激光雷達是利用激光束搜索、跟蹤目標并精確測定目標方位、距離和速度的設備。與微波雷達相比，激光雷達具有分辨率高、隱蔵性好、低空探測性能好、體積小、質量輕等優(yōu)點。傳統(tǒng)的較為成熟的激光雷達有機械掃描雷達和非掃描雷達。機械掃描雷達的掃描器轉動速率限制了成像速度和幀頻。其慣性掃描方式使系統(tǒng)的控制精度和靈活性很難滿足高性能雷達要求。非掃描激光雷達能量利用率低、作用距離近、圖像中心與邊緣分辨力相差很大。而伴隨著各領域學科的不斷進步，同比微波雷達的發(fā)展，激光雷達發(fā)展的重要趨勢是光學相控陣激光雷達。

車載激光雷達

光學相控陣激光雷達是通過控制光學孔徑上每個輻射單元光的初始相位，從而驅動光束方向實現光束掃描的雷達?；诠鈱W相控陣的波束指向控制是光學相控陣激光雷達實現各種功能的重要技術環(huán)節(jié)，而且高性能光學相控陣技術不僅對光學相控陣激光雷達產生革命性影響，還為其他電光傳感器提供可編程隨機電子波束驅動，比如:靈活便捷連續(xù)的圖像掃描、多通道光通信、遠場波束形狀控制、多波束產生和超大孔徑超高功率激光輸出等。由此可見，光學相控陣技術擁有廣闊的應用前景和重要的研究的價值。

相控陣在高功率上有絕對優(yōu)勢

光學相控陣技術屬于低慣性非機械掃描，現處于研發(fā)階段。由于其具有波束指向靈活、掃描速度快角度驅動范圍大等掃描特點，而且易于實現小型化、集成化和多功能化，因而倍受各國關注。

光學相控陣基本原理

由相位調制器單元構成的一維或二維陣列稱為光學相控陣器件。光學相控陣基本原理是:一束激光入射到光學相控陣器件上，通過控制各個相位調制單元的相移量，使各單元輸出光波的相位在某方向上相同，從而實現該方向的相長千涉，干涉的結果是在該方向上產生一束高強度光束;而與此同時，各單元輸出光的相位在其它方向產生相消干涉，干涉的結果彼此相抵消，輻射強度接近于零。

激光雷達成像

光學相控陣技術方案的分類主要依據其所選用的材料，包括 LiNbo3、PLZT摻鑭鋯鈦酸鉛、AlGaAs波導和LC液晶等。

美國加州大學采用PLZT材料制作光學相控陣器件一 PAGES(Phased- Array Grating Electro-optics Scanner)裝量。選用具有較高二次電光效應的PLZT9.5/65/35材料作為基底，厚度350um，運用光刻技術和濕法蝕刻的方法，在PLZT晶片表面制作16個二元孔徑表面電極(正電極)作為相位調制單元。之后，將其安裝在一個無張力的塑料外売內，并且將PLZT表面上的正電極(火線)和負電極(地線)分別引出與外設電源相連。正/負電極的寬度均為160um。每個調制單元(正電極)會產生一個二元孔徑結構，相鄰正負電極間距d為400um、間隙W為40um。電壓應用到調制單元上，會使二元孔徑折射率對稱變化。

民用機械激光雷達

光學相控陣存在一系列的難題需要解決：

1、光學相控陣引出端導址電路

典型的相控陣設計各相鄰移相器間距約為1/2波長以消除高階光柵旁瓣，如果采用D

xD的相控陣二維陣列，則包含的移相器數為(2DA)2。假設每個移相器需要ー個控制端(引出端)，即使對于A＝10pm的紅外光，相控陣所需的引出端也達10的9次方個，這遠遠超出現有引出端技術的能力(約10的6次方)。因此必須為光學相控陣設計專用的引出端尋址電路，其中要包括采樣一緩存電路，以防止在更新循環(huán)中因移相器電壓變化所引起的光束強度和旁瓣電平的變化。采用“多級光束偏移”的概念，可使光學相控陣的引出端數目大大減小。例如將包含43000個移相器的4.3×4.1cm口徑的相控陣，分成168個子陣列，每個子含有256個移相器，陣列相應的移相器引出端尋址線將毎個子陣列響應的移相器并聯起來，因此使引出端尋址線的數目減小為256。但是控制不夠精確。

