一种调频连续波激光雷达的制作方法

1.本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种调频连续波激光雷达。


背景技术：

2.激光雷达（laser detection and ranging, lidar）是一种利用激光进行目标探测的遥感技术。与微波雷达相比，激光雷达的发射信号波长更短，位于光频波段，因此具有更好的方向性和空间分辨率。
3.激光雷达的探测机制主要有两种：非相干探测和相干探测。非相干探测属于直接探测，通过对回波信号的强度进行直接探测，从而解析出反射物的距离、反射率等信息，该探测方式原理简单，广泛应用于飞行时间（time of flight，tof）激光雷达和调幅连续波激光雷达。与非相干探测相对，相干探测属于间接探测，其利用外差、内差或者零差检测的方法，得到回波信号与本振信号的频率或者相位差，并由此解析出反射物的距离、反射率和瞬时速度等信息。调频连续波（frequency modulated continuous waye，fmcw）激光雷达属于相干探测型激光雷达，由于其固有的高灵敏度特性使其可以工作在比tof更低的发射功率下，差频信息中包含的多普勒信息也使其具有瞬时速度测量的能力。
4.调频连续波激光雷达现在面临的难题之一是走离效应，即，在飞行时间内，扫描部件持续工作，导致回波光的回波路径与发射光发射路径出现偏移，且偏移量与扫描部件的扫描速度和被测物与发射点的距离相关，这就导致回波光的接收效率很低，继而使得探测距离受限。
5.解决走离效应的问题，增大发射光功率是最简单的方式，但是该方式不仅对激光器出光要求、光放大器的放大要求很高，而且功耗和成本随之增大。多波导接收的方案能最大程度保证回波光的接收效率，但是接收通道数的增加，使后端的硬件资源消耗和信号处理难度极大地增加。


技术实现要素：

6.为解决现有技术的至少一个技术问题，本发明提供一种调频连续波激光雷达。
7.为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种调频连续波激光雷达，包括：光引擎，所述光引擎包括封装在壳体内部的光源模块、硅光芯片和tia模块；导光与整形模块，与所述硅光芯片连接，用于出射光与回波光的传输引导和光束整形；驱动模块，与所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块连接，所述驱动模块为所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块提供驱动信号；信号处理模块，与所述tia模块连接，用于处理tia模块放大后的拍频电压信号，以得到目标物的距离与速度信息。
8.进一步地，所述光源模块包括激光器和放大器；
所述激光器为窄线宽激光器；所述放大器为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。
9.进一步地，所述硅光芯片集收发信号为一体，所述硅光芯片包括模斑转换器、分光模块、收发探测模块和非线性校准模块。
10.进一步地，所述模斑转换器分别与所述光源模块和所述分光模块连接，所述模斑转换器用于光源模块与硅光芯片的耦合。
11.进一步地，所述分光模块用于将经模斑转换器耦合进入硅光芯片的光能量分成n+1份，其中，n份光能量进入所述收发探测模块中，一份光能量进入所述非线性校准模块中，n≥1；所述分光模块由若干个分光器组成。
12.进一步地，所述收发探测模块与所述分光模块、所述tia模块和所述导光与整形模块连接，用于光束的发射与接收、以及探测；所述收发探测模块由n个收发探测单元模块构成，n≥1。
13.进一步地，所述收发探测单元模块包括天线、混频器和平衡探测器；所述天线采用光栅型天线。
14.进一步地，所述天线包括发射天线和接收天线；所述收发探测单元模块还包括耦合器，其中，所述发射天线分别与所述分光模块、所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述接收天线分别与所述导光与整形模块和所述混频器连接，所述混频器还与所述耦合器和所述平衡探测器连接，所述平衡探测器与所述tia模块连接。
