專利名稱：基于線陣apd探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利屬于光電儀器技術(shù)領(lǐng)域，具體指一種基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維 成像雷達(dá)。它適用于航天器自動(dòng)著陸導(dǎo)航、空間交會(huì)對(duì)接導(dǎo)航等對(duì)三維成像速度要求苛刻 的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)(LIDAR :LIght Detecion and Ranging)的概念起源于微波雷達(dá)，是以激 光測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ)。它可以測(cè)量物體和傳感器之間的距離信息，通常通過掃描機(jī)構(gòu)完成大 范圍測(cè)量，進(jìn)而可以反演得到目標(biāo)的數(shù)字高程模型(DEM)或目標(biāo)的三維圖像。由于突出的 三維構(gòu)形能力，激光雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在測(cè)量測(cè)繪、工業(yè)生產(chǎn)、軍事偵查、航空航天等諸 多領(lǐng)域。激光掃描三維成像雷達(dá)，通常采用高重復(fù)頻率激光器發(fā)射激光束，由單元APD 探測(cè)器接收回波信息，再通過掃描機(jī)構(gòu)完成對(duì)目標(biāo)的大范圍測(cè)量，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的激 光束越多，對(duì)目標(biāo)的測(cè)量就越詳盡，成像速度就越快。(參見在先技術(shù)[1]，A.TOHR U L, "Airborne Laser scanning-an introduction and overview. ISPRS Journal of Photogrametry & Remote Sensing”，1999，54.)這樣激光重復(fù)頻率的高低就成了衡量 激光雷達(dá)成像效率的一個(gè)重要的指標(biāo)。隨著激光器技術(shù)的發(fā)展，激光重復(fù)頻率可以做到 10kHz 200kHz，但是進(jìn)一步提高重頻則會(huì)遇到技術(shù)障礙并增加開發(fā)成本。在某些應(yīng)用場(chǎng) 合，如航天器自動(dòng)著陸導(dǎo)航，要求激光雷達(dá)能實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高幀頻的三維成像，原有的采用 單元探測(cè)器掃描成像方式的激光雷達(dá)已無法滿足應(yīng)用要求。
發(fā)明內(nèi)容本專利提出了一種基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)，旨在解決單元 探測(cè)器掃描成像激光雷達(dá)成像效率低的問題，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高幀頻的激光三維成像。基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)，包括光纖激光器3，激光整形單元 4，接收望遠(yuǎn)鏡5，二維掃描機(jī)構(gòu)6，線陣APD探測(cè)器1和信號(hào)處理電路2構(gòu)成。光纖激光器3波長(zhǎng)為1064nm，它能夠以30 60kHz的重復(fù)頻率發(fā)射脈寬為10ns 的窄脈沖激光。激光整形單元4由一個(gè)準(zhǔn)直鏡4-1和一個(gè)柱面鏡4-2組成，它能夠?qū)⒁皇?高斯圓形激光展寬成一束條形激光。接收望遠(yuǎn)鏡5采用離軸雙反結(jié)構(gòu)，目的是減小光學(xué)系 統(tǒng)的體積。接收望遠(yuǎn)鏡5中間留有小孔，供條形激光出射之用。二維掃描機(jī)構(gòu)6由兩個(gè)正 交的檢流計(jì)振鏡組成，可以實(shí)現(xiàn)快速二維擺動(dòng)掃描。激光發(fā)射和接收采用同軸結(jié)構(gòu)，激光回 波由線陣APD探測(cè)器1接收，APD探測(cè)器線陣長(zhǎng)度通常為8 25元。系統(tǒng)信號(hào)處理和控制 由信息處理電路2來實(shí)現(xiàn)。光纖激光器3發(fā)出一束圓形高斯脈沖激光，由激光整形單元4將激光束整形成為 一束條形激光，從接收望遠(yuǎn)鏡的開孔中出射，經(jīng)過二維掃描機(jī)構(gòu)6射向探測(cè)目標(biāo)。線陣APD 探測(cè)器1由N+1個(gè)獨(dú)立的像元組成，其中N為7-24間的任意正整數(shù)，線陣APD探測(cè)器1的接收視場(chǎng)和條形激光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑相重合。條形激光中的一小部分照射在二維掃描機(jī)構(gòu)6及 其框架上產(chǎn)生的散射光經(jīng)過接收望遠(yuǎn)鏡5聚焦在線陣APD探測(cè)器1上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生 一個(gè)高速電脈沖，取其中一個(gè)像元的信號(hào)作為激光雷達(dá)計(jì)時(shí)的開始信號(hào)START。出射激光在 照射到目標(biāo)上之后，一部分沿原光路返回，由接收望遠(yuǎn)鏡5聚焦，再由線陣APD探測(cè)器1接 收。接收到的激光回波由線陣APD探測(cè)器1的其余N個(gè)像元進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)镹個(gè)并行的 高速電脈沖，即作為激光雷達(dá)的N個(gè)計(jì)時(shí)停止信號(hào)ST0P1 "N。由信號(hào)處理電路2處理后， 將時(shí)間間隔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)，再與二維掃描機(jī)構(gòu)6的位置數(shù)據(jù)同步采集和存儲(chǔ)。二維 掃描機(jī)構(gòu)6對(duì)條形激光進(jìn)行二維掃描，實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)三維成像。