一种基于Blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置和方法与流程

一种基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置和方法
技术领域
1.本发明设计雷达探测及成像领域，本发明面向快速情景扫描激光雷达的需求，提出了一种基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置和方法。


背景技术：

2.随着自动驾驶、桥梁防撞、空间交会对接等技术的飞速发展，进一步提升雷达的测距能力以及成像精度和速度是重要趋势。而传统的微波成像雷达存在系统体积较大、天线波束角度宽、成像时间较长等问题，在未来越加复杂的应用环境中会更加受限。而具备快速测距、高分辨成像能力的激光雷达就成为这一应用场景的绝佳之选。
3.现有的激光雷达测距技术主要是单波束扫描测距，通过分别调整光波的相位和光波的波长来实现两个维度的扫描。虽然通过外部电路进行控制也可实现快速扫描成像，但是随着环境的复杂变化，对雷达测距和扫描成像的速度提出了新的要求。对此，多波束同时扫描的激光雷达就逐渐成为最新的发展趋势。最近有研究提出了一种基于butler矩阵的激光雷达多波束快速扫描的方法，但是在上述方案中由于butler矩阵只能满足固定扫描角度的限制，该系统为实现一定范围内的角度扫描不得不在butler矩阵后再加一级移相器，这无疑也更增加了系统的复杂程度。
4.综上，现有的激光雷达存在测距、成像扫描速度慢、扫描角度有限等问题。


技术实现要素：

5.为克服现有激光雷达测距、成像的方法的上述不足，本发明公开了一种基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置和方法。
6.本发明的技术方案为：一种基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置，包括：可调谐激光源阵列单元、多波束形成单元、光相控阵天线单元、信号接收处理单元、激光器控制单元；其中，
7.所述可调谐激光源阵列单元，包括多个可调谐激光器，用于产生多个波长相同且可同时调谐、相位互不相干的连续光波信号os1，os2，...，os
m
，可调谐激光器的个数与预设同时扫描的激光波束指向的数量m相等；
8.所述多波束形成单元：用于对激光源阵列产生的m路不相干光信号分别进行幅度和相位的整形，根据每一路光信号所对应的预设的激光光束指向来调整传播到光天线阵列中n个天线子单元的信号功率以及相邻天线子单元之间的相位差值，最终实现对m路不相干的光信号分别分束和整形，并输送到光相控阵天线单元；
9.所述光相控阵天线单元：将由多波束形成单元输出的多个具有固定相位差的光信号发射出去，形成与固定相位差值对应方向的波束，并且对由目标反射回的光波信号进行接收后送到后续的信号处理单元；此外，通过对每一个光天线单元发射端口增加衍射光栅，使得输出的激光光束在另一个维度上进行扫描；
10.信号接收处理单元：用于对目标反射回的光信号进行分光束指向接收，并与该指向所对应的光源信号进行合束后送入光电探测器进行光电转换，之后经过低速的采样转变到数字域进行后续的信号处理；
11.激光器控制单元：用于控制激光器的泵浦电流，从而根据扫描角度需求来调整激光器输出光的波长；也用于控制多波束形成单元中每路输出的光信号的功率和相位，以实现对应光束指向所需的功率和相邻天线子单元之间的相位差，从而实现多个不同波束指向的同时扫描。
12.进一步的，所述可调谐激光源阵列单元，包含m个可调谐激光器，用于产生m个不相干的具有相同波长的光信号。
13.进一步的，所述多波束形成单元，包含m
×
n个mzi结构，每个mzi结构用于控制每路输送到光天线的信号的功率；每个mzi结构包括两个3
‑
db的耦合器和1个移相器，第一个3
‑
