本發(fā)明涉及激光測(cè)風(fēng)裝置領(lǐng)域，具體是一種微型化相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀及其組裝方法。

背景技術(shù)：

1、相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)基本原理是：基于多普勒頻移效應(yīng)，以激光作為信息載體，將激光分束為本振光和信號(hào)光，信號(hào)光經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射和接收，將隨風(fēng)運(yùn)動(dòng)的氣溶膠后向散射信號(hào)耦合到單模光纖，并與連續(xù)本振激光進(jìn)行外差相干探測(cè)，獲取多普勒頻移信息，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理核心算法，實(shí)時(shí)反演獲取視線風(fēng)速及風(fēng)向，原理示意圖如圖1所示。

2、現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)，采用光電混裝集成化模塊技術(shù)，主要子系統(tǒng)由雷達(dá)頭子系統(tǒng)、數(shù)存單元和軟件單元組成，雷達(dá)頭子系統(tǒng)由光學(xué)引擎、光學(xué)天線、控制電路和防雷保護(hù)四個(gè)模塊集成，數(shù)存單元由工控機(jī)、數(shù)存單元控制板、電源模塊和雙保護(hù)防雷模塊五個(gè)模塊集成，軟件單元包括fpga軟件、上位機(jī)軟件、光學(xué)引擎軟件、環(huán)控軟件、du主控軟件和客戶端軟件。

3、現(xiàn)有激光雷達(dá)系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)，導(dǎo)致無(wú)法匹配機(jī)載、星載等多平臺(tái)應(yīng)用：

4、1、體積龐大，常規(guī)集成式374×540×468mm，在諸多場(chǎng)合和領(lǐng)域不方便使用，不適合單人攜帶式進(jìn)行探測(cè)。

5、2、重量較重，常規(guī)在集成式在25-30kg之前。

6、3、在現(xiàn)有全光纖體制下，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離遠(yuǎn)和系統(tǒng)小型輕量化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，提供了一種微型化相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀及其組裝方法，通過(guò)高密度光電混合集成使得相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀的體積小、重量輕，且能保證遠(yuǎn)距離探測(cè)。

2、本發(fā)明提供了一種微型化相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀，包括集成化光模塊、光驅(qū)動(dòng)模塊、主控處理模塊和放大器，所述集成化光模塊包括種子激光器、半導(dǎo)體光放大器和光芯片，所述光芯片采用激光雷達(dá)光子芯片，包括發(fā)射鏈路和接收鏈路，發(fā)射鏈路上包括分束器和脈沖調(diào)制器，接收鏈路上集成了光混頻器和平衡探測(cè)器；所述集成化光模塊通過(guò)光電混合封裝技術(shù)進(jìn)行封裝；所述主控處理模塊為高速信號(hào)采集處理模塊。

3、進(jìn)一步改進(jìn)，所述激光雷達(dá)光子芯片采用基于硅基的光子集成工藝平臺(tái)制備。

4、進(jìn)一步改進(jìn)，所述集成化光模塊將激光雷達(dá)光子芯片通過(guò)光電混合封裝技術(shù)與種子激光器芯片、tia芯片、高頻基板、tec、光纖陣列、半導(dǎo)體光放大器封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，從而得到高集成度的集成化光模塊。

5、進(jìn)一步改進(jìn)，所述光電混合封裝技術(shù)先對(duì)芯片進(jìn)行電學(xué)封裝，再進(jìn)行光學(xué)封裝。

6、進(jìn)一步改進(jìn)，所述電學(xué)封裝通過(guò)熱沉方式將硅光芯片和asic芯片貼裝在同一塊基板上，采用wire-bonding的形式對(duì)硅光芯片和asic芯片進(jìn)行電氣連接；所述光學(xué)封裝使用6維精密調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)光纖和光纖夾具的位置，使用高精度步進(jìn)電機(jī)并通過(guò)合理的控制程序?qū)︸詈戏庋b設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)硅光芯片的自動(dòng)光學(xué)耦合封裝。

