專利名稱：基于apd陣列的非掃描3d成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，尤其涉及一種基于雪崩光電二極管
APD(Avalanche Photo Diode)陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，屬于光學(xué)測(cè)量?jī)x器 技術(shù)領(lǐng)域。
(二)
背景技術(shù)：
激光雷達(dá)是迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)，是利用脈沖激光泛光照明和高靈敏度雪崩光電二 極管APD焦平面陣列組件實(shí)現(xiàn)高幀頻單次角-角-距離三維成像，它是一種新體制成像激光雷 達(dá)。該成像激光雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)控制激光的發(fā)射，使發(fā)射光能同時(shí)覆蓋整個(gè)目標(biāo)，然后用一個(gè) 置于接收光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的二維APD陣列接收回波信號(hào)，各單元APD并行得到回波的距離 信息，得到目標(biāo)的角-角-距離像。基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)，除了接收光信 號(hào)使用APD焦平面陣列探測(cè)外，其發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)是影響其性能的關(guān)鍵組件。
非掃描激光雷達(dá)沒有機(jī)械掃描裝置，具有高幀率、寬視場(chǎng)、堅(jiān)固、體積小的特點(diǎn)，有著 廣闊的市場(chǎng)前景。與掃描成像激光雷達(dá)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有采用APD焦平面陣列威像，靈 敏度高；無(wú)需高重頻、窄波束激光輻射源，且發(fā)射和接受光路不需要嚴(yán)格的平行校準(zhǔn)；由于 成像時(shí)間短，當(dāng)雷達(dá)與目標(biāo)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，不用瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定也不會(huì)導(dǎo)致圖像失真；具有較 遠(yuǎn)的作用距離，且不存在距離模糊問(wèn)題；不需要復(fù)雜的高速掃描裝置，體積小、重量輕、成 本低，適裝性好。
(三) 發(fā)明內(nèi)容(1) 目的
本發(fā)明的目的是為了提供一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，該系
統(tǒng)克服已有的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、調(diào)整加工維護(hù)不方便的缺點(diǎn)，是一種 易于調(diào)整、加工、維護(hù)及適于實(shí)際應(yīng)用的非掃描激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，體積 小、重量輕、成本低，實(shí)用性好。
(2) 技術(shù)方案
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)被安裝在激光雷達(dá) 系統(tǒng)外殼里，它是由激光器、伽利略望遠(yuǎn)鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f！發(fā)射透鏡組 成的發(fā)射光學(xué)單元，以及焦距f2接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學(xué)單元構(gòu)成，激光 雷達(dá)系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器，伽利略望遠(yuǎn)鏡安裝在激光器前方，激光器發(fā)出的 激光束通過(guò)光纖導(dǎo)入伽利略望遠(yuǎn)鏡，伽利略望遠(yuǎn)鏡前方裝有分光器，分光器產(chǎn)生光斑，分光 器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，調(diào)整發(fā)射-接收分光鏡和光斑之間的間距可以選擇光斑的數(shù)目， 發(fā)射-接收分光鏡位于光斑和焦距^發(fā)射透鏡之間，發(fā)射-接收分光鏡與發(fā)射透鏡之間的間距 應(yīng)等于接收透鏡焦距f2的1/2，且不大于發(fā)射透鏡的焦距,發(fā)射-接收分光鏡是一個(gè)中間開 孔的平面鏡，且與光軸成45。角放置；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼的端口裝有焦距f2接收透鏡，接收 透鏡是一個(gè)中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中，發(fā)射-接收分光鏡將接 收光束90°反射到探測(cè)器上，探測(cè)器位于接收透鏡經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡折轉(zhuǎn)光路后焦平面的位 置。
其中，所述的激光器使用微片激光器；
其中，伽利略望遠(yuǎn)4竟由凹透鏡和凸透鏡組成；
其中，所述的探測(cè)器為APD陣列；
其中，所述的分光器是正交光柵和聚焦透鏡的組合，通過(guò)改變正交光柵的刻線數(shù)和聚焦 透鏡的焦距可以調(diào)整光斑的間距。
激光器發(fā)出532nm的脈沖激光經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束后得到的準(zhǔn)直光照射到分光器上，通 過(guò)衍射分光后激光光束被分成若干子光束，經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡選擇得到所需的子光束數(shù)目， 然后從發(fā)射透鏡出射后照射到欲成像的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光回波信號(hào)通過(guò)接收透鏡后， 經(jīng)過(guò)發(fā)射-接收分光鏡發(fā)生90°的折轉(zhuǎn)，聚焦在APD陣列上。
利用非掃描3D成像激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行激光回波信號(hào)的探測(cè)，由于采用了發(fā)射-接收分光
4鏡，使得發(fā)射光路與接收光路分開，因此大大降低了初始發(fā)射激光束對(duì)探測(cè)器的影響。
本發(fā)明適用于基于APD陣列的非掃描三維成像激光雷達(dá)系統(tǒng)，該激光雷達(dá)系統(tǒng)可裝載于 各種機(jī)動(dòng)平臺(tái)，用于車輛導(dǎo)航和防撞、機(jī)載三維地形測(cè)繪、航天器空間交會(huì)對(duì)接等。 (3 )優(yōu)點(diǎn)及效果
1、 非掃描成像激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了透射式光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工容易，易于密封， 適于野外工作；
2、 激光束發(fā)射接收同軸，減小了系統(tǒng)體積；
3、 采用分光器對(duì)激光光束進(jìn)行分光，調(diào)節(jié)聚焦透鏡或接收透鏡的焦距可以使衍射光斑 與APD像元的瞬時(shí)視場(chǎng)相匹配，提高了角分辨率，減弱了背景；
4、 采用發(fā)射-接收分光4竟使得發(fā)射光路與接收光路分開，大大降^f氐了初始發(fā)射激光束對(duì) 探測(cè)器的影響；
5、 對(duì)發(fā)射透鏡的焦距進(jìn)行調(diào)整可以改變光束的發(fā)散角。