db耦合器的一端输出通过移相器与第二个3
‑
db耦合器的一个输入端连接；第一个3
‑
db耦合器的另一端输出直接连接到第二个3
‑
db耦合器的另一个输入端。
14.进一步的，所述多波束形成单元包括2
×
m
×
n个移相器，包括干路上的m
×
n个移相器和m
×
n个mzi结构中上支路里的移相器，干路上的移相器用于控制不同光束指向对应的光信号所需的相位差，mzi结构上支路的移相器用于每路输送到光天线的信号的功率；
15.进一步的，所述光相控阵天线单元，包含：n个在前端刻成衍射光栅的光波导，用于作为光天线实现特定波束指向方位的光波信号的发射与接收；
16.进一步的，所述信号接收处理单元，包含：m个环形器，用于将接收到的光信号沿环形器的3端口输出到后续的处理设备中，避免与发射的光信号混叠；
[0017]2×
m个光耦合器，m个光耦合器用于对光源信号进行分束，另外m个光耦合器用于对光源信号和接收到的目标反射光信号进行合束；
[0018]
m个光电探测器(photodetector，pd)，用于对光源信号和接收到的目标反射光信号进行拍频。
[0019]
进一步的，所述数字采样和处理模块，用于对光电探测器输出的拍频信号进行数字采样，并对采样后的信号进行后续算法处理，得出所需的目标信息；
[0020]
进一步的，所述控制单元，包含：激光器温度控制模块，用于控制激光器温度，使得激光器能长时间稳定工作；
[0021]
激光器泵浦电流控制模块，用于控制激光器产生扫频信号，并可通过调节激光器的泵浦电流实现光波长的调节；
[0022]
移相器相移控制模块，用于控制不同光天线子单元的功率和相位差，实现光束的不同指向以及扫描的功能；
[0023]
根据本发明的另一个方面，还提出一种基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描方法，包含以下步骤：
[0024]
在可调谐激光源阵列单元中，通过利用激光器控制单元，m个激光源同时产生m路中心波长、扫频带宽、扫频周期完全相同但互不相干的扫频光，并经由环形器1到2端口送入到多波束形成单元；
[0025]
在多波束形成单元中，对于第i路的光信号，要经过i层mzi结构和移相器的共同作用，因此在对预设光束指向所对应的移相器的相移值进行计算时，应先从第一层进行计算，
在第一层的移相器可满足第一个波束指向所需的相移值后，保持第一层的移相器的相移值不变，再对第二层移相器的相移值进行调整，在计算时，要额外考虑多层mzi结构所引入的多径效应，例如，从激光器2发出的光要到达第二个光天线单元，可以有两条路径可以走，一条是mzi
2，1
→
mzi
1，1
→
mzi
1，2
，另一条路径为mzi
2，1
→
mzi
2，2
→
mzi
1，2
。这样，两条路径上光信号可能会经过不同的相移后在mzi
1，2
处实现相干叠加，最终合束成一路光信号在光天线单元2处辐射，以此类推。因此在对多个光束指向所对应的移相器相移值进行计算时，多径效应是必然存在的。在考虑多径效应的基础上，依次从第一层到第m层的移相器对应的相移值计算好后，再根据之前确定的载流子控制方案，将相移值反推到需要给移相器提供的电流值，从而可由控制单元进行控制，并最终实现预设的波束指向扫描；
[0026]
在光相控阵天线单元中，n个前端带有相同衍射光栅的光波导对m路已经进行过功率和相位调整后的光信号再进行垂直于光天线阵列平面的维度上光束指向的调整，由于对于特定的衍射光栅而言，光波经过光栅后衍射出的光束角度随着光波的波长的变化而改变，因此可以通过控制单元同时调整m个激光器的泵浦电流，从而同时改变m路光信号的中心波长，进而实现光束在垂直于光天线阵列平面的维度上进行扫描；
[0027]
在信号接收处理单元中，由光相控阵天线阵列接收到的光信号经过多波束形成单元后，来自不同波束指向的目标反射信号被分开成m路，经过环形器2到3端口输出后分别与相对应的初始光源信号耦合，被送入光电探测器进行光电转换，由于拍频产生信号的频率与对应波束指向方向的目标距离相关，因此可以对拍频信号进行采样、处理即可得出关于目标的相关信息。