7、進(jìn)一步改進(jìn)，所述半導(dǎo)體光放大器采用錐形半導(dǎo)體光放大器結(jié)合增益光纖作為主放，所述增益光纖采用eryb共摻的雙包層增益光纖，并施加梯度應(yīng)力。

8、進(jìn)一步改進(jìn)，所述高速信號(hào)采集處理模塊包括fpga以及與其連接的外圍電路和器件，fpga內(nèi)部集成有探測(cè)器、濾波器、差分放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，探測(cè)器接收外差相干探測(cè)信號(hào)，濾波器將探測(cè)器的輸出信號(hào)放大，進(jìn)行濾波和阻抗變換，使其與差分放大電路的接收端相匹配；差分放大電路抑制前端獲得的相干探測(cè)信號(hào)中的共模噪聲，最終通過(guò)降噪后的信號(hào)輸出。

9、進(jìn)一步改進(jìn)，所述探測(cè)器采用雙平衡探測(cè)器，所述濾波器用無(wú)源濾波器，前端設(shè)計(jì)4階巴特沃斯抗混疊低通濾波器，帶寬為100mhz；所述差分放大電路的芯片帶寬為265mhz，cmrr典型值位-77db；模數(shù)轉(zhuǎn)換器為12位單芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器，提供lvds數(shù)字輸出。

10、進(jìn)一步改進(jìn)，所述外圍電路和器件包括io接口、電源管理模塊、采樣預(yù)處理、flash和fpga時(shí)鐘，模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)置有采樣時(shí)鐘，采樣時(shí)鐘和fpga時(shí)鐘使用同源時(shí)鐘，由外部vcxo提供本振信號(hào)，產(chǎn)生0~2000mhz的時(shí)鐘信號(hào)，支持兩路參考時(shí)鐘輸入。

11、本發(fā)明還提供了一種微型化相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀的組裝方法，包括以下步驟：

12、1）基于fpga以及與其連接的外圍電路和器件構(gòu)架高速信號(hào)采集處理模塊；

13、2）采用基于硅基的光子集成工藝平臺(tái)制備激光雷達(dá)光子芯片；

14、3）通過(guò)光電混合封裝技術(shù)將激光雷達(dá)光子芯片與種子激光器芯片、tia芯片、高頻基板、tec、光纖陣列、半導(dǎo)體光放大器封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，從而得到高集成度的集成化光模塊；

15、所述光電混合封裝技術(shù)先對(duì)芯片進(jìn)行電學(xué)封裝，再進(jìn)行光學(xué)封裝，具體過(guò)程如下：

16、3.1）通過(guò)熱沉方式將硅光芯片和asic芯片貼裝在同一塊基板上，采用wire-bonding的形式對(duì)硅光芯片和asic芯片進(jìn)行電氣連接；

17、3.2）使用6維精密調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)光纖和光纖夾具的位置，使用高精度步進(jìn)電機(jī)并通過(guò)合理的控制程序?qū)︸詈戏庋b設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)硅光芯片的自動(dòng)光學(xué)耦合封裝；

18、4）集成化光模塊通過(guò)放大器連接外部天線，高速信號(hào)采集處理模塊分別連接外部電源和外部主機(jī)，將集成化光模塊、光驅(qū)動(dòng)模塊、高速信號(hào)采集處理模塊和放大器通過(guò)電路集成在盒體內(nèi)，得到微型化相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀。

19、步驟3.2）所述光學(xué)耦合封裝過(guò)程具體如下

20、3.21）將完成電學(xué)封裝后硅基光電芯片固定在對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)底座上；

21、3.22）將光纖陣列fa固定在左右兩側(cè)或某一側(cè)的高精度六維調(diào)節(jié)架上；

22、3.23）在ccd圖像監(jiān)控系統(tǒng)下，將fa與芯片波導(dǎo)初步對(duì)準(zhǔn)；

23、3.24）將光源，偏振控制器，光功率計(jì)連接起來(lái)，耦合實(shí)驗(yàn)前，測(cè)試原始光信號(hào)強(qiáng)度以計(jì)算插入損耗。

