[發明專利]一種稀疏陣列高速三維成像激光雷達的實現方法

有效

• 申請號: 201010599003.3
• 申請日: 2010-12-17
• 公開（公告）號: CN102565808A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 陶坤宇;徐國樑;張大慶
• 申請（專利權）人: 上海無線電設備研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 張緒成

技術領域：

本發明涉及三維成像激光雷達領域。

背景技術：

激光雷達與現有的光學成像手段相比較，具有不依賴于目標的光照條件，或者輻射特征，全天時工作，獲取目標三維立體信息的長處；與微波雷達比較，其高分辨率、體積小、重量輕。因而在民用與軍事方面具有良好的應用前景。目前三維成像激光雷達的方式有兩種。其一為激光光束掃描方式；其二為焦平面陣列探測方式。

激光光束掃描方式一般采用高重頻激光脈沖發射，通過機械掃描裝置(如雙檢流計式振鏡、旋轉楔形棱鏡等)使激光脈沖按照固定掃描圖樣指向探測空域上的不同點，構成二維掃描空間點陣，落在掃描空域內的目標對這些空間點陣反射，然后再利用單元探測器按照固定的時間序列測量來自不同點的光強和脈沖往返時間，來獲取目標的3D圖像。但是，這種二維掃描成像方式將會限制圖像的獲取速度，即成像速率難以提高，與此同時機械掃描裝置增加整個系統的重量和體積，功耗和成本也比較高，難以實現低成本和小型化。

焦平面陣列探測方式是一種非掃描技術。其特點是將多個探測器集成在一個陣列芯片上，每個探測器對應各自的空域進行探測，測量激光脈沖的往返時間或者解算每個探測單元上激光的相位關系，實現對目標的快速三維成像。國外采用焦平面陣列芯片解決，現在大部分處于實驗室階段、或者單件制作，還不能實現商業銷售。如果需要用于軍事、或者航天更是不可能。因而難以解決我國的軍事、航天需求。而國內半導體工業基礎的限制，在研制專用大規模芯片方面與國外存在很大的距離；同時，進行該項研究，投入巨大，因此，采用這種方案解決我們目前的空間需求更不大可能。

發明內容：

本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提出一種稀疏陣列高速三維成像激光雷達的實現方法，利用方便易得的單探測器通過稀疏排列組成稀疏陣列探測系統，并結合壓電陶瓷小角度快速的掃描，實現對目標回波信號分區域快速的光電轉換，解決激光雷達高速三維成像問題。

一種稀疏陣列高速三維成像激光雷達的實現方法，所述三維成像激光雷達由發射光學系統和探測成像光學系統組成。所述發射光學系統為由激光器1和擴束器2組成的激光發射系統，其采用非掃描、以大發射視場形式覆蓋所需探測視場；其特征在于：所述探測成像光學系統由壓電陶瓷二維振鏡3、激光接收系統4和稀疏陣列探測系統5組成；激光器1發射激光光束，擴束器2與激光器1共軸，光束經擴束器2整形后照射到所需探測視場；壓電陶瓷二維振鏡3相對接收系統光軸以45°角放置，其將目標回波信號反射到激光接收系統4，激光接收系統4將目標回波信號聚焦到其焦平面，稀疏陣列探測系統5放置于激光接收系統4的焦平面處，實現目標回波信號的光電轉換。

所述稀疏陣列探測系統5是將單顆探測器按照一定的間距均勻排列，所述單個探測器的排列方式使壓電陶瓷二維振鏡3的掃描幅度剛好使陣列探測器的接收視場充滿整個探測視場。

本發明帶來以下有益效果：

稀疏陣列高速三維成像激光雷達實現方法的優點在于：

1、無電機轉動掃描，整個結構簡化，可靠性提高，克服了空間冷焊的限制，壽命大為提高，重量、體積也顯著減??；

2、陣列探測，成像幀頻高，可以滿足高速測量；

3、器件容易獲得，避免轉型號時遇到難以克服的供貨問題。

4、收發分離布局，對發射光的要求低，安裝方便。

附圖說明：

圖1：稀疏陣列高速三維成像激光雷達原理圖及接收系統示意圖

圖2：稀疏陣列高速三維成像激光雷達激光發射系統示意圖

具體實施方式：

結合參見圖1、圖2，圖中1為激光器；2為擴束器；3為壓電陶瓷二維振鏡；4為接收系統；5為稀疏陣列探測系統；6為目標屏；7為基座；8為稀疏陣列探測系統放大圖。

壓電陶瓷二維振鏡是一種快速實現小幅度二維掃描的驅動機構，其響應頻率一般可以達到2KHz，其驅動端面帶有高反射率反射鏡，可以提供對探測區域在兩個軸向上做小范圍的高速掃描。

接收系統是一套通常的成像光路，其接收口徑與視場依賴于成像視場要求、激光發射功率、探測器的靈敏度、壓電陶瓷二維振鏡掃描視場。

稀疏陣列探測系統是將單顆探測器按照一定的間距均勻排列，單個探測器排列成稀疏陣列探測系統的原則是壓電陶瓷振鏡的掃描幅度剛好使陣列探測器的接收視場充滿整個探測視場。