CN109444903A - 一种光学相控阵激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学相控阵激光雷达装置，包括激光阵列光源、双层结构液晶光开关阵列、光开关扫描控制装置、双结构光栅阵列器件、激光反射信号处理装置和光学透镜，所述的光学透镜包括扫描照射透镜和目标反射接收透镜，分别设置在双结构光栅阵列器件与照射目标之间以及照射目标与激光反射信号处理装置之间，分别用于对出射光束和入射光束进行矫正。本发明通过将普通小功率的激光二极管封装成激光阵列光源，采用特殊设计的双层结构液晶光开关阵列作为光束通道控制器件，在选通控制装置的控制下对激光束进行相位调制，利用特殊设计的双结构光栅器件特有的功能达成各种远场照射模式。激光反射信号处理装置对目标反射回来的激光信号进行接收、处理并解算出距离、方位、速度等信息参数。

Description

一种光学相控阵激光雷达装置

技术领域

本发明涉及光学检测领域的光学相控阵技术领域，尤其涉及一种光学相控阵激光雷达装置。

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，迫切需要一种不依赖于有限制造材料、工艺、结构、低成本的光学相控阵激光雷达实施技术方案，使之能够使用灵活、简单、可靠的实现光学相控阵激光雷达的各种应用，这种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一种光学相控阵激光雷达装置，能够满足激光雷达对激光源较高功率、特定光束的要求，同时实现搜索、检测、定位、跟踪等应用。

本发明采用的技术方案为：

一种光学相控阵激光雷达装置，包括激光阵列光源、双层结构液晶光开关阵列、双结构光栅阵列器件、光开关扫描控制装置、激光反射信号处理装置和光学透镜，所述的光学透镜包括扫描照射透镜和目标反射接收透镜，分别设置在双结构光栅阵列器件与照射目标之间以及照射目标与激光反射信号处理装置之间，分别用于对出射光束和入射光束进行矫正；

所述的激光阵列光源作为系统的照射光源提供平面阵列分布的多光束、平行激光束；

所述的双结构光栅阵列器件为阵列粗光栅的透光阵元部分嵌入细光栅的结构构成，使其衍射嵌套与空间同步干涉特性产生各种转向角度、以及距离方向照射强度可调的远场照射模式；

所述的激光阵列光源发射的光束在所述光开关扫描控制装置控制下，经由所述的双层结构液晶光开关阵列的延时选通对光束之间以及光束本身进行相关相位调制，结合双结构光栅阵列器件从而完成对目标进行光学相控阵扫描照射；

所述的激光阵列光源的激光二极管阵元、双层结构液晶光开关阵列的通光窗口阵元以及双结构光栅阵列器件粗光栅的阵元的数量、间隔尺寸均相互一一对应且保持一致，激光反射信号处理装置对目标反射回来的激光信号进行接收、处理并解算出距离、方位、速度等信息参数。

所述的双结构光栅阵列器件包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m 列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

所述的双结构光栅阵列器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为，则d不大于 1/2。

所述的双层结构液晶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；

第二层液晶板极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n组行扫描电极对应n3个行信号电极，m组列扫描电极对应m3个列信号电极。

所述的光开关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，或采用CA74HC4067以节省所使用的芯片数量。

所述的激光阵列光源由n行×m列个光阵元阵列排布到可扩展框架上构成，所述的光阵元为单独封装的个体，且光阵元包括压圈、准直透镜、调整垫片、激光二极管、前置驱动电路、插座、金属外壳和有机硅胶，所述的插座固定在金属外壳一端，与前置驱动电路相连接；热沉封装的激光二极管固定在金属外壳内中间位置，激光二极管的管脚与前置驱动电路的输出端连接且通过有机硅胶灌封；准直透镜分别通过调整垫片和压圈固定设置在金属外壳内的另一端；

所述的可扩展框架内包括有平行设置的上、下固定隔板，n行×m列个阵元竖直阵列排布在上、下固定隔板之间，阵元之间相互平行，且插座端在下端，阵元之间的间隔均匀一致，且间隔内填充有灌封材料，所述的灌封材料为铝粉与硅胶的混合物，填充的同时也对阵列光源整体进行封装；

