一种基于离散可调光栅的激光雷达正交收发系统的制作方法

1.本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种基于离散可调光栅的激光雷达正交收发系统。


背景技术：

2.激光雷达技术广泛应用于地里勘探、考古和自动驾驶等领域。
3.目前激光雷达扫描技术可以大致分为机械扫描和固态扫描两大类。传统的机械扫描成本较高且不利于量产；现有的激光雷达固态二维扫描需要一个n
×
n的相移器阵列，并且随着测量精度和区域的提升，相移器的数量会显著增加，会引起制造和信号配置上的困难。
4.虽然使用正交收发的激光雷达系统可以将原有激光雷达固态二维扫描需要的n
×
n的相移器阵列减少为2n个，但是通过一般片上相控阵的方式来进行扫描，会由于波导间距过大而产生栅瓣；虽然可以通过宽体表面光栅的方式解决这一扫描问题，但是获得的条形辐射图并不是十分均匀，辐射宽度也比较有限，且不能进行并行的接收。
5.那么，如何提供一种新型的激光雷达正交收发系统，来克服现有技术中存在的问题是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于离散可调光栅的激光雷达正交收发系统，技术方案如下：一种基于离散可调光栅的激光雷达正交收发系统，所述激光雷达正交收发阵列包括：发射单元和接收单元；其中，所述发射单元沿第一方向以特定远场辐射图发射光波信号，并沿第二方向进行扫描；所述接收单元沿所述第二方向接收所述发射单元发射并被待测物体反射的光探测信号，且沿所述第一方向进行扫描；所述第一方向与所述第二方向垂直；其中，所述发射单元和/或所述接收单元包括由多个表面光栅构成的表面光栅阵列。
7.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，每个所述表面光栅为固定波导型表面光栅，实现固定角度；所述表面光栅阵列中，每个所述表面光栅实现不同的固定角度。
8.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，在第三方向上依次排布的第一表面光栅部分和第二表面光栅部分；在第四方向上，所述第一表面光栅部分的宽度小于所述第二表面光栅部分的宽度。
9.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述发射单元和所述接收单元均包括
表面光栅阵列；其中，所述发射单元还包括：激光器以及光开关；其中，所述激光器用于出射激光；所述光开关用于控制所述激光入射至所述发射单元中表面光栅阵列的光路；其中，所述接收单元还包括：光电探测器阵列；所述光电探测器阵列用于接收通过所述接收单元中表面光栅阵列的光探测信号。
10.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述接收单元包括表面光栅阵列；其中，所述发射单元包括：激光器、分束器、以及具有波导阵列的宽体表面光栅，所述波导阵列具有多根输入波导；所述宽体表面光栅还包括：沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分以及第二光栅部分；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分的厚度小于所述第二光栅部分的厚度；所述激光器用于出射激光；所述分束器用于将所述激光器出射的激光进行分束处理；分束处理后的激光通过所述波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；所述相移器用于控制所述输入波导中的光场相位，以改变所述宽体表面光栅发射的水平转角进行扫描；其中，所述接收单元还包括：光电探测器阵列；所述光电探测器阵列用于接收通过所述接收单元中表面光栅阵列的光探测信号。
11.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述发射单元包括表面光栅阵列；其中，所述发射单元还包括：激光器以及光开关；其中，所述激光器用于出射激光；所述光开关用于控制所述激光入射至所述发射单元中表面光栅阵列的光路；其中，所述接收单元包括：光电探测器、合束器、以及具有波导阵列的宽体表面光栅，所述波导阵列具有多根输入波导；部分或全部所述输入波导上设置有相移器；所述光探测信号依次通过所述宽体表面光栅、所述波导阵列入射至所述合束器；所述合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述光电探测器接收；其中，所述宽体表面光栅还包括：沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分以及第二光栅部分；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分的厚度小于所述第二光栅部分的厚度。
12.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述光开关由多个马赫曾德尔干涉仪级联而成。
13.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述接收单元和所述发射单元集成设置在同一芯片上。
14.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述接收单元和所述发射单元共用同一所述表面光栅阵列。
15.优选的，在上述激光雷达正交收发系统中，所述激光器为通过电开关控制的激光器阵列。
16.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种激光雷达正交收发系统包括：发射单元和接收单元；其中，所述发射单元沿第一方向以特定远场辐射图发射光波信号，并沿第二方向进行扫描；所述接收单元沿所述第二方向接收所述发射单元发射并被待测物体反射的光探测信号，且沿所述第一方向进行扫描；所述第一方向与所述第二方向垂直；其中，所述发射单元和/或所述接收单元包括由多个表面光栅构成的表面光栅阵列。该激光雷达正交收发系统基于正交收发原理，可极大程度的缩减所需的相移器数量，降低生产成本，也有利于集成度的提高，且可以降低激光雷达正交收发阵列的控制难度；且采用表面光栅阵列可优化激光雷达正交收发系统的条形辐射图，也能进行并行的接收，采用离散可调光栅的表面光栅阵列，取代了连续可调相控阵光栅，从而让其结构简单。
