一种固态激光雷达系统
阅读：258发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种固态激光雷达系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种固态 激光雷达 系统，包括：产生激光光束的 激光器 ；接收激光光束且输出扫描光束的光学 相控阵 芯片，扫描光束包括探测光束及 本振 光束；用于控制光学相控阵芯片输出预设 相位 的探测光束及本振光束、且控制光学相控阵芯片输出预设扫描方向的探测光束的 驱动器 件；接收回波光束及本振光束并混频为探测模拟 信号 的 混频器 ，回波光束为探测光束探测待测目标后的回波信号；用于将探测 模拟信号 转换为探测模拟 电信号 的光电探测器；用于将探测模拟电信号转换为探测 数字信号 的 模数转换 器 ；用于对探测数字信号进行鉴频而获取与待测目标之间距离数据的 鉴频器 件。固态激光雷达系统具有作用距离长、 稳定性 高、易调频、驱动功耗低、结构简单等优点。，下面是一种固态激光雷达系统专利的具体信息内容。
1.一种固态激光雷达系统，其特征在于，包括：
产生激光光束的激光器；
接收所述激光光束且输出扫描光束的光学相控阵芯片，其中，所述扫描光束包括探测光束及本振光束；
用于控制所述光学相控阵芯片输出预设相位的探测光束及本振光束、且控制所述光学相控阵芯片输出预设扫描方向的探测光束的驱动器件；
接收回波光束及所述本振光束并混频为探测模拟信号的混频器，其中，所述回波光束为所述探测光束探测待测目标后的回波信号；
用于将所述探测模拟信号转换为探测模拟电信号的光电探测器；
用于将所述探测模拟电信号转换为探测数字信号的模数转换器；
以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标之间距离数据的鉴频器件。
2.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述预设相位为其中，a和b均为常数，t为时间；
以及，所述鉴频器件根据公式：
I＝IT+IR+ATARcos(2atτ+ωPhτ-aτ2+bτ)
对所述探测数字信号进行鉴频而获取飞行时间τ，且根据所述飞行时间τ得到与所述待测目标之间距离数据，其中，I为所述鉴频器件根据所述探测数字信号鉴频得到的光强，IT为所述本振光束的光强，IR为所述回波光束的光强，AT为所述本振光束的振幅，AR为所述回波光束的振幅，ωPh为所述本振光束的光频，飞行时间τ为所述探测光束和所述回波光束的时间间隔。
3.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述光学相控阵芯片为基于单晶硅的光学相控阵芯片。
4.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述光学相控阵芯片通过控制所述激光光束在其波导中传输的光程实现相位的调节。
5.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述光学相控阵芯片通过热光效应或电光效应实现所述激光光束的相位调节。
6.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述驱动器件包括乘法器和直流偏转电路，其中，所述乘法器用于控制所述光学相控阵芯片输出的探测光束及本振光束为预设相位；
以及，所述直流偏转电路控制所述光学相控阵芯片输出的探测光束为预设扫描方向。
7.根据权利要求6所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号分别对所述光学相控阵芯片进行控制。
8.根据权利要求6所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号合并后对所述光学相控阵芯片进行控制。
一种固态激光雷达系统
技术领域
[0001] 本发明涉及激光雷达技术领域，更为具体地说，涉及一种固态激光雷达系统。
背景技术
