[发明专利]基于诺伦矩阵的N×M集成多波束激光雷达发射系统

说明书

本发明公开了一种基于诺伦矩阵的N×M集成多波束激光雷达发射系统，由N路调频连续波(FMCW)发射阵列、N×S诺伦光学矩阵网络、S×M光学扩束网络、M路移相器阵列和M路激光雷达发射端构成。N路调频连续波发射阵列产生N路调频连续光信号。每一路光信号经过N×S诺伦矩阵网络和S×M光学扩束网络后，能量均分到M路输出端口，从不同端口输入产生的相位差不同。M路移相器阵列对M路光信号产生相位差连续可调的等差相位，最后通过M路激光雷达发射端发射最多N个不同的可调发射波束。本发明可以采用单片或者异质光子集成技术来实现，具有结构紧凑、控制简单、集成度高、可扩展性强等优点。

技术领域

本发明涉及雷达领域，尤其涉及一种基于诺伦矩阵的N×M集成多波束激光雷达发射系统。

背景技术

激光雷达是一种通过探测远距离目标的散射光特性来获取目标相关信息的雷达系统。自从上世纪激光雷达的概念提出以来，许多国家、企业和研究单位都对其制作方法进行了深入地研究和探索。通过研究波束的特性和改善传统雷达的制备方法，激光雷达的各项性能越来越优异。激光雷达以激光器为光源，采用光电探测手段，能够实现三维成像、跟踪、制导、检测和精准测距功能，因而在国防和民用方面都特别有吸引力。通常激光雷达多采用机械方式改变光束导向，该技术存在体积大、扫描速度慢、惯性大等缺点。最近研究人员提出采用集成光学相控阵技术来实现光束导向，以其低功耗，低重量，小体积和高速等特点，受到研究者的广泛青睐，是未来激光雷达发展的一项关键技术。基于相位控制阵列的激光雷达技术是通过相位延迟控制波前，实现波束导向。这使得雷达设备不再仅仅依靠机械光束导向，可以极大地提高雷达设备的反应速度，目标容量与可靠性。当然，由于波长对激光雷达天线尺寸的限制，大规模集成相位控制阵列体积较大，成本高昂，此前多见于军事应用领域，但是随着硅基光电子集成技术的发展和进步，大规模的集成成本和尺寸在逐步下降，为光学相控阵激光雷达在军事和民用领域的应用创造了条件。

自从提出将光学相控阵技术应用到激光雷达方面后，很多研究团队和实验室都展开了深入的研究，并且取得了很大的进展。早在2009年，比利时根特大学和瑞士洛桑联邦理工学院的联合研究小组就在硅平台上实现了16通道的二维光学相控阵列装置(Vol.34，No.9/OPTICSLETTERS)，相邻波导间的间隔为2um，热光相位的可调制范围为2.3°，波长可调制范围为14.1°，由于采用等间隔的相控阵列，波导之间的串扰比较大；2015年，加州大学的研究小组在混合硅平台上实现了完全集成的32通道光栅相控阵列二维动态波束调控芯片(Vol.23，No.5/OPTICSEXPRESS)，是首个完全集成的“二维可旋转激光芯片”，不过在远场只能实现5.5dB的背景抑制；2016年，Intel实验室提出了一种两维非均匀发射端间隔光相控阵导向的解决方案(Vol.3，No.8/Optica)，对非均匀相控阵列的性能进行了验证，相控轴上可以实现分辨点为500，偏转角度为80°的性能指标，在两维上可以实现极小光束色散(0.14°)和6000个分辨点。

然而，上述激光雷达的实现方案大多都只是单波束激光雷达，雷达输出信号抗干扰能力、生存能力低，发射波束能量和雷达数据率得不到充分利用。

公开于该背景技术部分的信息仅仅指在增加对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为了能够提高雷达抗干扰能力和生存能力、充分利用发射波束能量、提高雷达数据率，提出了建立多波束激光雷达的发射方案。本发明的目的在于提供一种基于诺伦矩阵的N×M集成多波束激光雷达发射系统。

本发明的目的采用以下技术方案实现：