15.进一步地，所述天线包括发射天线、接收天线x和接收天线y；所述混频器包括混频器x和混频器y；所述平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；所述收发探测单元模块还包括耦合器、均分器和偏振旋转器，其中，所述发射天线分别与所述分光模块、所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述均分器分别与所述耦合器、所述混频器x和所述混频器y连接，所述接收天线x分别与所述导光与整形模块和所述混频器x，所述接收天线y分别与所述导光与整形模块和所述偏振旋转器连接，所述偏振旋转器还与所述混频器y连接，所述平衡探测器x分别与所述混频器x和所述tia模块连接，所述平衡探测器y分别与所述混频器y和所述tia模块连接。
16.进一步地，所述天线为收发天线；所述收发探测单元模块还包括2x2分光器，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块连接，所述平衡探测器分别与所述混频器和所述tia模块连接。
17.进一步地，所述天线为收发天线；所述收发探测单元模块还包括2x2分光器和耦合器，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述耦合器还与所述混频器连接，所述平衡探测器分别与所述混频器和所述tia模块连接。
18.进一步地，所述天线包括收发天线和接收天线；
所述混频器包括混频器x和混频器y；所述平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；所述收发探测单元模块还包括括2x2分光器、耦合器和偏振旋转器，其中，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器x和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块和耦合器连接，所述接收天线分别与所述导光与整形模块和所述偏振旋转器连接，所述混频器y分别与所述耦合器、所述偏振旋转器和所述平衡探测器y，所述平衡探测器y还与所述tia模块连接，所述平衡探测器x分别与所述混频器x和所述tia模块连接。
19.进一步地，所述非线性校准模块与所述分光模块和所述tia模块连接，用于对光源的调频非线性进行校准；所非线性校准模块包括分光器、波导延时线、混频器和平衡探测器。
20.进一步地，所述导光与整形模块用于出射光与回波光的传输引导和光束整形，所述导光与整形模块选自环形器、调光镜组、光束扫描模块、偏振分束器、反射镜中的一个或多个。
21.由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明在不额外增加资源消耗的前提下，提高回波光接收效率，降低走离效应对激光雷达探测距离的影响，提升探测距离，提高了光源功率利用效率。
附图说明
22.图1为实施例一中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图2为实施例一中非线性校准模块的连接框图；图3为光栅型天线与端面耦合型天线偏移引起的额外耦合损耗的数据图；图4为实施例二中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图5为实施例二中在硅光芯片光中天线与耦合器结构布置以及光路图；图6为实施例三中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图7为实施例三中在硅光芯片光中天线与耦合器结构布置以及光路图；图8为实施例四中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图9为实施例四中在硅光芯片光中天线与耦合器结构布置以及光路图；图10为实施例五中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图11为实施例五中在硅光芯片光中天线与耦合器结构布置以及光路图；图12为实施例六中一种调频连续波激光雷达的连接框图；图13为实施例六中在硅光芯片光中天线与耦合器结构布置以及光路图。
具体实施方式
23.为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步地详细描述，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
24.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的
具体实施例的限制。
