[发明专利]一种大能量多通道激光雷达光束切换方法

说明书

本发明提供了一种大能量多通道雷达光束切换方法，组成元件包括多模泵浦激光器和MEMS开关，具体步骤为：通过调节多模泵浦驱动电路中的滤波电容，减少驱动电压的上升沿及下降沿的时间，使得开关光的需求时间内；通过调整光开关通道切换顺序，采用多模泵浦激光器，当MEMS开关通道切换时，关闭多模泵浦激光器，使得光纤阵列胶水上无脉冲光打入，直至切换完成后，再使多模泵浦激光器出光，保持多模泵浦开关光与MEMS切换光同步。该方法能够保证雷达数据高有效性的前提下，控制MEMS光开关与光路出光时序的配合，使得光学部分设计简单紧凑，雷达体积小型化，且在长时间以2‑10Hz频率切换光开关通道的情况下，提升MEMS光开关的可靠性。

技术领域

本发明属于激光雷达系统的技术领域，特别是涉及一种大能量多通道雷达光束切换方法。

背景技术

激光雷达一般由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统通过激光器发射激光照射目标，接收系统采用望远镜接收目标的回光信号并通过光电探测器将光信号转换为电信号输出给信息处理系统。通过数据分析出回光信号的强度、波长、频率等信息，推算被测目标的一些距离、速度、姿态甚至形状等信息。见图1雷达发射系统的原理图中，发射系统一般通过由种子激光器模块、光纤放大器模块、调制器、分束器、耦合器、探测器、光开关及望远镜构成。

当前激光雷达系统中，要反演三维风场至少需要三个方向的风速值，所以引入1x4的光开关配合望远镜，得到4个方向的风速值来反演风场信息。目前常规的MEMS开关的工作原理：主要由两部分组成，一部分是光路部分，另一部分则是通过刻蚀技术制成的微反射镜。光学部分由光纤阵列和微透镜构成。光纤阵列用于固定输入输出光纤，有利于光路调节。微透镜作用为将从光纤输出的高斯光束准直为束腰较大而发散角较小的光束，以增加高斯光束的工作距离，并将从微反射镜的高斯光束耦合为束腰较小的光束以提高高斯光束在输出光纤中的耦合效率。光纤阵列端面和微透镜表面采用8°楔角可以提高回波损耗。

整个光路为从输入光纤输出的高斯光束，经微透镜准直，入射到微反射镜上；经微反射镜反射后的光束经过微透镜后，耦合进输出光纤中，完成了在光开关中的传输。随着微反射镜转动到不同位置(外加电压驱动微反射镜小角度转动)，依次实现开关各个通道的接通与关断。设计上的优点为输入输出光束均通过同一个微透镜，使得光学部分结构紧凑简单，便于器件的小型化，原理图如图2所示。

目前MEMS光开关一般使用于通信领域，但是由于脉冲式激光雷达的功率与一般通信领域所使用的的光功率相比，功率较高、切换频率较高，当高能量密度的光在通道切换时会扫过光纤阵列间隙中的胶水，热量在高频率切换时无法及时散去，热量积累导致胶水汽化，汽化的胶水微粒吸附在光纤阵列的端面上，高功率的光扫过时，就会将光纤端面的膜层烧毁，从而导致开关的插损及回损的严重恶化。

现有方案中对光纤表面进行扩束，使得光斑变大，从而能降低光的能量密度，起到保护膜层的作用。由图2可知，MEMS开关结构紧凑、小型化，通过微反射镜反射耦合至输出光纤时，扩束后光束的光斑变大，在准确耦合方面增加了调试难度，且保偏光纤需要进行“猫眼”对准，扩束后，在保偏对准方面的调试难度也有所增加，则在MEMS开关生产过程中的良品率会有所下降，从而增加其成本，进而增加了激光雷达成本的。并且扩束仅使光斑能量密度变小，只保证了在镀了高功率膜层的端面不易被烧坏，但当光开关通道间切换时，光还是会扫过阵列间隙的胶水，长时间的热量积累，胶水还是有被汽化的风险。

而现有技术不对MEMS开关内部结构方面做更改，是通过控制外部环境，即对输入开关的光进行同步开关的方式，使得在光开关切换过程中，关闭多模泵浦，减小输入MEMS开关的功率，因此不会在光纤阵列间隙的胶水中累积热量导致胶水汽化，避免了膜层被烧毁的风险，提高了MEMS开关的寿命，操作方便简单，不增加成本，并且提高的脉冲式激光雷达的可靠性。

发明内容