[發明專利]基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達及方法

無效

• 申請號: 201010122319.3
• 申請日: 2010-03-11
• 公開（公告）號: CN101813779A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 舒嶸;卜弘毅;童鵬;孟昭華;毛閔軍;金輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海技術物理研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S17/08;G01S7/481
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術領域

本發明屬于光電儀器技術領域，具體指一種基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達及方法。它適用于航天器自動著陸導航、空間交會對接導航等對三維成像速度要求苛刻的場合。

背景技術

激光雷達(LIDAR：LIght?Detecion?and?Ranging)的概念起源于微波雷達，是以激光測距技術為基礎。它可以測量物體和傳感器之間的距離信息，通常通過掃描機構完成大范圍測量，進而可以反演得到目標的數字高程模型(DEM)或目標的三維圖像。由于突出的三維構形能力，激光雷達技術被廣泛應用在測量測繪、工業生產、軍事偵查、航空航天等諸多領域。

激光掃描三維成像雷達，通常采用高重復頻率激光器發射激光束，由單元APD探測器接收回波信息，再通過掃描機構完成對目標的大范圍測量，單位時間內發射的激光束越多，對目標的測量就越詳盡，成像速度就越快。(參見在先技術[1]，A.WEHR?U?L，“Airborne?Laser?scanning-an?introduction?and?overview.ISPRS?Journal?of?Photogrametry?&?Remote?Sensing”，1999，54.)這樣激光重復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。隨著激光器技術的發展，激光重復頻率可以做到10kHz～200kHz，但是進一步提高重頻則會遇到技術障礙并增加開發成本。在某些應用場合，如航天器自動著陸導航，要求激光雷達能實現大視場、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用要求。

發明內容

本發明提出了一種基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達及成像方法，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，實現大視場、高幀頻的激光三維成像。

基于線陣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，接收望遠鏡5，二維掃描機構6，線陣APD探測器1和信號處理電路2構成。

光纖激光器3波長為1064nm，它能夠以30～60kHz的重復頻率發射脈寬為10ns的窄脈沖激光。激光整形單元4由一個準直鏡4-1和一個柱面鏡4-2組成，它能夠將一束高斯圓形激光展寬成一束條形激光。接收望遠鏡5采用離軸雙反結構，目的是減小光學系統的體積。接收望遠鏡5中間留有小孔，供條形激光出射之用。二維掃描機構6由兩個正交的檢流計振鏡組成，可以實現快速二維擺動掃描。激光發射和接收采用同軸結構，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。系統信號處理和控制由信息處理電路2來實現。

光纖激光器3發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，從接收望遠鏡的開孔中出射，經過二維掃描機構6射向探測目標。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，線陣APD探測器1的接收視場和條形激光的遠場光斑相重合。條形激光中的一小部分照射在二維掃描機構6及其框架上產生的散射光經過接收望遠鏡5聚焦在線陣APD探測器1上，經過光電轉換產生一個高速電脈沖，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上之后，一部分沿原光路返回，由接收望遠鏡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個像元進行光電轉換變為N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STOP1…N。由信號處理電路2處理后，將時間間隔數據轉換為距離數據，再與二維掃描機構6的位置數據同步采集和存儲。二維掃描機構6對條形激光進行二維掃描，實現大視場三維成像。

本發明和先前的技術相比，主要優點為：

(1)采用條形激光發射，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，利用二維掃描機構及其框架上的散射激光產生的信號，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STOP?1…N。該方法節省了元器件，使得系統更為緊湊。

采用了本發明設計的激光雷達系統可以實現30°×30°視場，10Hz的激光三維成像。

附圖說明

圖1是基于線陣APD探測器的激光掃描三維成像雷達的結構框圖。

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。接收望遠鏡5采用離軸雙反結構，壓縮體積。接收望遠鏡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場光斑相重合，單個像元的接收視場為2×2mrad，總的接收視場為2×48mrad，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，發出發散角為1mrad的圓形高斯脈沖激光束，脈沖寬度為7ns，重復頻率為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，發散角變為1mrad×80mrad，經過二維掃描機構6射向探測區域。激光照射在機箱內產生散射光，散射光經過接收望遠鏡5聚焦在線陣APD探測器1上，轉換為電脈沖，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。出射激光在被目標反射之后，一部分沿原光路返回，經過二維掃描機構6，由接收望遠鏡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進行光電轉換變為電信號，即作為激光雷達時間間隔測量停止信號STOP?1…24。經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，經過時間間隔測量和解算，最終得到距離數據。同時，信號處理電路2控制二維掃描機構6進行掃描，同步采集二維掃描機構6的位置數據。24路測距數據和2路掃描位置數據共同組成一次激光脈沖的測量數據。二維掃描機構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運動，另一維以步進方式進行配合，在0.1s內完成對30°×30°視場的掃描成像。由測量數據可以反演得到目標的三維圖像數據和DEM模型。