[科普中國]-DAPAR開發(fā)小型化光學相控陣激光成像雷達技術(shù)分析

??? 激光雷達（LIDAR）是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已在低可觀測性目標探測、高精度跟蹤/測量、高分辨率目標識別等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。光學相控陣激光成像雷達是當前激光雷達發(fā)展的重點，用以滿足復雜作戰(zhàn)環(huán)境下戰(zhàn)場偵察、目標識別/分類、精確制導武器成像制導和打擊效果評估等任務需求。

?? ?2015年12月，美國DARPA發(fā)布開發(fā)基于半導體集成光學器件的小型化相控陣激光成像雷達技術(shù)項目征詢書，表明光學相控陣激光成像雷達技術(shù)將向高性能、小型化和低成本方向發(fā)展。

　　一 項目背景

　　1 應用前景廣泛

　　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驅(qū)動光束方向，實現(xiàn)光束掃描的雷達，基于光學相控陣的波束指向控制是光學相控陣激光雷達實現(xiàn)各種功能的重要技術(shù)環(huán)節(jié)。光學相控陣激光雷達具有波束指向靈活、掃描速度快、角度驅(qū)動范圍大等掃描特點，且較易于實現(xiàn)小型化、集成化和多功能化，在目標捕獲、高分辨率成像、高精度跟蹤/瞄準和自適應光學系統(tǒng)等方面擁有廣闊的應用前景。主要軍事國家都積極開展研發(fā)與應用，美國空軍、海軍、DARPA等都有相關(guān)研究項目。

　　2 技術(shù)瓶頸有待突破

　　在激光雷達中，光學系統(tǒng)通常由多個光學元件按照一定的順序和空間位置排列組成，其排列順序、元件數(shù)量與類型、元件間距都會影響光學系統(tǒng)的性能。受技術(shù)發(fā)展和加工工藝限制，相控陣激光成像雷達工程應用尚不能滿足實際應用的迫切需要，一些關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。一是要優(yōu)選光學相控陣器件，解決目前主流光學相控陣器件不能滿足兼具快速響應和低電壓工作的需求，有源、可擴展光學相控陣器件將是未來發(fā)展的趨勢；其二，光學孔徑技術(shù)，消除柵瓣。需研究更為有效的方法來增加填充因子，實現(xiàn)大角度、準連續(xù)、高光束質(zhì)量光束掃描；其三，系統(tǒng)復雜、成本高，由于相控陣器件控制線會隨相控陣單元數(shù)增多而大大增加，因此需引入微小型化技術(shù)。在小型化方面，由于由透鏡、反射鏡等光學元件組成的激光成像雷達的光學系統(tǒng)體積基本無法縮減，傳統(tǒng)激光掃描成像雷達的小型化途徑并未涉及光學系統(tǒng)部分的體積縮減。但隨著技術(shù)的發(fā)展和各應用領(lǐng)域的迫切需求，穩(wěn)定、小型、集成化的光學相控陣器件將進入一個快速的發(fā)展時期，為激光雷達發(fā)展與應用帶來新的機遇。為了追求光學相控陣器件的響應更快速、可靠性更高和小型化的發(fā)展趨勢，硅基光波導材料的光學相控陣器件成為國外研究熱點，DARPA推出的“模塊化光學系統(tǒng)組件”（MOABB）項目，就是利用了基于硅基材料的平面光學組件，大幅壓縮激光雷達的體積、成本，從而實現(xiàn)激光雷達小型化。

　　二 項目計劃

　　2015年12月，DARPA發(fā)出“模塊化光學系統(tǒng)組件”項目征詢書，旨在充分利用激光的相干性，開發(fā)一種基于硅基材料的平面光學組件，將其組合成陣列，實現(xiàn)激光掃描與成像，拋棄傳統(tǒng)的光學結(jié)構(gòu)部分，大幅壓縮激光掃描成像雷達的體積和質(zhì)量。

　　1 項目目標

　　DARPA的MOABB項目共涉及平面激光收發(fā)單元和三維激光成像雷達樣機兩大核心關(guān)鍵技術(shù)。這兩大核心關(guān)鍵技術(shù)的主要目標分別是：在平面激光收發(fā)單元方面，開發(fā)具有高填充因子、非機械光束定向和集成放大功能的毫米尺寸大小的平面激光收發(fā)單元；在三維激光成像雷達樣機方面，利用平面激光收發(fā)單元，開發(fā)工作距離為100米、功耗小于40瓦、能形成多個光束的三維激光成像雷達樣機。

　　2 研發(fā)計劃

　　平面激發(fā)收光單元

??? 作為MOABB項目的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，DARPA希望該平面激光收發(fā)單元具有放大、光束定向功能，同時擁有較大的填充因子，并能夠同相鄰的收發(fā)單元實現(xiàn)相干合成，從而與大孔徑傳統(tǒng)光學系統(tǒng)性能相當。

表1 平面激光收發(fā)單元各階段任務指標? Tx表示發(fā)射部分，Rx表示接收部分

?　 三維激光成像雷達樣機

??? 三維激光成像雷達樣機是用于演示平面收發(fā)單元技術(shù)的應用前景的平臺，需要依靠平面激光收發(fā)單元完成樣機建造。DARPA將該樣機建造分解為2個階段完成，分別在平面激光收發(fā)單元第二階段和第三階段研發(fā)完成后開展。具體各個階段的任務指標如表2所示。

表2 三維激光成像雷達各階段任務指標? 工作距離定義為朗伯反射器80％強度

　　三 項目影響

　　1 大幅擴展激光雷達應用領(lǐng)域

　　傳統(tǒng)激光雷達廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、海洋探測、森林調(diào)查、地形測繪、深空探測、軍事應用等方面，但受體積、質(zhì)量、功率、成本等因素的限制，在彈載、車載等小型平臺以及其他商用平臺中的應用進展相對緩慢。DARPA的MOABB項目重點瞄準的應用領(lǐng)域是小平臺、低成本應用，開發(fā)體積、質(zhì)量和成本大幅縮小的激光雷達，應用于小型無人系統(tǒng)防撞、智能裝備機械臂精密運動與控制。此外，利用MOABB項目的平面激光收發(fā)單元還可以開發(fā)光束定向系統(tǒng)，應用于高速率大容量低成本光纖通信系統(tǒng)，提高系統(tǒng)性能。

　　2 大幅提高激光雷達系統(tǒng)可靠性

　　相比傳統(tǒng)激光雷達系統(tǒng)，DARPA的MOABB項目由于取消了由透鏡、反射鏡等光學元件組成的光學系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用基于硅基半導體材料制造一體化的平面集成光學元件，減少了因震動、溫度等因素造成的光學部件、機械部件的性能降低，因此采用MOABB項目技術(shù)構(gòu)建的激光雷達，其可靠性大幅提升。

　　3 大幅提高激光雷達探測效能

　　DARPA在MOABB項目中要求每個平面激光收發(fā)單元都可以獨立對一束激光進行光束定向，而由平面激光收發(fā)單元組成的陣列器件最多可同時控制16束光束定向。相比光波導相控陣、液晶相控陣等傳統(tǒng)非機械掃描激光雷達，DARPA利用平面激光收發(fā)單元構(gòu)建的激光三維成像雷達大幅增加了掃描光束數(shù)量，從而提高了可同時跟蹤的目標數(shù)量，大幅增強了激光雷達的探測性能。

(來源：北京航天情報與信息研究所，原文載航天防務微信公號，已獲授權(quán)轉(zhuǎn)載）