相控阵激光雷达有一些超越人类极限的难题，几十年无法突破

激光雷达是利用激光束搜索、跟踪目标并精确测定目标方位、距离和速度的设备。与微波雷达相比，激光雷达具有分辨率高、隐蔵性好、低空探测性能好、体积小、质量轻等优点。传统的较为成熟的激光雷达有机械扫描雷达和非扫描雷达。机械扫描雷达的扫描器转动速率限制了成像速度和帧频。其惯性扫描方式使系统的控制精度和灵活性很难满足高性能雷达要求。非扫描激光雷达能量利用率低、作用距离近、图像中心与边缘分辨力相差很大。而伴随着各领域学科的不断进步，同比微波雷达的发展，激光雷达发展的重要趋势是光学相控阵激光雷达。

车载激光雷达

光学相控阵激光雷达是通过控制光学孔径上每个辐射单元光的初始相位，从而驱动光束方向实现光束扫描的雷达。基于光学相控阵的波束指向控制是光学相控阵激光雷达实现各种功能的重要技术环节，而且高性能光学相控阵技术不仅对光学相控阵激光雷达产生革命性影响，还为其他电光传感器提供可编程随机电子波束驱动，比如:灵活便捷连续的图像扫描、多通道光通信、远场波束形状控制、多波束产生和超大孔径超高功率激光输出等。由此可见，光学相控阵技术拥有广阔的应用前景和重要的研究的价值。

相控阵在高功率上有绝对优势

光学相控阵技术属于低惯性非机械扫描，现处于研发阶段。由于其具有波束指向灵活、扫描速度快角度驱动范围大等扫描特点，而且易于实现小型化、集成化和多功能化，因而倍受各国关注。

光学相控阵基本原理

由相位调制器单元构成的一维或二维阵列称为光学相控阵器件。光学相控阵基本原理是:一束激光入射到光学相控阵器件上，通过控制各个相位调制单元的相移量，使各单元输出光波的相位在某方向上相同，从而实现该方向的相长千涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束;而与此同时，各单元输出光的相位在其它方向产生相消干涉，干涉的结果彼此相抵消，辐射强度接近于零。

激光雷达成像

光学相控阵技术方案的分类主要依据其所选用的材料，包括 LiNbo3、PLZT掺镧锆钛酸铅、AlGaAs波导和LC液晶等。

美国加州大学采用PLZT材料制作光学相控阵器件一 PAGES(Phased- Array Grating Electro-optics Scanner)装量。选用具有较高二次电光效应的PLZT9.5/65/35材料作为基底，厚度350um，运用光刻技术和湿法蚀刻的方法，在PLZT晶片表面制作16个二元孔径表面电极(正电极)作为相位调制单元。之后，将其安装在一个无张力的塑料外売内，并且将PLZT表面上的正电极(火线)和负电极(地线)分别引出与外设电源相连。正/负电极的宽度均为160um。每个调制单元(正电极)会产生一个二元孔径结构，相邻正负电极间距d为400um、间隙W为40um。电压应用到调制单元上，会使二元孔径折射率对称变化。

民用机械激光雷达

光学相控阵存在一系列的难题需要解决：

1、光学相控阵引出端导址电路

典型的相控阵设计各相邻移相器间距约为1/2波长以消除高阶光栅旁瓣，如果采用D

xD的相控阵二维阵列，则包含的移相器数为(2DA)2。假设每个移相器需要ー个控制端(引出端)，即使对于A＝10pm的红外光，相控阵所需的引出端也达10的9次方个，这远远超出现有引出端技术的能力(约10的6次方)。因此必须为光学相控阵设计专用的引出端寻址电路，其中要包括采样一缓存电路，以防止在更新循环中因移相器电压变化所引起的光束强度和旁瓣电平的变化。采用“多级光束偏移”的概念，可使光学相控阵的引出端数目大大减小。例如将包含43000个移相器的4.3×4.1cm口径的相控阵，分成168个子阵列，每个子含有256个移相器，阵列相应的移相器引出端寻址线将毎个子阵列响应的移相器并联起来，因此使引出端寻址线的数目减小为256。但是控制不够精确。

光学相控阵激光雷达示意图

2、光束偏转的计算机控制

为使光学相控阵实现光束按任务需要高精度偏转，必须通过引出端寻址线用计算机对大量可独立寻址的移相器进行控制，即建立一种算法，按控制模型对加到每个移相器上的电压的大小和时序进行自动控制。为此，必须预先对相控阵单元进行标校，测量其相位延迟与驱动电压的关系曲线，然后用线性插入法将光東偏转的相位维转化到电压维，并送至相控控制电路，产生响应的驱动电压脉冲序列。

机械激光雷达

3、目前使用方案的元器件，角度驱动最大为45°。这是因为，比拟微波相控阵，光学相控阵技术存在栅瓣问题。栅瓣就是当出射孔径上辐射单元间距d≥λ/2时，会在主光束以外的其它方向同时出现辐射功率最大值，这些方向的波瓣称为栅瓣。栅瓣会引起干扰，降低扫描光束的光束质量。对于LC相移器，由于其电极边缘效应影响调制单元电中性、相邻单元电场互相影响、相邻光场干扰电场，再加上电极之间绝缘的要求和制造工艺的限制，阵列单元间距不能达到d≤λ/2的要求，因此为了抑制栅瓣的产生只能减小驱动角度范围，填充因子只有增加到1才会避免栅瓣。Zhu Y等人提出依据一定统计规律，使阵列单元不规则排列，这样可使部分阵列单元间距增加，由于单元不规则排列，使旁瓣转化为噪声从而突出主光束，此方法对加工工艺起到改善作用，但是控制精度依旧在微米量级，难度相对较大。

激光雷达精确成像

总而言之。光学相控阵激光雷达在光学相控阵技术的支持下可以实现快速、灵活、精确、大角度的非机械扫描，单台系统就可以实现目标搜索、捕获、跟踪、识别和定位等多种功能。目前，光学相控阵技术仍处于发展阶段，尚不能满足相控阵激光成像雷达实际工程应用发展的需要，还有一些尚待解决的关键技术问题。

其一，优选光学相控阵器件。目前的主流光学相控阵器件不能兼备快速响应和低电压工作的需求，此外，有源、可扩展光学相控阵器件必将是未来发展的趋势。

量子激光雷达

其二，引出端寻址电路的优化。由于相控阵器件的控制线会随相控阵单元数增多而大大增加，这会给系统带来复杂性和高成本，因此可以参考 fine/coarse技术和 Discrete/Offset Bias Cascade等技术的机理，并考虑使用动态电路和现场可编程阵列FPGA。

其三，光学孔径技术，消除栅瓣。需研究更为有效的方法来增加填充因子，实现大角度、准连续、高光束质量光東扫描。

我国的光学相控阵激光雷达

相控阵激光雷达有一些超越人类极限的难题，几十年无法突破，随着上述关键技术的不断发展和不断突破，加之各应用领域的迫切需求，相控阵激光雷达的研制必迎来一个快速的发展时期。稳定、小型、集成化的光学相控阵器件的成功研制，必将为激光雷达领域带来历史性变革。