CN109343027B - 一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 - Google Patents
一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109343027B CN109343027B CN201811214909.1A CN201811214909A CN109343027B CN 109343027 B CN109343027 B CN 109343027B CN 201811214909 A CN201811214909 A CN 201811214909A CN 109343027 B CN109343027 B CN 109343027B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- scanning
- gating
- electrodes
- circuit
- control
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims abstract description 73
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 66
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 24
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 claims description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 45
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 13
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 239000004988 Nematic liquid crystal Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005685 electric field effect Effects 0.000 description 1
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
- G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
- G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Liquid Crystal (AREA)
Abstract
本发明公开了一种激光雷达多维扫描控制装置及控制方法，包括保持电路、选通电路、光开关选通控制器和独立可控稳压电源；光开关选通控制器的控制输出端连接选通电路的输入端，选通电路的输出端通过保持电路与待控制开关阵列中的电极相连接；独立可控稳压电源控制输入端连接光开关选通控制器的输出端。本发明根据采用多通道模拟多路复用器/多路解复用集成电路作为通道选通电路，采用集成运算放大器搭建信号保持电路，通过可控稳压电源提供电极加载电压，在选通控制器的控制下，通过不同的控制算法实现对双层结构的液晶光开关阵列诸阵元的通、断、强度控制，达成光束相位调制和照射强度变化的目的，装置控制方式灵活多样、成本低、可靠、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及光学相控阵技术领域，尤其涉及针对液晶光开关作为相控阵器件的一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法。
背景技术
目前，人工智能技术快速发展，目标探测、武器制导、无人驾驶、自主避障等应用领域迫切需要一种快速、精确、全方位的目标检测技术。雷达是最常用的探测手段，与传统机械扫描技术的雷达相比，相控阵扫描技术利用大量独立控制的小型天线单元排列成天线阵面，每个天线单元都由独立的移相开关控制，通过控制各天线单元发射的相位，就能合成不同相位波束。基于相位控制电子扫描阵列雷达的启发，利用光学相控阵扫描技术的固态激光雷达由于其广泛的应用前景成为研究热点。与机械扫描激光雷达不同，由于不需要旋转部件，可以大大压缩雷达的结构和尺寸，提高使用寿命，并降低成本；不用受制于机械旋转的速度和精度，光学相控阵的扫描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可以达到MHz量级；光学相控阵的扫描精度取决于控制电信号的精度，可以达到千分之一度量级以上；光学相控阵的光束指向完全由电信号控制，在允许的角度范围内可以做到任意指向，可以在重点区域进行高密度的扫描；一个相控阵面可以分割为多个小模块，每个模块分开控制即可同时锁定监控多个目标。但固态激光雷达也有它相应的缺点，光栅衍射除了中央明纹外还会形成其他明纹，这一问题会让激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量；特别是光学相控阵要求阵列单元尺寸必须不大于半个波长，一般目前激光雷达的工作波长均在1微米左右，故阵列单元的尺寸必须不大于500nm。而且阵列密度越高，能量也越集中，这都提高了对加工精度的要求，需要一定的技术突破。因此，选择新型的光束调制器件使之满足激光雷达相控阵的要求，不但要挑选、设计、挖掘光控器件特性与功能，更重要的是要有与之相适应的控制手段和方法。液晶材料的电光效应已广泛应用于屏幕显示，其基本原理是通过电场变化调节对光束的导通与隔断转换，即具有所谓的光开关功能，将液晶材料的光开关功能通过不同的控制装置与方法，将其应用于光学相控阵的相位调制环节、光通信的通道控制等，必将极大的拓展液晶材料的应用领域，与之相关的器件、产品必将具有非常广阔的市场前景。
