[发明专利]基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达

说明书

一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源、环形器、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片和控制系统。本发明具有全固态结构，无机械运动部件，可靠性高；相控阵技术确保了微秒级的光束扫描速度，能实现快速光束扫描；光信号通过集成相控阵芯片上的垂直光栅发射时，发射角度与信号波长相关，而奈奎斯特脉冲具有有限的谱宽，因此光信号通过垂直光栅发射时，可以获得较小的发散角，提高了激光雷达的空间分辨率。

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达。具体是一种利用奈奎斯特脉冲的有限频谱宽度，实现较小光束发散角的集成激光雷达。

背景技术

激光雷达在测距、无人驾驶等领域具有重要价值。利用激光雷达测距可以提供环境中物体的距离信息，为后续决策提供依据。一种典型的激光雷达技术是基于脉冲飞行时间的方案：通过发射一个激光脉冲，并测量激光脉冲从发射到经被测物反射再到最终被接收所经过的飞行时间，即可计算出被测物的距离。

目前已经报道的基于飞行时间技术的激光雷达主要采用以下几种设计：

方法1：采用高斯型的光脉冲结合机械扫描镜。高斯型的光脉冲经准直后通过机械扫描镜改变发射角度，实现对远处目标的测距和成像。这种方案是目前最广泛使用的方案之一，但是由于采用了机械部件，扫描速度较低，且对振动等影响较敏感，长期稳定性也较差。

方法2：采用高斯型的光脉冲结合集成相控阵芯片。光脉冲耦合到集成相控阵芯片，并经由芯片上的光栅进行发射。通过改变相控阵上各个单元之间的相位关系，可以实现光束的扫描，从而实现对目标的测距和成像。这种方案由于具有集成特性，且没有机械部件，受到了广泛关注。但高斯型光脉冲虽然可以获得很窄的脉宽，但具有很宽的频谱，导致经过光栅发射后的光束发散角较大，无法获得很好的空间分辨率。

总之，以上的设计或者在扫描速度、稳定性，或者在光束发散角等方面受到限制。因此，需要一种装置能够兼顾扫描速度、稳定性和光束发散角的需求，实现可靠的激光雷达。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，该激光雷达是能够同时兼顾扫描速度、稳定性和光束发散角的激光雷达。

为了解决上述问题，本发明的技术解决方案如下：

一种基于奈奎斯特脉冲的集成激光雷达，其特点在于，包括奈奎斯特脉冲光源、环形器、具有垂直发射光栅的集成光相控阵芯片和控制系统；

所述的奈奎斯特脉冲光源的输出端与所述的环形器的输入端口相连，所述的环形器的双向端口与所述的集成光相控阵芯片的光学输入端相连，所述的环形器的输出端口与所述的控制系统的第二输入端口相连，所述的奈奎斯特脉冲光源的参考信号输出端与所述的控制系统的第一输入端口相连，所述的控制系统的控制端信号输出端与所述的集成光相控阵芯片的电学输入端相连，在所述的控制系统的控制端信号的控制下，所述的集成光相控阵芯片的分路器将输入光信号分成多路，经电控移相器改变每路光的相位，使光信号通过垂直发射光栅发射，在远场形成不同的光束角度，实现扫描；同时被测物反射的光束中与发射光束共光路的部分会被芯片接收。

所述的奈奎斯特脉冲光源是一种能够产生奈奎斯特激光脉冲的装置，奈奎斯特脉冲具有矩形的频谱，其时域脉冲波形具有sinc函数(即sin(x)/x)的形状。

所述的奈奎斯特脉冲光源的参考信号输入到控制系统的第一输入端口，用于提供激光测距的参考时间，所述的环形器的输出端口将集成光相控阵芯片接收到的返回光脉冲输入到控制系统，所述的控制系统通过比较参考时间与返回光脉冲的到达时间，即可计算出光脉冲的飞行时间，从而计算出被测物的距离。

所述的奈奎斯特脉冲光源与环形器之间通过空间光或光纤耦合。

所述的奈奎斯特脉冲光源与控制系统之间通过电缆或者光纤连接。