一种激光雷达正交收发阵列的制作方法

1.本发明涉及激光雷达技术领域，更具体地说，涉及一种激光雷达正交收发阵列。


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.那么，如何提供一种新型的激光雷达扫描技术，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：

5.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种激光雷达正交收发阵列，技术方案如下：
6.一种激光雷达正交收发阵列，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；
7.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；
8.所述第一方向与所述第二方向垂直。
9.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述发射单元包括：第一激光器、第一分束器、以及具有第一波导阵列的宽体表面光栅，所述第一波导阵列具有多根输入波导；
10.所述第一激光器用于出射激光；
11.所述第一分束器用于将所述第一激光器出射的激光进行分束处理；
12.分束处理后的激光通过所述第一波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；
13.其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；
14.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。
15.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述发射单元还包括：第一平面凹柱状棱镜；
16.所述第一平面凹柱状棱镜用于扩宽所述发射单元的扫描视角。
17.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述发射单元还包括：第二激光器、第二分束器、以及具有第二波导阵列的宽体表面光栅，所述第二波导阵列具有多根输入波导；
18.其中，所述第二激光器用于出射激光；
19.所述第二分束器用于将所述第二激光器出射的激光进行分束处理；
20.分束处理后的激光通过所述第二波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；
21.其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；
22.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；
23.其中，所述第一激光器出射的激光和所述第二激光器出射的激光，从相反的两个方向入射至所述宽体表面光栅。
24.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述接收单元包括：第一光电探测器、第一合束器、以及具有第三波导阵列的宽体表面光栅，所述第三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；
25.所述光探测信号依次通过所述宽体表面光栅、所述第三波导阵列入射至所述第一合束器；
26.所述第一合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述第一光电探测器接收。
27.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述接收单元还包括：第二平面凹柱状棱镜；
28.所述第二平面凹柱状棱镜用于扩宽所述接收单元的扫描视角。
29.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述接收单元还包括：第二光电探测器、第二合束器、以及具有第四波导阵列的宽体表面光栅，所述第四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；
30.所述光探测信号依次通过所述宽体表面光栅、所述第四波导阵列入射至所述第二合束器；
31.所述第二合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述第二光电探测器接收；
32.其中，所述第一光电探测器接收的光探测信号和所述第二光电探测器接收的光探测信号的光传播方向相对。
33.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，其特征在于，所述宽体表面光栅还包括：
34.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；
35.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。
36.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述宽体表面光栅具有多个周期。
37.优选的，在上述激光雷达正交收发阵列中，所述发射单元和所述接收单元集成设置在同一芯片上。
38.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
39.本发明提供的一种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。该激光雷达正交收发阵列基于正交收发原理，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。
附图说明
40.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。
41.图1为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列的基础原理示意图；
42.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；
43.图3为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列中发射单元的基础结构示意图；
44.图4为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列的基础结构示意图；
45.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；
46.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；
47.图7为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列中发射单元的另一基础结构示意图；
48.图8为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列中接收单元的另一基础结构示意图；
49.图9为本发明实施例提供的一种平面凹柱状棱镜的结构参数示意图；
50.图10为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列中发射单元的又一基础结构示意图；
51.图11为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发阵列的基础结构示意图；
52.图12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；
53.图13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；
54.图14为本发明实施例提供的一种可行的周期变化的宽体表面光栅的周期随周期数变化的曲线示意图；
55.图15为本发明实施例提供的一种可行的第二光栅部分占空比变化的曲线示意图；
56.图16为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的远场功率的对数示意图。
具体实施方式
57.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。
58.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。
59.参考图1，图1为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列的基础原理示意图。
60.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；
61.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；
62.所述第一方向x与所述第二方向y垂直。
63.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。
64.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。
65.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。
66.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。
67.参考图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。
