[發明專利]一種高分辨率混合固態成像激光雷達

有效

• 申請號: 202110432081.2
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113138394B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發明（設計）人: 朱飛虎;王立;郭紹剛;鄭巖;張運方;董超;王曉磊;趙宇;張東來;付有權
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89;G01S7/481
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

1.一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：包括脈沖光纖激光器（1）、準直器（2）、衍射光柵（3）、45°反射鏡（4）、快反鏡（5）、接收光學系統（6）、單光子面陣探測器（7）、單光子面陣探測器驅動電路（8）、存儲器（9）、FPGA（10）、快反鏡驅動電路（11）；

其中脈沖光纖激光器（1）、準直器（2）、衍射光柵（3）組成光源，快反鏡（5）、快反鏡驅動電路（11）組成收發同步掃描系統，45°反射鏡（4）、接收光學系統（6）組成同軸收發光路，單光子面陣探測器（7）、單光子面陣探測器驅動電路（8）組成探測組件，存儲器（9）、FPGA（10）組成數據處理單元；

脈沖光纖激光器（1）發出的脈沖激光經過準直器（2）后形成準直光束，準直光束經過衍射光柵（3）形成激光點陣；激光點陣通過45°反射鏡（4）將光路折轉90°并射向快反鏡（5），折轉后的光軸與接收光學系統（6）的光軸平行；通過快反鏡（5）的二維轉動，使激光點陣能夠在正交的兩個方向上掃描；經過目標（12）的散射光通過快反鏡（5）反射后，進入接收光學系統（6），接收光學系統將目標回波光收集，成像至接收光學系統（6）后端的單光子面陣探測器（7）上；在單光子面陣探測器驅動電路（8）的驅動下，單光子面陣探測器（7）進行曝光測量，單光子面陣探測器（7）每進行一次曝光，均獲得全部像素的時間測量值；多次曝光的測量結果按照幀序號以及像素編號存儲于系統的存儲器（9）中；快反鏡（5）在快反鏡驅動電路（11）的驅動下，以多次步進方式或一軸階躍、另一軸周期三角波方式進行二維掃描；當快反鏡（5）以步進方式掃描時，在停留位置，FPGA（10）對存儲于激光雷達存儲器（9）中的數據按同一像素編號進行直方圖統計處理，獲得所有像素對應空間位置的距離信息，然后通過多個停留位置的拼接，獲得數倍于接收系統瞬時視場角的三維點云；當快反鏡（5）以一軸階躍、另一軸周期三角波方式掃描時，FPGA（10）利用不同像素在同一空間位置的直方圖統計方法獲得探測器像面上非感光區域的內插掃描距離測量值，與快反鏡（5）的實時運轉角度相結合，獲得數倍于單光子面陣探測器分辨率的三維點云。

2.根據權利要求1所述的一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：所述單光子面陣探測器（7）每個像元對應的瞬時接收視場角與所述衍射光柵（3）形成的激光點陣中單個激光點的發散角一致。

3.根據權利要求1所述的一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：所述單光子面陣探測器（7）的時間分辨率優于100ps。

4.根據權利要求1所述的一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：所述接收光學系統（6）前端設置窄帶濾光片，中心波長與所述脈沖光纖激光器發出的脈沖激光波長一致。

5.根據權利要求1所述的一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：所述快反鏡（5）在兩個正交方向上交替進行步進掃描，在X方向步進4次，然后轉向Y方向步進1次，然后在X方向沿反方向步進4次，然后轉向Y方向步進一次，如此往復，快反鏡的停留位置形成一個5×5的網格；所述Ｙ方向與接收光學系統（6）的光軸方向平行，所述Ｘ方向與衍射光柵（3）的中心軸向平行。

6.根據權利要求5所述的一種高分辨率混合固態成像激光雷達，其特征在于：所述快反鏡（5）在Y軸以步進方式運動，分為小角度階躍階段和大角度階躍階段，一次成像包含4次大階躍，第一次大階躍之前、兩次大階躍之間、最后一次大階躍之后均有7次小階躍；在X方向以周期性三角波方式進行往復掃描，相鄰掃描點的時間間隔為所述脈沖光纖激光器（1）發出的激光脈沖重復周期。