[0028]
有益效果：
[0029]
(1)利用blass矩阵的结构优势，本发明基于blass矩阵架构，提出适配的光学拓扑结构，实现激光波束的快速二维扫描。blass矩阵原本主要应用于电学相控阵，实现微波波束的一维扫描。本发明聚焦激光光束的二维扫描，可实现同时发射或接收多个方向激光光束的信号，波束数目和天线的数量都可任意扩展，并且可以在很大的角度范围内实现任意波束角度的扫描，这将大大提升激光雷达的扫描速度，有助于快速对具体目标进行测距和扫描成像。
[0030]
(2)本方案还可以与压缩感知结合，若场景为稀疏状态，可以根据特定的场景需求来选择每个波束的指向，从而可实现在保证重要信息不丢失的前提下大大减少扫描时间，提升系统的性能。
[0031]
(3)装置的结构更加紧凑，有助于实现片上系统的集成，也有助于大规模的扩展。
附图说明
[0032]
图1为本发明基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置的结构示意图；
[0033]
图2为多波束形成单元中mzi的详细结构。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合图1及具体实施例对本发明进一步详细说明。
[0035]
本发明提出的基于blass矩阵的二维多波束激光雷达快速扫描装置，包括：可调谐
激光源阵列单元、多波束形成单元、光相控阵天线单元、信号接收处理单元、激光器控制单元；
[0036]
如图1所示，包含m个波长可调谐的可调谐激光器和激光器控制单元、m个环形器、m
×
n个mzi结构、2
×
m
×
n个移相器、n个具有相同衍射光栅的光天线单元、m个光电探测器、m个模数转换模块。
[0037]
参见图1，可调谐激光源阵列单元(图1中的i部分)：用于产生多个波长相同且可同时调谐、相位互不相干的连续光波信号os1，os2，...，os
m
。光源的个数与预设同时扫描的激光波束指向的数量m相等。
[0038]
多波束形成单元(图1中的ii部分)：用于对激光源阵列产生的m路不相干光信号分别进行幅度和相位的整形，根据每一路光信号所对应的预设的激光光束指向来调整传播到光天线阵列中n个天线子单元的信号功率以及相邻天线子单元之间的相位差值，最终实现对m路不相干的光信号分别分束和整形，并输送到光相控阵天线单元。
[0039]
光相控阵天线单元(图1中的iii部分)：将由多波束形成单元输出的多个具有固定相位差的光信号发射出去，形成与固定相位差值对应方向的波束，并且对由目标反射回的光波信号进行接收后送到后续的信号处理单元；此外，通过对每一个光天线单元发射端口增加衍射光栅，可以使得输出的激光光束在另一个维度上进行扫描。
[0040]
信号接收处理单元(图1中的iv部分)：用于对目标反射回的光信号进行分光束指向接收，并与该指向所对应的光源信号进行合束后送入光电探测器进行光电转换，之后经过低速的采样转变到数字域进行后续的信号处理。
[0041]
激光器控制单元(图1中的v部分)：用于控制激光器的泵浦电流，从而根据扫描角度需求来调整激光器输出光的波长；也用于控制多波束形成单元中每路输出的光信号的功率和相位，以实现对应光束指向所需的功率和相邻天线子单元之间的相位差，从而实现多个不同波束指向的同时扫描。
[0042]
所述可调谐激光源阵列单元，包含：
[0043]
m个可调谐激光器，用于产生m个不相干的具有相同波长的光信号；
[0044]
所述多波束形成单元，包含：
[0045]
m
×
n个mzi结构，每个mzi结构如图2所示，用于控制每路输送到光天线的信号的功率；
[0046]2×
m
×
n个移相器，包括图1中干路上的m
×
n个移相器和m
×
