[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

本案公開一種基于光學相位陣列的激光雷達收發天線及測距方法，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，激光驅動模塊和信號處理模塊均與中央控制器連接；測距模塊包括單點發射單元和單點接收單元，激光驅動模塊驅動單點發射單元發射出一束光線，并控制該光束的光信號發射方向，單點接收單元接收被探測物反射的光信號并發送至信號處理模塊進行處理，計算出探測物的位移。單點發射單元和單點接收單元可以為透射型光學相位陣列也可以為反射型光學相位陣列，發射光和接收光的中心點可以在同一個光軸，也可以在不同的兩個光軸，使得激光雷達系統的收發天線設計實現成像掃描固態化，具有低成本、高信噪比等優點。

技術領域

本發明涉及高性價比的電控掃描式固態激光雷達，尤其涉及一種基于光學相位陣列的激光雷達收發天線及測距方法。

背景技術

激光雷達（LIDAR）技術，早在20世紀70年代就開始應用，剛開始主要用于艦船入港時避障及防碰撞。到了八十年代，隨著光電二極管、CCD、CMOS等光學器件慢慢成熟，激光雷達開始用于航天飛機回收衛星時精確定位。驅動技術發展的動力往往是戰爭的壓力。在海灣戰爭中，激光雷達已經普遍用于直升機在艦船甲板上升降控制和直升機夜間飛行引導。美國休斯公司、Schwatz公司、Sparate公司、洛雷爾系統公司、法國湯姆遜公司等紛紛研制出激光雷達成像系統，用于戰場偵查、低空飛行控制、主動激光制導等領域。隨著半導體光電器件的進一步發展，元器件成本慢慢降低，而且性能不斷提升，從而為激光雷達技術進入民用領域打下了基礎。激光雷達慢慢地被應用于機器視覺、汽車輔助駕駛、電子游戲、醫療健康、休閑娛樂、智能家居等領域。激光雷達技術的核心是激光測距，但是發展到今天，激光雷達這一概念已經遠遠超出了“測距”這一范疇。

現代雷達技術，概括而言就是機器工業為人類探索三維世界所提供的眼睛，最常見的有微波雷達、超聲波雷達等。而激光雷達作為一種光學探測手段，因為激光的高精度、方向性、單色性、相干性等諸多優點，在誕生之日起就在很多領域發揮了前所未有的作用，應用領域包括工業、農業、醫學、國防等。而發展到今天，不少大眾型電子消費品也廣泛應用了激光雷達技術，例如Xbox中微軟的Kinect三維傳感器，用的是激光雷達里面飛行時間（ToF）技術，Intel推出的3D傳感模塊RealSense則基于結構光技術。除此以外，激光雷達還被用在電子游戲中的人機互動，休閑娛樂電子產品中的動作捕獲，醫療健康領域的光學相干斷層成像(optical?coherence?tomography，OCT)，智能家居的室內定位、三維成像與人機互動等等。

激光雷達由單點測距向二維或者三維成像系統過渡，光學掃描系統必不可少。如上所述，目前應用上以機械式的掃描為主，包括光學震鏡、特制的同軸轉鏡等。其特點都是相對笨重難以集成而且制作成本不低，對于大部分消費級的應用要求來說非常困難。光束的非機械式掃描優點非常多，其中一個顯著特點就是可以隨機調節掃描區域與掃描點，使得激光雷達系統可以根據環境需要變換掃描區域、動態調節掃描密度。

目前，集成化的光學掃描系統有兩個典型方案，其中一個為微機電系統（MEMS）微鏡實現的電控掃描，另外一種則為光學相位陣列。MEMS微鏡的掃描系統解決了一部分機械式掃描的缺點，例如難以集成等，但是依然是基于機械震動，在掃描速度、穩定性等方面依然沒法滿足應用的需求。而光學相位陣列（optical?phased?array）則是未來的一個重要發展方向，在成本、集成度等方面都有巨大優勢，其原理是通過光學天線陣列的方法，調節光波發射相位，達到控制光波發射方向或者調節光斑發射模式的目的。其概念與微波雷達的相控陣雷達類似，實現無機械的掃描。目前主流的基于光學相位陣列的激光雷達基于集成硅光子學，收發天線單元具有高集成度、低成本等特點，但是集成化的硅基激光雷達具有加工難度大、片上耦合損耗大、硅基相位調制器速度慢等缺點。

因此，現有技術存在缺陷，需要改進。

發明內容

針對上述技術中存在的不足之處，本發明提供一種低成本、低加工難度、高性能的掃描式激光雷達收發天線及其測距方法。