所述的驱动电路包括滤波电路和驱动与亮度控制电路，所述的滤波电路的输入端连接插座的输出端，滤波电路输出端连接驱动与亮度控制电路的输入端，驱动与亮度控制电路的输出端连接激光二极管的对应管脚。

n×m激光阵列光源对应于具有n×m个通光窗口的光开关阵列，以及具有n ×m个粗光栅阵元的双结构光栅阵列器件，相对应的一个光源阵元与一个光开关通光窗口和一个双结构光栅阵列的粗光栅阵元组成一个微型光学相控阵照射通道，n×m个微型光学相控阵照射通道按照一定顺序、相位差协同工作，形成整体的基于光学相控阵技术的激光雷达扫描照射工作模式，目标对照射激光的反射信号由雪崩光电二极管器件接收并由微控制器解算相关信息参数。

所述具有双层结构的液晶光开关阵列，采用“选通→保持→选通→保持→选通→…”顺序选通并保持工作方式，具体的针对不同的扫描工作模式对驱动信号的要求不同，其中针对线形扫描、扇形扫描和深度聚焦三种选通(扫描)工作模式，设计对应的驱动信号特征与时序要求如下：

①线形扫描：延时时间一定或规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项通选，任意时刻只能有一个元素选通；

②扇形扫描：延时时间依扇扫规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通；

③照射强度控制：延时时间规则变化，驱动信号幅值按规则变化，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通。

本发明所述一种光学相控阵激光雷达装置，将普通小功率的激光二极管封装成激光阵列光源，为激光雷达提供一种新型的多光束的激光照射源，采用特殊设计的双层结构液晶光开关阵列作为光束通道控制器件，在选通(扫描)控制装置的控制下对激光束进行相位调制，利用特殊设计的双结构光栅器件特有的功能达成各种远场照射模式，采用高灵敏度、低噪声铟镓砷光电检测器接收目标激光反射信号并进行测量参数的解算，实现搜索、检测、定位、跟踪等应用，同时，激光阵列光源、双层结构液晶光开关阵列、双结构光栅器件本身也可以独立应用于其他光学测控系统中。

附图说明

图1为本发明的原理结构图；

图2为本发明的双结构光栅阵列器件粗光栅结构示意图；

图3为本发明的双结构光栅阵列器件细光栅结构示意图；

图4为本发明的光学相控阵工作原理示意图；

图5为本发明的双层结构液晶光开关阵列结构图；

图6为本发明的激光阵列光源结构图；

图7为本发明所述激光阵列光源中阵源的结构示意图；

图8为本发明所述激光阵列光源中光源驱动电路的电路原理图；

图9为本发明的光开关选通(扫描)控制装置原理框图；

图10为本发明的8通道选通(扫描)、保持控制电路图；

图11为本发明的光开关扫描控制电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括激光阵列光源1、双层结构液晶光开关阵列2、双结构光栅阵列器件3、光开关扫描控制装置4、激光反射信号处理装置5和光学透镜6，所述的光学透镜包括扫描照射透镜和目标反射接收透镜，分别设置在双结构光栅阵列器件3与照射目标之间以及照射目标与激光反射信号处理装置5 之间，分别用于对出射光束和入射光束进行矫正；

所述的激光阵列光源1作为系统的照射光源提供平面阵列分布的多光束、平行激光束；

所述的双结构光栅阵列器件3为阵列粗光栅的透光阵元部分嵌入细光栅的结构构成，使其衍射嵌套与空间同步干涉特性产生各种转向角度、以及距离方向照射强度可调的远场照射模式；

所述的激光阵列光源1发射的光束在所述光开关扫描控制装置4控制下，经由所述的双层结构液晶光开关阵列2的延时选通对光束之间以及光束本身进行相关相位调制，结合双结构光栅阵列器件3从而完成对目标进行光学相控阵扫描照射；

所述的激光阵列光源1的激光二极管阵元、双层结构液晶光开关阵列2的通光窗口阵元以及双结构光栅阵列器件3粗光栅的阵元的数量、间隔尺寸均相互一一对应且保持一致，激光反射信号处理装置对目标反射回来的激光信号进行接收、处理并解算出距离、方位、速度等信息参数。

如图2和图3所示，所述的双结构光栅阵列器件3包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，任意一个透光单元(窗口)8宽度与其相邻的不透光单元9的宽度均相等，且任意一个透光单元8宽度与其相邻的不透光单元9的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、 s、D、d均为正整数。

应用光刻与刻蚀工艺，采用矩阵面阵结构，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，其中白色透光部分本身也是一个独立的面阵光栅，光栅参数根据器件应用对应的激光波长特别设计，使其具备较高的衍射效率。

