[发明专利]集成相控阵激光雷达系统

说明书

本发明公开了一种集成相控阵激光雷达系统，所述系统包括激光相控阵发射模块、耦合光栅阵列接收模块和相干探测模块，所述激光相控阵发射模块包括相干激光光源和激光发射相控阵，所述耦合光栅阵列接收模块包括成像光学系统和耦合光栅阵列，其中，所述成像光学系统将不同物空间目标点反射的回波激光汇聚到像方焦平面上的相应位置点；所述耦合光栅阵列的入射面位于所述成像光学系统的像方焦平面上；所述相干探测模块包括分支波导、总线波导、本振光和波导光电探测器；本发明实的基于激光相控阵发射的激光雷达系统，具备扫描速度快，体积小，系统集成度高，成本低廉，探测距离远，噪声抑制能力强的优势。

技术领域

本发明属于相控阵激光雷达系统技术领域，尤其涉及一种集成相控阵激光雷达系统。

背景技术

在现有的硅基波导相控阵激光雷达中，由窄线宽激光器作为光源，输出的激光光束由光耦合器导入进硅基波导中，激光光波通过在硅基波导内传输并最终到达每一个由硅基相移单元和硅基天线构成的阵元，每一个相移单元均是由热电极和硅基波导构成，其受到系统程控芯片控制，通过改变加载在相移单元上的电信号，进而改变相移单元中热电极的温度；由于硅材料的热光效应，使得相移单元中硅基波导的折射率发生改变，形成了对传输激光光波相位的调制功能。经相位调制后的激光光波传输至对应阵元中的硅基天线进行激光发射，该硅基天线为耦合光栅结构，可以令激光光波朝着与光栅面垂直的自由空间方向辐射。而在回波激光接收阶段，再次利用上述耦合光栅结构的硅基天线以接收来自于自由空间的激光辐射，并将其导入进硅基波导中；再一次利用同一套硅基相移单元阵列对不同硅基天线接收的回波激光进行针对性的相位延迟调制；全部相位延迟调制后的回波激光在硅基波导内相干加强产生相干光信号，并最终用于光电探测。

现有的硅基波导相控阵激光激光雷达选用单一半导体激光器作为光源，选用一套硅基相移单元阵列和硅基天线阵列实现激光扫描发射和回波激光接收，这种硅基波导相控阵激光雷达的系统集成度会很高，可以构建集成相控阵激光雷达系统。但是单一一个半导体激光器的输出功率很低，仅为mW量级，这就制约了激光雷达系统的工作距离；采用硅基相移单元阵列和硅基天线阵列接收回波激光，则总体的接收光学天线面积会极小，仅为数十至数百μm²量级，严重削弱了接收到的回波激光强度，严重制约了激光雷达系统工作距离。对于激光雷达应用而言，这是十分不利的。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种集成相控阵激光雷达系统，旨在解决现有单一一个半导体激光器的输出功率低，硅基天线阵列总体接收光学天线面积极小，以及集成相控阵激光雷达系统无法远距离工作的问题。

本发明提供一种集成相控阵激光雷达系统，所述系统包括：激光相控阵发射模块、耦合光栅阵列接收模块和相干探测模块，其中，激光相控阵发射模块包括：相干激光光源，该相干激光光源由主激光器及至少两个从激光器构成，主激光器用于输出种子激光，该种子激光进入从激光器，并控制所述每一个从激光器产生并输出窄线宽、相位一致、频率一致的相干激光；激光发射相控阵，该激光发射相控阵包括至少两个阵元，每个阵元由一个相移单元和一个发射天线构成，相干激光光源输出的主要相干激光作为信号光进入每一个阵元，经对应相移单元进行相位调制后，由对应的发射天线射出，所有阵元发射的激光在远场形成特定的相干合成光束。

耦合光栅阵列接收模块包括：成像光学系统，该成像光学系统将不同物空间目标点反射的回波激光汇聚到像方焦平面上的相应位置点；耦合光栅阵列，该耦合光栅阵列的入射面位于上述成像光学系统的像方焦平面上，且耦合光栅阵列包含一系列耦合光栅；每一个耦合光栅对应像方焦平面上的一个位置点，用于接收成像光学系统汇聚的回波激光。