光學相控陣激光雷達示意圖

2、光束偏轉的計算機控制

為使光學相控陣實現光束按任務需要高精度偏轉，必須通過引出端尋址線用計算機對大量可獨立尋址的移相器進行控制，即建立一種算法，按控制模型對加到每個移相器上的電壓的大小和時序進行自動控制。為此，必須預先對相控陣單元進行標校，測量其相位延遲與驅動電壓的關系曲線，然后用線性插入法將光東偏轉的相位維轉化到電壓維，并送至相控控制電路，產生響應的驅動電壓脈沖序列。

機械激光雷達

3、目前使用方案的元器件，角度驅動最大為45°。這是因為，比擬微波相控陣，光學相控陣技術存在柵瓣問題。柵瓣就是當出射孔徑上輻射單元間距d≥λ/2時，會在主光束以外的其它方向同時出現輻射功率最大值，這些方向的波瓣稱為柵瓣。柵瓣會引起干擾，降低掃描光束的光束質量。對于LC相移器，由于其電極邊緣效應影響調制單元電中性、相鄰單元電場互相影響、相鄰光場干擾電場，再加上電極之間絕緣的要求和制造工藝的限制，陣列單元間距不能達到d≤λ/2的要求，因此為了抑制柵瓣的產生只能減小驅動角度范圍，填充因子只有增加到1才會避免柵瓣。Zhu Y等人提出依據一定統(tǒng)計規(guī)律，使陣列單元不規(guī)則排列，這樣可使部分陣列單元間距增加，由于單元不規(guī)則排列，使旁瓣轉化為噪聲從而突出主光束，此方法對加工工藝起到改善作用，但是控制精度依舊在微米量級，難度相對較大。

激光雷達精確成像

總而言之。光學相控陣激光雷達在光學相控陣技術的支持下可以實現快速、靈活、精確、大角度的非機械掃描，單臺系統(tǒng)就可以實現目標搜索、捕獲、跟蹤、識別和定位等多種功能。目前，光學相控陣技術仍處于發(fā)展階段，尚不能滿足相控陣激光成像雷達實際工程應用發(fā)展的需要，還有一些尚待解決的關鍵技術問題。

其一，優(yōu)選光學相控陣器件。目前的主流光學相控陣器件不能兼?zhèn)淇焖夙憫偷碗妷汗ぷ鞯男枨螅送?，有源、可擴展光學相控陣器件必將是未來發(fā)展的趨勢。

量子激光雷達

其二，引出端尋址電路的優(yōu)化。由于相控陣器件的控制線會隨相控陣單元數增多而大大增加，這會給系統(tǒng)帶來復雜性和高成本，因此可以參考 fine/coarse技術和 Discrete/Offset Bias Cascade等技術的機理，并考慮使用動態(tài)電路和現場可編程陣列FPGA。

其三，光學孔徑技術，消除柵瓣。需研究更為有效的方法來增加填充因子，實現大角度、準連續(xù)、高光束質量光東掃描。

我國的光學相控陣激光雷達

相控陣激光雷達有一些超越人類極限的難題，幾十年無法突破，隨著上述關鍵技術的不斷發(fā)展和不斷突破，加之各應用領域的迫切需求，相控陣激光雷達的研制必迎來一個快速的發(fā)展時期。穩(wěn)定、小型、集成化的光學相控陣器件的成功研制，必將為激光雷達領域帶來歷史性變革。