[發明專利]一種基于光學相位陣列的激光雷達收發天線及測距方法

有效

• 申請號: 201710687687.4
• 申請日: 2017-08-11
• 公開（公告）號: CN107329132B
• 公開（公告）日: 2023-09-29
• 發明（設計）人: 張忠祥;楊丁寧;吳康達;楊洪強
• 申請（專利權）人: 深圳力策科技有限公司
• 主分類號: G01S7/481
• 分類號: G01S7/481;G01S7/483;G01S17/08
• 代理公司: 深圳中一聯合知識產權代理有限公司 44414
• 代理人: 李艷麗

1.一種基于光學相位陣列的激光雷達收發天線，其特征在于，包括基于單點收發器的測距模塊、信號處理模塊、中央控制器和激光驅動模塊，所述激光驅動模塊和信號處理模塊均與所述中央控制器連接；所述測距模塊包括單點發射單元和用于接收被探測物反射的光信號的單點接收單元，所述單點發射單元包括產生光信號的發射器和用于調整發射光信號的光學相位的發射光學相位陣列芯片，所述單點接收單元包括用于調整被探測物反射的光信號的光學相位的接收光學相位陣列芯片和用于接收發射光的光學接收器，所述發射器與所述激光驅動模塊連接，激光驅動模塊驅動發射器發射出光束，所述光學接收器與所述信號處理模塊連接，信號處理模塊處理所述光學接收器發送的光信號計算并探測物的距離；所述發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片均與所述中央控制器連接，所述發射光學相位陣列芯片控制發射光的發射方向，所述接收光學相位陣列芯片控制接收光的發射方向；

其中，所述發射光學相位陣列芯片和所述接收光學相位陣列芯片均采用自由空間光耦合的方式和由所述中央控制器電控調制的方式控制相位延時；

發射光和接收光的中心點在同一個光軸，發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片采用透射型光學相位陣列進行發射光和接收光的光學相位調制；

或者，發射光和接收光的中心點在不同的光軸，發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片采用反射型光學相位陣列進行發射光和接收光的光學相位調制。

2.根據權利要求1所述的基于光學相位陣列的激光雷達收發天線，其特征在于，所述發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片均為共振型結構的芯片，均包括具有光學掃描單元的信號輸入單元、光學天線、電控調相單元、饋電網絡和耦合單元，所述信號輸入單元接收光信號，并產生一個控制信號通過所述饋電網絡發送到所述電控調相單元，所述電控調相單元調整光信號的光學相位，所述耦合單元耦合相位的控制信號并輸出到所述光學天線上；所述發射光學相位陣列芯片的光學相位陣列有源區域面積大于4平方毫米，所述接收光學相位陣列芯片的光學相位陣列有源區域面積大于25平方毫米。

3.根據權利要求1所述的基于光學相位陣列的激光雷達收發天線，其特征在于，所述單點發射單元還包括用于將發射光束準直的發射光準直透鏡，所述發射光準直透鏡為單透鏡設計或者多透鏡組設計；所述發射器發射光束的快軸和慢軸分別經過所述發射光準直透鏡進行準直，將發散的出射光準直成近似平行光,垂直耦合到所述光學相位陣列芯片中，由所述發射光學相位陣列芯片調整光的出射方向。

4.根據權利要求1所述的基于光學相位陣列的激光雷達收發天線，其特征在于，所述單點接收單元還包括由單透鏡或者多透鏡組設計組合的接收光學透鏡，直徑范圍為5毫米-40毫米,獲得較大的通光孔徑通過反射的光信號，將被探測物反射的光信號聚焦到光學接收器中。

5.一種基于光學相位陣列的激光雷達收發天線的測距方法，應用于權利要求1至4任一項所述的激光雷達收發天線，其特征在于，測距模塊采用飛行時間測距法進行對探測物進行測距，其步驟如下：

中央控制器控制激光驅動模塊驅動發射器發射一束光線作為光信號源；

發射光準直透鏡對發射器發出的光束進行準直并發射到發射光學相位陣列芯片中；

發射光學相位陣列芯片接收由所述發射光準直透鏡透射的光束信號，并對發射光進行光學相位調整來控制發射光的發射方向；

發射光被探測物反射，由接收光學相位陣列芯片接收并對接收光進行光學相位調整，控制接收光的發射方向；

接收光學透鏡對接收光聚焦后發射到光學接收器中，然后通過信號處理模塊處理并計算出探測物的位移；

其中，所述發射光學相位陣列芯片和所述接收光學相位陣列芯片均采用自由空間光耦合的方式和電調制的方式控制相位延時；

發射光和接收光的中心點在同一個光軸，發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片采用透射型光學相位陣列進行發射光和接收光的光學相位調制；

或者，發射光和接收光的中心點在不同的光軸，發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片采用反射型光學相位陣列進行發射光和接收光的光學相位調制。

6.根據權利要求5所述的基于光學相位陣列的激光雷達收發天線的測距方法，其特征在于，所述發射光學相位陣列芯片和接收光學相位陣列芯片中的電控調相單元包括X軸電控調相單元和Y軸電控調相單元，饋電網絡包括X軸饋電網絡和Y軸饋電網絡，在對光信號進行相位調整時，都分別進行X軸的光學相位調整和Y軸的光學相位調整再進行耦合處理，發射光學相位陣列芯片對發射光的相位調整過程和接收光學相位陣列芯片對接收光的相位處理過程一致，對光信號的處理過程如下：

信號輸入單元中的光學掃描單元掃描光信號并產生一個控制信號；

所述控制信號通過饋電網絡中的X軸饋電網絡傳送到X軸電控調相單元中進行X軸的光學相位調整，通過Y軸饋電網絡將控制信號傳送到Y軸電控調相單元中進行Y軸的光學相位調整；

X軸的光學相位控制信號通過X軸連接線鏈接到光學天線，Y軸的光學相位控制信號通過Y軸連接線鏈接到光學天線；

耦合單元將X軸的光學相位控制信號和Y軸的光學相位控制信號耦合輸出到光學天線上。