25.实施例一参照图1和图2，本发明提供了一种调频连续波激光雷达，包括光引擎、导光与整形模块、驱动模块和信号处理模块，其中，光引擎包括封装在壳体内部的光源模块、硅光芯片和tia模块，导光与整形模块与硅光芯片连接，用于出射光与回波光的传输引导和光束整形，驱动模块分别与光源模块、硅光芯片和导光与整形模块连接，用于分别向光源模块、硅光芯片和导光与整形模块提供工作驱动信号，信号处理模块与tia模块连接，用于处理tia模块放大后的拍频电压信号，以得到目标物的距离与速度信息。
26.光源模块用于提供相干调频信号，该相干调频信号可以是光纤输出，也可以是透镜耦合输出。
27.光源模块包括激光器和放大器。
28.优选地，激光器为窄线宽激光器；放大器为掺铒光纤放大器（erbium doped fiber amplifier，edfa）或半导体光放大器（semiconductor optical amplifier，soa）。
29.硅光芯片集收发信号为一体，硅光芯片包括模斑转换器、分光模块、收发探测模块和非线性校准模块。
30.模斑转换器分别与光源模块和分光模块连接，模斑转换器用于光源模块与硅光芯片的耦合。
31.分光模块用于将经模斑转换器耦合进入硅光芯片的光能量分成n+1份，其中，n份光能量进入收发探测模块中，一份光能量进入非线性校准模块中，n≥1。各份分光比例根据目标测距距离、光束扫描模块扫描频率等指标做优化设计。分光模块由若干个分光器组成。
32.收发探测模块与分光模块、tia模块和导光与整形模块连接，用于发射光束、接收光束以及探测，收发探测模块由n个收发探测单元模块构成，n≥1，n由激光雷达整机的角分辨率、点频等参数决定。
33.收发探测单元模块包括天线，天线采用光栅型天线。
34.相对于端面耦合型天线，光栅型天线有更大的对准容差，对于降低走离效应对接收效率的影响有正向作用，同时还可以将光栅的背向衍射光利用起来作为本振光，提高光功率利用率。
35.常规端面耦合器与光栅耦合器在与标准单模光纤的模式做耦合时，光纤模式的偏移引起的额外耦合损耗的数据如图3所示。图中偏移量为0um，即为两种耦合器与光纤模式耦合到最佳状态，额外耦合损耗为发生偏移时的耦合效率与最佳状态下的耦合效率之差。以-1db额外损耗为例，端面耦合器和光栅耦合器的偏移量约为1um和5um，即光栅耦合器的光纤模式在最佳状态
±
2.5um范围内偏移，额外损耗小于1db，相比之下，要保证额外损耗小于1db，端面耦合器的光纤模式只能在最佳状态
±
0.5um的范围内偏移。由此说明，光栅耦合器比端面耦合器具有更好的对准容差，这一特性在调频连续波激光雷达中，对降低走离效应对接收效率的影响有非常好的正向作用。
36.收发探测单元模块还包括混频器，混频器用于将回波光与本振光以一定的相位差做频率混合，回波光与本振光的相位差可以是90
°
，也可以是180
°
。
37.收发探测单元模块还包括平衡探测器，收发探测模块中的回波光与本振光或非线性校准模块中的长延时光与短延时光，经混频器混频后，进入平衡探测器中进行外差探测。
非线性校准模块与分光模块和tia模块连接，用于对光源的调频非线性进行校准，以提高调频曲线线性度，提高激光雷达整机的探测距离精度。非线性校准模块包括分光器、波导延时线、混频器和平衡探测器。
38.tia模块用于将平衡探测器输出的拍频电流信号转化为放大后的电压信号。tia模块由n+1个tia单元组成，其中n个用于收发探测模块，1个用于非线性校准模块。
39.导光与整形模块用于出射光与回波光的传输引导和光束整形，导光与整形模块选自环形器、调光镜组、光束扫描模块、偏振分束器、反射镜中的一个或多个。
40.其中，环形器用于将从发射天线射出的出射光导向调光镜组，还用于将经调光镜组反馈的回波光从回波端口导出，并通过反射镜反射导向接收天线。优选地，环形器为大口径空间光环形器。
41.调光镜组用于将经环形器出射的出射光进行扩束准直后向光束扫描模块传输，以提高光束的方向性；调光镜组还用于将经光束扫描模块反射回的回波光进行缩束聚焦后射向环形器，以提高回波光的接收效率。
42.光束扫描模块用于接收经调光镜组扩束准直后的出射光，并将出射光投射至目标物，还用于接收目标物反射回的回波光，并将回波光投射至调光镜组做缩束聚焦。光束扫描模块可以是摆镜、转镜、mems微振镜等，也可以是上述几种的组合。
43.由于目标物的退偏效应，回波光中包含x和y两个正交的偏振态，其中x偏振态与本振光一致，y偏振态与本振光正交。偏振分束器应用于偏振分集探测系统中，用于将回波光分成前述x和y偏振态，继而对两个偏振态分别做探测。
44.反射镜用于反射回波光，以提高接收天线的接收效率。为进一步保证接收天线的接收效率，反射镜可以配备角度可调电机，不同距离目标物的回波光采用不同的反射角度。