[0002] 激光雷达Lidar技术是一种将传统雷达技术与现代激光技术结合在一起的新产物，充分利用了激光的发射角小、能量集中、高相干性的特点，使得激光雷达具有一系列独特的优势：角分辨率高、距离分辨率高、速度分辨率高、测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强等优点。传统的机械激光雷达是通过高速旋转的机械系统来实现扫描，其稳定性以及寿命存在一定问题，而量产一致性导致的产能低下也使得机械式激光雷达的价格进一步提高。故而，摒弃机械系统的固态激光雷达被认为是最有可能颠覆机械式激光雷达的方案。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明提供了一种固态激光雷达系统，有效解决了现有技术存在的问题，使得固态激光雷达系统具有稳定性高、使用寿命长、易调频、体积小、成本低、驱动功耗低、结构简单等优点。
[0004] 为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
[0005] 一种固态激光雷达系统，包括：
[0006] 产生激光光束的激光器；
[0012] 以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标之间距离数据的鉴频器件。
[0013] 可选的，所述预设相位为 其中，a和b均为常数，t为时间；
[0014] 以及，所述鉴频器件根据公式：
[0015] I＝IT+IR+ATARcos(2atτ+ωPhτ-aτ2+bτ)
[0016] 对所述探测数字信号进行鉴频而获取飞行时间τ，且根据所述飞行时间τ得到与所述待测目标之间距离数据，其中，I为所述鉴频器件根据所述探测数字信号鉴频得到的光强，IT为所述本振光束的光强，IR为所述回波光束的光强，AT为所述本振光束的振幅，AR为所述回波光束的振幅，ωPh为所述本振光束的光频，飞行时间τ为所述探测光束和所述回波光束的时间间隔。
[0018] 可选的，所述光学相控阵芯片通过控制所述激光光束在其波导中传输的光程实现相位的调节。
[0019] 可选的，所述光学相控阵芯片通过热光效应或电光效应实现所述激光光束的相位调节。
[0020] 可选的，所述驱动器件包括乘法器和直流偏转电路，其中，所述乘法器用于控制所述光学相控阵芯片输出的探测光束及本振光束为预设相位；
[0021] 以及，所述直流偏转电路控制所述光学相控阵芯片输出的探测光束为预设扫描方向。
[0022] 可选的，所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号分别对所述光学相控阵芯片进行控制。
[0023] 可选的，所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号合并后对所述光学相控阵芯片进行控制。
[0024] 相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
[0025] 本发明提供了一种固态激光雷达系统，包括：产生激光光束的激光器；接收所述激光光束且输出扫描光束的光学相控阵芯片，其中，所述扫描光束包括探测光束及本振光束；用于控制所述光学相控阵芯片输出预设相位的探测光束及本振光束、且控制所述光学相控阵芯片输出预设扫描方向的探测光束的驱动器件；接收回波光束及所述本振光束并混频为探测模拟信号的混频器，其中，所述回波光束为所述探测光束探测待测目标后的回波信号；
用于将所述探测模拟信号转换为探测模拟电信号的光电探测器；用于将所述探测模拟电信号转换为探测数字信号的模数转换器；以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标之间距离数据的鉴频器件。
用于将所述探测模拟信号转换为探测模拟电信号的光电探测器；用于将所述探测模拟电信号转换为探测数字信号的模数转换器；以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标之间距离数据的鉴频器件。