该双结构光栅器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为λ，则d不大于1/2λ，

如图2和图3所示，双结构光栅阵列器件3，所谓双结构是指粗光栅内嵌套有细光栅。双结构光栅阵列器件由粗、细光栅双重结构组成，粗光栅的每个透光单元分别对应于激光照射阵列的一个光束(一个激光二极管发出的一束激光)，其效果是将传统的基于光学相控阵激光雷达对单光束的相位调制变为对激光阵列多光束的调制，突破了对相位调制器件阵列单元的尺寸必须不大于500nm(对应于激光波长1微米左右)的限制，使得利用常规的材料、加工技术和工艺制作出应用于光学相控阵中进行相位调制的器件；上述每个透光单元又是一个细光栅阵列，与传统器件类似，其光栅参数取决于激光波长，对单束激光进行相关控制，粗、细光栅结合的效果是制作器件的材料易得，微结构加工要求大为降低，制作工艺、设备要求简化，器件的适用性获得极大的提升。

如图1所示，该双结构光栅器件与光学相位调制器件结合构成二维阵列光学相控阵组件，实现激光阵列光源1入射到光学相控阵组件后，通过控制相位调制器件2的各个单元内相邻光束的相位差以及单元间的光束相位差，使得光束经由双结构光栅阵列器件3输出光波的相位在指定的方向上相同，从而实现该方向的相长干涉，同时输出光的相位在其它方向产生相消干涉，从而通过透镜后使光线聚焦到目标扫描位置7处的对应位置，粗光栅的较大结构尺寸与细光栅的微结构尺寸相结合，能够获得大尺寸器件的同时满足作为光学相控阵激光雷达系统中的光束扫描器件的使用功能，而且成本低、工艺简单、使用时可靠性高。通过n× m个透光单元形成一个激光面阵组件，通过控制驱动各激光二极管出射光的相位和强度从而实现面阵组件出射光的方向扫描和照射强度控制，应用于诸如激光雷达、激光测距等场合；如图4所示，具体使用时，粗光栅的每个透光孔对应一个独立的激光二极管器件的光束，相邻透光孔间激光二极管器件的光束相位差为ΔΦ，出射光偏转角度。

θ_s＝arcsin[(ΔΦ·λ)/(2π·D)]

其中，λ为入射光波长，D为相邻调制单元间距(或称粗光栅参数)，ΔΦ为相邻单元相位差。控制相位差ΔΦ的大小与正负即可实现方向扫描，对应二维面阵器件而言，控制行间单元的相位差可实现方位扫描、控制列间单元的相位差可实现俯仰扫描、控制聚焦透镜可实现前后聚焦深度变化、控制光开关的开启程度可控制照射强度。

细光栅内部的各光束可以进行类似上述的相位调制，也可以不调制，调制后的整体效果要好于不调制。进行调制时，由相位调制器件控制相邻光束相位差为出射光偏转角度保持与粗光栅调制偏转角度一致，即

其中，λ为入射光波长，d为相邻调制光束间距(或称细光栅参数)，为相邻单元相位差，同时需要保证ΔΦ是的整数倍。

本发明采用粗、细光栅相结合的特殊结构设计来解决激光器阵列集成问题与相位调制单元间距微型化问题，粗光栅参数，以满足多激光器集成、器件安装的难题；细光栅参数，合特殊设计的相位调制器件，实现相位调制单元间距微型化、消除旁瓣、提高效率和精度的难题。

如图5所示，所述的双层结构液晶光开关阵列2由上、下设置的第一层液晶板28和第二层液晶板29构成，第一层液晶板28的上面依次平行设置有第一定向薄膜17、行扫描电极22、上层玻璃板21和上偏振片27，第一层液晶板28的下面依次平行设置有第二定向薄膜16、行信号电极24和中间玻璃板30；第二层液晶板29极板的上面依次平行设置第三定向薄膜18和列扫描电极23，第二层液晶板29的下面依次平行设置有第四定向薄膜19、列信号电极25、下层玻璃板20和下偏振片31；所述的行信号电极24和列信号电极25分别连接有电极引出线26，所述的电极引出线26用于使引出管脚布设合理、方便行信号电极24 和列信号电极25分别与行扫描电极22和列扫描电极23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24和列信号电极25通电；所述的行扫描电极22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30为双面电极极板，即第一层液晶板28与第二层液晶29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23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；

