[发明专利]一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达

说明书

一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达涉及激光雷达技术领域，解决了现有光学相控阵光束扫描范围小、分辨率低和回波信噪比大幅下降的问题，包括：近红外单波长脉冲激光器，用于发射TE模式激光光束；二维光学相控阵芯片，能够接收激光器发射的激光光束、对接收的激光光束进行分束和相位调制、发射相位调制后的激光光束，发射的激光光束的主瓣和栅瓣同时对目标进行扫描；接收器，能够同时接收目标反射的主瓣回波信号和栅瓣回波信号得到扫描信号，能够发送扫描信号。本发明提出对相控阵主瓣与栅瓣的同步利用的方法，对多点回波信号同步接收，优化缩小天线阵元间距，扩大光学相控阵二维扫描范围，提高了分辨率，可用于光通信等领域。

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达。

背景技术

激光雷达作为目前较为先进的传感器，在很多领域都有广泛的应用，如自由空间光通信，无人驾驶等。传统激光雷达多采用机械式、电/声光调制等扫描体制进行扫描。机械式扫描体制虽然成熟，但其体积大、价格高、稳定性和耐久性相对较差；电/声光调制扫描体制使用电光晶体与声光晶体对信号进行调制，所需调制电压较高，且扫描角度较小。新型的固态扫描体制激光雷达则满足了目前主流应用所提出的低成本、小型化的需求。固态扫描体制激光雷达主要包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)、Flash、光学相控阵(OPA)等体制。MEMS激光雷达光路复杂，扫描效率受微振镜面积限制，测试结果重复性难以保证，环境适应性有待提高；Flash激光雷达探测距离较短，应用场景受限。而硅基光学相控阵技术具有体积小、功耗低、成本低、扫描速度快等优势，可实现芯片级激光扫描器件，具有广阔的应用前景。光学相控阵理念起源为射频相控阵，工作波长为近红外波段，与传统的扫描体制相比，光学相控阵使用硅或氮化硅材料，器件集成在一个芯片上，无扫描结构，具有体积小，扫描速度快，能耗低，精度高，集成度高，成本低，易于大规模量产等优点。

光学相控阵使用近红外波段的TE模式光，工作原理是将耦合进光学相控阵的模式光通过光分束器进行分束，在经相位控制单元后，TE模式光经天线单元辐射到自由空间，调节各天线单元发射光的相位差和振幅实现光束扫描和设计的空间辐射场分布。大型光学相控阵具有数千个乃至数万个器件，而其制造工艺完全与互补金属氧化物半导体(CMOS)技术兼容，可以将OPA集成在一块硅基芯片上，具有集成度高，紧凑，成本低的特点。二维硅基相控阵工作波长为光学波段，而相控阵架构中天线单元间距一般为光波长的数倍，导致辐射远场不仅有主瓣，还会出现多个栅瓣，致使光学相控阵单光束扫描角度受到限制，现有研究思路更多通过优化缩小天线单元间距，扩大单光束扫描角度。

此外，国内相关机构提出多线扫描法，将多个一维相控阵单元集于一体，每个光学相控阵具有一个独立控制的扫描光束，实现多线扫描目的。

关于集合多个光学相控阵的多线扫描系统，公开号为CN108646430A名称为《一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统》的中国专利中公开了一种单波长多线扫描系统，技术原理是在一个芯片上整合多个一维硅基相控阵，每个相控阵的发射天线的光栅周期不同，即光波纵向辐射角度不同，再通过光开关对相控阵进行选择和相位控制光波横向偏转，从而实现波束在半球面的多光束扫描。

基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统集成多个一维硅基相控阵单元于一体，如果使用单波长激光会导致相控阵纵向分辨率低，如果使用多波长调谐激光可以覆盖一定纵向扫描范围，但多波长调谐导致激光雷达回波信噪比大幅下降，且在光通信等领域无法应用。

发明内容

为了解决上述光学相控阵光束扫描范围小、分辨率低和回波信噪比大幅下降的问题，本发明提供一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于二维光学相控阵的主瓣栅瓣多点扫描激光雷达，包括：

近红外单波长脉冲激光器，用于发射激光光束，所述激光光束为TE模式；