发明内容
本发明的目的是提供激光雷达多维扫描控制装置与控制方法，主要针对双层结构的液晶光开关阵列中的阵元进行光束的导通与隔断控制，以及阵元间通、断顺序和通/断状态转换时间间隔的控制，实现对通过阵元光通道光束的相位调制，不同的调制方法对应于不同的扫描工作模式，当光学相控阵激光雷达工作于不同扫描模式时，本装置按照预先设定的对应控制方法、时序以及相关参数，对双层结构的液晶光开关阵列进行一系列的选通、延时、强度控制，达到光学相位调制、阵列扫描模式控制的目的。
本发明采用的技术方案为：
一种激光雷达多维扫描控制装置，包括保持电路、选通电路、光开关选通控制器和独立可控稳压电源；所述的光开关选通控制器的控制输出端连接选通电路的输入端，选通电路的输出端通过保持电路与待控制开关阵列中的电极相连接；所述的独立可控稳压电源控制输入端连接光开关选通控制器的输出端，用于对保持电路、选通电路和光开关选通控制器进行供电；所述的保持电路由多个结构相同的保持单元构成，且保持电路包括行/列信号保持电路、列扫描保持电路和行扫描保持电路；所述的选通电路包括由多个结构相同的选通单元构成行/列信号选通电路、列扫描选通电路和行扫描保持电路。
所述的被控制光开关阵列包括由上、下设置的第一层液晶板和第二层液晶板构成，第一层液晶板的上面依次平行设置有第一定向薄膜、行扫描电极、上层玻璃板和上偏振片，第一层液晶板的下面依次平行设置有第二定向薄膜、行信号电极和中间玻璃板；
第二层液晶板的上面依次平行设置第三定向薄膜和列扫描电极，第二层液晶板的下面依次平行设置有第四定向薄膜、列信号电极、下层玻璃板和下偏振片；且行扫描电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极与列信号电极相互垂直且上下覆盖对齐；所述的第一定向薄膜、第二定向薄膜、第三定向薄膜和第四定向薄膜均是由一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列，用于使每一层液晶板的晶体上表面的分子取向与晶体下表面的分子取向相互垂直；
所述的行扫描电极有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n＝n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的列扫描电极有m个，m个列扫描电极均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m＝m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，所述的n、n1、n2、n3、m、m1、m2、m3均为正整数。
所述的保持电路由x个保持单元构成，所述的x＝n+n3+m+m3；选通电路由y个z路选通单元构成，所述的y*z＝x，其中x、y均为正整数。
所述的保持电路包括运放MAX419及电容构成的外围电路；
所述的选通电路采用高速CMOS多路复用电路CA74HC4051，也可采用CA74HC4067以节省所使用的芯片数量。
一种基于如权利要求1所述的激光雷达多维扫描控制系统的控制方法，其包括如下步骤：
①设计选通工作模式，确定选通实际间隔即实际延时时间Δt，则对应于相位差为
其中k为整数、T为对应激光波长的光周期、
为相邻两元素的相位差；
②依据工作模式确定上、下层通/断对应关系；
③依据光开关阵列结构计算通光孔数N阈值、通光孔中行扫描电极数或列扫描电极数n阈值、相位调制最小相位差值
以及对应的时间[Δt]、相邻两元素的
中的i等控制参数；
④依据步骤①、②和③生成驱动控制信号时序图；
⑤依据驱动控制信号时序图编写选通控制软件代码；
⑥编译并下载代码到光开关选通控制器中；
⑦光开关扫描控制器根据代码进行执行扫描动作，从而完成扫描。
步骤⑦中主程序流程具体包括如下步骤：
S1：初始化光开关扫描控制器，然后需求自行选择扫描模式，所述的扫描模式主要包括线形扫描、扇形扫描和深度聚焦；
S2：然后对算法进行调用、参数进行配置、确定相位调制最小相位差值对应的时间[Δt]、最大相位差值对应的控制参数i、N阈值赋值、n阈值赋值，并设j＝1、N＝0、n＝0，并调用回扫子程序；
S3：判断是否有“暂停”操作：为伪则j＝1、N＝0、n＝0、返回；为真则进入下一步→结束。
回扫子程序流程：回扫调用→对应kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)进行循环赋值→第n元素延时Δtn＝nk1[Δt]选通，计算n＝n+1→判断n＝n阈值？为伪则返回小循环；为真则进入下一步→判断N＝N阈值？为伪则N＝N+1、n＝0，返回中循环；为真则进入下一步→判断j＝2i+1？为伪则j＝j+1、N＝0、n＝0，返回大循环；为真则进入下一步→返回。
具体的，针对对应于有N×N个通光窗口，每个窗口有n×n个扫描电极的液晶阵列光开关，行扫描(或列扫描)控制步骤具体为：
A：首先依据扫描分辨率确定相位调制最小相位差值
对应的延时记为[Δt]、依据扫描范围确定kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)，其中相邻两元素的
设扫描相位差序列
则对应的延时序列Δtn＝nkj[Δt]；
B:扫描开始，j＝1、kj＝k1＝-i，窗口0从第0元素开始至第(n-1)元素选通，延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后对窗口1重复进行上述操作，对于窗口1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]时间后进入下一步；
C：对窗口2重复进行上述B步骤的操作：对于窗口2从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后进入下一个步骤，
