[發明專利]一種基于液晶相控陣和條紋管的激光三維成像系統

無效

• 申請號: 201110283499.8
• 申請日: 2011-09-22
• 公開（公告）號: CN102435995A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 李麗;黨二升;劉麗;吳磊;李棟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

(一)技術領域

本發明涉及一種光、機、電一體化的激光三維成像系統，該系統是基于液晶相控陣和單狹縫條紋管的激光三維成像系統。該系統屬于激光雷達成像技術領域。

(二)背景技術

激光雷達成像技術因為極高的頻域、空域和時域分辨率而在目標探測、跟蹤、瞄準和成像識別等方面廣泛地應用于地形測繪、導航、航天領域。

目前的激光雷達多采用機械光束導向，即用兩路伺服控制系統控制雷達支架或反射鏡做方位和俯仰二維運動，機械偏轉法的響應速度和控制精度很難滿足高性能激光雷達的要求，并且由于是慣性掃描，靈活性受到很大的限制。系統通常需要的亞微弧量級的掃描精度對于現有的機械光束導向系統很難實現。

相控陣激光雷達，即采用光學相控陣技術的激光雷達，能夠解決采用機械光束掃描技術所遇到的上述問題。相控陣激光雷達代表了一種非常有潛力的新型技術，它具備隨機處理光束導向、可編程控制光束扇出、動態聚焦散焦等能力，且擁有非常高的穩定性。

本發明激光三維成像系統將液晶相控陣和單狹縫條紋管有效的結合，很好的克服了目前激光雷達采用機械光束導向而存在的機械穩定性等問題。它將一維Dammann光柵與一維液晶光學相控陣器件結合作為發射端，避免機械掃描的同時提高了系統精度、作用距離；將同一個一維液晶相控陣與單縫條紋管相匹配接收信號，使得條紋管無需機械掃描即可成像。條紋管的成像精度、幀頻和靈敏度很高，其能夠探測到微弱的回波光信號，可以做到大視場實時接收。由于條紋管的使用，使得系統時間分辨率、空間分辨率、光譜范圍、動態響應范圍得到提高，也使得系統進一步小型化。

(三)發明內容

1、目的：本發明提出一種基于液晶相控陣和單狹縫條紋管的激光三維成像系統，它可以實現激光三維成像。該系統克服以往激光雷達的機械掃描的問題，即機械偏轉法的響應速度和控制精度很難滿足高性能激光雷達的要求，靈活性受到很大的限制。該系統在系統精度、作用距離、光譜響應范圍、空間分辨率等方面都有很大的提高。

2、技術方案：

如圖1所示，本發明提出一種基于液晶相控陣和單狹縫條紋管的激光三維成像系統，它由發射分系統、接收分系統、同步控制電路、綜合信息處理器組成。它們之間的位置關系是：發射分系統和接收分系統位于系統前端，同步控制電路和綜合信息處理器位于系統后端。

所述發射分系統由脈沖激光器、準直發射透鏡、一維Dammann光柵、發射-接收分光鏡、一維液晶相控陣、可編程控制器和發射-接收透鏡構成。

其中，準直發射透鏡由一個平凸透鏡和口徑為D1的光闌組成，它與光軸垂直放置，并位于脈沖激光器前端，平凸透鏡后端鍍有高反膜，防止后向散射光干擾激光器正常工作；

其中，一維Dammann光柵與光軸垂直放置，位于準直發射透鏡的前端。

其中，發射-接收分光鏡為中間帶一條狹縫的分光鏡，經過一維Dammann光柵的衍射光斑能夠通過此狹縫，它與光軸成45°角放置，位于一維Dammann光柵前端；從目標散射返回的回波光信號通過位于系統前端并在與光軸垂直放置的發射-接收透鏡和一維液晶相控陣后，經發射-接收分光鏡反射到接收分光鏡上。

其中，一維液晶相控陣與光軸垂直放置，位于發射-接收分光鏡前端。采用可編程控制器控制一維液晶相控陣實現發射激光束的空間掃描。

發射-接收透鏡與光軸垂直放置，位于一維液晶相控陣前端。

所述接收分系統由接收分光鏡、物鏡、單狹縫、中繼透鏡、單狹縫條紋管、CCD、PIN光電二極管、延時器和斜坡電壓發生器構成。

其中，接收分光鏡的反射率為80％，透射率為20％，它與光軸成45°角放置，對接收到的回波光信號進行分光，其平行于發射-接收分光鏡，且兩者的中心連線與光軸垂直。

其中，物鏡位于接收分光鏡反射方向的后端且與光軸垂直，單狹縫、中繼透鏡和單狹縫條紋管依次垂直光軸放置，CCD位于單狹縫條紋管后端。PIN光電二極管位于接收分光鏡透射方向的后端且與光軸垂直，延時器和斜坡電壓發生器依次位于PIN光電二極管后端，斜坡電壓發生器將信號傳給單狹縫條紋管。

所述同步控制電路位于系統后端，控制脈沖激光器和單縫條紋管狹縫的工作時序，根據目標的距離范圍控制激光器發射脈沖激光，同時設定單縫條紋管狹縫開啟的延遲時間進行選通成像，以減少后向散射對成像帶來的影響。