[发明专利]一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统

说明书

本发明提供一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统，包括基于硅光相控阵的多线发射模块，所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束，且每个准直光束的角度指向不同，角度间隔遵循预设方式，所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块。本发明的硅光相控阵多线发射模块能够发射竖向排列的多个不同出射角度的准直光束，通过集成的氮化硅波导模块和硅波导模块确保多个光束输出功率较高，即多个准直光束发射、每个准直光束功率密度高，能量集中，探测距离较远，该光学相控阵激光雷达不需要宽谱段可调谐激光器即可完成探测，对光源要求低，不需要高成本宽谱段可调谐激光器即可完成三维场景的探测和感知。

技术领域

本发明涉及光学领域，具体为一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统。

背景技术

硅基光学相控阵是通过CMOS兼容的加工工艺，将复杂的光学元件集成到单颗芯片中，实现光束指向的控制。因此基于硅光相控阵技术的激光雷达具有集成度高、可芯片化集成的特点，能够极大的降低产品的生产成本、提高适用性，被认为是下一代调频连续波(FMCW)固态激光雷达的主要技术发展方向。

调频连续波激光雷达的基本原理是将单个功率较高、出射角度可操纵的准直光束发射到自由空间中，当光束照射到目标物体表面一点后产生漫反射，随后反射信号被光学系统收集并与本振信号拍频后进入探测单元，通过算法对探测单元输出的拍频信号解调即可得到该反射点的距离信息和速度信息。

目前，主流的激光雷达利用MEMS技术或机械方式对光束指向进行控制，从而获得探测视场内二维场景的距离信息和速度信息。其中所述激光器的输出波长在中心波长位置附近连续变化，且变化范围极小。因此可以采用普通的窄线宽激光器，上述激光器可通过改变注入电流或改变腔内温度实现小范围的波长调制。

但是，上述技术集成度较低，没有完全固态化，整体成本难以控制，硅光相控阵技术具有实现全固态化的潜力，但是传统相控阵的激光雷达方案具有成本较高、输出功率受限、实现困难的缺点，具体可以解释如下：

从大领域来看，激光雷达技术逐渐转向固态化，提供了全固态方案，传统激光雷达存在集成度低、成本高、尺寸大的缺点。硅基光学相控阵技术可以对出射光束的指向进行二维操控，但在实际应用时，一般采用波导光栅阵列生成单个近似准直光束。通过改变入射光波长，可以实现纵向的角度调控，阵列的相位调控则可以操控光束横向出射角度，结合两种调控方式，可以在二维平面调整光束指向，出射的单个准直光束照射到物体表面一点后，通过探测模块接收反射光并进行处理可以获得该点的距离信息。

上述方案存在以下几个问题：1、上述方案中要求激光器波长调谐范围较大(100nm)才能实现纵向20°的光束偏转范围，因此对激光器的成本要求极高，难以降低成本。需要寻找一种能够兼容普通激光器(波长可以调节，但范围极小，例如商用的DFB激光器)的雷达方案来降低整体成本。2、传统纯硅波导的硅光相控阵由于双光子吸收和非线性效应难以承载较高的光功率，从而导致发射模块输出功率较低，探测距离受限。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于准直光束的侦测系统和方法、激光雷达系统，具有准直光束功率密度高，能量集中，探测距离较远的优点。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种基于准直光束的侦测系统，包括硅光相控阵多线发射模块，所述硅光相控阵多线发射模块生成竖直方向排列的多个准直光束，且每个准直光束的角度指向不同，角度间隔遵循预设方式；

所述硅光相控阵多线发射模块包括集成的氮化硅波导模块和硅波导模块，所述氮化硅波导模块用于对大功率信号进行耦合和分光，硅波导模块用于调控发射低功率信号，进而提高准直光束输出功率；

还包括多个级联的波导光栅，并形成阵列形式，多个级联的波导光栅将发射准直光束调整为多个竖直排列的准直光束，提高单点的功率密度。