附图说明
17.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。
18.图1为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的基础原理示意图；图2为本发明实施例提供的一种假设点亮的x线和点亮的y线增益均为20db时理想的探测增益模式对数图；图3为本发明实施例提供的一种表面光栅阵列中单个表面光栅的结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的结构示意图；图5为本发明实施例提供的一种发射端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图；图6为本发明实施例提供的一种接收端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图；图7为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统发出的远场示意图；图8为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的另一视角远场示意图；图9为本发明实施例提供的一种接收端某一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图；图10为本发明实施例提供的一种接收端另一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图；图11为本发明实施例提供的一种接收端又一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图；图12为本发明实施例提供的另一种激光雷达正交收发系统的结构示意图；图13为本发明实施例提供的另一种发射端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图；图14为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；图15为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的截面结构示意图；图16为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图；图17为本发明实施例提供的另一种接收端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图；图18为本发明实施例提供的一种光开关的结构示意图；
图19为本发明实施例提供的一种光栅周期和出射角度的关系示意图；图20为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图；图21为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图；图22为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
具体实施方式
19.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。
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.参考图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的基础原理示意图。
22.所述激光雷达正交收发阵列包括：发射单元和接收单元；其中，所述发射单元沿第一方向x以特定远场辐射图发射光波信号，并沿第二方向y进行扫描；所述接收单元沿所述第二方向y接收所述发射单元发射并被待测物体反射的光探测信号，且沿所述第一方向x进行扫描；所述第一方向x与所述第二方向y垂直；其中，所述发射单元和/或所述接收单元包括由多个表面光栅构成的表面光栅阵列。
23.在该实施例中，用第一方向x和第二方向y表示两个相互正交的方向，发射单元位于发射端，接收单元位于接收端，发射单元和接收单元分别在第一方向x和第二方向y的天线发射和接收信号。
24.激光通过发射天线，沿着第一方向x发射，其发射端的辐射图覆盖某一条x线，在此点亮的x线上的物体都可以被探测到，光探测信号被反射回激光雷达正交收发阵列。
25.接收端不同配置的辐射图覆盖不同的y线，不同的y坐标方向发射回的光探测信号被不同配置的接收天线接收，对接收端的配置进行扫描，由此可以确定被探测物体的y坐标，结合发射端发射天线的配置，可以获得被探测物体的二维位置信息。
26.之后，变换发射端出射的x线，采用同样操作接收信号，就可以实现对整个区域的扫描。
27.参考图2，图2为本发明实施例提供的一种假设点亮的x线和点亮的y线增益均为20db时理想的探测增益模式对数图。
28.如图2所示，相交处获得对比不在点亮的x线和y线上区域40db的增益，对比在点亮x线，y线上其它区域也有20db的增益；且通过这种正交收发方式，可将原先需要n
×
n的相移器阵列缩减为只需要2n个相移器。
29.也就是说，该激光雷达正交收发系统基于正交收发原理，可极大程度的缩减所需的相移器数量，降低生产成本，也有利于集成度的提高，且可以降低激光雷达正交收发阵列的控制难度；且采用表面光栅阵列可优化激光雷达正交收发系统的条形辐射图，也能进行
并行的接收，采用离散可调光栅的表面光栅阵列，取代了连续可调相控阵光栅，从而让其结构简单。
30.可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种表面光栅阵列中单个表面光栅的结构示意图。
31.所述表面光栅包括：在第三方向上依次排布的第一表面光栅部分11和第二表面光栅部分12；在第四方向上，所述第一表面光栅部分11的宽度小于所述第二表面光栅部分12的宽度；所述第三方向与第四方向垂直。
32.可选的，在所述第四方向上，所述第一表面光栅部分11的宽度为0.45um；所述第二表面光栅部分12的宽度为0.75um；且第一表面光栅部分11位于所述第二表面光栅部分12的中间区域。
