[發明專利]一種光學相控陣激光雷達裝置

有效

• 申請號: 201811219546.0
• 申請日: 2018-10-18
• 公開（公告）號: CN109444903B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發明（設計）人: 陳建明;王成鳳;趙明明;白磊;郭香靜;王為術;陳嘉琦;張盼盼;時銘慧;李琛;郟一方;袁瑞;朱莎莎
• 申請（專利權）人: 華北水利水電大學
• 主分類號: G01S17/02
• 分類號: G01S17/02;G01S7/481
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 劉建芳

本發明公開了一種光學相控陣激光雷達裝置，包括激光陣列光源、雙層結構液晶光開關陣列、光開關掃描控制裝置、雙結構光柵陣列器件、激光反射信號處理裝置和光學透鏡，所述的光學透鏡包括掃描照射透鏡和目標反射接收透鏡，分別設置在雙結構光柵陣列器件與照射目標之間以及照射目標與激光反射信號處理裝置之間，分別用于對出射光束和入射光束進行矯正。本發明通過將普通小功率的激光二極管封裝成激光陣列光源，采用特殊設計的雙層結構液晶光開關陣列作為光束通道控制器件，在選通控制裝置的控制下對激光束進行相位調制，利用特殊設計的雙結構光柵器件特有的功能達成各種遠場照射模式。激光反射信號處理裝置對目標反射回來的激光信號進行接收、處理并解算出距離、方位、速度等信息參數。

技術領域

本發明涉及光學檢測領域的光學相控陣技術領域，尤其涉及一種光學相控陣激光雷達裝置。

背景技術

目前，人工智能技術快速發展，目標探測、武器制導、無人駕駛、自主避障等應用領域迫切需要一種快速、精確、全方位的目標檢測技術。雷達是最常用的探測手段，與傳統機械掃描技術的雷達相比，相控陣掃描技術利用大量獨立控制的小型天線單元排列成天線陣面，每個天線單元都由獨立的移相開關控制，通過控制各天線單元發射的相位，就能合成不同相位波束。基于相位控制電子掃描陣列雷達的啟發，利用光學相控陣掃描技術的固態激光雷達由于其廣泛的應用前景成為研究熱點。與機械掃描激光雷達不同，由于不需要旋轉部件，可以大大壓縮雷達的結構和尺寸，提高使用壽命，并降低成本；不用受制于機械旋轉的速度和精度，光學相控陣的掃描速度取決于所用材料的電子學特性，一般都可以達到MHz量級；光學相控陣的掃描精度取決于控制電信號的精度，可以達到千分之一度量級以上；光學相控陣的光束指向完全由電信號控制，在允許的角度范圍內可以做到任意指向，可以在重點區域進行高密度的掃描；一個相控陣面可以分割為多個小模塊，每個模塊分開控制即可同時鎖定監控多個目標。但固態激光雷達也有它相應的缺點，光柵衍射除了中央明紋外還會形成其他明紋，這一問題會讓激光在最大功率方向以外形成旁瓣，分散激光的能量；特別是光學相控陣要求陣列單元尺寸必須不大于半個波長，一般目前激光雷達的工作波長均在1微米左右，故陣列單元的尺寸必須不大于500nm。而且陣列密度越高，能量也越集中，這都提高了對加工精度的要求，需要一定的技術突破。因此，迫切需要一種不依賴于有限制造材料、工藝、結構、低成本的光學相控陣激光雷達實施技術方案，使之能夠使用靈活、簡單、可靠的實現光學相控陣激光雷達的各種應用，這種產品必將具有非常廣闊的市場前景。

發明內容

本發明的目的是提供一種光學相控陣激光雷達裝置，能夠滿足激光雷達對激光源較高功率、特定光束的要求，同時實現搜索、檢測、定位、跟蹤等應用。

本發明采用的技術方案為：

一種光學相控陣激光雷達裝置，包括激光陣列光源、雙層結構液晶光開關陣列、雙結構光柵陣列器件、光開關掃描控制裝置、激光反射信號處理裝置和光學透鏡，所述的光學透鏡包括掃描照射透鏡和目標反射接收透鏡，分別設置在雙結構光柵陣列器件與照射目標之間以及照射目標與激光反射信號處理裝置之間，分別用于對出射光束和入射光束進行矯正；

所述的激光陣列光源作為系統的照射光源提供平面陣列分布的多光束、平行激光束；

所述的雙結構光柵陣列器件為陣列粗光柵的透光陣元部分嵌入細光柵的結構構成，使其衍射嵌套與空間同步干涉特性產生各種轉向角度、以及距離方向照射強度可調的遠場照射模式；

所述的激光陣列光源發射的光束在所述光開關掃描控制裝置控制下，經由所述的雙層結構液晶光開關陣列的延時選通對光束之間以及光束本身進行相關相位調制，結合雙結構光柵陣列器件從而完成對目標進行光學相控陣掃描照射；

所述的激光陣列光源的激光二極管陣元、雙層結構液晶光開關陣列的通光窗口陣元以及雙結構光柵陣列器件粗光柵的陣元的數量、間隔尺寸均相互一一對應且保持一致，激光反射信號處理裝置對目標反射回來的激光信號進行接收、處理并解算出距離、方位、速度等信息參數。