D：对窗口3重复进行上述操作，…，依次类推，直到第N-1个窗口，对于窗口N-1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]，至此累积选通n×N次，完成了对应k1的选通扫描；
E：然后对应j＝2、kj＝k2＝-(i-1)重复上述步骤B、C、D的过程，直到完成对应j＝2i+1、kj＝k2i+1＝i的上述操作过程，至此累积选通n×N×(2i+1)次，对应完成了一次完整的光束从左至右(列扫描：从上至下)散形回扫，至此完成了一个回扫周期。
本发明根据双层结构的液晶光开关阵列中同一个阵元上、下层液晶同时通光则该阵元为“通”状态的特点，需要某阵元导通时，阵元上层被选通的同时下层也被选通，相邻阵元的选通时间间隔、顺序可控，扫描起始状态全部阵元关闭，然后依据扫描工作模式，按照一定顺序、一定时间间隔、一定的驱动电压等级依次选通，然后全部阵元恢复关闭，完成一次扫描周期，本周期结束后判断条件是否成立转入下一周期或其他操作，控制装置以循环扫描方式工作，可以实现线形扫描、扇形扫描、深度聚焦等控制。采用多通道模拟多路复用器/多路解复用集成电路作为通道选通电路，采用集成运算放大器搭建信号保持电路，通过可控稳压电源提供电极加载电压，在选通控制器的控制下，通过不同的控制算法实现对双层结构的液晶光开关阵列诸阵元的通、断、强度控制，达成光束相位调制和照射强度变化的目的，应用于光学相控阵中的线性扫描、扇形扫描和照射强度控制等技术环节，也可应用于普通单层液晶光开关阵列显示类应用控制，装置控制方式灵活多样、元器件易得、电路简洁、集成度高、工作可靠、易于实现。
附图说明
图1为本发明所述的光开关阵列截面结构示意图；
图2为本发明所述的TN型液晶电光效应常黑型示意图；
图3为本发明的电路原理框图；
图4为本发明的电路原理图；
图5为本发明所述光开关选通控制器使用时主程序控制流程图；
图6为本发明所述回扫子程序流程图。
具体实施方式
如图1、2和3所示，本发明包括保持电路、选通电路、光开关选通控制器和独立可控稳压电源；所述的光开关选通控制器的控制输出端连接选通电路的输入端，选通电路的输出端通过保持电路与待控制开关阵列中的电极相连接；所述的独立可控稳压电源用于对保持电路、选通电路和光开关选通控制器进行供电；所述的保持电路由多个结构相同的保持单元构成，且保持电路包括行/列信号保持电路、列扫描保持电路和行扫描保持电路；所述的选通电路包括由多个结构相同的选通单元构成行/列信号选通电路、列扫描选通电路和行扫描保持电路。
所述的被控制光开关阵列包括由上、下设置的第一层液晶板18和第二层液晶板19构成，第一层液晶板18的上面依次平行设置有第一定向薄膜7、行扫描电极12、上层玻璃板11和上偏振片17，第一层液晶板18的下面依次平行设置有第二定向薄膜6、行信号电极14和中间玻璃板20；第二层液晶板19的上面依次平行设置第三定向薄膜8和列扫描电极13，第二层液晶板19的下面依次平行设置有第四定向薄膜9、列信号电极15、下层玻璃板10和下偏振片21；所述的行信号电极14和列信号电极15分别连接有电极引出线16，所述的电极引出线16用于使引出管脚布设合理、方便行信号电极14和列信号电极15分别与行扫描电极12和列扫描电极13接线在同一个水平面，便于与驱动控制电路相连接控制行信号电极14和列信号电极15通电；所述的行扫描电极12有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n＝n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
本发明中的中间玻璃板20为双面电极极板，即第一层液晶板18与第二层液晶19板共用的玻璃板，在实际使用中也可以采用两个玻璃板分别加工对应的电极实现，但是明显不如共用一个玻璃板节省成本，共用玻璃板即可在玻璃板的上下两个端面同时设置对应的电极，一体加工。
所述的列扫描电极13有m个，m个列扫描电极13均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m＝m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，其中n、n1、n2、m、m1、m2、n3、m3均为正整数。
行扫描电极12与行信号电极14相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极15与行信号电极14相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极13与列信号电极15相互垂直且上下覆盖对齐；即由于为垂直关系，所以相互必须都要对应，即不能有行扫描电极12的部分下面没有与其对应的行信号电极14的部分，反之不能有行信号电极14的部分上面没有与其对应的行扫描电极12的部分；列扫描电极13与列信号电极15存在同样关系，由此构成双层结构光开关控制方法的多样性特征。
所述的第一定向薄膜7、第二定向薄膜6、第三定向薄膜8和第四定向薄膜9均是由一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列，用于使每一层液晶板的晶体上表面的分子取向与晶体下表面的分子取向相互垂直。所述液晶分子的取向逐渐扭曲，从液晶上表面到下表面扭曲了90°，所以称为扭曲向列相型液晶板。上偏振片17的偏振方向与第一层液晶板18晶体的上表面分子取向相同，第二层液晶板19晶体的上表面分子取向与第一层液晶板18晶体上表面分子取向保持平行，下偏振片21的偏振方向与上偏振片17的偏振方向保持一致。