33.在该实施例中，采用soi结构的表面光栅阵列，采用侧边凸出结构是考虑到普通向下刻蚀70nm的表面光栅阵列沿光栅中光传播方向的出射率较大，使得光栅发射的有效距离较短，会造成在传播方向上的辐射远场半高宽较宽，分辨率较低。
34.在本发明实施例中采用如图3所示的侧边凸出结构的表面光栅，可以通过控制侧边凸出距离以控制沿传播方向的出射率，以此获得较高的分辨率，且工艺也易于实现。
35.可选的，如图3所示，在所述第三方向上，所述第一表面光栅部分11的长度与所述第二表面光栅部分12的长度相同。
36.可选的，在所述第三方向上，所述第一表面光栅部分11的长度为0.6um；所述第二表面光栅部分12的长度为0.6um。
37.可选的，在所述第三方向上，所述表面光栅的总长度为40um。
38.可选的，每个所述表面光栅为固定波导型表面光栅，实现固定角度；所述表面光栅阵列中，每个所述表面光栅实现不同的固定角度。
39.通过选择光从哪个波导入射实现发射扫描。
40.可选的，在本发明另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
41.所述发射单元和所述接收单元均包括表面光栅阵列；其中，所述发射单元还包括：激光器以及光开关；其中，所述激光器用于出射激光；所述光开关用于控制所述激光入射至所述发射单元中表面光栅阵列的光路；其中，所述接收单元还包括：光电探测器阵列；所述光电探测器阵列用于接收通过所述接收单元中表面光栅阵列的光探测信号。
42.在该实施例中，所述发射单元和所述接收单元垂直放置，发射单元向外发出的探测光被待探测物体反射后，部分光被接收单元所接收，接收单元中光电探测器阵列将接收到的光信号转换为电信号进行分析处理。
43.参考图5，图5为本发明实施例提供的一种发射端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图。
44.参考图6，图6为本发明实施例提供的一种接收端的辐射图以及扫描时的变化方式
示意图。
45.其中，发射单元位于发射端，接收单元位于接收端，发射单元每次将光开关调节到激光只进入表面光栅阵列中的一个光栅，点亮一条x线；接收单元为并行接收，同时接收各个角度的信号，每个光栅对一个一个y坐标，被光电探测器阵列探测到之后可以确定被探测物体的空间二维坐标，再根据飞行时间或者连续波调制得到被探测物体的径向坐标和速度信息。
46.之后再控制光开关使激光进入表面光栅阵列中的下一个光栅，点亮下一条x线，重复这一过程直到扫描完所有接收单元中的光栅，最终实现整个探测区域的探测。
47.需要说明的是，在本发明实施例中，接收单元中利用多个光电探测器组成的光电探测器阵列进行并行探测，可提高探测速度。
48.参考图7，图7为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统发出的远场示意图；参考图8，图8为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发系统的另一视角远场示意图；参考图9，图9为本发明实施例提供的一种接收端某一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图；参考图10，图10为本发明实施例提供的一种接收端另一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图；参考图11，图11为本发明实施例提供的一种接收端又一光栅对图7和图8对应的发射端出射远场辐射的接收增益对数图。
49.其中，最亮点（即交点）为发射端远场辐射图和接收端远场辐射图的交点，比其他区域增益至少高20db，图中的其它次亮点是光栅的高阶衍射造成的，但是增益都比最亮点至少低20db。
50.需要说明的是，在实际应用中可以利用高阶衍射的大角度特性将其过滤掉，以进一步减小噪声。
51.可选的，在本发明另一实施例中，参考图12，图12为本发明实施例提供的另一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
52.所述接收单元包括表面光栅阵列；其中，所述发射单元包括：激光器、分束器、以及具有波导阵列的宽体表面光栅，所述波导阵列具有多根输入波导；所述激光器用于出射激光；所述分束器用于将所述激光器出射的激光进行分束处理；分束处理后的激光通过所述波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；所述相移器用于控制所述输入波导中的光场相位，以改变所述宽体表面光栅发射的水平转角进行扫描；其中，所述接收单元还包括：光电探测器阵列；所述光电探测器阵列用于接收通过所述接收单元中表面光栅阵列的光探测信号。
53.在该实施例中，假设激光器发出的激光被分束器分为n路，分别输入至n根输入波导内，经由n
‑
1个相移器对输入波导中的光场相位进行调制，最终通过所述宽体表面光栅发射进行出射扫描。
54.参考图13，图13为本发明实施例提供的另一种发射端的辐射图以及扫描时的变化
方式示意图。
55.如图13所示，发射单元位于发射端，发射单元的扫描通过控制n
‑
1个相移器之间构成不同的线性相位关系来进行不同角度的扫描。
56.接收单元为并行接收，同时接收各个角度的信号，被光电探测器阵列探测到之后可以确定被探测物体的空间二维坐标，再根据飞行时间或者连续波调制得到被探测物体的径向坐标和速度信息，之后再对发射单元继续进行扫描，最终实现整个探测区域的探测。
57.其中，参考图14，图14为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的俯视结构示意图；参考图15，图15为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的截面结构示意图。
58.所述宽体表面光栅还包括：沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分21以及第二光栅部分22；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分21的厚度小于所述第二光栅部分22的厚度。