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22与行信号电极24相互垂直且上下覆盖对齐，列信号电极25 与行信号电极24相互垂直且上下覆盖对齐，列扫描电极23与列信号电极25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22的部分下面没有与其对应的行信号电极24的部分，反之不能有行信号电极24的部分上面没有与其对应的行扫描电极22的部分；列扫描电极23 与列信号电极25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17、第二定向薄膜16、第三定向薄膜18和第四定向薄膜19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27的偏振方向与第一层液晶板28晶体的上表面分子取向相同，第二层液晶板29晶体的上表面分子取向与第一层液晶板28晶体上表面分子取向保持平行，下偏振片31的偏振方向与上偏振片27的偏振方向保持一致。

所有电极均处于低电平时，光束入射上偏振片27后，经过上偏振片27形成与第一层液晶板28表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板28，偏振方向随液晶分子长轴旋转90°，以垂直于第二层液晶板29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29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28表面分子取向相同的线偏振光，入射第一层液晶板28，由于电场作用光的偏振方向在第一层液晶板28中传播时不再旋转而保持不变，以平行于第二层液晶板29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29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。

所述的光开关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用于对保持电路、选通电路和光开关选通控制器等进行供电；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。

如图6和图7所示，本发明所述所述的激光阵列光源1由n行×m列个阵元 46阵列排布到可扩展框架45上构成，所述的阵元46为单独封装的个体，且阵元46包括压圈54、准直透镜53、调整垫片52、激光二极管51、前置驱动电路 49、插座47、金属外壳48和有机硅胶50，所述的插座47固定在金属外壳48 一端，与前置驱动电路49相连接；其中，光源即激光二极管51、调整垫片52 和准直透镜53组成准直矫正环节，通过调整垫片52的厚度不同进行一定范围的调节；经特别设计的前置驱动电路49具有电源极性识别功能，可自适应连接外部电源，同时交、直流通用。

阵元46将激光二极管51、前置驱动电路49和准直透镜53独立封装为一个单体，阵列不受阵列形式与阵元多少的限制，使得对应的工作模式、扫描、矫正等控制方法相对独立且易于实现不同技术路线的实施，使得阵列整体性能受个别阵元特性的影响降到最低。

所述的激光二极管51为热沉封装的激光二极管，热沉封装的激光二极管固定在金属外壳48内中间位置，热沉封装的激光二极管的管脚与前置驱动电路49 的输出端连接且通过有机硅胶50灌封；准直透镜分别通过调整垫片和压圈固定设置在金属外壳内的另一端；

所述的可扩展框架内包括有平行设置的上固定隔板41、下固定隔板42，n 行×m列个阵元46竖直阵列排布在上、下固定隔板之间，阵元46之间相互平行，且插座端在下端，阵元之间的间隔均匀一致，且间隔内填充有灌封材料43，所述的灌封材料43为铝粉与硅胶的混合物，填充的同时也对阵列46光源整体进行封装；如图6所示，阵元46与外界电路的连接采用接插件47，接插件47包括电源两个电极和控制信号一个电极，经特殊设计的电源极性自动识别电路可自适应连接外部电源，无连接极性对错之忧(不分正、负极)，交、直流供电通用，且接地线可在阵列内部通联，故阵元可采用三线制或二线制与外部电路连接。三线制连接时，输入电源为直流恒压源，作为半导体激光二极管的驱动电源；半导体激光二极管的亮度由亮度调节信号独立控制，通过改变亮度调节信号的占空比或频率控制场效应开关管的通/断调节激光亮度。

二线制连接时，亮度调节信号无效(接地)，输入电源为幅值可变直流电压源，电压的通断控制半导体激光二极管的通断；电源电压幅值的大小调控半导体激光二极管的亮度。

图6所示为激光阵列光源组成示意图，所述一种用于光学扫描的激光阵列光源，利用目前的普通半导体激光二极管器件制作成可应用于光学相控阵激光雷达的分布式激光源，采用阵元独立封装、控制；阵元由上下金属隔板固定后封装在可扩展金属框架内，填充硅胶密封；阵列封装金属框架开设有半工字形导槽，多个阵列可通过工字形锁扣方面、快速的组成不同形式、大小的阵列组件，适用于不同的应用要求。