上偏振片17的偏振方向与第一层液晶板18上表面分子取向相同，下偏振片21的偏振方向与上偏振片17保持一致。所有电极均处于低电平时，光束入射上偏振片17后，经过上偏振片17形成与第一层液晶板18表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板18，偏振方向随液晶分子长轴旋转90°，以垂直于第二层液晶板19上表面分子取向的线偏振光射出，故光线无法通过第二层液晶板19层，即阵元处于“断”状态；行扫描和列扫描电极均通电且电位高于特定阈值、对应的信号极接地时，光束入射上偏振片后，经过偏振片形成与第一层液晶板18表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板18，由于电场作用光的偏振方向在第一层液晶板18中传播时不再旋转而保持不变，以平行于第二层液晶板19上表面分子取向的线偏振光射出，同样原理，光线通过第二层液晶板19层后出射光线偏振方向原偏振方向平行，可通过下偏振片实现光出射，即阵元处于“通”状态。
上述结构组成了TN型光开关的结构可参考图2。在两块玻璃板之间夹有正性向列相液晶，液晶分子的形状呈圆柱形。长度约0.1～0.2nm，直径为0.4～0.6nm，液晶层厚度一般为5～8μm。以上玻璃板为例，玻璃板的内表面涂有透明电极，电极的表面预先作了定向处理(玻璃基板内侧覆盖着一层定向层，通常是一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，可使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列)。这样，液晶分子在透明电极表面就会躺倒在摩擦所形成的微沟槽里，使电极表面的液晶分子按一定方向排列，且上下电极上的定向方向相互垂直。上下电极之间的那些液晶分子因范德瓦尔斯力的作用，趋向于平行排列。然而由于上下电极上液晶的定向方向相互垂直，所以从俯视方向看，液晶分子的排列从上电极的沿-45度方向排列逐步地、均匀地扭曲到下电极的沿+45度方向排列，整个扭曲了90度。
理论和实验都证明，上述均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度。
取两张偏振片贴在玻璃的两面，P1的透光轴与上电极的定向方向相同，P2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是P1和P2的透光轴相互正交。
在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片P1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。这时光的偏振面与P2的透光轴平行，因而有光通过。
在施加足够电压情况下(一般为1～2伏)，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成了均匀结构。从P1透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振方向到达下电极。这时光的偏振方向与P2正交，因而光被关断。
由于上述光开关在没有电场的情况下让光透过，加上电场的时候光被关断，因此叫做常通型光开关，又叫做常白模式。若P1和P2的透光轴相互平行，则构成常黑模式，本发明应用例采用常黑模式，如图2所示。
本发明所述的行扫描电极有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n＝n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的列扫描电极有m个，m个列扫描电极均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m＝m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，所述的n、n1、n2、n3、m、m1、m2、m3均为正整数。
所述的保持电路由x个保持单元构成，所述的x＝n+n3+m+m3；选通电路由y个z路选通单元构成，所述的y*z＝x，其中x、y均为正整数，即每个电极对应一个保持单元和选通单元，便于对每个电极进行控制，从而实现整体的逻辑控制。
所述的保持电路包括运放MAX419及电容构成的外围电路；所述的选通电路采用高速CMOS多路复用电路CA74HC4051，也可采用CA74HC4067以节省所使用的芯片数量(如应用例图4电路中，既有CA74HC4051，又有CA74HC4067)。多通道模拟多路复用器/多路解复用器集成电路作为通道选通电路，采用集成运算放大器搭建信号保持电路，通过可控稳压电源提供电极加载电压，在选通控制器的控制下，对阵元进行光束的导通与隔断控制，以及阵元间通、断顺序和通/断状态转换时间间隔的控制，实现对通过阵元光通道光束的相位调制，不同的调制方法对应于不同的扫描工作模式，当光学相控阵激光雷达工作于不同扫描模式时，本装置按照预先设定的对应控制方法、时序以及相关参数，对双层结构的液晶光开关阵列进行一系列的选通、延时、强度控制，达到光学相位调制、阵列扫描模式控制的目的。
根据双层结构的液晶光开关阵列中同一阵元上、下层液晶同时通光则该阵元为“通”状态的特点，需要某阵元导通时，阵元上层被选通的同时下层也被选通，相邻阵元的选通时间间隔、顺序可控，扫描起始状态全部阵元关闭，然后依据扫描工作模式，按照一定顺序、一定时间间隔、一定的驱动电压等级依次选通，然后全部阵元恢复关闭，完成一次扫描周期，本周期结束后判断条件是否成立转入下一周期或其他操作，控制装置以循环扫描方式工作，可以实现线形扫描、扇形扫描、照射强度变化等控制。
不同的选通(扫描)工作模式对驱动信号的要求不同，如表1所示，针对线形扫描、扇形扫描和照射强度变化3种选通工作模式，给出了对应的驱动信号特征与时序要求。
表1驱动信号特征与时序
所述的激光雷达多维扫描控制装置与控制方法，由行/列信号控制电路、行/列扫描控制电路、独立可控高精度稳压电源、光开关选通控制器、以及内置控制代码组成，行/列信号控制电路由行/列信号选通电路和行/列信号保持电路组成，行/列扫描控制电路由行/列扫描选通电路和行/列扫描保持电路组成，行/列信号控制电路、行/列扫描控制电路和光开关选通控制器分别由独立可控高精度稳压电源提供不同的工作电压，在光开关选通控制器统一协调下由行/列信号控制电路和行/列扫描控制电路配合负责线性扫描、扇形扫描控制；由独立可控高精度稳压电源配合完成照射强度变化控制。