24、3.25）將輸入端fa光纖連接至偏振控制器輸出，輸出端fa光纖連接至光功率計(jì)，根據(jù)功率計(jì)顯示的插損值調(diào)節(jié)六維對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)各維度步進(jìn)，使光路達(dá)到最佳位置。

25、3.26）由于硅基波導(dǎo)光柵耦合器具有偏振敏感特性，需要調(diào)節(jié)偏振控制器再次使得測(cè)試插損降至最小值，記錄插損值。

26、3.27）在完成芯片耦合以后，撤回fa夾具，進(jìn)行紫外固化匹配液點(diǎn)膠，膠水的選擇需要根據(jù)硅基光電芯片和光纖的折射率來(lái)決定。

27、3.28）將fa夾具恢復(fù)到對(duì)準(zhǔn)位置，打開紫外燈進(jìn)行紫外固化封裝，根據(jù)不同的滴膠情況采用不同的uv參數(shù)。在固化過(guò)程中，單位面積上接收的光強(qiáng)是有最佳區(qū)間的，過(guò)少則固化不完全，過(guò)多則造成膠的劣化等其它問題。

28、3.29）固化完成后松開fa夾具對(duì)fa的夾持，將六維調(diào)節(jié)架空間位置歸零。完成光纖陣列的封裝。

29、3.210）在高精度倒裝焊設(shè)備和貼片設(shè)備上將ⅲ-ⅴ族材料半導(dǎo)體光放大器soa、ⅲ-ⅴ族材料種子激光器以及相應(yīng)的準(zhǔn)直微透鏡集成在soi襯底上，一起構(gòu)成激光器光源模組。

30、3.211）使用合適的夾具夾持激光器光源模組放置在硅基光電芯片表面，使用電探針連接光源模組，點(diǎn)亮激光器和soa。

31、3.212）調(diào)節(jié)六維調(diào)節(jié)架的使得光信號(hào)由硅基光電芯片的光輸入口輸入。

32、3.213）從已封裝好的fa光輸出端口探測(cè)光功率，根據(jù)功率計(jì)顯示的插損值調(diào)節(jié)六維對(duì)準(zhǔn)平臺(tái)各維度位置，使光路達(dá)到最佳位置。

33、3.214）按之前的方法進(jìn)行點(diǎn)膠和固化，再次使用wire-bonding技術(shù)完成激光光源模組的電氣連接，進(jìn)而完成整體混合封裝。

34、本發(fā)明有益效果在于：

35、1、通過(guò)高密度光電混合集成使得相干激光風(fēng)速遙測(cè)儀的體積小、重量輕，重量不超過(guò)2kg，且能保證遠(yuǎn)距離探測(cè)。

36、2、激光雷達(dá)光子芯片采用基于硅基的光子集成工藝平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在所有的光子集成工藝平臺(tái)中硅基光子工藝平臺(tái)與基于其他材料體系的光子集成工藝相比，具有o、c波段透明，契合1.5μm人眼安全波段；所用的soi材料體系具有很高的折射率差值，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊的集成光學(xué)器件；與cmos工藝完全兼容，有成熟的代工基礎(chǔ)，成本優(yōu)勢(shì)大；機(jī)械性能、耐高溫能力好，便于各種加工和封裝。

37、3、采用光電混合封裝技術(shù)從而獲得高集成度的相干測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)光電混合集成模塊。

38、4、高速數(shù)字采集與信號(hào)處理中的延遲和串?dāng)_，是制約系統(tǒng)測(cè)量精度和信噪比的關(guān)鍵，通過(guò)高速信號(hào)采集處理模塊解決了時(shí)序匹配、共模噪聲抑制等問題，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的高精度處理。