【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及全固态激光雷达，尤其涉及一种基于堆栈式的全固态激光雷达及其控制方法。
技术介绍
1、激光雷达是一种采用激光束探测物体及其运动轨迹，并能对物体进行三维成像的设备。激光雷达发射激光束并精确检测反射时间，在其探测范围内对物体进行成像和跟踪。目前，激光雷达以其分辨率高、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点，在精密测量、侦察监视、空间交会对接、着陆避障、遥感等领域有着广泛的应用，一直是世界各国研究的重点和热点。
2、但现有激光雷达的光束指向控制方法大多采用机械扫描方式，为了实现快速精确的机械扫描，需要依赖精密、坚固的机械转动结构，这不可避免会导致系统庞大、笨重。此外，由于机械扫描系统的控制电路趋于复杂，大多数的机械扫描系统响应速度较慢，扫描精度不高。相比于机械扫描，光学相控阵opa激光雷达由于可以实现发射、扫描到接收的全微光集成，大大提高了可靠性。
3、中国专利技术专利cn114002703a公开了一种三维成像的全固态激光雷达装置，其采用光学相控阵发射芯片和激光接收芯片，将激光光束阵列通过发射芯片转变为具有相位差的扫描光束，扫描光束通过光路透镜系统透射后照射到目标物上，经目标物反射得到的激光回波信号被光路透镜系统透射后被激光接收芯片接收。该装置虽然实现了opa激光雷达的集成小型化，但是其非堆栈式的布局结构使得小型化程度并不足以满足微小型激光雷达的发展需要。
4、因此，在未来环境探测的需求主要体现在增强微小型环境态势感知激光雷达或光电探测系统轻量化、集成化和全固态化能力，堆栈式的全固态激光雷达技术研
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提高激光雷达或探测设备小型化、微型化和全固态化能力，提供一种基于堆栈式的全固态激光雷达及其控制方法。
2、为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于堆栈式的全固态激光雷达，包括：发射接收分层、信号处理及控制电路分层、综合控制及信息处理分层、热管理及接口控制分层和热管理实施及接口分层；
4、所述发射接收分层用于发射经相位调制后产生的波束扫描信号至目标物，并接收从目标物反射回的回波激光信号，将回波激光信号进行相干混频后转换成包含目标信息的模拟电信号，所述发射接收分层包括硅基光学相控阵发射天线；
5、所述信号处理及控制电路分层用于对所述包含目标信息的模拟电信号进行放大、滤波采集后转换成包含目标信息的数字电信号，并在接收二维扫描指令后对发射接收分层进行相位调制控制；
6、所述综合控制及信息处理分层用于对所述包含目标信息的数字电信号进行计算处理后得到目标区域的三维探测信息、对发射接收分层输出激光发射指令进行激光发射控制、以及对信号处理及控制电路分层输出二维扫描指令进行二维扫描控制；
7、所述发射接收分层、信号处理及控制电路分层、综合控制及信息处理分层、热管理及接口控制分层和热管理实施及接口分层之间均通过tsv光电垂直互连组件连接。
8、本专利技术采用分层布局结构，将发射接收天线层、采用硅基衬底的控制电路层、综合信息处理层、热管理及外部通信接口控制层和热管理及外部通信接口层通过光电垂直互联和混合集成的方式，最终形成堆栈式多层组件结构形态布局，实现激光雷达系统光电子器件的微型化集成。同时，本专利技术采用基于硅基光学相控阵的电控扫描的光束指向控制方式，具有结构简单、质量轻、高稳定性、随机角度偏转、动态实时角度控制的特点，同时兼顾高分辨率、高准确度、电控可编程多光束控制等功能优势。
9、优选地，所述发射接收分层还包括窄线宽线性调频光源和相干接收单元，所述窄线宽线性调频光源用于输出第一连续调频激光信号和第二连续调频激光信号，所述硅基光学相控阵发射天线用于对第一连续调频激光信号进行分束，并通过相位调制后生成波束扫描信号，将波束扫描信号发射至目标物；所述相干接收单元包括接收天线，所述接收天线用于接收从目标物反射回的回波激光信号，所述第二连续调频激光信号经过可调延迟单元延迟后作为本振激光信号，所述相干接收单元根据本振激光信号对回波激光信号进行相干混频，并将混频后的光信号转换成包含目标信息的模拟电信号。