行/列信号选通电路和行/列扫描选通电路采用高速CMOS多通道模拟多路复用器/多路解复用器集成电路芯片构成，行/列信号保持电路和行/列扫描保持电路由集成运放搭建构成，选通电路与保持电路配合，在控制器的控制下，实现通道的“选通”→“保持”→“选通”→…循环。
多路复用电路的输入端电位由可控稳压电源提供，在光开关选通控制器的控制下可控稳压电源输出电压2V～15V连续可调，该电压经选通电路、保持电路后加载到阵元开关上(或下)层扫描电极上，对应的信号电极接地，扫描电极与信号电极的压差决定了开关导通的时间(延时)和透过率(透明度)，前者应用于线扫描和扇扫描控制，后者应用于照射强度变化控制。
液晶驱动电压阈值Uth与饱和电压Ur之间的不同电压值对应不同的透光率，该特性可用于照射强度变化控制；由于光的周期很小，为了精确控制相位差变量，本发明采用相位叠加法，所谓相位叠加法是，如果要求两元素的相位差为
而实际控制的相位差是
其中k为整数、T为对应波长的光周期。
对应于有N×N个通光窗口，每个窗口有n×n个扫描电极的液晶阵列光开关，行扫描(或列扫描)控制要求是，首先依据扫描分辨率确定相位调制最小相位差值
(对应的延时[Δt])、依据扫描范围确定kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)，其中相邻两元素的
设扫描相位差序列
(对应的延时序列Δtn＝nkj[Δt])，扫描开始，j＝1、kj＝k1＝-i，对于窗口0从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后对窗口1重复进行上述操作，对于窗口1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后对窗口2重复进行上述操作，对于窗口2从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后对窗口3重复进行上述操作，…，依次类推，直到第N-1个窗口，对于窗口N-1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]，至此累积选通n×N次，完成了对应k1的选通扫描，然后对应j＝2、kj＝k2＝-(i-1)重复上述过程，…，直到完成对应j＝2i+1、kj＝k2i+1＝i的上述操作过程，至此累积选通n×N×(2i+1)次，对应完成了一次完整的光束从左至右(列扫描：从上至下)散形回扫，对应一个回扫周期。
选通(扫描)控制方法如下：
①设计选通工作模式，确定选通实际间隔即实际延时时间Δt，则对应于相位差为
其中k为整数、T为对应激光波长的光周期、
为相邻两元素的相位差；
②依据工作模式确定上、下层通/断对应关系；
③依据光开关阵列结构计算通光孔数N阈值、通光孔中行扫描电极数或列扫描电极数n阈值、相位调制最小相位差值
以及对应的时间[Δt]、相邻两元素的
中的i等控制参数；
④依据步骤①、②和③生成驱动控制信号时序图；
⑤依据驱动控制信号时序图编写选通(扫描)控制软件代码；
⑥编译并下载代码到光开关选通(扫描)控制器中；
⑦光开关扫描控制器根据代码进行执行扫描动作，从而完成扫描。
如图5所示：本发明的主要程序为：开始→初始化→扫描模式选择，包括线形扫描、扇形扫描、深度聚焦→算法调用、参数配置、计算确定[Δt]、i、N阈值赋值、n阈值赋值、j＝1、N＝0、n＝0→调用回扫子程序→判断有“暂停”操作？为伪则j＝1、N＝0、n＝0、返回；为真则进入下一步→结束。
如图6所示，其中回扫子程序流程：回扫调用→对应kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)进行循环赋值→第n元素延时Δtn＝nkj[Δt]选通，计算n＝n+1→判断n＝n阈值？为伪则返回小循环；为真则进入下一步→判断N＝N阈值？为伪则N＝N+1、n＝0，返回中循环；为真则进入下一步→判断j＝2i+1？为伪则j＝j+1、N＝0、n＝0，返回大循环；为真则进入下一步→返回。
Claims (8)
1.一种激光雷达多维扫描控制装置，其特征在于：包括保持电路、选通电路、光开关选通控制器和独立可控稳压电源；所述的光开关选通控制器的控制输出端连接选通电路的输入端，选通电路的输出端通过保持电路与待控制开关阵列中的电极相连接；所述的独立可控稳压电源控制输入端连接光开关选通控制器的输出端，用于对保持电路、选通电路和光开关选通控制器进行供电；所述的保持电路由多个结构相同的保持单元构成，且保持电路包括行/列信号保持电路、列扫描保持电路和行扫描保持电路；所述的选通电路包括由多个结构相同的选通单元构成行/列信号选通电路、列扫描选通电路和行扫描保持电路；
所述的待控制开关阵列包括由上、下设置的第一层液晶板和第二层液晶板构成，第一层液晶板的上面依次平行设置有第一定向薄膜、行扫描电极、上层玻璃板和上偏振片，第一层液晶板的下面依次平行设置有第二定向薄膜、行信号电极和中间玻璃板；
第二层液晶板的上面依次平行设置第三定向薄膜和列扫描电极，第二层液晶板的下面依次平行设置有第四定向薄膜、列信号电极、下层玻璃板和下偏振片；且行扫描电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极与行信号电极相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极与列信号电极相互垂直且上下覆盖对齐；所述的第一定向薄膜、第二定向薄膜、第三定向薄膜和第四定向薄膜均是由一薄层高分子有机物，经定向摩擦处理，使棒状液晶分子平行于玻璃表面，沿定向处理的方向排列，用于使每一层液晶板的晶体上表面的分子取向与晶体下表面的分子取向相互垂直；