45.本发明的检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合后进入硅光芯片，由分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的n个接收天线接收，接收到的n路回波光与收发探测模块中的n路本振光相干探测输出n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，信号处理模块对放大后的拍频电压信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
46.实施例二参照图4和图5，在实施例一的基础上，天线包括发射天线和接收天线，发射天线和接收天线均为光栅型天线。优选地，发射天线和接收天线可以采用变迹光栅，以提高回波光的接收效率。
47.收发探测单元模块还包括耦合器，其中，发射天线分别与分光模块、导光与整形模块和耦合器连接，接收天线分别与导光与整形模块和混频器连接，混频器还与耦合器和平衡探测器连接，平衡探测器与tia模块连接。
48.光源模块分出的光经发射天线，部分射向导光与整形模块形成出射光，部分以背向衍射光的形式被耦合器耦合进入波导形成本振光。目标物反射回的回波光被接收天线接收，与前述本振光经混频器混频后，进入平衡探测器，输出拍频光电流信号。需要说明的是，
由于退偏效应，回波光不仅包含与出射光一致的偏振分量，还包括部分与出射光正交的偏振分量，且前者占比不小后者。本实施例采用单偏振接收的方式，即只接收与出射光偏振方向相同的那部分回波光。
49.硅光芯片包括自下而上依次叠层设置的衬底、埋氧层、第二波导层、第二包覆层、第一波导层和第一包覆层，其中发射天线和接收天线设置在第一波导层内，耦合器设置在第二波导层内。
50.由于光栅型发射天线固有的结构对称性，光束通过衍射向片外辐射的同时，也会有朝向对底的衍射分量。耦合器用于朝向衬底的衍射分量耦合进入波导中，并将进入波导中的光当作相干探测所必需的本振光。耦合器的存在，使得本振光不再需要在天线之前分出，光栅型天线固有的衍射损耗转化为本振光被利用起来，提高了光功率使用效率。
51.优选地，该耦合器为变迹光栅耦合器，变迹光栅耦合器可以提高发射天线的背向衍射光的耦合效率，增大本振光功率。
52.导光与整形模块包括环形器、调光镜组、光束扫描模块和反射镜，其中环形器分别与发射天线、接收天线和调光镜组连接，调光镜组与光束扫描模块连接，反射镜设置在环形器和接收天线之间，用于改变回波光的路径。出射光进入环形器的入光端口，并从出光端口导出，再经调光镜组整形后，导向光束扫描模块，最后射向远处的目标物。目标物反射回的反射光原路返回，经调光镜组缩束聚焦后进入环形器，并从环形器的回波端口导出，再经由反射镜反射进入接收天线。
53.本实施例的调频连续波激光雷达检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合进入硅光芯片，经分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的n个接收天线接收，接收到的n路回波光与收发探测模块中的n路本振光相干探测输出n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，对此电压信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
54.需要说明的是，由于退偏效应，回波光不仅包含与出射光一致的偏振分量，还包括部分与出射光正交的偏振分量，且前者占比不小后者。
55.本实施例采用单偏振接收的方式，即只接收与出射光偏振方向相同的那部分回波光。
56.实施例三参照图6和图7，在实施例一的基础上，天线包括发射天线、接收天线x和接收天线y，其中发射天线、接收天线x和接收天线y均为光栅型天线。优选地，接收天线x和接收天线y可以采用变迹光栅，以提高回波光的接收效率。
57.混频器包括混频器x和混频器y；平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；收发探测单元模块还包括耦合器、均分器和偏振旋转器，其中，发射天线分别与分光模块、导光与整形模块和耦合器连接，均分器分别与耦合器、混频器x和混频器y连接，接收天线x分别与导光与整形模块和混频器x，接收天线y分别与导光与整形模块和偏振旋转器连接，偏振旋转器还与混频器y连接，平衡探测器x分别与混频器x和tia模块连接，平衡探
测器y分别与混频器y和tia模块连接。
58.偏振旋转器用于将回波光y旋转为与本振光一样的偏振态，从而使后端混频器正常工作。