[0026] 由上述内容可知，本发明提供的技术方案，采用光学相控阵芯片能够控制激光光束的相位的特点，进而实现相位调制连续波对待测目标的探测。其中，由于光学相控阵芯片仅需要电信号实现全固态光束扫描，且光学相控阵芯片为芯片级的光束扫描器件而能够与雷达系统单片集成，进而使得固态激光雷达系统具有作用距离长、稳定性高、使用寿命长、易调频、体积小、成本低、驱动功耗低、结构简单等优点，解决了现有机械雷达系统存在的诸多问题。附图说明
[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0028] 图1为本申请实施例提供的一种固态激光雷达系统的结构示意图；
[0029] 图2为本申请实施例提供的一种探测模拟信号的波形图；
[0030] 图3为本申请实施例提供的另一种固态激光雷达系统的结构示意图；
[0031] 图4为本申请实施例提供的又一种固态激光雷达系统的结构示意图。
具体实施方式
[0032] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033] 正如背景技术所述，传统的激光雷达存在寿命短，稳定性差，体积大，功耗高等一系列问题。对此，发明人发现出现上述技术问题的原因是传统激光雷达使用了机械系统，由于高速运转的机械系统会对器件稳定性和寿命造成影响，因而存在上述难以避免的问题；而为了实现垂直方向上的扫描，必须安装多个发射角不同的激光器来实现，这使得混合固态雷达光源的体积明显增大，不满足小体积的实用需求；并且混合固态激光雷达中每个激光器要做独立驱动电路，增加激光雷达电路的实现难度；再次，混合固态激光雷达光源的每个激光器前端需装配微透镜压缩慢轴发散角，增加雷达物料成本；最后，混合固态激光雷达光源中每个激光器要按一个特定角度发射激光，这一过程通常是人工装调的，也是雷达整机装调最耗时的过程，增加雷达制造复杂程度。
[0034] 以及，目前激光雷达常用的测距方法是脉冲测距法(即直接探测)，通过测量激光脉冲的飞行时间来测量物体距离。这种方法的原理和硬件实现相对简单，但是在远距离探测时，要求激光功率足够高(10W量级)以获得足够高的信噪比。
[0035] 而调频连续波(FM/CW)雷达是一种广泛应用于现有雷达的方式，它的原理是通过对连续波进行频率调制来获得距离信息的雷达体制系统，其发射激光的幅度受到一个频率在调频周期内线性变化的啁啾信号的调制，以此将时变的频率信息标记在发射激光上，本振信号与回波信号之间混频，通过中频信号间接测得光飞行时间(Time-of-Flight，TOF)。由于本振光功率较高，所以在回波功率较低的情况下，仍能获得足够高的信噪比，降低对发射功率的要求。但该方法要求激光器输出十分稳定的三角波形且发射信号有一定的带宽和很高的线性度，并且啁啾信号的调频周期或时宽远远大于最大作用距离对应的回波延时。
[0036] 基于此，本申请实施例提供了一种固态激光雷达系统，有效解决了现有技术存在的问题，使得固态激光雷达系统具有作用距离长、稳定性高、使用寿命长、易调频、体积小、成本低、驱动功耗低、结构简单等优点。为实现上述目的，本申请实施例提供的技术方案如下，具体结合图1至图4对本申请实施例提供的技术方案进行详细的描述。
[0037] 参考图1所示，为本申请实施例提供的一种固态激光雷达系统的结构示意图，其中，本申请实施例提供的固态激光雷达系统包括：
[0038] 产生激光光束的激光器100；
[0039] 接收所述激光光束且输出扫描光束的光学相控阵芯片200，其中，所述扫描光束包括探测光束Tx1及本振光束Tx2；
[0040] 用于控制所述光学相控阵芯片200输出预设相位的探测光束Tx1及本振光束Tx2、且控制所述光学相控阵芯片200输出预设扫描方向的探测光束Tx1的驱动器件300；
[0041] 接收回波光束Rx及所述本振光束Tx2并混频为探测模拟信号的混频器400，其中，所述回波光束Rx为所述探测光束Tx1探测待测目标500后的回波信号；
[0042] 用于将所述探测模拟信号转换为探测模拟电信号的光电探测器800；
[0043] 用于将所述探测模拟电信号转换为探测数字信号的模数转换器600；
[0044] 以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标500之间距离数据的鉴频器件700。