所述激光阵列光源的一项突出特点是，阵元将发光体、前置驱动和准直修正独立封装为一个单体，不受阵列形式与阵元多少的限制，使得对应的工作模式、扫描、矫正等控制方法相对独立且易于实现不同技术路线的实施，不受阵元特性的影响。方便、可扩展封装框架也是激光阵列光源的特征之一，在采用阵元独立封装的基础上，封装框架的扩展连接是产品适用性的重要指标，设计采用沿封装外表面下缘开设环形内置半工字型贯通型导槽，在需要拼接扩展时将相向对接的两个阵列模块，利用工字型锁扣连接固定，既不受拼接扩展形式的限制，又不增加辅助元件与难度，正真实现了阵列扩展等同于简单的器件并联应用。

如图8所示，所述的驱动电路包括滤波电路和驱动与亮度控制电路，所述的滤波电路的输入端连接插座的输出端，滤波电路输出端连接驱动与亮度控制电路的输入端，驱动与亮度控制电路的输出端连接激光二极管的对应管脚。所述的驱动电路还包括有电源极性变换电路，所述的电源极性变换电路为整流模块，用于将不同极性直流电或交流电转换成确定极性的直流电，作为后续电路的电源。所述的滤波电路包括前置滤波和后置滤波，分别设置在整流模块的输入端和输出端，所述的前置滤波和后置滤波均采用电容滤波。所述的驱动与亮度控制电路包括基准电压、比较器、偏置电阻R1、标定电阻R2、限流电阻R3和场效应管，用于依据外部控制信号对激光二极管载荷进行启、闭控制与亮度调节控制。

前置驱动电路由插座、前滤波、极性变换、后滤波、基准电压、比较器、偏置、反馈、标定、场效应高速开关管和载荷(激光二极管)组成，整流电路输入端与前滤波并联后接插座电源输入插针，极性变换电路输出端与后滤波并联后向后续电路供电；基准电压芯片的输入端接插座亮度调节插针，输出接比较器的参考电压输入端，比较器的输出接场效应高速开关管控制极控制开关的通/断，实现半导体激光二极管通/断、以及亮度的调节，此外还包括偏置、反馈、标定和限流电路。前端通过插座与外部电路连接，后端输出直接驱动半导体激光二极管。经插座输入的电源经C1滤波后输入整流模块(相当于前述的极性变换)的输入端，整流模块的输出端经C2滤波后为比较器和半导体激光二极管供电。外部的亮度调节信号经插座接基准电压模块的输入端，基准电压模块的输出端接比较器的电压参考端，作为亮度控制的基准，比较器的输出端接场效应开关管的栅极，控制场效应开关管的通/断，实现半导体激光二极管通、断控制与亮度调节。上述整流环节在此具有电源极性自调整(也称自适应)功能，使得外部电源无需判别正、负极，可直接接入(无论加在整流模块输入端的电源极性是上正、下负，还是上负、下正，整流模块输出端加载C2上的电压极性依然为上正、下负，后续电路任然正常工作)，同时适用于交流供电。

n×m激光阵列光源对应于具有n×m个通光窗口的光开关阵列，以及具有n ×m个粗光栅阵元的双结构光栅阵列器件，一个光源阵元与一个光开关通光窗口和一个双结构光栅阵列的粗光栅阵元组成一个微型光学相控阵照射通道，n×m 个微型光学相控阵照射通道按照一定顺序、相位差协同工作，形成整体的基于光学相控阵技术的激光雷达扫描照射工作模式，目标对照射激光的反射信号由雪崩光电二极管器件接收并由微控制器解算相关信息参数。

相邻微型光学相控阵照射通道间，前通道的最后调制光束与后通道的首调制光束间的相位差需要严格的控制，依据扫描工作模式，由开关扫描控制装置进行控制，根据相邻通道器件的间隔尺寸以及在该尺寸方向上光开关扫描电极的宽度，计算出前通道的最后调制光束与后通道的首调制光束间的相位差，由控制器产生延时控制信号进行调节，以实现所有微型光学相控阵照射通道间的相位差一致性的要求。

双结构光栅阵列器件由粗、细光栅双重结构组成，粗光栅的每个透光单元分别对应于激光照射阵列的一个光束(一个激光二极管发出的一束激光)，其效果是将传统的基于光学相控阵激光雷达对单光束的相位调制变为对激光阵列多光束的调制，突破了对阵列单元的尺寸必须不大于500nm(对应于激光波长1微米左右)的限制，使得可以利用常规的材料、加工技术和工艺制作出应用于光学相控阵中进行相位调制的器件；上述每个透光单元又是一个细光栅阵列，与传统器件类似，其光栅参数取决于激光波长，对单束激光进行相关控制，粗、细光栅结合的效果是制作器件的材料易得，微结构加工要求大为降低，制作工艺、设备要求简化，器件的适用性获得极大的提升。

