CN115754989A - 一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和***，包括激光器、第一光耦合器、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器、90°光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列，各光子组件之间通过光波导连接；发明通过频率色散技术实现光波束一个维度的扫描，单个光栅天线即可实现激光频率‑探测角度映射，基于移相器阵列实现空间波束另一个维度的扫描，通过调控移相器阵列使得相邻通道光场有相同的相位差，实现相邻通道相位差‑探测角度的映射；两种扫描方式结合调频连续波雷达探测技术和相干接收即可实现目标距离、位置及速度信息获取。
Description
技术领域
本发明涉及集成光子技术领域，特别涉及一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和***。
背景技术
激光雷达可实现高精度三维感知，广泛应用于自动驾驶、智能机器人、遥感等领域。目前发展较为成熟的激光雷达***多采用机械扫描结合脉冲时间到达技术获取探测目标的三维/二维空间分布信息，但由于机械旋转部件结构复杂，抗震动性差，易磨损等原因，导致机械式激光雷达寿命受限，且安装校准过程繁琐，体积庞大，因而在消费级应用场景受限。与此同时，基于集成光相控阵、光晶体波导、色散介质等机理的固态波束控制技术也在快速发展。例如，采用电控/热控实现激光波束的快速扫描，与机械扫描相比具有更好的稳定性，且***紧凑，(参见[S. Miller, Y. Phare, M. Shin, etc, " Large-scaleoptical phased array using a low-power multi-pass silicon photonic platform,"Optica, vol. 7, no. 1, pp. 3-6, 2020.])。采用光孤子激发光频梳并基于频率（波长）色散-方向映射进行大规模平行相干激光测距，也可以实现激光波束在一个维度的固态快速扫描，(参见[J. Riemensberger, A. Lukashchuk, M. Karpov, etc, " Massivelyparallel coherent laser ranging using a soliton microcomb," Nature, vol. 581,164-170, 2020.] )。虽然上述相关技术目前主要还处于实验室研究阶段，但固态波束控制技术因其潜在的优越特性，吸引着学术及产业界解决其在新需求下的技术难点，发明(参见[郭清水，尹坤，柴田，刘士圆，“一种基于双光频梳的三维固态激光雷达探测方法及装置”，CN113820688A.])提出了一种解决思路，基于双光频梳的三维固态激光雷达探测装置，结合频率色散波束扫描技术、Rotman光透镜波束方向控制技术以及双光频梳相干接收技术，实现了多通道数据同时接收，可无机械扫描实现目标三维空间分布及速度信息的高精度测量。但此方案的固态激光雷达探测装置仅能在一个维度同时扫描，且仍需大规模分立器件，致使***装置体积大、成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和***，基于光频梳色散机理和移相器阵列相位调控，实现激光雷达在两个维度的同时扫描，结合调频连续波雷达探测技术和相干接收实现高分辨率目标距离与速度信息的获取，基于两个光频梳差频复用和相干探测技术，两个探测器即可实现所有通道数据的同时接收，基于III-V族器件芯片和硅光芯片单片集成，实现激光雷达单片一体化集成。整个***纯固态，无需机械扫描控制波束方向，***结构简单紧凑，可一体化集成。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种三维固态激光雷达芯片，包括激光器、第一光耦合器、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器、90°光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列，各光子组件之间通过光波导连接；