[0045] 可以理解的，本申请实施例提供的技术方案，采用光学相控阵芯片能够控制激光光束的相位的特点，进而实现相位调制连续波对待测目标的探测。其中，由于光学相控阵芯片仅需要电信号实现全固态光束扫描，且光学相控阵芯片为芯片级的光束扫描器件而能够与雷达系统单片集成，进而使得固态激光雷达系统具有作用距离长、稳定性高、使用寿命长、易调频、体积小、成本低、驱动功耗低、结构简单等优点，解决了现有机械雷达系统存在的诸多问题。
[0046] 亦即，与传统的机械扫描相比OPA(Optical Phased Array，光学相控阵)芯片具有以下优势：首先，OPA芯片利用电信号实现全固态光束扫描与控制，其可靠性和寿命将大幅提升；其次，OPA芯片的光束扫描和校准可由自动化设备完成，其性能一致性、校准和装调速度将获得显著改善；最后，OPA是芯片级的光束扫描装置，具有体积小、成本极低、驱动功耗低等优势，为实现芯片式激光雷达绘制了美好的蓝图。
[0047] 在本申请一实施例中，本申请提供的所述预设相位为 其中，a和b均为常数，t为时间；
[0048] 以及，所述鉴频器件根据公式：
[0049] I＝IT+IR+ATARcos(2atτ+ωPhτ-aτ2+bτ)
[0050] 对所述探测数字信号进行鉴频而获取飞行时间τ，且根据所述飞行时间τ得到与所述待测目标之间距离数据，其中，I为所述鉴频器件根据所述探测数字信号鉴频得到的光强，IT为所述本振光束的光强，IR为所述回波光束的光强，AT为所述本振光束的振幅，AR为所述回波光束的振幅，ωPh为所述本振光束的光频，飞行时间τ为所述探测光束和所述回波光束的时间间隔。，其中，IT、IR、AT和AR均可以通过光电探测器测量得到
[0051] 下面对本申请实施例提供的技术方案涉及探测原理进行详细的说明，即，对本申请基于公式I＝IT+IR+ATARcos(2atτ+ωPhτ-aτ2+bτ)达到探测目的进行进一步说明，具体如下：
[0052] 其中，本振光束Tx2的光场ETx为：
[0053]
[0054] 以及，回波光束Rx的光场ERx为：
[0055] 其中，AT和AR均为常数， 为本振光束的预设相位，ωPh为所述本振光束的光频，t为时间，τ为所述探测光束和所述回波光束的总时间。
[0056] 将本振光束Tx2和回波光束Rx相干叠加后产生的新的光场E总为：
[0057]
[0058] 由于光强正比于光场的平方，进而将本振光束Tx2和回波光束Rx相干叠加后光强I为：
[0059]
[0060] 由于光强正比于光场的平方，可知： 及
[0061] 由此，得到将本振光束Tx2和回波光束Rx相干叠加后光强I为：
[0062]
[0063] 利用三角函数关系公式对光强I进行变形为：
[0064]
[0065] 由于 是一个频率极高的项，探测器件对此无法响应，故而可以被忽略，得到光强I为：
[0066]
[0067] 由于 故而 进而光强I进一步变形得到光强I为：
[0068] I＝IT+IR+ATARcos[ωPhτ+at2+bt-a(t-τ)2-b(t-τ)]
[0069] ＝IT+IR+ATARcos(ωPhτ+2atτ-aτ3+bτ)
[0070] 结合图2所示的探测模拟信号的波形图(需要说明的是，图2仅仅为便于说明的示意图)及光强I的公式可知，IT+IR为可探测的本振光束Tx2和回波光束Rx的光强之和为可探测参量；ATAR表现在波形图则为相关振幅；其中的(ωPhτ-aτ2+bτ)则是关于cos图像的相位；以及，公式中的2atτ中t即为波形图中横坐标时间，而2aτ表现在波形图中为整个图像的频率，故而，鉴频器件通过鉴频分析2aτ这一项即可来求出飞行时间τ。
[0071] 最后，通过公式c*τ/2即可获取固态激光雷达系统与待测目标之间距离数据，其中，c为光速。
[0072] 在本申请上述任意一实施例中，本申请提供的所述光学相控阵芯片为基于单晶硅的光学相控阵芯片。
[0073] 可以理解的，本申请实施例提供的基于单晶硅的光学相控阵芯片，采用硅材料制作的光学相控阵芯片具有体积小、易调控、损耗低、成本低等优点。对此，本申请不作具体限制，在本申请其他实施例中，还可以为液晶、压电陶瓷等相应的光学相控阵芯片。