68.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。
69.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激光雷达正交收发阵列中发射单元的基础结构示意图。
70.所述发射单元包括：第一激光器、第一分束器、以及具有第一波导阵列的宽体表面光栅，所述第一波导阵列具有多根输入波导；
71.所述第一激光器用于出射激光；
72.所述第一分束器用于将所述第一激光器出射的激光进行分束处理；
73.分束处理后的激光通过所述第一波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；
74.其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；
75.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。
76.在该实施例中，假设第一激光器发出的激光被第一分束器分为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。
77.参考图4，图4为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列的基础结构示意图。
78.所述接收单元包括：第一光电探测器、第一合束器、以及具有第三波导阵列的宽体表面光栅，所述第三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；
79.所述光探测信号依次通过所述宽体表面光栅、所述第三波导阵列入射至所述第一
合束器；
80.所述第一合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述第一光电探测器接收。
81.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，部分光被同样由n
‑
1个相移器、n根输入波导和宽体表面光栅构成的光相控阵接收单元所接收，之后n路光探测信号通过第一合束器被第一光电探测器接收处理。
82.参考图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。
83.如图5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。
84.参考图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。
85.如图6所示，接收单元位于接收端，接收单元的扫描也是通过控制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。
86.对于发射单元的每一个扫描配置，接收单元需要进行一个周期的扫描，在得到被探测物体的二维位置信息，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。
87.可选的，在本发明另一实施例中，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阵列中发射单元的另一基础结构示意图。
88.所述发射单元还包括：第一平面凹柱状棱镜；
89.所述第一平面凹柱状棱镜用于扩宽所述发射单元的扫描视角。
90.在该实施例中，采用平面凹柱状棱镜扩宽发射单元垂直于扫描维度的线长，从而扩宽接收单元扫描维度的扫描视角。
91.基于图1而言，即为扩宽发射单元沿第一方向x的辐射图的线长，以扩宽了接收单元可以扫描的扫描视角，以扩大扫描范围。
92.可选的，在本发明另一实施例中，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阵列中接收单元的另一基础结构示意图。
93.所述接收单元还包括：第二平面凹柱状棱镜；
94.所述第二平面凹柱状棱镜用于扩宽所述接收单元的扫描视角。
95.在该实施例中，采用平面凹柱状棱镜扩宽接收单元垂直于扫描维度的线长，从而扩宽发射单元扫描维度的扫描视角。
96.基于图1而言，即为扩宽接收单元沿第一方向y的辐射图的线长，以扩宽了发射单元可以扫描的扫描视角，以扩大扫描范围。
97.可选的，参考图9，图9为本发明实施例提供的一种平面凹柱状棱镜的结构参数示意图。
98.该平面凹柱状棱镜的凹面与底面之间的间距为2cm，底面宽度为1.1cm，凹面半径r＝1.25cm。
99.基于该结构参数的平面凹柱状棱镜可以将
±
20
°
的输入线长扩宽为
±
53.8
°
的线
长输出。
100.需要说明的是，所述发射单元和所述接收单元可以位于集成在不同的芯片上，为了提高集成度，也可以将所述发射单元和所述接收单元集成设置在同一芯片上。
101.当发射单元和接收单元集成设置在同一芯片上时，仅仅只需要一块平面凹柱状棱镜即可。
102.可选的，在本发明另一实施例中，参考图10，图10为本发明实施例提供的一种激光雷达正交收发阵列中发射单元的又一基础结构示意图。
103.所述发射单元还包括：第二激光器、第二分束器、以及具有第二波导阵列的宽体表面光栅，所述第二波导阵列具有多根输入波导；
104.其中，所述第二激光器用于出射激光；
105.所述第二分束器用于将所述第二激光器出射的激光进行分束处理；
106.分束处理后的激光通过所述第二波导阵列入射至所述宽体表面光栅进行发射；
107.其中，部分或全部所述输入波导上设置有相移器；
108.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；
109.其中，所述第一激光器出射的激光和所述第二激光器出射的激光，从相反的两个方向入射至所述宽体表面光栅。
110.参考图11，图11为本发明实施例提供的又一种激光雷达正交收发阵列的基础结构示意图。
111.所述接收单元还包括：第二光电探测器、第二合束器、以及具有第四波导阵列的宽体表面光栅，所述第四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；
112.所述光探测信号依次通过所述第二宽体表面光栅、所述第四波导阵列入射至所述第二合束器；
113.所述第二合束器用于将所述光探测信号进行合束处理，以被所述第二光电探测器接收；
114.其中，所述第一光电探测器接收的光探测信号和所述第二光电探测器接收的光探测信号的光传播方向相对。
115.在该实施例中，所述发射单元和所述接收单元均采用双向发射的布局结构，以此扩展宽体表面光栅阵列可以出射的角度范围，从而扩展激光雷达的扫描范围。
116.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一种宽体表面光栅的俯视结构示意图。参考图13，图13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。
117.所述宽体表面光栅还包括：
118.沿输入波导方向依次交替排布的第一光栅部分11以及第二光栅部分12；
119.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11的厚度小于所述第二光栅部分12的厚度。
120.在该实施例中，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。
121.可选的，所述宽体表面光栅具有多个周期；
122.每个周期均相同。
123.也就是说，每个独立的宽体表面光栅在具有多个周期时，每个周期均是相同的，示例性的，每个周期长度都是0.8um。
124.或，每个周期各不相同。
125.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，示例性的，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。
126.或，部分周期的周期相同，其余部分的周期不同。
127.也就是说，在本发明实施例中，对宽体表面光栅的周期并没有一个严格的限定，可根据实际情况而灵活设置，实现不同的光学功能。
128.可选的，当每个周期各不相同时，可实现条形分布的远场辐射图。
129.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。
130.参考图14，图14为本发明实施例提供的一种可行的周期变化的宽体表面光栅的周期随周期数变化的曲线示意图；参考图15，图15为本发明实施例提供的一种可行的第二光栅部分占空比变化的曲线示意图；参考图16，图16为本发明实施例提供的一种宽体表面光栅的远场功率的对数示意图。
131.结合图14、图15和图16可知，在宽体表面光栅的周期和/或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。
132.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。
133.以上对本发明所提供的一种激光雷达正交收发阵列进行了详细介绍，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。
134.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。
135.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。
136.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。