基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统和设备的制作方法

本发明涉及激光通信与激光雷达探测，具体地，涉及一种基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统和设备。

背景技术：

1、激光由于单色性优、方向性好以及抗干扰能力强的特点，被广泛应用于通信与雷达探测领域，尤其在空间交会对接、组网通信以及车载激光雷达等方面均采用激光光源来完成测量与通信任务。由于激光探测通信一体化基于探测与通信系统在工作原理、系统结构、工作频段以及硬件设备等方面的共性，利用同一共享硬件平台实现目标探测与信息传输功能，达到多种资源的共享以提高系统生存与应变能力是目前的需求。这样相比于传统单一功能的探测与通信系统，其具有节约平台空间、降低平台能耗以及提高平台安全性等优点。

2、经对现有技术的文献技术经对现有技术的文献检索发现，m.v.t.等在integratedsuperregenerative amplifier based 24ghz frequency modulated continuous waveradar active reflector tags for joint ranging and communication[j].iet radarsonar navig,2023,17:1196-1212.中提到在室内通过超再生放大实现了微波24ghz的通信测距一体化试验，但目前该技术研究主要集中在微波领域。

3、胡玮等在“无线激光通信与测距一体机的测距精度分析”,红外与激光工程,2008(37):245-248.中提到通过共享探测器可以实现传统激光通信终端通信与测距一体，该研究基于传统二维转台扫描的光通信终端，仅在通信的基础上增加了测距功能，且测距目标为合作目标。

4、李华康等在“一种激光测距与通信一体化激光雷达”,cn202110694202.0中提到基于脉冲激光测距雷达，通过改变相邻脉冲时间间隔对通信信息进行调制实现通信。该方法基于角棱锥实现空间扫描，且仅适用于时间调制的无线激光通信。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统和设备。

2、根据本发明提供的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，包括：可调谐激光器、光学分束器、光学环形器、光学混频器、平衡探测器、模数转换单元、信号处理单元和光学相控阵单元；

3、在发射光路，可调谐激光器发射的激光束依次经过光学分束器和光学环形器，最后由光学相控阵单元辐射到自由空间；

4、在接收光路，信号处理单元反馈控制光学相控阵单元的光束指向，接收信号光经过光学环形器反向传输至光学混频器并和光学分束器分束出来的本振光一起进入平衡探测器进行相干处理，最后依次经过模数转换单元和信号处理单元，得到所需的探测信号和通信信号。

5、优选地，所述可调谐激光器同时实现发射激光光源的频率调制和相位调制，实现不同波长的激光通信需求，以及激光雷达对目标通过扫频进行距离、方位、速度信息成像的需求。

6、优选地，激光光源的电场强度为：

7、ec(t)＝accos(ωct+φc)

8、其中，ac、ωc和φc分别是激光光源的振幅、频率和初始相位，t为单位时间。

9、优选地，所述光学相控阵单元利用相位控制实现光束的方向和形状，实现激光波束的发射和接收。

10、优选地，所述光学相控阵单元利用相位控制实现光束的方向，表达式为：

11、

12、其中，θ为激光波束的偏转角度，λ为入射光束的波长，d为两个相邻波导阵元的间距；为相邻阵元间的附加相位差，通过控制此相位差实现波束方向偏转。

13、优选地，所述信号处理单元通过fpga或dsp处理器，对光学相控阵单元进行相位控制和数字信号的处理。

14、优选地，所述光学混频器基于两束相近频率的单色强光同时入射到非线性介质后，通过介质的两次或更高次非线性电极化系数的耦合，产生光学和频与光学差频光波的现象。

15、优选地，所述光学混频器是一个混合输入信号与本地振荡器的2*4光学器件，将本振光和信号光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°、270°，实现接收信号的高灵敏度探测；0°和180°端口，以及90°和270°端口经过平衡探测器所得的光电流直流分量分别相等，通过各自相减得到两个相干信号，这两个相干信号的相对相差为90°。