所述激光器的输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端分别连接半径尺寸大小不同的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的输出端分别连接第一光放大器和第二光放大器输入端，所述第一光放大器和第二光放大器输出端分别连接第二光耦合器的其中一个端口和90°光混频器的一个输入端，所述第二光耦合器的另外两个端口分别连接1×N功分器的输入端和90°光混频器的另一个输入端，所述1×N功分器的N个输出端连接移相器阵列的N个输入端，移相器阵列的N个输出端连接光栅天线阵列的N个输入端，所述90°光混频器的四个输出端分别连接第一平衡探测器、第二平衡探测器的输入端。
作为优选的，所述激光器、第一光放大器、第二光放大器采用可与硅光芯片片上集成的材料制作，其材料包括基于III-V族工艺平台制备的磷化铟、砷化镓、氮化镓。
作为优选的，所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光耦合器、第二光耦合器、90°光混频器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列、第一平衡探测器和第二平衡探测器为基于硅光工艺平台制备的器件。
作为优选的，所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔用于通过生成耗散克尔孤子将激光器输出的线性调频信号激发出多个梳状边带，产生线性扫频的光频梳信号；所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的微环的半径尺寸大小不同，分别对应不同光频梳重复频率。
作为优选的，所述第一平衡探测器对和第二平衡探测器对频率响应覆盖激光雷达所有中频信号。
本发明公开了一种基于上述的三维固态激光雷达芯片的探测方法，包括如下步骤：
步骤1、激光器产生线性调频的光信号送入第一光耦合器的输入端，第一光耦合器将所述光信号分成两路并分别送入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔；
步骤2、线性调频的光信号激发所述第一微环谐振腔产生线性扫频的探测光频梳信号，激发所述第二微环谐振腔产生线性扫频的参考光频梳信号，并将探测光频梳信号和参考光频梳信号分别送入第一光发大器和第二光放大器中进行放大；放大的探测光频梳信号通过第二光耦合器送入1×N功分器，放大的参考光频梳信号送入90°光混频器；
步骤3、1×N功分器将所述放大的探测光频梳信号均分成N路，从1×N功分器的输出端分别送入数目为N的移相器阵列，移相器阵列对N路探测光频梳信号进行相位调控，N路相位调控的探测光频梳信号从移相器阵列的N个输出端送入数目为N的光栅天线阵列的输入端，探测光信号通过光栅天线阵列辐射到空间中；
步骤4、探测光信号遇到目标后反射回光栅天线阵列得到接收光信号，所述接收光信号由光栅天线阵列送入移相器阵列，由移相器阵列送入1×N功分器的N个端口，再经过第二光耦合器送入90°光混频器；
步骤5、接收光信号与参考光信号进入第一平衡探测器和第二平衡探测器完成相干检测得到携带目标信息的复中频信号，对复中频信号进行信号采集后，基于雷达信号算法获取目标三维空间分布及速度信息。
作为优选的，所述步骤1中，激光器产生线性调频的光信号的线性调频方法包括但不限于锯齿波线性调频、三角波线性调频、分段线性调频。
作为优选的，所述步骤3中，光栅天线阵列中的单个光栅天线基于频率色散控制探测光信号的不同梳齿扫频子信号波束在θ平面上同时指向2M+1个不同方向，其中M为单边光频梳梳齿个数，得到2M+1个指向不同方向的探测子光信号，实现光波束在θ平面这一个维度上的扫描，同时通过调控移相器阵列相邻通道相位实现光波束在垂直于θ平面方向另一个维度上的扫描。
本发明还公开了一种基于上述的三维固态激光雷达芯片的探测***，所述***包括所述三维固态激光雷达芯片和信号采集与处理单元，所述信号采集与处理单元与所述三维固态激光雷达芯片中的第一平衡探测器和第二平衡探测器的射频输出端连接，所述三维固体激光雷达芯片基于光频梳色散机理和移相器阵列相位调控，用于实现激光雷达在两个维度对目标同时扫描；所述信号采集与处理单元用于采集并处理所述三维固体激光雷达芯片扫描得到的目标信息，结合调频连续波雷达探测技术和相干接收实现目标距离、位置及速度信息获取。
本发明的有益效果：
1) 本发明通过频率色散技术实现光波束一个维度的扫描，单个光栅天线即可实现激光频率-探测角度映射，基于移相器阵列实现空间波束另一个维度的扫描，通过调控移相器阵列使得相邻通道光场有相同的相位差，实现相邻通道相位差-探测角度的映射；两种扫描方式结合调频连续波雷达探测技术和相干接收即可实现目标距离、位置及速度信息获取，该方案扫描速度快，***为纯固态，结构简单且无需机械扫描。
2) 本发明的探测光信号和参考光信号基于同一激光器线性调频，驱动两个半径稍有不同的氮化硅微环谐振腔，通过耗散克尔孤子效应产生探测光频梳信号和参考光频梳信号，基于所述的两个光频梳信号差频复用和相干探测技术，两个平衡探测器即可实现所有通道数据的同时接收。
