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CN108896978A - 基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达 - Google Patents

基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达 Download PDF

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Abstract

一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源、环形器、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片和控制系统。本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高；相控阵技术确保了微秒级的光束扫描速度，能实现快速光束扫描；光信号通过集成相控阵芯片上的垂直光栅发射时，发射角度与信号波长相关，而奈奎斯特脉冲具有有限的谱宽，因此光信号通过垂直光栅发射时，可以获得较小的发散角，提高了激光雷达的空间分辨率。

Description

基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达，特别是一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达。具体是一种利用奈奎斯特脉冲的有限频谱宽度，实现较小光束发散角的集成激光雷达。
背景技术
激光雷达在测距、无人驾驶等领域具有重要价值。利用激光雷达测距可以提供环境中物体的距离信息，为后续决策提供依据。一种典型的激光雷达技术是基于脉冲飞行时间的方案：通过发射一个激光脉冲，并测量激光脉冲从发射到经被测物反射再到最终被接收所经过的飞行时间，即可计算出被测物的距离。
目前已经报道的基于飞行时间技术的激光雷达主要采用以下几种设计：
方法1：采用高斯型的光脉冲结合机械扫描镜。高斯型的光脉冲经准直后通过机械扫描镜改变发射角度，实现对远处目标的测距和成像。这种方案是目前最广泛使用的方案之一，但是由于采用了机械部件，扫描速度较低，且对振动等影响较敏感，长期稳定性也较差。
方法2：采用高斯型的光脉冲结合集成相控阵芯片。光脉冲耦合到集成相控阵芯片，并经由芯片上的光栅进行发射。通过改变相控阵上各个单元之间的相位关系，可以实现光束的扫描，从而实现对目标的测距和成像。这种方案由于具有集成特性，且没有机械部件，受到了广泛关注。但高斯型光脉冲虽然可以获得很窄的脉宽，但具有很宽的频谱，导致经过光栅发射后的光束发散角较大，无法获得很好的空间分辨率。
总之，以上的设计或者在扫描速度、稳定性，或者在光束发散角等方面受到限制。因此，需要一种装置能够兼顾扫描速度、稳定性和光束发散角的需求，实现可靠的激光雷达。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，该激光雷达是能够同时兼顾扫描速度、稳定性和光束发散角的激光雷达。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：
一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源、环形器、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片和控制系统；
所述的奈奎斯特脉冲光源的输出端与所述的环形器的输入端口相连，所述的环形器的双向端口与所述的集成光相控阵芯片的光学输入端相连，所述的环形器的输出端口与所述的控制系统的第二输入端口相连，所述的奈奎斯特脉冲光源的参考信号输出端与所述的控制系统的第一输入端口相连，所述的控制系统的控制端信号输出端与所述的集成光相控阵芯片的电学输入端相连，在所述的控制系统的控制端信号的控制下，所述的集成光相控阵芯片的分路器将输入光信号分成多路，经电控移相器改变每路光的相位，使光信号通过垂直发射光栅发射，在远场形成不同的光束角度，实现扫描；同时被测物反射的光束中与发射光束共光路的部分会被芯片接收。
所述的奈奎斯特脉冲光源是一种能够产生奈奎斯特激光脉冲的装置，奈奎斯特脉冲具有矩形的频谱，其时域脉冲波形具有sinc函数(即sin(x)/x)的形状。
所述的奈奎斯特脉冲光源的参考信号输入到控制系统的第一输入端口，用于提供激光测距的参考时间，所述的环形器的输出端口将集成光相控阵芯片接收到的返回光脉冲输入到控制系统，所述的控制系统通过比较参考时间与返回光脉冲的到达时间，即可计算出光脉冲的飞行时间，从而计算出被测物的距离。
所述的奈奎斯特脉冲光源与环形器之间通过空间光或光纤耦合。
所述的奈奎斯特脉冲光源与控制系统之间通过电缆或者光纤连接。
所述的环形器与集成光相控阵芯片之间通过透镜光纤耦合，集成光相控阵芯片的光学输入端具有拉锥波导以使得光斑大小与透镜光纤的光斑大小相吻合。
所述的环形器与控制系统之间通过光纤连接。
所述的集成光相控阵芯片与控制系统之间通过电缆连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高；光信号通过集成相控阵芯片上的垂直光栅发射时，发射角度与信号波长相关，而奈奎斯特脉冲具有有限的谱宽，因此光信号通过垂直光栅发射时，可以获得较小的发散角，提高了激光雷达的空间分辨率。
附图说明
图1是本发明基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达的示意图。
图中：1-奈奎斯特脉冲光源，2-环形器，3-集成相控阵芯片，4-控制系统。
图2是一个集成光相控阵芯片的典型结构示意图(俯视图)
图中：31-拉锥波导，32-普通波导，33-分路器，34-普通波导，35-电控移相器，36-光栅，37-电控移相器引线
图3(a)是光栅发射的光束角度与光信号波长的关系示意图，图3(b)是当脉宽1皮秒时，高斯脉冲与奈奎斯特脉冲对应的频谱
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达的示意图。如图所示，本发明基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源1、环形器2、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片3和控制系统4；
所述的奈奎斯特脉冲光源的输出端与所述的环形器2的输入端口相连，所述的环形器2的双向端口与所述的集成光相控阵芯片3的光学输入端相连，所述的环形器2的输出端口与所述的控制系统4的第二输入端口相连，所述的奈奎斯特脉冲光源1的参考信号输出端与所述的控制系统4的第一输入端口相连，所述的控制系统4的控制端信号输出端与所述的集成光相控阵芯片3的电学输入端相连，在所述的控制系统4的控制端信号的控制下，所述的集成光相控阵芯片3的芯片将输入光信号分成多路，并改变每路光的相位，使光信号通过垂直发射光栅36发射，在远场形成不同的光束角度，实现扫描；同时被测物反射的光束中与发射光束共光路的部分会被芯片接收。
所述的奈奎斯特脉冲光源1是一种能够产生奈奎斯特激光脉冲的装置，奈奎斯特脉冲具有矩形的频谱，其时域脉冲波形具有sinc函数(即sin(x)/x)的形状。
所述的奈奎斯特脉冲光源1的参考信号输入到控制系统的第一输入端口，用于提供激光测距的参考时间，所述的环形器2的输出端口将集成光相控阵芯片3接收到的返回光脉冲输入到控制系统4，所述的控制系统4通过比较参考时间与返回光脉冲的到达时间，即可计算出被测物的距离。
所述的奈奎斯特脉冲光源与环形器之间通过空间光或光纤耦合。
所述的奈奎斯特脉冲光源与控制系统之间通过电缆或者光纤连接。
所述的环形器与集成光相控阵芯片之间通过透镜光纤耦合，集成光相控阵芯片的光学输入端具有拉锥波导以使得光斑大小与透镜光纤的光斑大小相吻合。
所述的环形器与控制系统之间通过光纤连接。
所述的集成光相控阵芯片与控制系统之间通过电缆连接。
控制系统4通过控制端口控制集成相控阵芯片3中各个光路之间的相移，从而实现对发射光束角度的控制。
图2是一个集成光相控阵芯片的典型结构示意图(俯视图)。外部光信号通过拉锥波导31耦合进芯片，经过普通波导32进入分路器33，分路器将光信号分成N路，每路信号经过普通波导34后，进入电控移相器35，最后到达光栅36被发射出去。接收到的光信号则沿与上述路径相反的路径依次经过光栅36、电控移相器35、普通波导34、分路器33、普通波导32和拉锥波导31输出到外部的环形器2。电控移相器引线37与控制系统4的控制端口相连，实现对各路光信号的相位控制。其中，光束的发射方向沿z方向，相位控制实现的光束扫描方向沿y方向，与波长相关的发射角度变化沿x方向。
图3(a)是光栅发射的光束角度与光信号波长的关系示意图。根据光栅特性，光栅沿x方向的发射角度θ与波长λ具有如下关系(参考文献：Hutchison,et al.,High-resolution aliasing-free optical beam steering,Optica 3,887-890,2016)
其中，neff是光栅的有效折射率，Λ是光栅的周期。当光信号具有一定谱宽时，则会导致发射光束具有一定的发散角Δθ。
图3(b)是高斯脉冲与奈奎斯特脉冲都具有1皮秒的脉宽时的频谱。以最大功率-10dB作为谱宽，高斯脉冲的谱宽0.8THz为而奈奎斯特脉冲的谱宽为0.28THz。在1550nm工作波长下，以氮化硅波导为例，neff＝2.0，Λ＝775nm，则高斯脉冲由谱宽导致的发散角为Δθ＝8.3mrad，奈奎斯特脉冲由谱宽导致的发散角为Δθ＝2.9mrad。可见，采用奈奎斯特脉冲可以显著改善光束的发散角。
综上所述，本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高；相控阵技术确保了微秒级的光束扫描速度，能实现快速光束扫描；光信号通过集成相控阵芯片上的垂直光栅发射时，发射角度与信号波长相关，而奈奎斯特脉冲具有有限的谱宽，因此光信号通过垂直光栅发射时，抑制了由信号谱宽导致的角度发散，可以获得较小的发散角，提高了激光雷达的空间分辨率。