16、优选地，计算测量目标的距离信息l和速度信息v，表达式为：

17、

18、其中：f0为激光的初始频率；b为调制带宽；t为调频周期；fl为测量目标的距离频率；fd为多普勒频移；调频正斜率产生的测量频率为f1＝fl-fd；调频负斜率产生的测量频率为f2＝fl+fd；c为光速；

19、根据测量目标的距离信息l和速度信息v，借助相控阵的指向角度，反演推算目标的方位信息。

20、根据本发明提供的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化设备，搭载了所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统。

21、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

22、(1)本发明将独立的激光雷达探测与通信系统集成在一起，构建了一种基于光学相控阵的激光探测通信一体化系统，通过共用一套硬件设备实现目标探测与信息传输两大功能，具有节约平台空间、降低平台能耗以及提高平台安全性等优点；

23、(2)本发明的激光探测通信一体化系统，可以将雷达探测到的目标信息(距离、方位、速度等)，再通过通信编码的方式传递出去，可以最大化整个系统的传输效能；

24、(3)本发明的基于光学相控阵的激光探测通信一体化系统，通过利用互补金属氧化物半导体(cmos)工艺可实现光束扫描器件与电控逻辑电路的高度集成，实现了整个硬件平台系统的高度集成化。

技术特征：

1.一种基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，包括：可调谐激光器(1)、光学分束器(2)、光学环形器(3)、光学混频器(4)、平衡探测器(5)、模数转换单元(6)、信号处理单元(7)和光学相控阵单元(8)；

2.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述可调谐激光器(1)同时实现发射激光光源的频率调制和相位调制，实现不同波长的激光通信需求，以及激光雷达对目标通过扫频进行距离、方位、速度信息成像的需求。

3.根据权利要求2所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，激光光源的电场强度为：

4.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述光学相控阵单元(8)利用相位控制实现光束的方向和形状，实现激光波束的发射和接收。

5.根据权利要求4所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述光学相控阵单元(8)利用相位控制实现光束的方向，表达式为：

6.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述信号处理单元(7)通过fpga或dsp处理器，对光学相控阵单元(8)进行相位控制和数字信号的处理。

7.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述光学混频器(4)基于两束相近频率的单色强光同时入射到非线性介质后，通过介质的两次或更高次非线性电极化系数的耦合，产生光学和频与光学差频光波的现象。

8.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，所述光学混频器(4)是一个混合输入信号与本地振荡器的2*4光学器件，将本振光和信号光进行相干混频，使四个输出端口的相对相差分别为0°、90°、180°、270°，实现接收信号的高灵敏度探测；0°和180°端口，以及90°和270°端口经过平衡探测器所得的光电流直流分量分别相等，通过各自相减得到两个相干信号，这两个相干信号的相对相差为90°。

9.根据权利要求1所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统，其特征在于，计算测量目标的距离信息l和速度信息v，表达式为：

10.一种基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化设备，其特征在于，搭载了权利要求1至9中任一项所述的基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统。

技术总结本发明提供了一种基于光学相控阵的激光雷达探测与通信一体化系统和设备，在发射光路，可调谐激光器发射的激光束依次经过光学分束器和光学环形器，最后由光学相控阵单元辐射到自由空间；在接收光路，信号处理单元反馈控制光学相控阵单元的光束指向，接收信号光经过光学环形器反向传输至光学混频器并和光学分束器分束出来的本振光一起进入平衡探测器进行相干处理，最后依次经过模数转换单元和信号处理单元，得到所需的探测信号和通信信号。本发明将独立的激光雷达探测与通信系统集成在一起，通过共用一套硬件设备实现目标探测与信息传输两大功能，具有节约平台空间、降低平台能耗以及提高平台安全性等优点。技术研发人员：曹岸杰,李鑫,范迎春,余盛楠,韩轶丹,李贝,柏刚受保护的技术使用者：上海卫星工程研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/12