59.光源模块分出的光经发射天线，部分射向导光与整形模块形成出射光，部分以背向衍射光的形式被耦合器耦合、均分器均分形成本振光x和本振光y。目标物反射回的回波光被导光与整形模块中的偏振分束器分成两个偏振态正交的回波光x和回波光y，并分别被接收天线x和接收天线y接收，继而与前述本振光x和y本振光y分别经混频器x和混频器y混频后，进入平衡深测器x和y平衡探测器y，输出两路拍频光电流信号。需要特别说明的是，由于回波光y与本振光y的偏振正交，故需要先将回波光y使用偏振旋转器旋转为与本振光y相同的偏振态。
60.硅光芯片包括自下而上依次叠层设置的衬底、埋氧层、第二波导层、第二包覆层、第一波导层和第一包覆层。其中，发射天线、接收天线x和接收天线y均设置在第一波导层内，耦合器设置在第二波导层内。
61.由于光栅型发射天线固有的结构对称性，光束通过衍射向片外辐射的同时，也会有朝向对底的衍射分量。耦合器用于朝向衬底的衍射分量耦合进入波导中，并将进入波导中的光当作相干探测所必需的本振光。耦合器的存在，使得本振光不再需要在天线之前分出，光栅型天线固有的衍射损耗转化为本振光被利用起来，提高了光功率使用效率。
62.优选地，该耦合器为变迹光栅耦合器，变迹光栅耦合器可以提高发射天线的背向衍射光的耦合效率，增大本振光功率。
63.导光与整形模块包括环形器、调光镜组、光束扫描模块、偏振分束器、反射镜x和反射镜y。其中，环形器分别与发射天线、偏振分束器和调光镜组连接，调光镜组与光束扫描模块连接，偏振分束器分别与接收天线x和接收天线y连接，反射镜x设置在偏振分束器和接收天线x之间，反射镜y设置在偏振分束器和接收天线y之间。
64.出射光进入环形器的入光端口，并从出光端口导出，再经调光镜组整形后，导向光束扫描模块，最后射向远处的目标物。目标物反射回的反射光原路返回，经调光镜组缩束聚焦后进入环形器，并从环形器的回波端口导出，再经偏振分束器分成偏振正交的回波光x和回波光y，最后分别被反射镜x和反射镜y导向接收天线。
65.本实施例的调频连续波激光雷达检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合进入硅光芯片，经分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的2n个接收天线接收，接收到的2n路回波光与收发探测模块中的2n路本振光相干探测输出2n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，对此电压信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
66.本实施例采用偏振分集的方式，即将回波光中的两个正交偏振态分开接收，并在信号处理模块中做集合处理。
67.实施例四参照图8和图9，在实施例一的基础上，天线采用收发天线。收发天线为收发同路型天线，用于将片内光射向片外，也用于将片外回波光耦合进片内。收发天线采用光栅型天
线，光栅型收发天线能够降低走离效应对接收效率的影响，提高回波光接收效率。优选地，收发天线可以采用变迹光栅，以进一步提高回波光的接收效率。
68.收发探测单元模块还包括2x2分光器，2x2分光器分别与分光模块、混频器和收发天线连接，收发天线还与导光与整形模块连接，平衡探测器分别与混频器和tia模块连接tia模块。
69.光源模块分出的光经2x2分光器分成两路，其中一路通过收发天线向外辐射，另外一路用作本振光。出射光经导光与整形模块射向目标物，目标物反射回的回波光被收发天线接收。经2x2分光器分光后的回波光与前述本振光经混频器混频，然后进入平衡探测器，输出拍频光电流信号。
70.硅光芯片包括自下而上依次叠层设置的衬底、埋氧层、第二波导层、第二包覆层、第一波导层和第一包覆层。其中，收发天线设置第一波导层，收发天线的出射光与回波光同轴、方向相反。
71.导光与整形模块包括调光镜组和光束扫描模块，调光镜组分别与收发天线和光束扫描模块连接。
72.出射光经调光镜组整形后导向光束扫描模块，然后射向远处的目标物。目标物反射回的反射光原路返回，经调光镜组缩束聚焦后进入收发天线。
73.本实施例的调频连续波激光雷达检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合进入硅光芯片，经分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的n个收发天线接收，接收到的n路回波光与收发探测模块中的n路本振光相干探测输出n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，对此电压信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
