本發(fā)明涉及激光通信與激光雷達(dá)探測(cè)，具體地，涉及一種基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)和設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、激光由于單色性優(yōu)、方向性好以及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于通信與雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域，尤其在空間交會(huì)對(duì)接、組網(wǎng)通信以及車(chē)載激光雷達(dá)等方面均采用激光光源來(lái)完成測(cè)量與通信任務(wù)。由于激光探測(cè)通信一體化基于探測(cè)與通信系統(tǒng)在工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作頻段以及硬件設(shè)備等方面的共性，利用同一共享硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與信息傳輸功能，達(dá)到多種資源的共享以提高系統(tǒng)生存與應(yīng)變能力是目前的需求。這樣相比于傳統(tǒng)單一功能的探測(cè)與通信系統(tǒng)，其具有節(jié)約平臺(tái)空間、降低平臺(tái)能耗以及提高平臺(tái)安全性等優(yōu)點(diǎn)。

2、經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)技術(shù)經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，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.中提到在室內(nèi)通過(guò)超再生放大實(shí)現(xiàn)了微波24ghz的通信測(cè)距一體化試驗(yàn)，但目前該技術(shù)研究主要集中在微波領(lǐng)域。

3、胡瑋等在“無(wú)線激光通信與測(cè)距一體機(jī)的測(cè)距精度分析”,紅外與激光工程,2008(37):245-248.中提到通過(guò)共享探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)激光通信終端通信與測(cè)距一體，該研究基于傳統(tǒng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)掃描的光通信終端，僅在通信的基礎(chǔ)上增加了測(cè)距功能，且測(cè)距目標(biāo)為合作目標(biāo)。

4、李華康等在“一種激光測(cè)距與通信一體化激光雷達(dá)”,cn202110694202.0中提到基于脈沖激光測(cè)距雷達(dá)，通過(guò)改變相鄰脈沖時(shí)間間隔對(duì)通信信息進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)通信。該方法基于角棱錐實(shí)現(xiàn)空間掃描，且僅適用于時(shí)間調(diào)制的無(wú)線激光通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)和設(shè)備。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，包括：可調(diào)諧激光器、光學(xué)分束器、光學(xué)環(huán)形器、光學(xué)混頻器、平衡探測(cè)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、信號(hào)處理單元和光學(xué)相控陣單元；

3、在發(fā)射光路，可調(diào)諧激光器發(fā)射的激光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)分束器和光學(xué)環(huán)形器，最后由光學(xué)相控陣單元輻射到自由空間；

4、在接收光路，信號(hào)處理單元反饋控制光學(xué)相控陣單元的光束指向，接收信號(hào)光經(jīng)過(guò)光學(xué)環(huán)形器反向傳輸至光學(xué)混頻器并和光學(xué)分束器分束出來(lái)的本振光一起進(jìn)入平衡探測(cè)器進(jìn)行相干處理，最后依次經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，得到所需的探測(cè)信號(hào)和通信信號(hào)。

5、優(yōu)選地，所述可調(diào)諧激光器同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光光源的頻率調(diào)制和相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的激光通信需求，以及激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)通過(guò)掃頻進(jìn)行距離、方位、速度信息成像的需求。

6、優(yōu)選地，激光光源的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

7、ec(t)＝accos(ωct+φc)

8、其中，ac、ωc和φc分別是激光光源的振幅、頻率和初始相位，t為單位時(shí)間。

9、優(yōu)選地，所述光學(xué)相控陣單元利用相位控制實(shí)現(xiàn)光束的方向和形狀，實(shí)現(xiàn)激光波束的發(fā)射和接收。

10、優(yōu)選地，所述光學(xué)相控陣單元利用相位控制實(shí)現(xiàn)光束的方向，表達(dá)式為：

11、

12、其中，θ為激光波束的偏轉(zhuǎn)角度，λ為入射光束的波長(zhǎng)，d為兩個(gè)相鄰波導(dǎo)陣元的間距；為相鄰陣元間的附加相位差，通過(guò)控制此相位差實(shí)現(xiàn)波束方向偏轉(zhuǎn)。

13、優(yōu)選地，所述信號(hào)處理單元通過(guò)fpga或dsp處理器，對(duì)光學(xué)相控陣單元進(jìn)行相位控制和數(shù)字信號(hào)的處理。

14、優(yōu)選地，所述光學(xué)混頻器基于兩束相近頻率的單色強(qiáng)光同時(shí)入射到非線性介質(zhì)后，通過(guò)介質(zhì)的兩次或更高次非線性電極化系數(shù)的耦合，產(chǎn)生光學(xué)和頻與光學(xué)差頻光波的現(xiàn)象。

15、優(yōu)選地，所述光學(xué)混頻器是一個(gè)混合輸入信號(hào)與本地振蕩器的2*4光學(xué)器件，將本振光和信號(hào)光進(jìn)行相干混頻，使四個(gè)輸出端口的相對(duì)相差分別為0°、90°、180°、270°，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的高靈敏度探測(cè)；0°和180°端口，以及90°和270°端口經(jīng)過(guò)平衡探測(cè)器所得的光電流直流分量分別相等，通過(guò)各自相減得到兩個(gè)相干信號(hào)，這兩個(gè)相干信號(hào)的相對(duì)相差為90°。