3) 本发明基于单片集成激光器、光放大器，硅基微环谐振腔、光耦合器、平衡探测器、90°光混频器、移相器阵列、光栅天线阵列等器件，实现激光雷达单片一体化集成，***紧凑简单、体积小。
附图说明
图1为本发明三维固态激光雷达芯片的结构示意图；
图2为本发明基于三维固态激光雷达芯片的探测***一个具体实施例的结构示意图；
图3为本发明固态激光雷达探测***实施例中探测子光信号、接收光信号信号、复中频电信号等彼此之间的映射关系图。
图4为本发明固态激光雷达探测***实施例中芯片表面、θ平面、垂直于θ平面方向扫描角ϕ O 空间关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1所示，本发明实施例提供一种三维固态激光雷达芯片，包括：激光器、第一光耦合器（OC1）、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器（OC2）、90°光混频器、第一平衡探测器(BPD1)、第二平衡探测器(BPD2)、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列，各光子组件之间通过光波导连接。
其中，所述激光器的输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端分别连接氮化硅的第一微环谐振腔、第二微环谐振腔，第一微环谐振腔的输出端连接第一光放大器的输入端，第二微环谐振腔的输出端连接第二光放大器的输入端，第二光放大器的输出端连接90°光混频器的一个输入端，第一光放大器的输出端连接第二光耦合器的端口1，第二光耦合器的端口2连接1×N功分器的输入端，1×N功分器的N个输出端连接移相器阵列的N个输入端，移相器阵列的N个输出端连接光栅天线阵列的N个输入端，第二光耦合器的端口3连接90°光混频器的另一个输入端，90°光混频器的四个输出端分别连接第一平衡探测器、第二平衡探测器的输入端。
所述激光器、第一光放大器、第二光放大器为可以与硅光芯片片上集成的激光器和光放大器，其材料包括但不限于基于III-V族工艺平台制备的磷化铟、砷化镓、氮化镓等或其它可以与硅光芯片片上集成的材料。
所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔为包括但不限于基于硅光工艺平台制备的氮化硅器件，用于通过生成耗散克尔孤子将激光器输出的线性调频信号激发出多个梳状边带，产生线性扫频的光频梳信号；所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔的微环半径R1与R2不同，分别对应不同光频梳重复频率。
所述第一光耦合器、第二光耦合器、90°光混频器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列为包括但不限于基于硅光工艺平台制备的器件。
所述第一平衡探测器和第二平衡探测器为包括但不限于基于硅光工艺平台锗硅等材料制备的器件；第一平衡光电探测器对和第二平衡光电探测器对频率响应覆盖激光雷达所有中频信号。
如图2所示，基于三维固态激光雷达芯片的探测***的实施例如下，所述***包括所述三维固态激光雷达芯片和信号采集与处理单元，信号采集与处理单元与第一平衡探测器和第二平衡探测器的射频输出端连接。所述三维固体激光雷达芯片基于光频梳色散机理和移相器阵列相位调控，实现激光雷达在两个维度对目标的同时扫描；所述信号采集与处理单元用于采集并处理所述三维固体激光雷达芯片扫描得到的目标信息，结合调频连续波雷达探测技术和相干接收实现目标距离、位置及速度信息获取。
为了便于理解，下面通过所述基于三维固态激光雷达芯片的探测方法和***的具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明，具体如下：
激光器作为光源产生锯齿波线性调频的光信号，中心频率为fs，扫频频率f LFM =kt（0≤t≤T），所述激光器产生的光信号驱动两个半径不同的氮化硅微环谐振腔，产生中心频率相同，重复频率分别为f PRF1 与f PRF2 的光频梳，两个光频梳梳齿中心频率的重复频率差为∆f PRF （假设f PRF1 略大于f PRF2 ）。第一氮化硅微环谐振腔输出光频梳信号频谱由 f s +if PRF1 (i=-M,-M+1,…,M)分量组成，作为探测光频梳信号输入1×N功分器的输入端，第二氮化硅微环谐振腔输出光频梳信号频谱由f s +if PRF2 (i=-M,-M+1,…,M)分量组成，作为参考光信号输入90°光混频器的一个输入端，其中M为单边光频梳梳齿个数，f s 为光频梳中心梳齿的中心频率。其中探测光频梳信号S comb1 (t)具体可以表示为：