74.需要说明的是，本实施例发射与接收同轴，即天线在做发射的同时，也用作接收。
75.本实施例采用单偏振接收的方式，即只接收与出射光偏振方向相同的那部分回波光。
76.实施例五参照图10和图11，在实施例一的基础上，天线采用收发天线。收发天线为收发同路型天线，用于将片内光射向片外，也用于将片外回波光耦合进片内。收发天线采用光栅型天线，光栅型收发天线能够将提高光源光功率利用效率，降低走离效应对接收效率的影响，提高回波光接收效率。优选地，收发天线可以采用变迹光栅，以进一步提高回波光的接收效率。
77.收发探测单元模块还包括2x2分光器和耦合器，2x2分光器分别与分光模块、混频器和收发天线连接，收发天线还与导光与整形模块和耦合器连接，耦合器还与混频器连接，平衡探测器分别与混频器和tia模块连接。
78.光源模块分出的光经2x2分光器分成两路，其中一路通过收发天线向外辐射，另外一路无特殊用途。收发天线在向外辐射出射光的同时，部分能量以背向衍射光的形式被耦合器耦合进入波导用作本振光。出射光经导光与整形模块射向目标物，目标物反射回的回波光被收发天线接收。经2x2分光器分光后的回波光与前述本振光经混频器混频，然后进入
平衡探测器，输出拍频光电流信号。
79.硅光芯片包括自下而上依次叠层设置的衬底、埋氧层、第二波导层、第二包覆层、第一波导层和第一包覆层。其中，收发天线设置第一波导层，收发天线的出射光与回波光同轴、方向相反，收发天线的背向衍射光朝衬底方向传输，经过第二包覆层后，被位于第二波导层的耦合器耦合形成前述本振光。
80.导光与整形模块包括调光镜组和光束扫描模块，调光镜组分别与收发天线和光束扫描模块连接。
81.出射光经调光镜组整形后导向光束扫描模块，然后射向远处的目标物。目标物反射回的反射光原路返回，经调光镜组缩束聚焦后进入收发天线。
82.本实施例的调频连续波激光雷达检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合进入硅光芯片，经分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的n个收发天线接收，接收到的n路回波光与收发探测模块中的n路本振光相干探测输出n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，对此电压信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
83.需要说明的是，本实施例发射与接收同轴，即天线在做发射的同时，也用作接收。
84.本实施例采用单偏振接收的方式，即只接收与出余光偏振方向相同的那部分回波光。
85.实施例六参照图12和图13，在实施例一的基础上，天线包括收发天线和接收天线y，收发天线和接收天线y均为光栅型天线。优选地，接收天线y可以采用变迹光栅，以提高回波光的接收效率。
86.混频器包括混频器x和混频器y；平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；收发探测单元模块还包括括2x2分光器、耦合器和偏振旋转器，其中，2x2分光器分别与分光模块、混频器x和收发天线连接，收发天线还与导光与整形模块和耦合器连接，接收天线y分别与导光与整形模块和偏振旋转器连接，混频器y分别与耦合器、偏振旋转器和平衡探测器y，平衡探测器y还与tia模块连接，平衡探测器x分别与混频器x和tia模块连接。
87.光源模块分出的光经2x2分光器分成两路，一路通过收发天线向外辐射，另一路用作本振光x。收发天线在向外辐射出射光的同时，部分能量以背向衍射光的形式被耦合器耦合进入波导用作本振光y。出射光经导光与整形模块射向目标物。目标物反射回的回波光被导光与整形模块中的偏振分束器分成两个偏振态正交的回波光x和回波光y，并分别被收发天线和接收天线y接收，继而与前述本振光x和本振光y分别经混频器x和混频器y混频后，进入平衡探测器x和平衡探测器y，输出两路拍频光电流信号。需要特别说明的是，由于回波光y与本振光y的偏振正交，故需要先将回波光y使用偏振旋转器旋转为与本振光y相同的偏振态。
88.硅光芯片包括自下而上依次叠层设置的衬底、埋氧层、第二波导层、第二包覆层、第一波导层和第一包覆层。其中，收发天线和接收天线y设置在第一波导层内，耦合器设置
在第二波导层内。