所述的行扫描电极有n个，n个行扫描电极均匀分为n1组，每个组内行扫描电极有n2个，则n＝n1*n2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的列扫描电极有m个，m个列扫描电极均匀分为m1组，每个组内列扫描电极有m2个，则m＝m1*m2；组内电极宽度与间隔呈等尺寸分布，每组宽度与间隔呈等尺寸分布；
所述的n1组行扫描电极对应n3个行信号电极，m1组列扫描电极对应m3个列信号电极，所述的n、n1、n2、n3、m、m1、m2、m3均为正整数。
2.根据权利要求1所述的激光雷达多维扫描控制装置，其特征在于：所述的保持电路由x个保持单元构成，所述的x＝n+n3+m+m3；选通电路由y个z路选通单元构成，所述的y*z＝x，其中x、y均为正整数。
3.根据权利要求2所述的激光雷达多维扫描控制装置与控制方法，其特征在于：所述的保持电路包括运放MAX419及电容构成的外围电路。
4.根据权利要求3所述的激光雷达多维扫描控制装置，其特征在于：所述的选通电路采用高速CMOS多路复用电路CA74HC4051，或采用CA74HC4067以节省所使用的芯片数量。
5.一种基于如权利要求1所述的激光雷达多维扫描控制装置的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
①设计选通工作模式，确定选通实际间隔即实际延时时间Δt，则对应于相位差为
其中k为整数、T为对应激光波长的光周期、
为相邻两元素的相位差；
②依据工作模式确定上、下层通/断对应关系；
③依据光开关阵列结构计算通光孔数N阈值、通光孔中行扫描电极数或列扫描电极数n阈值、相位调制最小相位差值
以及对应的时间[Δt]、相邻两元素的最大相位差
中的i控制参数；
④依据步骤①、②和③生成驱动控制信号时序图；
⑤依据驱动控制信号时序图编写选通控制软件代码；
⑥编译并下载代码到光开关选通控制器中；
⑦光开关扫描控制器根据代码进行执行扫描动作，从而完成扫描。
6.根据权利要求5所述激光雷达多维扫描控制装置的控制方法，其特征是：步骤⑦中主程序流程具体包括如下步骤：
S1：初始化光开关扫描控制器，然后需求自行选择扫描模式，所述的扫描模式主要包括线形扫描、扇形扫描和深度聚焦；
S2：然后对算法进行调用、参数进行配置、确定相位调制最小相位差值对应的时间[Δt]、最大相位差值对应的控制参数i、N阈值赋值、n阈值赋值，并设j＝1、N＝0、n＝0，并调用回扫子程序；
S3：判断是否有“暂停”操作：为伪则j＝1、N＝0、n＝0、返回；为真则进入下一步→结束。
7.根据权利要求6所述激光雷达多维扫描控制装置的控制方法，其特征是，回扫子程序流程：回扫调用→对应kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)进行循环赋值→第n元素延时Δtn＝nk1[Δt]选通，计算n＝n+1→判断n＝n阈值？为伪则返回小循环；为真则进入下一步→判断N＝N阈值？为伪则N＝N+1、n＝0，返回中循环；为真则进入下一步→判断j＝2i+1？为伪则j＝j+1、N＝0、n＝0，返回大循环；为真则进入下一步→返回。
8.根据权利要求7所述激光雷达多维扫描控制装置的控制方法，其特征是：具体的，针对对应于有N×N个通光窗口，每个窗口有n×n个扫描电极的液晶阵列光开关，行扫描或列扫描控制步骤具体为：
A：首先依据扫描分辨率确定相位调制最小相位差值
对应的延时记为[Δt]、依据扫描范围确定kj值序列(-i,-(i-1),…,-1,0,1,…,(i-1),i)，其中相邻两元素的最大相位差
设扫描相位差序列
则对应的延时序列Δtn＝nkj[Δt]；
B:扫描开始，j＝1、kj＝k1＝-i，窗口0从第0元素开始至第(n-1)元素选通，延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后对窗口1重复进行上述操作，对于窗口1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]时间后进入下一步；
C：对窗口2重复进行上述B步骤的操作：对于窗口2从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]；延时(n+1)k1[Δt]后进入下一个步骤，
D：对窗口3重复进行上述操作，…，依次类推，直到第N-1个窗口，对于窗口N-1从第0元素开始至第(n-1)元素选通延时依次为Δtn＝nk1[Δt]，至此累积选通n×N次，完成了对应k1的选通扫描；
E：然后对应j＝2、kj＝k2＝-(i-1)重复上述步骤B、C、D的过程，直到完成对应j＝2i+1、kj＝k2i+1＝i的上述操作过程，至此累积选通n×N×(2i+1)次，对应完成了一次完整的光束从左至右散形回扫，列扫描时为从上至下，至此完成了一个回扫周期。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811214909.1A CN109343027B (zh) | 2018-10-18 | 2018-10-18 | 一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811214909.1A CN109343027B (zh) | 2018-10-18 | 2018-10-18 | 一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109343027A CN109343027A (zh) | 2019-02-15 |
| CN109343027B true CN109343027B (zh) | 2022-11-25 |
Family