(四)


圖1 基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖中符號(hào)說(shuō)明如下
1 激光器2伽利略望遠(yuǎn)鏡3分光器4正交光柵5 聚焦透鏡 6 光斑7發(fā)射-接收分光鏡8 發(fā)射透鏡 9接收透鏡 10探測(cè)器 11發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng) 12激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼
(五)
具體實(shí)施例方式
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)11，被安裝在激光雷達(dá)系統(tǒng)外 殼12里；該光學(xué)系統(tǒng)11由激光器1、伽利略望遠(yuǎn)鏡2、分光器3、發(fā)射-接收分光鏡7和焦 距6發(fā)射透鏡8組成的發(fā)射光學(xué)單元，以及焦距f2接收透鏡9和發(fā)射-接收分光鏡7組成的 接收光學(xué)單元構(gòu)成；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼12尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器1,伽利略望遠(yuǎn)鏡2安 裝在激光器1前方，激光器1發(fā)出的激光束通過(guò)光纖導(dǎo)入伽利略望遠(yuǎn)鏡2,伽利略望遠(yuǎn)鏡2前方裝有分光器3，分光器3產(chǎn)生光斑6，分光器3前裝有發(fā)射-接收分光鏡7,調(diào)整發(fā)射-接 收分光鏡7和光斑6之間的間距可以選擇光斑6的數(shù)目，發(fā)射-接收分光鏡7位于光斑6和焦 距6發(fā)射透鏡8之間，發(fā)射-接收分光鏡7與發(fā)射透鏡8之間的間距應(yīng)等于接收透鏡9焦距 f2的1/2,且不大于發(fā)射透鏡8的焦距f，，發(fā)射-接收分光鏡7是一個(gè)中間開孔的平面鏡，且 與光軸成45 °角放置；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼12端口裝有焦距f2接收透鏡9,接收透鏡9是一個(gè) 中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡8位于接收透鏡9中夾的孔中，發(fā)射-接收分光鏡7將接收光 束90°地反射到探測(cè)器10上，探測(cè)器10位于接收透鏡9經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡7折轉(zhuǎn)光路后焦 平面的^f立置。
其中，所述的激光器1為微片激光器；
其中，伽利略望遠(yuǎn)鏡2由凹透鏡和凸透鏡組成；
其中，所述的探測(cè)器10為APD陣列；
其中，所述的分光器3是正交光柵4和聚焦透鏡5的組合；通過(guò)改變正交光柵4的刻線 數(shù)和聚焦透鏡5的焦距可以調(diào)整光斑6的間距。
激光器1發(fā)出532nm的脈沖激光經(jīng)伽利略望遠(yuǎn)鏡2準(zhǔn)直擴(kuò)束后得到的準(zhǔn)直光束照射到分 光器3上，通過(guò)分光器3后激光光束被分成若干子光束，經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡7選擇得到所需 的子光束數(shù)目，然后從發(fā)射透鏡8出射后照射到欲成像的目標(biāo)，經(jīng)目標(biāo)反射的激光回波信號(hào) 通過(guò)接收透鏡9接收后，再由發(fā)射-接收分光鏡7發(fā)生90°的折轉(zhuǎn)，聚焦在探測(cè)器10即APD 陣列上，得到目標(biāo)的距離信息。
權(quán)利要求
1、一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)被安裝在激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼里，其特征在于它是由激光器、伽利略望遠(yuǎn)鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f1發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學(xué)單元，以及焦距f2接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學(xué)單元構(gòu)成；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器，伽利略望遠(yuǎn)鏡安裝在激光器前方，伽利略望遠(yuǎn)鏡前方安裝有分光器，分光器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，它位于光斑和焦距f1發(fā)射透鏡之間，它與發(fā)射透鏡之間的間距等于接收透鏡焦距f2的1/2且不大于發(fā)射透鏡的焦距f1，發(fā)射-接收分光鏡是一個(gè)中間開孔的平面鏡，它與光軸成45°角放置；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼端口裝有焦距f2接收透鏡，它是一個(gè)中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特 征在于該激光器為微片激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特 征在于該珈利略望遠(yuǎn)鏡是凹透鏡和凸透鏡的組合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特 征在于該探測(cè)器為APD陣列。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，其特 征在于該分光器是正交光柵和聚焦透鏡的組合。
全文摘要
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，被安裝在激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼里，它是由激光器、伽利略望遠(yuǎn)鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f₁發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學(xué)單元、以及焦距f₂接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學(xué)單元構(gòu)成；激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上裝有激光器，伽利略望遠(yuǎn)鏡安裝在激光器前方，伽利略望遠(yuǎn)鏡前方裝有分光器，分光器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，它是一個(gè)中間開孔的平面鏡，位于光斑和焦距f₁發(fā)射透鏡之間，且與光軸成45°角放置，激光雷達(dá)系統(tǒng)外殼端口裝有焦距f₂接收透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中，發(fā)射-接收分光鏡將接收光束90°反射到位于接收透鏡焦平面位置的探測(cè)器上。該光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，可用于測(cè)繪、導(dǎo)航、航天領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01S7/481GK101430377SQ200810227010
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者劉曉波, 麗 李 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)