n个mzi结构中上支路里的移相器，干路上的移相器用于控制不同光束指向对应的光信号所需的相位差，mzi结构上支路的移相器用于每路输送到光天线的信号的功率；
[0047]
所述光相控阵天线单元，包含：
[0048]
n个在前端刻成衍射光栅的光波导，用于作为光天线实现特定波束指向方位的光波信号的发射与接收；
[0049]
所述信号接收处理单元，包含：
[0050]
m个环形器，用于将接收到的光信号沿环形器的3端口出到后续的处理设备中，避免与发射的光信号混叠；
[0051]2×
m个光耦合器，m个光耦合器用于对光源信号进行分束，另外m个光耦合器用于对光源信号和接收到的目标反射光信号进行合束；
[0052]
m个光电探测器(photodetector，pd)，用于对光源信号和接收到的目标反射光信号进行拍频；
[0053]
数字采样和处理模块，用于对光电探测器输出的拍频信号进行数字采样，并对采样后的信号进行后续算法处理，得出所需的目标信息；
[0054]
所述控制单元，包含：
[0055]
激光器温度控制模块，用于控制激光器温度，使得激光器能长时间稳定工作；
[0056]
激光器泵浦电流控制模块，用于控制激光器产生扫频信号，并可通过调节激光器的泵浦电流实现光波长的调节；
[0057]
移相器相移控制模块，用于控制不同光天线子单元的功率和相位差，实现光束的不同指向以及扫描的功能；
[0058]
优选地，移相器的相移量控制选取载流子控制。移相器的相移量控制方案可分为温度控制、电流控制、应力控制三种，温度控制的调谐速度较慢，且容易引起热串扰，需要额外进行隔热处理；而应力控制需使用压电陶瓷材料，虽然该方案的调谐速度较快，但是压电陶瓷材料的价格偏高，并且在实际工作环境中更易损坏；相比较下，载流子控制的调谐速度和成本都更为合适。
[0059]
由于在多波束形成过程中各天线子单元的信号相位决定最终的波束指向，而信号幅值的影响很小，以下推导过程中忽略振幅，在激光器阵列模块中，通过对激光控制模块输入预失真后的电流信号，使得各激光器输出一个中心波长为λ0、调频率为γ的扫频光信号o1，从1端口进入环形器从2端口输出进入多波束形成单元，接下来来说明多波束形成的步骤：
[0060]
首先对图2中mzi结构进行说明：每个mzi结构包括两个3
‑
db的耦合器和1个移相器，第一个3
‑
db耦合器的一端输出通过移相器与第二个3
‑
db耦合器的一个输入端连接；第一个3
‑
db耦合器的另一端输出直接连接到第二个3
‑
db耦合器的另一个输入端；e_in1和e_in2为两路输入信号，e_out1和e_out2为两路输出信号，移相器的相移值设为φ，那么mzi结构的输入输出信号可由下式来表示：
[0061][0062]
其中，j为复数单元。为简化，我们令：
[0063][0064]
则(1)式可简化为：
[0065][0066]
在接下来的推导过程中，ein
m，n
和eout
m，n
分别表mzi
m，n
的输入与输出信号，而r
m，n
和k
m，n
则表示mzi
m，n
的耦合系数，ψ
m，n
表示与mzi
m，n
相对应位置处的移相器的相移值。
[0067]
相邻天线子单元之间的相位差与波束指向之间的关系式如下：
[0068][0069]
其中，d为相邻天线子单元之间的距离，θ为波束指向角，λ为光信号的中心波长。
[0070]
首先，对于第一路光信号，也就是第一个波束θ1，由于第一层不存在多径效应，可以按照公式(4)直接推算每个天线单元所需的相位，从而利用第一层移相器(ψ
1，1
，ψ
1，2
，...，ψ
1，n
)直接调整n路天线单元上的光信号的相位差；
[0071]
第二步，计算并调整第二个波束θ2所对应的各路天线子单元的相位。到达天线单元1的信号不存在多径效应，因此该处的信号可表示为：
[0072][0073]
e2是指第二个激光器发出的光束；而到天线单元2有两条路径，例如，从激光器2发出的光要到达第二个光天线单元，可以有两条路径可以走，一条是mzi
2，1
→
mzi