89.由于光栅型发射天线固有的结构对称性，光束通过衍射向片外辐射的同时，也会有朝向对衬底的衍射分量。耦合器用于将朝向衬底的衍射分量耦合进入波导中，并将进入波导中的光当作相干探测所必需的本振光。耦合器的存在，使得光栅型天线固有的衍射损耗转化为本振光被利用起来，提高了光功率使用效率。
90.优选地，该耦合器为变迹光栅耦合器，变迹光栅耦合器可以提高收发天线的背向衍射光的耦合效率，增大本振光功率。
91.导光与整形模块包括偏振分束器、调光镜组、光束扫描模块和反射镜，其中偏振分束器分别与收发天线、接收天线y和调光镜组连接，调光镜组与光束扫描模块连接，反射镜设置在环形器和接收天线之间，用于改变回波光的路径。
92.出射光从偏振分束器的直通口进入，从入光口射出，再经调光镜组整形后，导向光束扫描模块，最后射向远处的目标物。目标物反射回的反射光原路返回，经调光镜组缩束聚焦后进入偏振分束器的入光口，从直通口射出的为回波光x，从耦合口射出的为回波光y。回波光x经收发天线进入片内，回波光y经反射镜反射射向接收天线y。
93.本实施例的调频连续波激光雷达检测过程如下：光源模块发出的调频光经模斑转换器耦合进入硅光芯片，经分光模块分成n+1路，其中n路分别进入n个收发探测单元模块，1路进入非线性校准模块。n个收发探测单元模块导出的出射光进入导光与整形模块，继而射向目标物。目标物的回波光射回导光与整形模块，并被收发探测模块中的2n个天线接收，接收到的2n路回波光与收发探测模块中的2n路本振光相干探测输出2n路拍频光电流信号，再经tia模块转化为放大后的拍频电压信号，对此电乐信号进行信号处理，即可得到目标物的速度与距离信息。
94.本实施例采用偏振分集的方式，即将回波光中的两个正交偏振态分开接收，并在信号处理模块中做集合处理。
95.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
96.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对上述实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的上述实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种调频连续波激光雷达，其特征在于，包括：光引擎，所述光引擎包括封装在壳体内部的光源模块、硅光芯片和tia模块；导光与整形模块，与所述硅光芯片连接，用于出射光与回波光的传输引导和光束整形；驱动模块，与所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块连接，所述驱动模块为所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块提供驱动信号；信号处理模块，与所述tia模块连接，用于处理tia模块放大后的拍频电压信号，以得到目标物的距离与速度信息。2.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述光源模块包括激光器和放大器；所述激光器为窄线宽激光器；所述放大器为掺铒光纤放大器或半导体光放大器。3.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述硅光芯片集收发信号为一体，所述硅光芯片包括模斑转换器、分光模块、收发探测模块和非线性校准模块。4.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述模斑转换器分别与所述光源模块和所述分光模块连接，所述模斑转换器用于光源模块与硅光芯片的耦合。5.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述分光模块用于将经模斑转换器耦合进入硅光芯片的光能量分成n+1份，其中，n份光能量进入所述收发探测模块中，一份光能量进入所述非线性校准模块中，n≥1；所述分光模块由若干个分光器组成。6.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述收发探测模块与所述分光模块、所述tia模块和所述导光与整形模块连接，用于光束的发射与接收、以及探测；所述收发探测模块由n个收发探测单元模块构成，n≥1。7.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述收发探测单元模块包括天线、混频器和平衡探测器；所述天线采用光栅型天线。8.