59.如图14以及图15所示，在所述输入波导方向上，所述宽体表面光栅的长度为40um。
60.在垂直与所述输入波导的方向上，所述宽体表面光栅的宽度为10um。
61.在所述输入波导方向上，相邻所述第一光栅部分和所述第二光栅部分的总长度为0.8um。
62.在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分的厚度为220nm。
63.在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第二光栅部分与所述第一光栅部分的厚度差为70nm。
64.在所述输入波导方向上，所述第二光栅部分的长度为0.4um。
65.该宽体表面光栅在消除串扰的同时还可以控制辐射图的出射方向，同时通过改变宽体表面光栅的周期，还可以产生不同的辐射图样。
66.可选的，所述宽体表面光栅具有多个周期；每个周期各不相同。
67.也就是说，每个独立的宽体表面光栅在具有多个周期时，各个周期各不相同，例如，其中一个周期长度是0.8um，另一个周期长度可以是0.4um或1.8um等。
68.可选的，在宽体表面光栅的周期和/或占空比（第二光栅部分22的占空比）随着光场传播方向的改变，可以实现条形分布的远场辐射图。
69.需要说明的是，采用该宽体表面光栅可以在不产生栅瓣的情况下增大了输入波导间距，消除了输入波导串扰的问题；并且用单个宽体表面光栅取代了传统的光栅阵列，消除了因光栅和光栅之间差异性引起的误差；以及通过控制宽体表面光栅的周期可以实现不同的辐射图。
70.可选的，在本发明另一实施例中，参考图16，图16为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
71.所述发射单元包括表面光栅阵列；其中，所述发射单元还包括：激光器以及光开关；其中，所述激光器用于出射激光；所述光开关用于控制所述激光入射至所述发射单元中表面光栅阵列的光路；
其中，所述接收单元包括：光电探测器、合束器、以及具有波导阵列的宽体表面光栅，所述波导阵列具有多根输入波导；部分或全部所述输入波导上设置有相移器；所述光探测信号依次通过所述宽体表面光栅、所述波导阵列入射至所述合束器；所述合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述光电探测器接收；其中，如图14和图15所示，所述宽体表面光栅还包括：沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分21以及第二光栅部分22；在垂直于所述宽体表面光栅所在平面的方向上，所述第一光栅部分21的厚度小于所述第二光栅部分22的厚度。
72.在该实施例中，参考图17，图17为本发明实施例提供的另一种接收端的辐射图以及扫描时的变化方式示意图；发射单元位于发射端，接收单元位于接收端，发射单元每次将光开关调节到激光只进入表面光栅阵列中的一个光栅，点亮一条x线；接收单元控制相移器接收不同角度的信号，由合束器合束之后通过光电探测器接收完成一个周期的扫描。
73.之后再控制光开关使激光进入表面光栅阵列中的下一个光栅，点亮下一条x线，重复这一过程直到扫描完所有接收单元中的光栅，最终实现整个探测区域的探测。
74.可选的，在本发明另一实施例中，参考图18，图18为本发明实施例提供的一种光开关的结构示意图。
75.所述光开关由多个马赫曾德尔干涉仪级联而成。
76.在该实施例中，由于不同的光栅周期决定不同的出射角度，参考图19，图19为本发明实施例提供的一种光栅周期和出射角度的关系示意图；在本发明实施例中接收单元中的表面光栅阵列由多个不同光栅周期的光栅构成。
77.可选的，在本发明另一实施例中，参考图20，图20为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
78.所述接收单元和所述发射单元集成设置在同一芯片上。
79.在该实施例中，如图20所示，在所述接收单元和所述发射单元集成设置在同一芯片上之后，采用交错布局的方式进行排布，可降低由于发射单元和接收单元不在同一位置造成的探测误差。
80.可选的，在本发明另一实施例中，参考图21，图21为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
81.所述接收单元和所述发射单元共用同一所述表面光栅阵列。
82.在该实施例中，所述接收单元和所述发射单元共用同一所述表面光栅阵列，即所述激光雷达正交收发系统为收发一体的激光雷达正交收发系统，发射端可以作为接收端，接收端也可以作为发射端，在降低结构复杂度的情况下，使用也更加灵活，即用单一器件同时实现发射和接收，从而降低成本。
83.可选的，在本发明另一实施例中，参考图22，图22为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发系统的结构示意图。
84.所述激光器为激光器阵列。
85.该激光器阵列可以为通过电开关控制的激光器阵列。
86.在该实施例中，如图22所示，在采用激光器阵列作为激光源时，可省略掉光开关，并且也可以进一步提高激光雷达正交收发系统的集成度。
87.通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种基于离散可调光栅的激光雷达正交
收发系统，使用光开关和独光栅发射的结构，可避免栅瓣的产生；并且利用光开关和接收端可并行接收的结构特性可进一步减少相移器的数量，以此减小控制难度和制作难度；进一步的该激光雷达正交收发系统采用表面光栅阵列使其产生的条形辐射图更加均匀，覆盖角度更大。
88.以上对本发明所提供的一种基于离散可调光栅的激光雷达正交收发系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
89.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
90.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
91.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。