的串扰，波导间距一般也需要远大于光波波长。虽然使用随机间距波导光栅阵列可以一定程度上抑制旁瓣，但不可避免会增大噪声。其次，实现高分辨率光束扫描，需要大口径OPA，而为了抑制旁瓣影响，发射天线单元间距需要尽可能小，这就导致OPA阵列规模庞大。二维OPA往往需要有几万甚至几十万个相控发射单元，工程实现的难度巨大。因此，现有OPA通常使用一维相控波导阵列加波导光栅输出阵列的方案，通过波导相位控制实现在一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种半固态激光雷达系统，其特征在于，包括：光源，用于出射调频连续波激光信号；收发扫描光子芯片，用于接收所述光源出射的激光信号，将所述激光信号分为多路激光信号，所述多路激光信号从所述收发扫描光子芯片中以一维扫描阵列光的形式输出；出射光处理单元，用于对所述一维扫描阵列光处理以形成所需的一维扫描阵列光；转镜，接收经所述出射光处理单元传输过来的一维扫描阵列光并将所述一维扫描阵列光反射至外部目标物体。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述出射光处理单元包括透镜，所述透镜具有后焦面，所述转镜设置于所述出射光处理单元的后焦面或后焦面附近位置。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转镜包括一个或多个反射面，所述多个反射面的垂直倾角均不相同。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述收发扫描光子芯片包括：光源耦合器、本振光分光耦合器、光开关和扫描阵列出射波导；所述光源耦合器，用于将所述光源出射的激光信号耦合进所述收发扫描光子芯片的输入波导；所述本振光分光耦合器包括第一本振光分光耦合器和第二本振光分光耦合器，其中第一本振光分光耦合器用于将耦合进所述收发扫描光子芯片输入波导的激光信号分光为信号光和本振光，第二本振光分光耦合器用于将所述本振光和外部目标物体的激光回波信号光混频获得激光回波信号光的相干接收处理信号；所述光开关，用于将接收自第一本振光分光耦合器的信号光，并将所述信号光分路传输至所述扫描阵列出射波导，并控制信号光从所述扫描阵列出射波导的不同波导出射出去。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：郑学哲，
申请(专利权)人：苏州旭创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：