本專利和先前的技術(shù)相比，主要優(yōu)點(diǎn)為(1)采用條形激光發(fā)射，線陣APD探測(cè)器并行接收的方式，一個(gè)激光脈沖可以接收 N束并行的激光回波，從而在不增加激光器重復(fù)頻率的情況下，使得激光雷達(dá)的探測(cè)效率大 為提高。(2)采用線陣APD探測(cè)器N+1個(gè)像元中的一個(gè)像元，利用二維掃描機(jī)構(gòu)及其框架上 的散射激光產(chǎn)生的信號(hào)，作為時(shí)間間隔測(cè)量的開始信號(hào)START，利用其余N個(gè)像元輸出的回 波信號(hào)作為計(jì)時(shí)停止信號(hào)ST0P1 "N。該方法節(jié)省了元器件，使得系統(tǒng)更為緊湊。采用了本專利設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)30° X30°視場(chǎng)，10Hz的激光三維 成像。
圖1是基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是激光整形單元組成框圖。
具體實(shí)施方式
線陣APD探測(cè)器1采用Perkin Elmer公司25元線陣APD探測(cè)器C30985E。接收望 遠(yuǎn)鏡5采用離軸雙反結(jié)構(gòu)，壓縮體積。接收望遠(yuǎn)鏡5有效孔徑為30mm，焦距為150mm。線陣 APD探測(cè)器1的接收視場(chǎng)和條形激光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑相重合，單個(gè)像元的接收視場(chǎng)為2X2mrad， 總的接收視場(chǎng)為2X48mrad，線陣探測(cè)器的中心與激光光斑中心相重合。光纖激光器3在 信號(hào)處理電路2的控制下，發(fā)出發(fā)散角為lmrad的圓形高斯脈沖激光束，脈沖寬度為7ns， 重復(fù)頻率為60kHz。激光光束由激光整形單元4將激光束整形成為條形激光，發(fā)散角變?yōu)?lmradXSOmrad，經(jīng)過二維掃描機(jī)構(gòu)6射向探測(cè)區(qū)域。激光照射在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生散射光，散射 光經(jīng)過接收望遠(yuǎn)鏡5聚焦在線陣APD探測(cè)器1上，轉(zhuǎn)換為電脈沖，通過線陣APD探測(cè)器1的 第25元輸出，作為激光雷達(dá)時(shí)間間隔測(cè)量的起始信號(hào)START。出射激光在被目標(biāo)反射之后， 一部分沿原光路返回，經(jīng)過二維掃描機(jī)構(gòu)6，由接收望遠(yuǎn)鏡5聚焦之后，由線陣APD探測(cè)器 1接收。接收到的激光回波由線陣APD探測(cè)器1進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?hào)，即作為激光雷 達(dá)時(shí)間間隔測(cè)量停止信號(hào)STOP 1...24。經(jīng)過并行的放大和鑒別之后，送入信號(hào)處理電路2 中進(jìn)行處理，經(jīng)過時(shí)間間隔測(cè)量和解算，最終得到距離數(shù)據(jù)。同時(shí)，信號(hào)處理電路2控制二 維掃描機(jī)構(gòu)6進(jìn)行掃描，同步采集二維掃描機(jī)構(gòu)6的位置數(shù)據(jù)。24路測(cè)距數(shù)據(jù)和2路掃描 位置數(shù)據(jù)共同組成一次激光脈沖的測(cè)量數(shù)據(jù)。二維掃描機(jī)構(gòu)6采用二維振鏡掃描，一維以 55Hz, 30°的掃描速率進(jìn)行正弦方式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一維以步進(jìn)方式進(jìn)行配合，在0. Is內(nèi)完成對(duì)30° X30°視場(chǎng)的掃描成像。由測(cè)量數(shù)據(jù)可以反演得到目標(biāo)的三維圖像數(shù)據(jù)和DEM 模型。
權(quán)利要求一種基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)，它由光纖激光器(3)、激光整形單元(4)、接收望遠(yuǎn)鏡(5)、二維掃描機(jī)構(gòu)(6)、線陣APD探測(cè)器(1)和信號(hào)處理電路(2)構(gòu)成，其特征在于所述的線陣APD探測(cè)器(1)為8～25元的線陣探測(cè)器；所述的光纖激光器(3)為能夠以30～60kHz的重復(fù)頻率發(fā)射脈寬為10ns，波長(zhǎng)為1064nm窄脈沖激光的激光器；所述的能夠?qū)⒁皇咚箞A形激光展寬成一束條形激光的激光整形單元(4)由一個(gè)準(zhǔn)直鏡(4-1)和一個(gè)柱面鏡(4-2)組成。
專利摘要本專利公開了一種基于線陣APD探測(cè)器的激光掃描三維成像雷達(dá)。該激光雷達(dá)將圓形高斯激光束整形成為條形激光發(fā)射，由線陣APD探測(cè)器進(jìn)行激光回波接收，線陣APD探測(cè)器的接收視場(chǎng)和激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑重合。探測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)過放大和信號(hào)處理，最終得到距離數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)通過二維掃描機(jī)構(gòu)完成對(duì)整個(gè)視場(chǎng)的測(cè)量。本專利在不增加激光器重復(fù)頻率的情況下，大大提高了探測(cè)效率，可以滿足對(duì)成像時(shí)間要求苛刻的應(yīng)用需求。
文檔編號(hào)G01S17/89GK201637848SQ20102012895
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月11日
發(fā)明者卜弘毅, 孟昭華, 毛閔軍, 童鵬, 舒嶸, 金輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所