[发明专利]一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线及测距方法

说明书

本案公开一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线及测距方法，包括基于单点收发器的测距模块、信号处理模块、中央控制器和激光驱动模块，激光驱动模块和信号处理模块均与中央控制器连接；测距模块包括单点发射单元和单点接收单元，激光驱动模块驱动单点发射单元发射出一束光线，并控制该光束的光信号发射方向，单点接收单元接收被探测物反射的光信号并发送至信号处理模块进行处理，计算出探测物的位移。单点发射单元和单点接收单元可以为透射型光学相位阵列也可以为反射型光学相位阵列，发射光和接收光的中心点可以在同一个光轴，也可以在不同的两个光轴，使得激光雷达系统的收发天线设计实现成像扫描固态化，具有低成本、高信噪比等优点。

技术领域

本发明涉及高性价比的电控扫描式固态激光雷达，尤其涉及一种基于光学相位阵列的激光雷达收发天线及测距方法。

背景技术

激光雷达（LIDAR）技术，早在20世纪70年代就开始应用，刚开始主要用于舰船入港时避障及防碰撞。到了八十年代，随着光电二极管、CCD、CMOS等光学器件慢慢成熟，激光雷达开始用于航天飞机回收卫星时精确定位。驱动技术发展的动力往往是战争的压力。在海湾战争中，激光雷达已经普遍用于直升机在舰船甲板上升降控制和直升机夜间飞行引导。美国休斯公司、Schwatz公司、Sparate公司、洛雷尔系统公司、法国汤姆逊公司等纷纷研制出激光雷达成像系统，用于战场侦查、低空飞行控制、主动激光制导等领域。随着半导体光电器件的进一步发展，元器件成本慢慢降低，而且性能不断提升，从而为激光雷达技术进入民用领域打下了基础。激光雷达慢慢地被应用于机器视觉、汽车辅助驾驶、电子游戏、医疗健康、休闲娱乐、智能家居等领域。激光雷达技术的核心是激光测距，但是发展到今天，激光雷达这一概念已经远远超出了“测距”这一范畴。

现代雷达技术，概括而言就是机器工业为人类探索三维世界所提供的眼睛，最常见的有微波雷达、超声波雷达等。而激光雷达作为一种光学探测手段，因为激光的高精度、方向性、单色性、相干性等诸多优点，在诞生之日起就在很多领域发挥了前所未有的作用，应用领域包括工业、农业、医学、国防等。而发展到今天，不少大众型电子消费品也广泛应用了激光雷达技术，例如Xbox中微软的Kinect三维传感器，用的是激光雷达里面飞行时间（ToF）技术，Intel推出的3D传感模块RealSense则基于结构光技术。除此以外，激光雷达还被用在电子游戏中的人机互动，休闲娱乐电子产品中的动作捕获，医疗健康领域的光学相干断层成像(optical coherence tomography，OCT)，智能家居的室内定位、三维成像与人机互动等等。

激光雷达由单点测距向二维或者三维成像系统过渡，光学扫描系统必不可少。如上所述，目前应用上以机械式的扫描为主，包括光学震镜、特制的同轴转镜等。其特点都是相对笨重难以集成而且制作成本不低，对于大部分消费级的应用要求来说非常困难。光束的非机械式扫描优点非常多，其中一个显著特点就是可以随机调节扫描区域与扫描点，使得激光雷达系统可以根据环境需要变换扫描区域、动态调节扫描密度。

目前，集成化的光学扫描系统有两个典型方案，其中一个为微机电系统（MEMS）微镜实现的电控扫描，另外一种则为光学相位阵列。MEMS微镜的扫描系统解决了一部分机械式扫描的缺点，例如难以集成等，但是依然是基于机械震动，在扫描速度、稳定性等方面依然没法满足应用的需求。而光学相位阵列（optical phased array）则是未来的一个重要发展方向，在成本、集成度等方面都有巨大优势，其原理是通过光学天线阵列的方法，调节光波发射相位，达到控制光波发射方向或者调节光斑发射模式的目的。其概念与微波雷达的相控阵雷达类似，实现无机械的扫描。目前主流的基于光学相位阵列的激光雷达基于集成硅光子学，收发天线单元具有高集成度、低成本等特点，但是集成化的硅基激光雷达具有加工难度大、片上耦合损耗大、硅基相位调制器速度慢等缺点。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种低成本、低加工难度、高性能的扫描式激光雷达收发天线及其测距方法。