[發明專利]一種大能量多通道激光雷達光束切換方法

有效

• 申請號: 202110937612.3
• 申請日: 2021-08-16
• 公開（公告）號: CN113671509B
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發明（設計）人: 陶波;羅浩;張靈樂;喬乃燕;肖增利;朱敏強
• 申請（專利權）人: 南京牧鐳激光科技股份有限公司
• 主分類號: G01S17/02
• 分類號: G01S17/02;G01S7/484;G02B6/35
• 代理公司: 南京中律知識產權代理事務所(普通合伙) 32341
• 代理人: 祝坤

本發明提供了一種大能量多通道雷達光束切換方法，組成元件包括多模泵浦激光器和MEMS開關，具體步驟為：通過調節多模泵浦驅動電路中的濾波電容，減少驅動電壓的上升沿及下降沿的時間，使得開關光的需求時間內；通過調整光開關通道切換順序，采用多模泵浦激光器，當MEMS開關通道切換時，關閉多模泵浦激光器，使得光纖陣列膠水上無脈沖光打入，直至切換完成后，再使多模泵浦激光器出光，保持多模泵浦開關光與MEMS切換光同步。該方法能夠保證雷達數據高有效性的前提下，控制MEMS光開關與光路出光時序的配合，使得光學部分設計簡單緊湊，雷達體積小型化，且在長時間以2?10Hz頻率切換光開關通道的情況下，提升MEMS光開關的可靠性。

技術領域

本發明屬于激光雷達系統的技術領域，特別是涉及一種大能量多通道雷達光束切換方法。

背景技術

激光雷達一般由發射系統、接收系統、信息處理等部分組成。發射系統通過激光器發射激光照射目標，接收系統采用望遠鏡接收目標的回光信號并通過光電探測器將光信號轉換為電信號輸出給信息處理系統。通過數據分析出回光信號的強度、波長、頻率等信息，推算被測目標的一些距離、速度、姿態甚至形狀等信息。見圖1雷達發射系統的原理圖中，發射系統一般通過由種子激光器模塊、光纖放大器模塊、調制器、分束器、耦合器、探測器、光開關及望遠鏡構成。

當前激光雷達系統中，要反演三維風場至少需要三個方向的風速值，所以引入1x4的光開關配合望遠鏡，得到4個方向的風速值來反演風場信息。目前常規的MEMS開關的工作原理：主要由兩部分組成，一部分是光路部分，另一部分則是通過刻蝕技術制成的微反射鏡。光學部分由光纖陣列和微透鏡構成。光纖陣列用于固定輸入輸出光纖，有利于光路調節。微透鏡作用為將從光纖輸出的高斯光束準直為束腰較大而發散角較小的光束，以增加高斯光束的工作距離，并將從微反射鏡的高斯光束耦合為束腰較小的光束以提高高斯光束在輸出光纖中的耦合效率。光纖陣列端面和微透鏡表面采用8°楔角可以提高回波損耗。

整個光路為從輸入光纖輸出的高斯光束，經微透鏡準直，入射到微反射鏡上；經微反射鏡反射后的光束經過微透鏡后，耦合進輸出光纖中，完成了在光開關中的傳輸。隨著微反射鏡轉動到不同位置(外加電壓驅動微反射鏡小角度轉動)，依次實現開關各個通道的接通與關斷。設計上的優點為輸入輸出光束均通過同一個微透鏡，使得光學部分結構緊湊簡單，便于器件的小型化，原理圖如圖2所示。

目前MEMS光開關一般使用于通信領域，但是由于脈沖式激光雷達的功率與一般通信領域所使用的的光功率相比，功率較高、切換頻率較高，當高能量密度的光在通道切換時會掃過光纖陣列間隙中的膠水，熱量在高頻率切換時無法及時散去，熱量積累導致膠水汽化，汽化的膠水微粒吸附在光纖陣列的端面上，高功率的光掃過時，就會將光纖端面的膜層燒毀，從而導致開關的插損及回損的嚴重惡化。

現有方案中對光纖表面進行擴束，使得光斑變大，從而能降低光的能量密度，起到保護膜層的作用。由圖2可知，MEMS開關結構緊湊、小型化，通過微反射鏡反射耦合至輸出光纖時，擴束后光束的光斑變大，在準確耦合方面增加了調試難度，且保偏光纖需要進行“貓眼”對準，擴束后，在保偏對準方面的調試難度也有所增加，則在MEMS開關生產過程中的良品率會有所下降，從而增加其成本，進而增加了激光雷達成本的。并且擴束僅使光斑能量密度變小，只保證了在鍍了高功率膜層的端面不易被燒壞，但當光開關通道間切換時，光還是會掃過陣列間隙的膠水，長時間的熱量積累，膠水還是有被汽化的風險。

而現有技術不對MEMS開關內部結構方面做更改，是通過控制外部環境，即對輸入開關的光進行同步開關的方式，使得在光開關切換過程中，關閉多模泵浦，減小輸入MEMS開關的功率，因此不會在光纖陣列間隙的膠水中累積熱量導致膠水汽化，避免了膜層被燒毀的風險，提高了MEMS開關的壽命，操作方便簡單，不增加成本，并且提高的脈沖式激光雷達的可靠性。

發明內容