其中A i_1 (i=-M,-M+1,…,M)为探测光频梳信号不同扫频梳齿信号的幅度， 0≤t ≤T为时间， k为其调频斜率，T为其周期。同样，参考光频梳信号S comb2 (t)具体可以表示为：
其中A i_2 (i=-M,-M+1,…,M)为参考光频梳信号不同扫频梳齿信号的幅度，将参考光频梳信号送入相干探测单元的光90°光混频器的一个输入端。
如图3所示，探测光频梳信号经过第一光放大器放大后送入第二光耦合器的输入端，第二光耦合器将其送入1×N功分器，1×N功分器的输出端口与包含N个输入端口的移相器阵列一一连接，1×N功分器将探测光频梳信号均分并送入移相器阵列的N个输入端，移相器阵列对每个通道上的探测光频梳信号进行相位调控，探测光频梳信号从移相器阵列的N个输出端送入数目为N的光栅天线阵列的输入端，通过光栅天线阵列辐射到空间中，单个光栅天线基于频率色散控制探测光信号不同梳齿扫频子信号波束在θ平面上同时指向2M+1（M为单边光频梳梳齿个数）个不同方向，得到2M+1个指向不同方向的探测子光信号，指向角度为θ i ，i=1,2,…,2M+1，θ i 与中心频率不同光梳齿信号存在映射关系，实现光波束在θ平面这一个维度上的扫描，同时通过调控移相器阵列相邻通道相位实现光波束在垂直于θ平面方向另一个维度上的扫描，相邻通道间相位差为∆ϕ，光栅天线阵列将N路探测光频梳信号在垂直于θ平面方向以扫描角ϕ O 扫描，ϕ O 为在垂直于θ平面方向扫描的波束与θ平面的夹角，角度空间关系见图4，相位差∆ϕ与扫描角ϕ O 存在映射关系，具体可表示为：
其中λ为探测光频梳信号波长，d为光栅天线阵列相邻通道间距，通过调控移相器阵列相邻通道相位差∆ϕ即可实现光波束在垂直于θ平面方向这一维度的扫描，射向空间中的探测光信号遇到目标后发生反射，目标反射信号同时经光栅天线阵列接收后通过移相器阵列及1×N功分器送入第二光耦合器，经第二光耦合器将目标反射信号送入90°光耦合器的另一个输入端与参考光信号实现相干接收。设角度为θ i 的探测光信号探测到目标，对应子信号的目标反射信号与参考光信号延时差为τ i 。对应目标的速度为v i ，目标运动引入的多普勒频移为f d_i 。则目标反射信号可以表示为：
其中A i_R (i=-M,-M+1,…,M)为目标反射信号子信号幅度。相干接收单元的光90°光混频器输出信号可以表示为：
其中S I+(t)、S I-(t)、S Q+(t)、S Q-(t)分别为90度光耦合器输出的四路光信号，将90度光耦合器输出的四路光信号分别送入两个平衡光电探测器完成光电转换，忽略寄生相位，相干探测单元输出得到的中频电信号可以表示为：
即携带目标信息中频信号的两个正交分量S I (t)、S Q (t)，其中 
为中频信号的相位信息，对应信号复数形式为：
其中A R_i 为子信号中频电信号的幅度，所述携带目标信息的复中频信号为位于[(m-1/2)∙∆f PFR，(m+1/2)∙∆f PFR]区间内的复单频信号，其中m=-M, -M+1,…,M-1,M; M为单边光频梳梳齿个数，∆f PFR=|∆f PFR1-∆f PFR2|为双光频梳的重复频率差，对此信号进行采集，并进行通道角度映射及距离信息提取，即可获取θ平面目标角度、距离二维空间分布及速度信息。再通过移相器阵列调控相邻通道间相位差∆ϕ，利用相位差∆ϕ与扫描角ϕ O 的映射关系，实现在垂直于θ平面方向这一维度的扫描，通过信号重组及处理，即可实现获取目标三维空间分布及速度信息。
综上所述，本发明一种三维固态激光雷达芯片及其探测方法和***，基于光频梳色散机理和移相器阵列相位调控，实现激光雷达在两个维度的同时扫描，结合调频连续波雷达探测技术和相干接收实现高分辨率目标距离与速度信息的获取，基于两个光频梳差频复用和相干探测技术，两个探测器即可实现所有通道数据的同时接收，基于III-V族器件芯片和硅光芯片单片集成，实现激光雷达单片一体化集成。整个***纯固态，无需机械扫描控制波束方向，***结构简单紧凑，可一体化集成。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种三维固态激光雷达芯片，其特征在于：包括激光器、第一光耦合器、第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光放大器、第二光放大器、第二光耦合器、90°光混频器、第一平衡探测器、第二平衡探测器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列，各光子组件之间通过光波导连接；