所述具有双层结构的液晶光开关阵列，与普通的单层结构的液晶光开关阵列在应用方式与效果上有本质的差别，不同于传统液晶光开关逐行(或列)选通时的“选通→关断→选通→…”脉冲工作模式，而是采用“选通→保持→选通→保持→选通→…”顺序选通并保持工作模式，所以具有类似于窗帘开闭过程的逐渐打开效果。

利用目前的普通半导体激光二极管器件制作成可应用于光学相控阵激光雷达的分布式激光源，采用阵元独立封装、控制；阵元由上下金属隔板固定后封装在可扩展金属框架内，填充密封；阵列封装金属可扩展框架开设有半工字形导槽，多个阵列可通过工字形锁扣方式快速的组成不同形式、大小的阵列组件，适用于不同的应用要求。

图9所示，光开关选通(扫描)控制装置，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负责照射强度控制。

如图10所示，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。

不同的选通(扫描)工作模式对驱动信号的要求不同，针对线形扫描、扇形扫描和深度聚焦3种选通(扫描)工作模式，设计对应的驱动信号特征与时序要求如下：

①线形扫描：延时时间一定或规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项通选，任意时刻只能有一个元素选通。

②扇形扫描：延时时间依扇扫规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通。

③照射强度控制：延时时间规则变化，驱动信号幅值按规则变化，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通。

图5所示双层结构液晶光开关阵列，所述双层结构液晶光开关阵列，常断状态时，上、下层所有电极处于低电平，全部阵元(通光窗口)处于光遮断状态，在行扫描(或列扫描)工作模式时，置行信号(或列信号)电极A、B、C、D、E…等为低电平、同时置包含列扫描(或行扫描)电极的另一层所有单元(包括该层的所有8×8个通光窗口，以及窗口内的所有10×10个光通道)处于导通状态，然后按照一定时间间隔顺序(对应于相位)逐次置行扫描(或列扫描)电极a、 b、c、d、e、f、…等为高电平，使得对应单元的上、下层液晶在电场作用下光传输沿轴向不再发生扭曲而透光，实现类似于窗帘开闭过程的逐渐打开。经过液晶光开关阵列控制(调制)的光束之间具有一定的相位差(延时)，该过程即为光束的相位调制过程，也称为光学相位控制过程。所述具有双层结构的液晶光开关阵列，与普通的单层结构的液晶光开关阵列在应用方式与效果上有本质的差别，不同于传统液晶光开关逐行(或列)选通时的“选通→关断→选通→…”脉冲工作模式，而是采用“选通→保持→选通→保持→选通→…”顺序选通并保持工作模式，所以具有类似于窗帘开闭过程的逐渐打开效果。

以下将对本发明的优先实施例进行详细的描述；应当理解，优先实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

系统光源采用8×8激光阵列光源。输入控制环节，选择小间距3线插座 (ZH1.0-3P)；电压极性变换环节，选择快速整流集成芯片(MP6908GJ PD)，取 C1＝C2＝0.22μF；驱动与亮度控制环节，基准电压电路选择LM1403，比较器选择LM358，高速开关电路选择2SJ461场效应管P沟道-50V-100mA，R1＝1k， R2＝R3＝51Ω；载荷驱动环节，选择980nm波长的激光二极管(GH系列)，外径3.3mm，长度8.27mm，驱动电压≦3.0V，输出功率120mW。准直透镜透镜采用模造玻璃非球面透镜，直径3.0mm，焦距2.0mm。

相位调制采用8×8双层结构液晶光开关阵列。阵元尺寸为2mm×2mm，阵元间隔2mm，外形与尺寸长×宽×厚为18.5mm×18.5mm×0.5mm。基本参数如下：

①行扫描电极外形与尺寸：长方形条状电极，共8组(n1＝8)，组间间隔 2mm。每组10条电极(n2＝10)，电极间间隔100μm。共计80条(n＝80)，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×100μm×150nm。

②行信号电极外形与尺寸：长方形条状电极8条(n3＝8)，条间间隔2mm，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×2mm×150nm。

③列扫描电极外形与尺寸：长方形条状电极，共8组(m1＝8)，组间间隔 2mm。每组10条电极(m2＝10)，电极间间隔100μm。共计80条(m＝80)，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×100μm×150nm。

