一种光学相控阵激光雷达装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

An Optical Phased Array Lidar Device

The invention discloses an optical phased array lidar device, which comprises a laser array light source, a double-layer structure liquid crystal optical switch array, an optical switch scanning control device, a double-structure grating array device, a laser reflection signal processing device and an optical lens. The optical lens comprises a scanning irradiation lens and a target reflection receiving lens, which are respectively arranged in a double-structure grating array device. Between the irradiated target and the irradiated target and the laser reflection signal processing device, they are used to rectify the outgoing beam and the incident beam, respectively. By encapsulating ordinary low-power laser diodes into laser array light sources, adopting specially designed double-layer structure liquid crystal optical switch arrays as beam channel control devices, phase modulation of laser beams is carried out under the control of selective control devices, and various far-field irradiation modes are achieved by utilizing the unique functions of specially designed double-structure grating devices. The laser reflection signal processing device receives, processes and calculates the information parameters such as distance, azimuth and velocity of the laser signal reflected from the target.

【技术实现步骤摘要】
一种光学相控阵激光雷达装置
本专利技术涉及光学检测领域的光学相控阵
，尤其涉及一种光学相控阵激光雷达装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案为：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个通光窗口本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建明，王成凤，赵明明，白磊，郭香静，王为术，陈嘉琦，张盼盼，时铭慧，李琛，郏一方，袁瑞，朱莎莎，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：河南,41