10、优选地，所述窄线宽线性调频光源包括半导体激光器、soa放大器和第一mmi分束器，所述半导体激光器的输出端与soa放大器的输入端连接，所述半导体激光器用于输出连续调频激光信号，所述soa放大器用于对连续调频激光信号进行放大，所述第一mmi分束器用于将放大后的连续调频激光信号分束为第一连续调频激光信号和第二连续调频激光信号。
11、优选地，所述硅基光学相控阵发射天线包括mmi分束器组、移相器和光栅辐射天线，所述第一连续调频激光信号经mmi分束器组分束后变成多路光束，所述多路光束通过硅光波导阵列传输至移相器，所述移相器的控制信号输入端与二维扫描控制单元的相位调制信号输出端连接，多路光束经所述移相器调制相位后变成波束扫描信号，由硅光波导阵列传输至光栅辐射天线，所述光栅辐射天线用于出射波束扫描信号至目标物。
12、本专利技术采用硅基光学相控阵技术，能够在芯片上实现二维光学相位控制功能，实现芯片化的激光雷达二维光束扫描，在制备工艺上可以兼容cmos，使得光学阵列易于制作。
13、优选地，所述相干接收单元还包括光栅耦合阵列、光混频器、可调延迟单元和平衡探测器，所述光栅耦合阵列用于耦合输入所述回波激光信号，所述光混频器用于将耦合输入的回波激光信号与本振激光信号进行混频，产生混频后的回波激光信号，所述平衡探测器用于对混频后的回波激光信号进行光电转换，输出包含目标信息的模拟电信号。
14、优选地，所述信号处理及控制电路分层包括放大及读出电路、ad采集单元和二维扫描控制单元，所述放大及读出电路的输入端与相干接收单元的模拟电信号输出端连接，所述放大及读出电路的输出端与ad采集单元连接，所述包含目标信息的模拟电信号依次经放大及读出电路和ad采集单元进行放大和采集处理后转换成包含目标信息的数字电信号，所述二维扫描控制单元的相位调制信号输出端与硅基光学相控阵发射天线的相位调制信号输入端连接，所述二维扫描控制单元用于在接收二维扫描指令后对硅基光学相控阵发射天线进行相位调制控制。
15、优选地，所述综合控制及信息处理分层包括综合控制单元和fmcw信息处理单元，所述综合控制单元与fmcw信息处理单元连接，所述综合控制单元的激光发射指令输出端与窄线宽线性调频光源的输入端连接，所述综合控制单元的二维扫描指令输出端与二维扫描控制单元的输入端连接，所述fmcw信息处理单元用于对所述包含目标信息的数字电信号进行计算处理以得到目标区域的三维探测信息。
16、一种基于堆栈式的全固态激光雷达控制方法，包括以下步骤：
17、步骤1：根据系统发出的空间扫描探测指令，综合控制单元发出激光发射指令和二维扫描指令；
18、步骤2：将激光发射指令解析为激光发射控制参数，将二维扫描指令解析本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，包括：发射接收分层、信号处理及控制电路分层、综合控制及信息处理分层、热管理及接口控制分层和热管理实施及接口分层；
2.根据权利要求1所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述发射接收分层还包括窄线宽线性调频光源和相干接收单元，所述窄线宽线性调频光源用于输出第一连续调频激光信号和第二连续调频激光信号，所述硅基光学相控阵发射天线用于对第一连续调频激光信号进行分束，并通过相位调制后生成波束扫描信号，将波束扫描信号发射至目标物；所述相干接收单元包括接收天线，所述接收天线用于接收从目标物反射回的回波激光信号，所述第二连续调频激光信号经过可调延迟单元延迟后作为本振激光信号，所述相干接收单元根据本振激光信号对回波激光信号进行相干混频，并将混频后的光信号转换成包含目标信息的模拟电信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述信号处理及控制电路分层包括放大及读出电路、AD采集单元和二维扫描控制单元，所述放大及读出电路的输入端与相干接收单元的模拟电信号输出端连接，所述放大及读出电路的
4.根据权利要求3所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述综合控制及信息处理分层包括综合控制单元和FMCW信息处理单元，所述综合控制单元与FMCW信息处理单元连接，所述综合控制单元的激光发射指令输出端与窄线宽线性调频光源的输入端连接，所述综合控制单元的二维扫描指令输出端与二维扫描控制单元的输入端连接，所述FMCW信息处理单元用于对所述包含目标信息的数字电信号进行计算处理以得到目标区域的三维探测信息。