Claims (8)

1.一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源(1)、环形器(2)、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片(3)和控制系统(4)；
所述的奈奎斯特脉冲光源(1)的输出端与所述的环形器(2)的输入端口相连，所述的环形器(2)的双向端口与所述的集成光相控阵芯片(3)的光学输入端相连，所述的环形器(2)的输出端口与所述的控制系统(4)的第二输入端口相连，所述的奈奎斯特脉冲光源(1)的参考信号输出端与所述的控制系统(4)的第一输入端口相连，所述的控制系统(4)的控制端信号输出端与所述的集成光相控阵芯片(3)的电学输入端相连，在所述的控制系统(4)的控制端信号的控制下，所述的集成光相控阵芯片(3)的分路器(33)将输入光信号分成多路，经电控移相器(35)改变每路光的相位，使光信号通过垂直发射光栅(36)发射，在远场形成不同的光束角度，实现扫描；同时被测物反射的光束中与发射光束共光路的部分会被芯片接收。
2.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的奈奎斯特脉冲光源(1)是一种能够产生奈奎斯特激光脉冲的装置，奈奎斯特脉冲具有矩形的频谱，其时域脉冲波形具有sinc函数(即sin(x)/x)的形状。
3.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的奈奎斯特脉冲光源的参考信号输入到控制系统的第一输入端口，用于提供激光测距的参考时间，所述的环形器的输出端口将集成光相控阵芯片接收到的返回光脉冲输入到控制系统(4)，所述的控制系统(4)通过比较参考时间与返回光脉冲的到达时间，即可计算出被测物的距离。
4.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的奈奎斯特脉冲光源与环形器之间通过空间光或光纤耦合。
5.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的奈奎斯特脉冲光源与控制系统之间通过电缆或者光纤连接。
6.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的环形器与集成光相控阵芯片之间通过透镜光纤耦合，集成光相控阵芯片的光学输入端具有拉锥波导以使得光斑大小与透镜光纤的光斑大小相吻合。
7.根据权利要求1所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的环形器与控制系统之间通过光纤连接。
8.根据权利要求1至7任一项所述的基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，所述的集成光相控阵芯片与控制系统之间通过电缆连接。
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