[0074] 在本申请上述任意一实施例中，本申请提供的所述光学相控阵芯片通过控制所述激光光束在其波导中传输的光程实现相位的调节。
[0075] 可以理解的，本申请实施例提供的光学相控阵芯片，通过其端面或光栅将激光光束耦合至其内波导(如硅波导)中，进而通过控制激光光束在波导中传输光程来实现对激光光束相位的控制。对此，本申请不作具体限制，在本申请其他实施例中，还可以为反射或折射来调节激光光束相位。
[0076] 在本申请上述任意一实施例中，本申请提供的所述光学相控阵芯片通过热光效应或电光效应实现所述激光光束的相位调节。
[0077] 可以理解的，本申请实施例提供的光学相控阵芯片采用热光效应实现相位调节时，通过对其内波导进行加电，使其加热来改变在其中传输的激光光束的相位。同样本申请对此不作具体限制，在本申请其他实施例中，还可以采用其他方式如电光效应等对激光光束相位进行调节。
[0078] 参考图3所示，为本申请实施例提供的另一种固态激光雷达系统的结构示意图，其中，本申请实施例提供的所述驱动器件300包括乘法器310和直流偏转电路320，其中，所述乘法器310用于控制所述光学相控阵芯片200输出的探测光束Tx1及本振光束Tx2为预设相位；
[0079] 以及，所述直流偏转电路320控制所述光学相控阵芯片200输出的探测光束Tx1为预设扫描方向。
[0080] 可以理解的，本申请实施例提供的驱动器件，其乘法器输出使光学相控阵芯片输出扫描光束相位为 的信号，进而来控制光学相控阵芯片对接收的激光光束进行相位调节；以及，直流偏转电路输出直流偏转信号至光学相控阵芯片，以控制光学相控阵芯片输出的探测光束扫描方向朝向待测目标。可选的，本申请实施例提供的探测光束可以占扫描光束的90％，及本振光束的占扫描光束的10％，对此本申请不作具体限制。其中，探测光束和本振光束可以由光学相控阵芯片进行分束，还可以在扫描光束输出后通过分束器进行分束，对此本申请不作具体限制。
[0081] 在本申请一实施例中，本申请提供的所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号分别对所述光学相控阵芯片进行控制。如图3所示，本申请实施例提供的乘法器310与直流偏转电路320分别与光学相控阵芯片200相连进行各自控制。
[0082] 此外，本申请实施例提供的所述乘法器和所述直流偏转电路各自输出信号还可以合并后对所述光学相控阵芯片进行控制。参考图4所示，为本申请实施例提供的又一种固态激光雷达系统的结构示意图，其中，本申请实施例提供的乘法器310与直流偏转电路320的输出端相连，进而通过信号合并后对光学相控阵芯片200进行控制。
[0083] 本申请实施例提供了一种固态激光雷达系统，包括：产生激光光束的激光器；接收所述激光光束且输出扫描光束的光学相控阵芯片，其中，所述扫描光束包括探测光束及本振光束；用于控制所述光学相控阵芯片输出预设相位的探测光束及本振光束、且控制所述光学相控阵芯片输出预设扫描方向的探测光束的驱动器件；接收回波光束及所述本振光束并混频为探测模拟信号的混频器，其中，所述回波光束为所述探测光束探测待测目标后的回波信号；用于将所述探测模拟信号转换为探测模拟电信号的光电探测器；用于将所述探测模拟电信号转换为探测数字信号的模数转换器；以及，用于对所述探测数字信号进行鉴频而获取与所述待测目标之间距离数据的鉴频器件。
[0084] 由上述内容可知，本申请实施例提供的技术方案，采用光学相控阵芯片能够控制激光光束的相位的特点，进而实现相位调制连续波对待测目标的探测。其中，由于光学相控阵芯片仅需要电信号实现全固态光束扫描，且光学相控阵芯片为芯片级的光束扫描器件而能够与雷达系统单片集成，进而使得固态激光雷达系统具有作用距离长、稳定性高、使用寿命长、易调频、体积小、成本低、驱动功耗低、结构简单等优点，解决了现有机械雷达系统存在的诸多问题。
[0085] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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