基于硅基相控阵的一维光束偏转研究

发布时间：2021-03-08 18:43

　　半个世纪以来,随着硅基半导体芯片的发展,这种成熟的芯片制造技术越来越受到人们的重视。即使是传统的激光雷达技术,最近也将这种技术平台视为较优的选择。由于自动驾驶和机器人技术的发展,激光雷达系统已经被推到一个较高的水平。然而,目前大多数激光雷达系统仍采用分立自由空间光学元件,并使用机械装置进行波束控制。这种实现方案在本质上限制了激光雷达系统的扫描速度,而且在未来市场中这种产品的尺寸、单个成本和复杂度都不具备竞争力。所有这一切都在催生一种新的技术来解决目前的问题,而硅基光学相控阵则刚好提供了一种优化的解决方案。本文主要围绕大扫描角度范围的硅基一维光学相控阵波束偏转调控展开研究。首先,本文建立了远场衍射的理论模型,并利用所建立的理论模型仿真了光束远场分布,分析了一些关键参数对远场分布的影响;其次,介绍了硅基相控阵各个组成部分的结构、工作原理和功能;最后,通过实验测试验证了光束偏转的功能。通过调节激光输入波长,实现了在实验系统中30°范围内的光束扫描,进一步的电压调谐也证实了这种光束偏转特性。硅基相控阵中的核心元件之一是移相器,为了提高相移精确性,我们提出了一种基于自耦合波导的相移结构,采用耦合... 

【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

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激光雷达3D点云示意图

上海交通大学硕士学位论文旋转的方式，产品囊括 16/32/64 线；Ibeo 公司则采用固定激光光源，通过内部玻璃片（旋转部件）旋转的方式控制出射光束方向，从而实现多角度扫描，产品囊括 4/8 线，欧百拓公司为 Ibeo 公司的国内代理商[5]。其主要产品的性能参数比较如表 1-1 所示。可见这种机械旋转式激光雷达主要借助于可旋转的部件实现较大的水平视场，但垂直视场一般，这种旋转基制也制约了其较小的旋转频率（＜100Hz），使得扫描速度受限，而且其精度一般（＞2cm）。鉴于上述特性，业内预测未来发展趋势是固态化激光雷达，其主要优势包括：尺寸较小、成本较低、便于安装、操作灵活。因此激光雷达有向固态发展的趋势。近些年也取得了一些进展，其中德尔福与初创公司 Quanergy 采用相控阵技术，共同研制出了固态激光雷达，内部不含旋转部件。而传统优势企业 Velodyne 公司和 Ibeo 公司虽然也宣称研制出了混合固态激光雷达，即便在外部看不到旋转部件，但其内部仍是靠机械旋转实现光束扫描的。

上海交通大学硕士学位论文光雷达的研究意义于激光雷达在无人驾驶上所体现的强大市场潜力，近些年诸多公司投入于产品研发上，具有较好性能的激光雷达产品一经推出便可迅速占领市15 年，奥迪的无人驾驶汽车 A7 Piloted Driving 就采用了 Ibeo 和 Valeo 合 Scala 混合固态激光雷达，大众的一款半自动驾驶汽车也安装了 Scala 产雷达隐藏在保险杠内，用于取代毫米波雷达作为测距模块。在 2016 年的 CES（消费电子展）中，就已经推出了两款固态激光雷达产Quanergy 公司研制了较小尺寸的固态激光雷达产品 S3（如图 1-3 所示价为 250 美元，而且有望进一步降低。福特和 Velodyne 公司共同研制了混合固态激光雷达 Ultra PuckAuto，并 2020 年量产售价为 500 美金，并有望在 2025 年降低到 200 美金以下。


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