④列信号电极外形与尺寸：长方形条状电极8条(m3＝8)，条间间隔2mm，每条电极尺寸长×宽×厚为14mm×2mm×150nm。

光开关选通(扫描)控制装置电路设计采用4套4×4双层结构液晶光开关控制电路，对8×8双层结构液晶光开关阵列进行串、并控制。每套选用5片高速16路复用电路CD74HC4067作为行、列选通(扫描)电路，1片8路复用电路 CD74HC4051作为行、列信号电极控制电路，22片4运放MAX419搭建保持电路，光开关选通(扫描)控制器采用32位ARMCortex-M3结构的STM32F107。单套控制电路原理如图11所示。

光栅器件器件采用8×8双结构光栅阵列器件，参见图2和图3。基本参数如下：

①细光栅：目前常用的激光光源的波长约λ＝1μm，考虑消除副瓣应满足 d＜λ、提高效率和精度应满足d＜＜λ等因素，取a＝100nm,b＝100nm， d＝200nm。

②粗光栅：考虑目前激光器件封装尺寸外径最小在4mm左右，取A＝2mm, B＝2mm,D＝A+B＝2+2＝4mm，对应于激光二极管器件外径尺寸应小于D, 否则器件无法安装、定位，本发明应用例选则激光二极管器件外径尺寸为φ3.5mm。

所以，在A＝2mm的正方形透光栅格内，均匀排列分布明暗相间的结构，如图3所示为局部放大图。透光孔为直径等于a＝100nm的圆形(孔径越小，衍射效果越好)，两透光孔间隔为b＝100nm。在2mm×2mm范围内均匀分布着 10000×10000＝1×10⁸个透光圆孔，形成纵向光栅与横向光栅相结合的面栅结构。

③外形尺寸与材质：根据粗光栅的结构尺寸，双结构光栅外形尺寸长×宽×厚确定为32mm×32mm×4mm，材质选用光学K9玻璃。

激光反射信号处理装置如图1中的5所示，由采用铟镓砷(InGaAs)雪崩二极管阵列探测器和微控制器组成，光谱波长范围0.9～1.7μm，有效接收面积 4mm×38.5mm，带宽1G、1.5G、2.5G可选，纳秒级响应，短波可扩展到 400nm～1800nm，12V电源供电。

光学系统选择。选用长焦距准直透镜作为照射透镜，短焦距聚焦透镜作为接收透镜。

本发明所述一种光学相控阵激光雷达装置，由激光阵列光源、双层结构液晶光开关阵列、光开关扫描控制装置、双结构光栅阵列器件、激光反射信号处理装置、光学透镜组6部分组成，激光阵列作为系统的照射光源提供平面阵列分布的多光束、平行激光束，双层结构液晶光开关阵列和光开关选通(扫描)控制装置通过光开关的延时选通对光束之间以及光束本身进行相关相位调制，双结构光栅阵列器件利用其特有的衍射嵌套与空间同步干涉特性产生各种转向角度、以及距离方向深度聚焦可调的远场照射模式，对目标进行光学相控阵扫描照射，激光阵列的激光二极管阵元、液晶光开关阵列的通光窗口阵元(本身又是一个阵列)以及双结构光栅阵列粗光栅的阵元(本身也是一个阵列)其数量、间隔尺寸一一对应且保持一致，激光反射信号处理装置对目标反射回来的激光信号进行接收、处理并解算出距离、方位、速度等信息参数，系统配置的扫描照射透镜和目标反射接收透镜对出射光束和入射光束进行矫正。

Claims (10)

1.一种光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：包括激光阵列光源、双层结构液晶光开关阵列、双结构光栅阵列器件、光开关扫描控制装置、激光反射信号处理装置和光学透镜，所述的光学透镜包括扫描照射透镜和目标反射接收透镜，分别设置在双结构光栅阵列器件与照射目标之间以及照射目标与激光反射信号处理装置之间，分别用于对出射光束和入射光束进行矫正；

所述的激光阵列光源作为系统的照射光源提供平面阵列分布的多光束、平行激光束；

所述的双结构光栅阵列器件为阵列粗光栅的透光阵元部分嵌入细光栅的结构构成，使其衍射嵌套与空间同步干涉特性产生各种转向角度、以及距离方向照射强度可调的远场照射模式；

所述的激光阵列光源发射的光束在所述光开关扫描控制装置控制下，经由所述的双层结构液晶光开关阵列的延时选通对光束之间以及光束本身进行相关相位调制，结合双结构光栅阵列器件从而完成对目标进行光学相控阵扫描照射；