ID=65310246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811214909.1A Expired - Fee Related CN109343027B (zh) | 2018-10-18 | 2018-10-18 | 一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109343027B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111176196B (zh) * | 2020-02-13 | 2024-12-27 | 桂林电子科技大学 | 光开关的控制系统和控制方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000008625A1 (fr) * | 1998-08-04 | 2000-02-17 | Seiko Epson Corporation | Dispositif electro-optique et dispositif electronique |
| JP2006323175A (ja) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | National Institute Of Information & Communication Technology | 光出力方法及び光出力装置 |
| CN102955279A (zh) * | 2012-06-18 | 2013-03-06 | 天津奇谱光电技术有限公司 | 一种可调谐法布里-珀罗滤波器 |
| CN103472458A (zh) * | 2013-09-16 | 2013-12-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于声光扫描的三维视频激光雷达系统 |
| CN106134467B (zh) * | 2011-12-30 | 2014-03-19 | 中国兵器装备研究院 | 一种透射式液晶光学相控阵驱动及控制装置 |
| CN106443634A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-02-22 | 上海博未传感技术有限公司 | 一种固态激光雷达系统 |
| CN107589127A (zh) * | 2016-07-08 | 2018-01-16 | 佳能株式会社 | 放射线成像系统 |
| CN107678040A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-09 | 长春理工大学 | 用于车载三维成像固态激光雷达系统 |
| CN108459448A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-08-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2237267C2 (ru) * | 2001-11-26 | 2004-09-27 | Волков Леонид Викторович | Способ формирования изображений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн (варианты) и система формирования изображений в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне волн |
| US7768315B2 (en) * | 2007-09-28 | 2010-08-03 | International Business Machines Corporation | Multiplexor with leakage power regulator |
| US9683928B2 (en) * | 2013-06-23 | 2017-06-20 | Eric Swanson | Integrated optical system and components utilizing tunable optical sources and coherent detection and phased array for imaging, ranging, sensing, communications and other applications |
| CN108627974A (zh) * | 2017-03-15 | 2018-10-09 | 松下知识产权经营株式会社 | 光扫描系统 |
| CN108646430A (zh) * | 2018-03-22 | 2018-10-12 | 浙江大学 | 一种基于热光开关和硅光相控阵的单波长多线扫描系统 |
-
2018
- 2018-10-18 CN CN201811214909.1A patent/CN109343027B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2000008625A1 (fr) * | 1998-08-04 | 2000-02-17 | Seiko Epson Corporation | Dispositif electro-optique et dispositif electronique |
| JP2006323175A (ja) * | 2005-05-19 | 2006-11-30 | National Institute Of Information & Communication Technology | 光出力方法及び光出力装置 |
| CN106134467B (zh) * | 2011-12-30 | 2014-03-19 | 中国兵器装备研究院 | 一种透射式液晶光学相控阵驱动及控制装置 |
| CN102955279A (zh) * | 2012-06-18 | 2013-03-06 | 天津奇谱光电技术有限公司 | 一种可调谐法布里-珀罗滤波器 |