所述激光器的输出端连接第一光耦合器的输入端，第一光耦合器的输出端分别连接半径尺寸大小不同的第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的输出端分别连接第一光放大器和第二光放大器输入端，所述第一光放大器和第二光放大器输出端分别连接第二光耦合器的其中一个端口和90°光混频器的一个输入端，所述第二光耦合器的另外两个端口分别连接1×N功分器的输入端和90°光混频器的另一个输入端，所述1×N功分器的N个输出端连接移相器阵列的N个输入端，移相器阵列的N个输出端连接光栅天线阵列的N个输入端，所述90°光混频器的四个输出端分别连接第一平衡探测器、第二平衡探测器的输入端。
2.如权利要求1所述的一种三维固态激光雷达芯片，其特征在于：所述激光器、第一光放大器、第二光放大器采用可与硅光芯片片上集成的材料制作，其材料包括基于III-V族工艺平台制备的磷化铟、砷化镓、氮化镓。
3.如权利要求1所述的一种三维固态激光雷达芯片，其特征在于：所述第一微环谐振腔、第二微环谐振腔、第一光耦合器、第二光耦合器、90°光混频器、1×N功分器、移相器阵列、光栅天线阵列、第一平衡探测器和第二平衡探测器为基于硅光工艺平台制备的器件。
4.如权利要求1所述的一种三维固态激光雷达芯片，其特征在于：所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔用于通过生成耗散克尔孤子将激光器输出的线性调频信号激发出多个梳状边带，产生线性扫频的光频梳信号；所述第一微环谐振腔和第二微环谐振腔的微环的半径尺寸大小不同，分别对应不同光频梳重复频率。
5.如权利要求1所述的一种三维固态激光雷达芯片，其特征在于：所述第一平衡探测器对和第二平衡探测器对频率响应覆盖激光雷达所有中频信号。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的三维固态激光雷达芯片的探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、激光器产生线性调频的光信号送入第一光耦合器的输入端，第一光耦合器将所述光信号分成两路并分别送入第一微环谐振腔和第二微环谐振腔；
步骤2、线性调频的光信号激发所述第一微环谐振腔产生线性扫频的探测光频梳信号，激发所述第二微环谐振腔产生线性扫频的参考光频梳信号，并将探测光频梳信号和参考光频梳信号分别送入第一光发大器和第二光放大器中进行放大；放大的探测光频梳信号通过第二光耦合器送入1×N功分器，放大的参考光频梳信号送入90°光混频器；
步骤3、1×N功分器将所述放大的探测光频梳信号均分成N路，从1×N功分器的输出端分别送入数目为N的移相器阵列，移相器阵列对N路探测光频梳信号进行相位调控，N路相位调控的探测光频梳信号从移相器阵列的N个输出端送入数目为N的光栅天线阵列的输入端，探测光信号通过光栅天线阵列辐射到空间中；
步骤4、探测光信号遇到目标后反射回光栅天线阵列得到接收光信号，所述接收光信号由光栅天线阵列送入移相器阵列，由移相器阵列送入1×N功分器的N个端口，再经过第二光耦合器送入90°光混频器；
步骤5、接收光信号与参考光信号进入第一平衡探测器和第二平衡探测器完成相干检测得到携带目标信息的复中频信号，对复中频信号进行信号采集后，基于雷达信号算法获取目标三维空间分布及速度信息。
7.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于：所述步骤1中，激光器产生线性调频的光信号的线性调频方法包括但不限于锯齿波线性调频、三角波线性调频、分段线性调频。
8.如权利要求6所述的探测方法，其特征在于：所述步骤3中，光栅天线阵列中的单个光栅天线基于频率色散控制探测光信号的不同梳齿扫频子信号波束在θ平面上同时指向2M+1个不同方向，其中M为单边光频梳梳齿个数，得到2M+1个指向不同方向的探测子光信号，实现光波束在θ平面这一个维度上的扫描，同时通过调控移相器阵列相邻通道相位实现光波束在垂直于θ平面方向另一个维度上的扫描。
9.一种基于权利要求1-5任一项所述的三维固态激光雷达芯片的探测***，其特征在于：所述***包括所述三维固态激光雷达芯片和信号采集与处理单元，所述信号采集与处理单元与所述三维固态激光雷达芯片中的第一平衡探测器和第二平衡探测器的射频输出端连接；
所述三维固体激光雷达芯片基于光频梳色散机理和移相器阵列相位调控，用于实现激光雷达在两个维度对目标同时扫描；所述信号采集与处理单元用于采集并处理所述三维固体激光雷达芯片扫描得到的目标信息，结合调频连续波雷达探测技术和相干接收实现目标距离、位置及速度信息获取。
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