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述天线包括发射天线和接收天线；所述收发探测单元模块还包括耦合器，其中，所述发射天线分别与所述分光模块、所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述接收天线分别与所述导光与整形模块和所述混频器连接，所述混频器还与所述耦合器和所述平衡探测器连接，所述平衡探测器与所述tia模块连接。9.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述天线包括发射天线、接收天线x和接收天线y；所述混频器包括混频器x和混频器y；所述平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；所述收发探测单元模块还包括耦合器、均分器和偏振旋转器，其中，所述发射天线分别
与所述分光模块、所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述均分器分别与所述耦合器、所述混频器x和所述混频器y连接，所述接收天线x分别与所述导光与整形模块和所述混频器x，所述接收天线y分别与所述导光与整形模块和所述偏振旋转器连接，所述偏振旋转器还与所述混频器y连接，所述平衡探测器x分别与所述混频器x和所述tia模块连接，所述平衡探测器y分别与所述混频器y和所述tia模块连接。10.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述天线为收发天线；所述收发探测单元模块还包括2x2分光器，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块连接，所述平衡探测器分别与所述混频器和所述tia模块连接。11.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述天线为收发天线；所述收发探测单元模块还包括2x2分光器和耦合器，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块和所述耦合器连接，所述耦合器还与所述混频器连接，所述平衡探测器分别与所述混频器和所述tia模块连接。12.如权利要求7所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述天线包括收发天线和接收天线；所述混频器包括混频器x和混频器y；所述平衡探测器包括平衡探测器x和平衡探测器y；所述收发探测单元模块还包括括2x2分光器、耦合器和偏振旋转器，其中，所述2x2分光器分别与所述分光模块、所述混频器x和所述收发天线连接，所述收发天线还与所述导光与整形模块和耦合器连接，所述接收天线分别与所述导光与整形模块和所述偏振旋转器连接，所述混频器y分别与所述耦合器、所述偏振旋转器和所述平衡探测器y，所述平衡探测器y还与所述tia模块连接，所述平衡探测器x分别与所述混频器x和所述tia模块连接。13.如权利要求3所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述非线性校准模块与所述分光模块和所述tia模块连接，用于对光源的调频非线性进行校准；所非线性校准模块包括分光器、波导延时线、混频器和平衡探测器。14.如权利要求1所述的调频连续波激光雷达，其特征在于，所述导光与整形模块用于出射光与回波光的传输引导和光束整形，所述导光与整形模块选自环形器、调光镜组、光束扫描模块、偏振分束器、反射镜中的一个或多个。

技术总结
本发明公开了一种调频连续波激光雷达，包括：光引擎，所述光引擎包括封装在壳体内部的光源模块、硅光芯片和TIA模块；导光与整形模块，与所述硅光芯片连接，用于出射光与回波光的传输引导和光束整形；驱动模块，与所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块连接，所述驱动模块为所述光源模块、所述硅光芯片和所述导光与整形模块提供驱动信号；信号处理模块，与所述TIA模块连接，用于处理TIA模块放大后的拍频电压信号，以得到目标物的距离与速度信息。本发明在不额外增加资源消耗的前提下，提高回波光接收效率，降低走离效应对激光雷达探测距离的影响，提升探测距离，提高了光源功率利用效率。源功率利用效率。源功率利用效率。


技术研发人员：张轲 张森林 郑秀 朱南飞
受保护的技术使用者：赛丽科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/9/9