5.根据权利要求2所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述窄线宽线性调频光源包括半导体激光器、SOA放大器和第一MMI分束器，所述半导体激光器的输出端与SOA放大器的输入端连接，所述半导体激光器用于输出连续调频激光信号，所述SOA放大器用于对连续调频激光信号进行放大，所述第一MMI分束器用于将放大后的连续调频激光信号分束为第一连续调频激光信号和第二连续调频激光信号。
6.根据权利要求3所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述硅基光学相控阵发射天线包括MMI分束器组、移相器和光栅辐射天线，所述第一连续调频激光信号经MMI分束器组分束后变成多路光束，所述多路光束通过硅光波导阵列传输至移相器，所述移相器的控制信号输入端与二维扫描控制单元的相位调制信号输出端连接，多路光束经所述移相器调制相位后变成波束扫描信号，由硅光波导阵列传输至光栅辐射天线，所述光栅辐射天线用于出射波束扫描信号至目标物。
7.根据权利要求3所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述相干接收单元还包括光栅耦合阵列、光混频器、可调延迟单元和平衡探测器，所述光栅耦合阵列用于耦合输入所述回波激光信号，所述光混频器用于将耦合输入的回波激光信号与本振激光信号进行混频，产生混频后的回波激光信号，所述平衡探测器用于对混频后的回波激光信号进行光电转换，输出包含目标信息的模拟电信号。
8.一种基于堆栈式的全固态激光雷达控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，包括：发射接收分层、信号处理及控制电路分层、综合控制及信息处理分层、热管理及接口控制分层和热管理实施及接口分层；
2.根据权利要求1所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述发射接收分层还包括窄线宽线性调频光源和相干接收单元，所述窄线宽线性调频光源用于输出第一连续调频激光信号和第二连续调频激光信号，所述硅基光学相控阵发射天线用于对第一连续调频激光信号进行分束，并通过相位调制后生成波束扫描信号，将波束扫描信号发射至目标物；所述相干接收单元包括接收天线，所述接收天线用于接收从目标物反射回的回波激光信号，所述第二连续调频激光信号经过可调延迟单元延迟后作为本振激光信号，所述相干接收单元根据本振激光信号对回波激光信号进行相干混频，并将混频后的光信号转换成包含目标信息的模拟电信号。
3.根据权利要求2所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述信号处理及控制电路分层包括放大及读出电路、ad采集单元和二维扫描控制单元，所述放大及读出电路的输入端与相干接收单元的模拟电信号输出端连接，所述放大及读出电路的输出端与ad采集单元连接，所述包含目标信息的模拟电信号依次经放大及读出电路和ad采集单元进行放大和采集处理后转换成包含目标信息的数字电信号，所述二维扫描控制单元的相位调制信号输出端与硅基光学相控阵发射天线的相位调制信号输入端连接，所述二维扫描控制单元用于在接收二维扫描指令后对硅基光学相控阵发射天线进行相位调制控制。
4.根据权利要求3所述的一种基于堆栈式的全固态激光雷达，其特征在于，所述综合控制及信息处理分层包括综合控制单元和fmcw信息处理单元，所述综合控制单元与fmcw信息处理单元连接，所述综合控制单元的激...
【专利技术属性】
技术研发人员：封治华，张福领，张鹏飞，沈静，雷莹莹，赵渊明，魏龙超，阮友田，韩文杰，张辉，张鹏，康朝阳，陶彦彬，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十七研究所，
类型：发明
国别省市：
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