| CN103472458A (zh) * | 2013-09-16 | 2013-12-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 基于声光扫描的三维视频激光雷达系统 |
| CN107589127A (zh) * | 2016-07-08 | 2018-01-16 | 佳能株式会社 | 放射线成像系统 |
| CN106443634A (zh) * | 2016-10-31 | 2017-02-22 | 上海博未传感技术有限公司 | 一种固态激光雷达系统 |
| CN107678040A (zh) * | 2017-11-03 | 2018-02-09 | 长春理工大学 | 用于车载三维成像固态激光雷达系统 |
| CN108459448A (zh) * | 2018-03-29 | 2018-08-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种基于光学相控阵的二维光束扫描方法及光学相控阵 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 《Optical phased array technology》;P. F. McManamon et al.;《Proceedings of the IEEE》;19960229;268-298 * |
| 《激光雷达液晶相控阵波控器研究》;吴志勇;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20110415;I136-726 * |
| 《相控阵激光雷达波控技术的研究与应用》;孙洋东;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20110715;I136-709 * |
| 张鹏飞 ; 潘静岩.《相干激光雷达探测目标研究》.《激光与红外》.2015, * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109343027A (zh) | 2019-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109444903B (zh) | 一种光学相控阵激光雷达装置 | |
| US3208342A (en) | Electro-optic light coupling of optical fibers | |
| CN108919552B (zh) | 液晶器件与3d打印系统 | |
| US20180107091A1 (en) | Large scale optical phased array | |
| KR102587956B1 (ko) | 빔 스티어링 소자 및 이를 적용한 시스템 | |
| CN110398850B (zh) | 基于mcu的多路液晶可编程相位调制系统 | |
| CN106450750B (zh) | 一种太赫兹光电导相控阵天线系统 | |
| US8144382B2 (en) | Image display device | |
| US10021750B2 (en) | Light source device and control method thereof, backlight module and liquid crystal display device | |
| US3947842A (en) | Electro-optic matrix-type display panel incorporating optoelectronic addressing switches | |
| CN109343027B (zh) | 一种激光雷达多维扫描控制装置与控制方法 | |
| US20200057337A1 (en) | Backlight module and display device | |
| KR20190018937A (ko) | 액정 광 편향기 및 액정 광 편향기를 구비한 홀로그래픽 디스플레이 | |
| KR20160068842A (ko) | 전기 광학 유닛, 전기 광학 장치 및 전기 광학 장치의 작동 방법 | |
| KR100840934B1 (ko) | 휘도 강화 도광판 및 이를 적용한 액정표시장치 | |
| CN110058345B (zh) | 扫描结构及其控制方法 | |
| CN106647015A (zh) | 一种显示装置 | |
| Thomas et al. | PLZT-based dynamic diffractive optical element for high-speed random-access beam steering | |
| CN109239993B (zh) | 一种用于光学相控阵扫描的液晶光开关 | |
| CN100365471C (zh) | 光学相控阵器 | |
| Wang et al. | Research on the control technology of optical phased array high-speed scanning | |
| US9341894B2 (en) | Backlight module and liquid crystal display device using same | |
| CN112198733A (zh) | 基于液晶透镜和液晶微透镜阵列的光束偏转装置及方法 | |
| US4818867A (en) | Optical information processing device using optical shutter elements | |
| US5018812A (en) | Optical switching device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20221125 |