專利名稱：基于線陣apd探測器的激光掃描三維成像雷達的制作方法
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探測器的激光掃描三維 成像雷達。它適用于航天器自動著陸導(dǎo)航、空間交會對接導(dǎo)航等對三維成像速度要求苛刻 的場合。
背景技術(shù)：
激光雷達(LIDAR :LIght Detecion and Ranging)的概念起源于微波雷達，是以激 光測距技術(shù)為基礎(chǔ)。它可以測量物體和傳感器之間的距離信息，通常通過掃描機構(gòu)完成大 范圍測量，進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，激光雷達技術(shù)被廣泛應(yīng)用在測量測繪、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，通常采用高重復(fù)頻率激光器發(fā)射激光束，由單元APD 探測器接收回波信息，再通過掃描機構(gòu)完成對目標(biāo)的大范圍測量，單位時間內(nèi)發(fā)射的激 光束越多，對目標(biāo)的測量就越詳盡，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 激光雷達成像效率的一個重要的指標(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，但是進一步提高重頻則會遇到技術(shù)障礙并增加開發(fā)成本。在某些應(yīng)用場 合，如航天器自動著陸導(dǎo)航，要求激光雷達能實現(xiàn)大視場、高幀頻的三維成像，原有的采用 單元探測器掃描成像方式的激光雷達已無法滿足應(yīng)用要求。
發(fā)明內(nèi)容本專利提出了一種基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達，旨在解決單元 探測器掃描成像激光雷達成像效率低的問題，實現(xiàn)大視場、高幀頻的激光三維成像?；诰€陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達，包括光纖激光器3，激光整形單元 4，接收望遠(yuǎn)鏡5，二維掃描機構(gòu)6，線陣APD探測器1和信號處理電路2構(gòu)成。光纖激光器3波長為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由一個準(zhǔn)直鏡4-1和一個柱面鏡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。二維掃描機構(gòu)6由兩個正 交的檢流計振鏡組成，可以實現(xiàn)快速二維擺動掃描。激光發(fā)射和接收采用同軸結(jié)構(gòu)，激光回 波由線陣APD探測器1接收，APD探測器線陣長度通常為8 25元。系統(tǒng)信號處理和控制 由信息處理電路2來實現(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)過二維掃描機構(gòu)6射向探測目標(biāo)。線陣APD 探測器1由N+1個獨立的像元組成，其中N為7-24間的任意正整數(shù)，線陣APD探測器1的接收視場和條形激光的遠(yuǎn)場光斑相重合。條形激光中的一小部分照射在二維掃描機構(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探測器1上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生 一個高速電脈沖，取其中一個像元的信號作為激光雷達計時的開始信號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探測器1接 收。接收到的激光回波由線陣APD探測器1的其余N個像元進行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)镹個并行的 高速電脈沖，即作為激光雷達的N個計時停止信號ST0P1 "N。由信號處理電路2處理后， 將時間間隔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)，再與二維掃描機構(gòu)6的位置數(shù)據(jù)同步采集和存儲。二維 掃描機構(gòu)6對條形激光進行二維掃描，實現(xiàn)大視場三維成像。本專利和先前的技術(shù)相比，主要優(yōu)點為(1)采用條形激光發(fā)射，線陣APD探測器并行接收的方式，一個激光脈沖可以接收 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，使得激光雷達的探測效率大 為提高。(2)采用線陣APD探測器N+1個像元中的一個像元，利用二維掃描機構(gòu)及其框架上 的散射激光產(chǎn)生的信號，作為時間間隔測量的開始信號START，利用其余N個像元輸出的回 波信號作為計時停止信號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)計的激光雷達系統(tǒng)可以實現(xiàn)30° X30°視場，10Hz的激光三維 成像。

圖1是基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達的結(jié)構(gòu)框圖。圖2是激光整形單元組成框圖。
具體實施方式
線陣APD探測器1采用Perkin Elmer公司25元線陣APD探測器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探測器1的接收視場和條形激光的遠(yuǎn)場光斑相重合，單個像元的接收視場為2X2mrad， 總的接收視場為2X48mrad，線陣探測器的中心與激光光斑中心相重合。光纖激光器3在 信號處理電路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)過二維掃描機構(gòu)6射向探測區(qū)域。激光照射在機箱內(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探測器1上，轉(zhuǎn)換為電脈沖，通過線陣APD探測器1的 第25元輸出，作為激光雷達時間間隔測量的起始信號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)過二維掃描機構(gòu)6，由接收望遠(yuǎn)鏡5聚焦之后，由線陣APD探測器 1接收。接收到的激光回波由線陣APD探測器1進行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，即作為激光?達時間間隔測量停止信號STOP 1...24。經(jīng)過并行的放大和鑒別之后，送入信號處理電路2 中進行處理，經(jīng)過時間間隔測量和解算，最終得到距離數(shù)據(jù)。同時，信號處理電路2控制二 維掃描機構(gòu)6進行掃描，同步采集二維掃描機構(gòu)6的位置數(shù)據(jù)。24路測距數(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量數(shù)據(jù)。二維掃描機構(gòu)6采用二維振鏡掃描，一維以 55Hz, 30°的掃描速率進行正弦方式往復(fù)運動，另一維以步進方式進行配合，在0. Is內(nèi)完成對30° X30°視場的掃描成像。由測量數(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探測器的激光掃描三維成像雷達，它由光纖激光器(3)、激光整形單元(4)、接收望遠(yuǎn)鏡(5)、二維掃描機構(gòu)(6)、線陣APD探測器(1)和信號處理電路(2)構(gòu)成，其特征在于所述的線陣APD探測器(1)為8～25元的線陣探測器；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)由一個準(zhǔn)直鏡(4-1)和一個柱面鏡(4-2)組成。
專利摘要本專利公開了一種基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達。該激光雷達將圓形高斯激光束整形成為條形激光發(fā)射，由線陣APD探測器進行激光回波接收，線陣APD探測器的接收視場和激光遠(yuǎn)場光斑重合。探測器輸出的信號經(jīng)過放大和信號處理，最終得到距離數(shù)據(jù)。激光雷達通過二維掃描機構(gòu)完成對整個視場的測量。本專利在不增加激光器重復(fù)頻率的情況下，大大提高了探測效率，可以滿足對成像時間要求苛刻的應(yīng)用需求。
文檔編號G01S17/89GK201637848SQ20102012895
公開日2010年11月17日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所