16、優(yōu)選地，計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的距離信息l和速度信息v，表達(dá)式為：

17、

18、其中：f0為激光的初始頻率；b為調(diào)制帶寬；t為調(diào)頻周期；fl為測(cè)量目標(biāo)的距離頻率；fd為多普勒頻移；調(diào)頻正斜率產(chǎn)生的測(cè)量頻率為f1＝fl-fd；調(diào)頻負(fù)斜率產(chǎn)生的測(cè)量頻率為f2＝fl+fd；c為光速；

19、根據(jù)測(cè)量目標(biāo)的距離信息l和速度信息v，借助相控陣的指向角度，反演推算目標(biāo)的方位信息。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化設(shè)備，搭載了所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

22、(1)本發(fā)明將獨(dú)立的激光雷達(dá)探測(cè)與通信系統(tǒng)集成在一起，構(gòu)建了一種基于光學(xué)相控陣的激光探測(cè)通信一體化系統(tǒng)，通過(guò)共用一套硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與信息傳輸兩大功能，具有節(jié)約平臺(tái)空間、降低平臺(tái)能耗以及提高平臺(tái)安全性等優(yōu)點(diǎn)；

23、(2)本發(fā)明的激光探測(cè)通信一體化系統(tǒng)，可以將雷達(dá)探測(cè)到的目標(biāo)信息(距離、方位、速度等)，再通過(guò)通信編碼的方式傳遞出去，可以最大化整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效能；

24、(3)本發(fā)明的基于光學(xué)相控陣的激光探測(cè)通信一體化系統(tǒng)，通過(guò)利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)工藝可實(shí)現(xiàn)光束掃描器件與電控邏輯電路的高度集成，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)硬件平臺(tái)系統(tǒng)的高度集成化。

技術(shù)特征：

1.一種基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，包括：可調(diào)諧激光器(1)、光學(xué)分束器(2)、光學(xué)環(huán)形器(3)、光學(xué)混頻器(4)、平衡探測(cè)器(5)、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(6)、信號(hào)處理單元(7)和光學(xué)相控陣單元(8)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)諧激光器(1)同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射激光光源的頻率調(diào)制和相位調(diào)制，實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的激光通信需求，以及激光雷達(dá)對(duì)目標(biāo)通過(guò)掃頻進(jìn)行距離、方位、速度信息成像的需求。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，激光光源的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)相控陣單元(8)利用相位控制實(shí)現(xiàn)光束的方向和形狀，實(shí)現(xiàn)激光波束的發(fā)射和接收。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)相控陣單元(8)利用相位控制實(shí)現(xiàn)光束的方向，表達(dá)式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)處理單元(7)通過(guò)fpga或dsp處理器，對(duì)光學(xué)相控陣單元(8)進(jìn)行相位控制和數(shù)字信號(hào)的處理。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)混頻器(4)基于兩束相近頻率的單色強(qiáng)光同時(shí)入射到非線性介質(zhì)后，通過(guò)介質(zhì)的兩次或更高次非線性電極化系數(shù)的耦合，產(chǎn)生光學(xué)和頻與光學(xué)差頻光波的現(xiàn)象。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，所述光學(xué)混頻器(4)是一個(gè)混合輸入信號(hào)與本地振蕩器的2*4光學(xué)器件，將本振光和信號(hào)光進(jìn)行相干混頻，使四個(gè)輸出端口的相對(duì)相差分別為0°、90°、180°、270°，實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的高靈敏度探測(cè)；0°和180°端口，以及90°和270°端口經(jīng)過(guò)平衡探測(cè)器所得的光電流直流分量分別相等，通過(guò)各自相減得到兩個(gè)相干信號(hào)，這兩個(gè)相干信號(hào)的相對(duì)相差為90°。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)，其特征在于，計(jì)算測(cè)量目標(biāo)的距離信息l和速度信息v，表達(dá)式為：

10.一種基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化設(shè)備，其特征在于，搭載了權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)相控陣的激光雷達(dá)探測(cè)與通信一體化系統(tǒng)和設(shè)備，在發(fā)射光路，可調(diào)諧激光器發(fā)射的激光束依次經(jīng)過(guò)光學(xué)分束器和光學(xué)環(huán)形器，最后由光學(xué)相控陣單元輻射到自由空間；在接收光路，信號(hào)處理單元反饋控制光學(xué)相控陣單元的光束指向，接收信號(hào)光經(jīng)過(guò)光學(xué)環(huán)形器反向傳輸至光學(xué)混頻器并和光學(xué)分束器分束出來(lái)的本振光一起進(jìn)入平衡探測(cè)器進(jìn)行相干處理，最后依次經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和信號(hào)處理單元，得到所需的探測(cè)信號(hào)和通信信號(hào)。本發(fā)明將獨(dú)立的激光雷達(dá)探測(cè)與通信系統(tǒng)集成在一起，通過(guò)共用一套硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與信息傳輸兩大功能，具有節(jié)約平臺(tái)空間、降低平臺(tái)能耗以及提高平臺(tái)安全性等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：曹岸杰,李鑫,范迎春,余盛楠,韓軼丹,李貝,柏剛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海衛(wèi)星工程研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/12