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透镜辅助的集成收发调频连续波激光雷达.docx
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摘要
基于单片集成收发芯片搭建了一个透镜辅助光束扫描的激光雷达系统。基于硅基集成技术
设计了一个单片集成收发芯片,片上集成了一个 1×4 的光开关以及 2×2 的收发器阵列。收
发器由中间的一个光栅发射器以及周围的 U 形光电探测器构成。实验证明,光开关具有 5.4
μs 左右的响应时间,收发器具有 0.3 A/W 的光电流响应。结合研制的具有 300 ns 响应时间
的扫描电控装置,搭建了调频连续波激光雷达系统,并在 1 m 范围内进行了测距实验。
Abstract
Based on a monolithic transceiver chip, a lens-assisted beam scanning lidar system is
built. The monolithic transceiver chip is fabricated based on silicon-based integration
technology, which integrates a 1×4 optical switch and 2×2 transceiver array. The
transceiver consists of a grating transmitter in the middle and a surrounding U-shaped
photodetector. The experimental results show that the response time of optical switch is
about 5.4 μs, and the photocurrent response of the transceiver is 0.3 A/W. Combined
with our self-developed scanning electronic control device with the response time of 300
ns, a frequency modulated continuous wave lidar system is realized, and the ranging
experiment is carried out in the range of 1 m.
1 引言
激光探测和测距在自动驾驶、空间探测和成像等方面显示出巨大的潜力。与传统的机械式
激光雷达相比,全固态激光雷达在扫描速度、体积和稳定性等方面具有显著优势。为了实现
非机械式的扫描,国内外很多课题组提出了解决方案,包括基于微机电系统
[1-4]
、光学相控阵
[5-
15]
、液晶器件
[16-18]
和透镜辅助的光束扫描(LABS)
[19-26]
等方案。在 LABS 激光雷达系统中,通
过选择发射光栅阵列的不同发射单元配合透镜来实现二维的光束扫描。通过控制片上光开
关网络将输入光引导到不同的发射器上,再由透镜对发射器阵列发射的光进行准直和偏转,
其中发射光的传播方向由所选发射器的相对位置决定。因此,可以通过控制片上光开关网络
实现光束扫描,LABS 激光雷达在光束质量、控制复杂度和功耗等方面都具有一定的优势。
对于收发独立的雷达系统来说,光束的扫描和接收需要两套独立的器件。一方面,两套器件
会增加系统尺寸和复杂度。另一方面,扫描和接收装置需要进行协同对准校正。对于 LABS
激光雷达来说,由于扫描原理上的特点,反射光会按照发射的光路返回,故十分需要一种收发
一体并且包含光开关的紧凑结构。一个收发一体的扫描芯片可以极大地减小系统的体积与
复杂程度,提高工作的稳定性。此外,扫描控制是激光雷达需要重点关注的一个方面。对于
激光雷达的应用来说,大阵列的扫描需要一个复杂度较低且响应速度较快的方案。目前已有
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87489753/bg2.jpg)
的是采用脉冲宽度调制的方式来控制切换,这种方式具有较慢的响应速度且电压控制精度较
低,故很难满足激光雷达快速切换的需求。
本文研究了收发一体的集成收发器芯片,结合扫描电控装置实现了快速扫描且紧凑的 LABS
激光雷达,并采用调频连续波(FMCW)对其测距效果进行了验证。集成收发器芯片单片集成
了一个光开关网络与收发器阵列,片外仅需要提供光源以及透镜。收发器中间为一个发射光
栅,周围为一个 U 形的光电探测器(PD),经实验测量可以完成高效的光束发射与接收。由于
采用了二叉树结构的光开关网络,故 LABS 激光雷达具有 O(log
2
N)的控制复杂度,其中 N 为
总的输出端口。为了实现芯片的高速响应、任意扫描和数字编程扫描,本文搭建了一种基于
现场可编程门阵列(FPGA)精确控制数模转换芯片(DAC)多路模拟电压输出和同步控制多路
复用器阵列的电控装置。基于一个 2×2 的收发集成芯片和扫描电控装置搭建了一个
FMCW 激光雷达系统,并在此系统上进行了测距的验证。本工作将为基于 LABS 技术的单
片集成激光雷达的实用化打好基础。
2 收发与探测原理
2.1 透镜辅助的光束扫描激光雷达原理
LABS 激光雷达原理如图 1(a)所示,扫描芯片单片集成了一个 1×N 的光开关网络以及一个收
发器阵列,该图中 N=4。每一个收发器单元的中间为一个光栅发射器,周围为一个 U 形的
PD。1×N 光开关网络的输出连接着具有 N 个收发器的光栅发射器,控制光开关网络可以将
输入光路由到某个特定的发射器上。同时,在收发器阵列上方放置了一个透镜,透镜的焦平
面与收发器阵列平面重合。
光束发射与偏转原理示意图如图 1(b)所示。对光开关网络进行控制可以将耦合到片上的输
入光引导到某个特定的光栅发射器上,随后光束照射到透镜的不同位置并被偏转到不同方
向。通过对 1×N 光开关网络的控制,可将输入光路由到 N 个输出通道中的任意一个,可以实
现设计范围内离散的任意位置扫描。由于发射光栅阵列处于透镜的焦平面上,故从不同光栅
发射的光束会在透镜的另一端聚集于一点 S。此时,S 可被视为一个虚拟光源,从不同光栅发
射的光束相当于从 S 点发射到不同的方向。因此,最大偏转角度 θ
[27]
为
θ=2arctanL2f,(1)θ=2arctanL2f,(1)
式中:L 为发射光栅阵列的长度;f 为透镜焦距。同理可得相邻发射光栅扫描角度差 Δθ
[27]
为
Δθ=arctanhf,(2)Δθ=arctanhf,(2)
式中:h 为相邻发射光栅的间距。光束发散角 θD[27]θD[27]为
θD=arctanwef,(3)θD=arctanwef,(3)
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式中:w
e
为光栅发射光束的光斑尺寸。发散角 θ
D
的大小表明当光束在自由空间中传播时,其
光斑尺寸变化的速度。
回波光束接收示意图如图 1(c)所示,其中 w
r
为反射光束的光斑尺寸。当光束遇到物体被反
射时,反射光会按照与发射光相同的路径照射到透镜上并被聚焦,同时照射到发射时相同的
位置处。由于经过空间传播以及反射,因此反射光束在芯片上形成的光斑会具有更大的尺
寸,此时围绕在光栅周围的 U 形 PD 就能接收到发射光。另外,透镜采用平凸透镜,透镜中的
平面会对发射光束产生反射,被反射的光束同样会照射到探测器上,故被目标物体反射的光
和被透镜平面反射的光会在空间上交叠,进而可以实现对回波信号的相干探测。有关 LABS
的详细理论,具体可参见本团队的前期工作
[27]
。
图 1. LABS 原理图。(a) 2×2 集成扫描芯片结构图;(b)光束发射与偏转原理示意图;(c)回波
光束接收示意图
Fig. 1. Schematic diagram of LABS. (a) Structural diagram of 2×2 integrated scanning
chip; (b) schematic diagram of beam emission and deflection; (c) diagram of echo
beam reception
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2.2 调频连续波测距原理
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