1，1
→
mzi
1，2
，另一条路径为mzi
2，1
→
mzi
2，2
→
mzi
1，2
。因此该处信号可表示为：
[0074][0075]
到天线单元3有3条路径，因此该处信号可表示为：
[0076][0077]
以此类推，就可以得到每一个波束指向的光到每一个天线子单元对应的信号表达式，从而可以控制移相器改变mzi输出的幅值和相位来实现预设的相邻天线子单元之间的相位差和的与之对应的波束指向，并且可通过不断改变移相器的相移值来改变每个波束的指向，进而实现与天线子单元平面平行方向上的扫描。由于每路激光器输出的光信号之间都是不相干的，从而到达天线子单元时不同波束指向的光信号之间也是不相干的，不会发生不同波束指向信号之间混叠的情况。
[0078]
而对于垂直于天线单元平面方向上的波束扫描，则是通过不同波长的光信号经过光天线波导端口处的衍射光栅后在不同的角度衍射出来实现。衍射光栅出来的光波衍射角σ可由下式表达：
[0079][0080]
其中，λ为光信号的中心波长，λ为光栅常数，n
eff
为光波导的有效折射率。由上式可见，可通过改变m个激光器的泵浦电流，移动光信号的中心波长，从而实现在垂直于光天线单元平面的维度上的扫描。
[0081]
由于光路可逆，光信号的接收过程可以与上述的信号发射过程相类比，相同的条件下，发射光信号的波束指向与接收光信号的增益指向完全一致，因此不同波束指向目标反射回的光信号经过相同参数的多波束形成单元后被重新分配，相同波束指向的信号又被分配到最初预设的发射端通道，即对应波束指向为θ
i
的反射的光信号经过多波束形成单元后又回到第i层的光路。
[0082]
接下来将举例说明后续的信号处理过程，由于各路光源之间的光信号是非相干的，相互之间不会发生混叠，因此从单一波束指向的光信号进行说明即可。光源发射出的光
信号可表示为：
[0083]
e
i
＝cos(2πft πγt2 ψ0)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0084]
其中，f为中心频率，γ为扫频的调频率，ψ0为初始相位，t为时间变量。
[0085]
目标反射后经过多波束形成单元重新组合分配后接收到的信号可表示为：
[0086]
e
i
＝cos[2πf(t
‑
τ0‑
τ) πγ(t
‑
τ0‑
τ)2 ψ
r
]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0087]
其中，τ0为从可调谐激光源单元到光天线阵列单元的延时，该项为固定值，可预先测出，τ为从天线到目标之间的延时，反映目标的相关位置信息，ψ
r
为接收信号的相位，一般与ψ0不同。
[0088]
通过耦合器将初始的光信号和目标反射回的光信号合束并送入光电探测器进行拍频，产生的拍频信号可表示为：
[0089]
e
pd
＝d.c. h.f. cos[2πγ(τ0 τ)t 2πf(τ0 τ)
‑
πγ(τ0 τ)2 ψ0‑
ψ
r
]
ꢀꢀꢀ
(10)
[0090]
其中，d.c.为直流分量，h.f.为高频分量，后续可由带通滤波器进行滤除，而拍频信号的频率是关于与目标距离相关的延时量的函数，可根据信号的频率反推出目标的距离s：
[0091][0092]
其中，f
pd
为拍频信号的频率，c为电磁波传播速度。
[0093]
由此可见，可以从拍频信号的频率信息中提取对应波束方向上目标的距离信息，通过在两个维度进行波束扫描，即可获取目标的整体信息。
[0094]
综上，本发明利用blass矩阵的结构优势，可实现同时发射或接收多个方向激光光束的信号，波束数目和天线的数量都可任意扩展，并且可以在很大的角度范围内实现任意波束角度的扫描，这将大大提升激光雷达的扫描速度，有助于快速对具体目标进行测距和扫描成像。
[0095]
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。