【摘 要】
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芯片式的光电子集成OPA（Optical Phased Array,光学相控阵）可以不需要任何机械转动部件实现激光光束扫描,是一种新型的光束指向控制技术,研究和开发基于OPA的全固态雷达技术,不仅在民用领域应用广泛,在军事领域也意义重大。目前国外在OPA芯片设计和OPA固态激光雷达方面的研究已经达到了光路和电路集成阶段,而我国尚处在OPA的理论研究和光路设计探索阶段,差距十分巨大。本文的研究对突破
【基金项目】
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光电子集成全固态激光雷达系统关键技术的合作研究（国家重点研发计划项目,批准号2016YFE0200700）; 硅基光学相控阵全固态激光雷达芯片关键技术的研究（自然基金重点项目,批准号61934003）; 固态光学相控阵激光雷达产品研发项目（吉林省重大科技专项,批准号20200501007GX）; 锗硅探测器阵列全固态激光雷达研究（自然基金重大项目,批准号62090054）; 激光雷达芯片设计理论与
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芯片式的光电子集成OPA（Optical Phased Array,光学相控阵）可以不需要任何机械转动部件实现激光光束扫描,是一种新型的光束指向控制技术,研究和开发基于OPA的全固态雷达技术,不仅在民用领域应用广泛,在军事领域也意义重大。目前国外在OPA芯片设计和OPA固态激光雷达方面的研究已经达到了光路和电路集成阶段,而我国尚处在OPA的理论研究和光路设计探索阶段,差距十分巨大。本文的研究对突破OPA全固态激光雷达核心技术,抢占国内激光雷达制高点,具有重要的意义。本文围绕我们自行研制的一系列OPA芯片来设计相应的驱动与控制电路,构建硅基OPA全固态激光雷达系统,开展了以下研究工作:1.根据OPA的工作原理研制相应的驱动和控制电路,用于驱动OPA芯片高速、大范围的角度扫描。针对多通道OPA芯片光相位控制的特点,提出一种采用FPGA（Field-Programmable Gate Array,现场可编程逻辑门阵列）内部并行RAM（Random Access Memory,随机存储器）阵列技术的方法,实现对OPA每个通道的光相位快速控制。该电路采用现有的集成电路芯片和FPGA实现,相位配置时间不超过8μs,控制速度为目前已知文献中最快的,可以满足热光和电光OPA的相位配置速度要求。使用该系统验证了我们所设计的OPA芯片的主要性能指标,系统通用性高,可扩展性强,满足OPA全固态激光雷达高速扫描的要求。2.提出一种基于FPGA数字混频的脉冲-相位式激光测距方法,结合单片FPGA芯片和简易的激光发射与接收电路,实现了基于纯数字系统的激光精确测距,系统结构简单、成本低、易于系统集成和实现。与使用商用TDC（Time-to-Digital Converter,时间数字转换器）芯片的脉冲式激光测距方法相比较,测距误差获得了显著的降低（误差从5cm提高到3cm以内）,精度明显优于商用TDC芯片,该方法应用于激光雷达扫描成像可以获得高精度测距数据。3.为了进一步提高脉冲激光测距精度,提出一种基于回波延时触发的脉冲式激光测距方法。通过一个简易的延时单元对回波信号进行延时,在固定的时间窗内,延时脉冲再依次触发激光发射器产生脉冲,同时计数器记录该时间窗内接收到的回波个数,最后计算出实际距离。在提高测距精度方面,该方法克服了传统TOF（Time-of-Flight,飞行时间）激光测距需要高时间分辨率TDC的困难。该方法采用一片FPGA、延时单元及简易的激光发射器和接收器即可实现,系统结构简单且成本低廉。该方法的测量误差在5mm以内,将脉冲式激光测距从厘米级精度提升到了毫米级精度。该方法应用于静止目标测量的激光雷达系统可以得到毫米精度的深度图像。4.提出一种基于DPIM（Dual-Pulse Interval Modulation,双脉冲间隔调制）的激光测距与通信的同时实现方法,该方法首次实现激光测距和通信同时进行。其通信过程中二进制数据位的传输通过连续发送两个激光脉冲来实现,采用双脉冲的时间间隔来表征该位的值,然后依据TOF原理实现激光测距。该方法使激光雷达同时具备通信功能,可以应用于“车-车对话”和激光雷达抗干扰领域,为激光雷达的普及和多激光雷达同一场合的应用提供了一种有效的解决方案。5.采用OPA芯片作为扫描元件来实现空间多目标光通信,通过控制OPA芯片的光相位实现出射光束快速扫描和对不同接收目标的精确瞄准,采用DPIM技术将携带有数据信息的双脉冲激光信号输入到OPA芯片来实现与多个接收目标的信息传递。实验结果表明,构建的系统可以实现通信目标快速和精确的瞄准,而且可以无失真的将信息传递给不同位置的目标,该系统用于实现OPA激光雷达空间通信组网,并且解决“一对多”的空间光通信技术难题。6.将OPA扫描驱动技术、激光测距技术和成像技术相结合,实现OPA全固态激光雷达集成,最终实现激光雷达成像功能,实现OPA固态激光雷达样机设计和研制。
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