所述的激光阵列光源的激光二极管阵元、双层结构液晶光开关阵列的通光窗口阵元以及双结构光栅阵列器件粗光栅的阵元的数量、间隔尺寸均相互一一对应且保持一致，激光反射信号处理装置对目标反射回来的激光信号进行接收、处理并解算出距离、方位、速度等信息参数。

2.根据权利要求1所述光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：所述的双结构光栅阵列器件包括n×m个透光窗口，按照n行×m列矩形黑白相间排列分布，黑色部分不透光、白色部分透光，任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度均相等，且任意一个透光单元宽度与其相邻的不透光单元的宽度之和为此单元进行相位调制时的单元间距，记为D，从而构成了n行×m列矩形黑白相间排列分布的器件本体，所述的透光窗口为一个独立的面阵光栅，所述的面阵光栅内均匀分布着s*s个透光的圆孔，其中，面阵光栅的单元间距记为d，则D为d的整数倍，其中n、m、s、D、d均为正整数。

3.根据权利要求2所述的光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：所述的双结构光栅阵列器件在使用时，阵列的每一个透光单元分别对应一个激光二极管光源和一个相位调制窗口，激光二极管光源的波长为λ，则d不大于1/2λ。

4.根据权利要求1所述的光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：所述的双层结构液晶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；

第二层液晶板极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。

5.根据权利要求4所述的光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：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n组行扫描电极对应n3个行信号电极，m组列扫描电极对应m3个列信号电极。

6.根据权利要求1所述的光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：所述的光开关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。

7.根据权利要求6所述的光学相控阵激光雷达装置，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；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。

8.根据权利要求1所述一种光学相控阵激光雷达装置，其特征在于：所述的激光阵列光源由n行×m列个光阵元阵列排布到可扩展框架上构成，所述的光阵元为单独封装的个体，且光阵元包括压圈、准直透镜、调整垫片、激光二极管、前置驱动电路、插座、金属外壳和有机硅胶，所述的插座固定在金属外壳一端，与前置驱动电路相连接；热沉封装的激光二极管固定在金属外壳内中间位置，激光二极管的管脚与前置驱动电路的输出端连接且通过有机硅胶灌封；准直透镜分别通过调整垫片和压圈固定设置在金属外壳内的另一端；

所述的可扩展框架内包括有平行设置的上、下固定隔板，n行×m列个阵元竖直阵列排布在上、下固定隔板之间，阵元之间相互平行，且插座端在下端，阵元之间的间隔均匀一致，且间隔内填充有灌封材料，所述的灌封材料为铝粉与硅胶的混合物，填充的同时也对阵列光源整体进行封装；

所述的驱动电路包括滤波电路和驱动与亮度控制电路，所述的滤波电路的输入端连接插座的输出端，滤波电路输出端连接驱动与亮度控制电路的输入端，驱动与亮度控制电路的输出端连接激光二极管的对应管脚。

9.根据权利要求1-8任一权利要求所述光学相控阵激光雷达装置，其特征是：n×m激光阵列光源对应于具有n×m个通光窗口的光开关阵列，以及具有n×m个粗光栅阵元的双结构光栅阵列器件，相对应的一个光源阵元与一个光开关通光窗口和一个双结构光栅阵列的粗光栅阵元组成一个微型光学相控阵照射通道，n×m个微型光学相控阵照射通道按照一定顺序、相位差协同工作，形成整体的基于光学相控阵技术的激光雷达扫描照射工作模式，目标对照射激光的反射信号由雪崩光电二极管器件接收并由微控制器解算相关信息参数。

10.根据权利要求9所述一种光学相控阵激光雷达装置，其特征是：所述具有双层结构的液晶光开关阵列，采用“选通→保持→选通→保持→选通→…”顺序选通并保持工作方式，具体的针对不同的扫描工作模式对驱动信号的要求不同，其中针对线形扫描、扇形扫描和深度聚焦三种选通(扫描)工作模式，设计对应的驱动信号特征与时序要求如下：

①线形扫描：延时时间一定或规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项通选，任意时刻只能有一个元素选通；

②扇形扫描：延时时间依扇扫规则变化，驱动信号幅值一定，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通；

③照射强度控制：延时时间规则变化，驱动信号幅值按规则变化，诸元素逐项选通，前期选通的元素后续保持选通。