DAPAR开发小型化光学相控阵激光成像雷达技术
激光雷达（LIDAR）是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物，经过几十年的发展已在低可观测性目标探测、高精度跟踪/测量、高分辨率目标识别等方面表现出明显优势。光学相控阵激光成像雷达是当前激光雷达发展的重点，用以满足复杂作战环境下战场侦察、目标识别/分类、精确制导武器成像制导和打击效果评估等任务需求。
2015年12月，美国DARPA发布开发基于半导体集成光学器件的小型化相控阵激光成像雷达技术项目征询书，表明光学相控阵激光成像雷达技术将向高性能、小型化和低成本方向发展。
一、项目背景
1.应用前景广泛
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。
光学相控阵激光雷达具有波束指向灵活、扫描速度快、角度驱动范围大等扫描特点，且较易于实现小型化、集成化和多功能化，在目标捕获、高分辨率成像、高精度跟踪/瞄准和自适应光学系统等方面拥有广阔的应用前景。主要军事国家都积极开展研发与应用，美国空军、海军、DARPA等都有相关研究项目。
2.技术瓶颈有待突破
在激光雷达中，光学系统通常由多个光学元件按照一定的顺序和空间位置排列组成，其排列顺序、元件数量与类型、元件间距都会影响光学系统的性能。受技术发展和加工工艺限制，相控阵激光成像雷达工程应用尚不能满足实际应用的迫切需要，一些关键技术问题亟待解决。一是要优选光学相控阵器件，解决目前主流光学相控阵器件不能满足兼具快速响应和低电压工作的需求，有源、可扩展光学相控阵器件将是未来发展的趋势；其二，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、高光束质量光束扫描；其三，系统复杂、成本高，由于相控阵器件控制线会随相控阵单元数增多而大大增加，因此需引入微小型化技术。
在小型化方面，由于由透镜、反射镜等光学元件组成的激光成像雷达的光学系统体积基本无法缩减，传统激光扫描成像雷达的小型化途径并未涉及光学系统部分的体积缩减。但随着技术的发展和各应用领域的迫切需求，稳定、小型、集成化的光学相控阵器件将进入一个快速的发展时期，为激光雷达发展与应用带来新的机遇。
为了追求光学相控阵器件的响应更快速、可靠性更高和小型化的发展趋势，硅基光波导材料的光学相控阵器件成为国外研究热点，DARPA推出的“模块化光学系统组件”（MOABB）项目，就是利用了基于硅基材料的平面光学组件，大幅压缩激光雷达的体积、成本，从而实现激光雷达小型化。
二、项目计划
2015年12月，DARPA发出“模块化光学系统组件”项目征询书，旨在充分利用激光的相干性，开发一种基于硅基材料的平面光学组件，将其组合成阵列，实现激光扫描与成像，抛弃传统的光学结构部分，大幅压缩激光扫描成像雷达的体积和质量。
1.项目目标
DARPA的MOABB项目共涉及平面激光收发单元和三维激光成像雷达样机两大核心关键技术。这两大核心关键技术的主要目标分别是：在平面激光收发单元方面，开发具有高填充因子、非机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发单元；在三维激光成像雷达样机方面，利用平面激光收发单元，开发工作距离为100米、功耗小于40瓦、能形成多个光束的三维激光成像雷达样机。
2.研发计划
1)平面激发收光单元
作为MOABB项目的核心关键技术之一，DARPA希望该平面激光收发单元具有放大、光束定向功能，同时拥有较大的填充因子，并能够同相邻的收发单元实现相干合成，从而与大孔径传统光学系统性能相当。
表1 平面激光收发单元各阶段任务指标
指标 | 阶段1 | 阶段2 | 阶段3 | |
Rx/Tx* | 孔径尺寸 | 1x1mm2 | 1x1cm2 | 10x10cm2 |
点对点扫描时间 | 40μs | 10μs | 1μs | |
视场大小 | 70°x12° | 100°x14° | 110°x16° | |
填充因子 | 50％ | 70％ | 95％ | |
同时可控光束数量 | 1 | 16 | 16 | |
RF带宽 | 3GHz | 8GHz | 8GHz | |
Tx | 转换效率 | 1％ | 2％ | 5％ |
辐射功率密度 | 500mW/cm2 | 500mW/cm2 | 1000mW/cm2 | |
光束能量集中度 | 50% | 80% | 95% | |
Rx | 噪声水平 | 15dB | 8dB | 5dB |
*Tx表示发射部分，Rx表示接收部分
2)三维激光成像雷达样机
三维激光成像雷达样机是用于演示平面收发单元技术的应用前景的平台，需要依靠平面激光收发单元完成样机建造。DARPA将该样机建造分解为2个阶段完成，分别在平面激光收发单元第二阶段和第三阶段研发完成后开展。具体各个阶段的任务指标如表2所示。
表2 三维激光成像雷达各阶段任务指标
指标 | 阶段1 | 阶段2 |
工作距离* | 10m | 100m |
视场大小 | 70°x12° | 100°x14° |
扫描速率 | 100Hz | 100Hz |
距离分辨率 | 5cm | 2cm |
重量 | 0.005lbs（约2.3g） | 0.01lbs（约4.98g） |
尺寸 | 0.5cm3 | 0.85cm3 |
功率 | 8W | 40W |
同时可控光束数量 | 1 | 16 |
工作距离定义为朗伯反射器80％强度
三、项目影响
1.大幅扩展激光雷达应用领域
传统激光雷达广泛应用于环境监测、海洋探测、森林调查、地形测绘、深空探测、军事应用等方面，但受体积、质量、功率、成本等因素的限制，在弹载、车载等小型平台以及其他商用平台中的应用进展相对缓慢。DARPA的MOABB项目重点瞄准的应用领域是小平台、低成本应用，开发体积、质量和成本大幅缩小的激光雷达，应用于小型无人系统防撞、智能装备机械臂精密运动与控制。此外，利用MOABB项目的平面激光收发单元还可以开发光束定向系统，应用于高速率大容量低成本光纤通信系统，提高系统性能。
2.大幅提高激光雷达系统可靠性
相比传统激光雷达系统，DARPA的MOABB项目由于取消了由透镜、反射镜等光学元件组成的光学系统，转而采用基于硅基半导体材料制造一体化的平面集成光学元件，减少了因震动、温度等因素造成的光学部件、机械部件的性能降低，因此采用MOABB项目技术构建的激光雷达，其可靠性大幅提升。
3.大幅提高激光雷达探测效能
DARPA在MOABB项目中要求每个平面激光收发单元都可以独立对一束激光进行光束定向，而由平面激光收发单元组成的阵列器件最多可同时控制16束光束定向。相比光波导相控阵、液晶相控阵等传统非机械扫描激光雷达，DARPA利用平面激光收发单元构建的激光三维成像雷达大幅增加了扫描光束数量，从而提高了可同时跟踪的目标数量，大幅增强了激光雷达的探测性能。
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