[發(fā)明專利]一種高分辨率混合固態(tài)成像激光雷達(dá)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110432081.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-21
• 公開（公告）號(hào): CN113138394B
• 公開（公告）日: 2022-12-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱飛虎;王立;郭紹剛;鄭巖;張運(yùn)方;董超;王曉磊;趙宇;張東來;付有權(quán)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號(hào): G01S17/89
• 分類號(hào): 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

一種高分辨率混合固態(tài)成像激光雷達(dá)，包括脈沖光纖激光器、準(zhǔn)直器、衍射光柵、45°反射鏡、快反鏡、接收光學(xué)系統(tǒng)、單光子面陣探測(cè)器、單光子面陣探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、存儲(chǔ)器、FPGA、快反鏡驅(qū)動(dòng)電路。脈沖激光光束經(jīng)過衍射光柵后形成激光點(diǎn)陣，接收光學(xué)系統(tǒng)與單光子面陣探測(cè)器形成陣列接收系統(tǒng)，F(xiàn)PGA通過對(duì)存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)處理獲得三維點(diǎn)云。快反鏡可以通過步進(jìn)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)展三維點(diǎn)云的視場角，也可以通過連續(xù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小于激光點(diǎn)陣相鄰激光點(diǎn)間隔角度的內(nèi)插精細(xì)掃描。本發(fā)明具有高分辨率、高成像幀率、高測(cè)量精度、遠(yuǎn)作用距離的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)激光雷達(dá)無法兼顧多個(gè)指標(biāo)的不足。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于航天光學(xué)遙感領(lǐng)域，涉及一種高分辨率混合固態(tài)成像激光雷達(dá)，可用于測(cè)量目標(biāo)物體的三維形貌。

背景技術(shù)

激光雷達(dá)為航天光學(xué)遙感、民用測(cè)繪、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域進(jìn)行高精度三維成像的有效裝置。目前的常用激光雷達(dá)主要包含機(jī)械式掃描激光雷達(dá)、MEMS掃描激光雷達(dá)、面陣成像激光雷達(dá)、TOF相機(jī)等幾類。隨著技術(shù)進(jìn)步，對(duì)激光雷達(dá)的需求逐漸向高分辨率、高成像幀率、高測(cè)量精度、遠(yuǎn)作用距離發(fā)展。

各種體制的激光雷達(dá)均具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：

機(jī)械式掃描激光雷達(dá)采用振鏡電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行掃描，由于電機(jī)的掃描速度較慢，若要達(dá)到高分辨率，則成像幀率必然較低。在大多數(shù)應(yīng)用場合，測(cè)量平臺(tái)是運(yùn)動(dòng)的，將導(dǎo)致三維點(diǎn)云發(fā)生扭曲、變形。

MEMS掃描激光雷達(dá)采用MEMS擺鏡進(jìn)行掃描，雖然其掃描速度很快，但由于MEMS擺鏡采用微光機(jī)電技術(shù)，其驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較弱，MEMS掃描鏡的鏡面尺寸受到限制，因此出射激光光束的發(fā)散角較大，這導(dǎo)致MEMS掃描激光雷達(dá)三維點(diǎn)云的橫向分辨率較低，目前商用MEMS掃描雷達(dá)的分辨率均不高于0.1°。

面陣成像激光雷達(dá)采用雪崩光電二極管陣列進(jìn)行閃光成像，其成像幀率很高，但受工藝水平限制，面陣探測(cè)器的陣列規(guī)模較小，國內(nèi)面陣探測(cè)器最大不超過64×64，直接進(jìn)行成像分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。有文獻(xiàn)采用傳統(tǒng)的二個(gè)正交掃描振鏡擴(kuò)展視場，其缺點(diǎn)在于：首先，本身掃描速度太慢；其次，單光子探測(cè)需要在同一空間位置進(jìn)行多次統(tǒng)計(jì)測(cè)量，決定了這種結(jié)構(gòu)也無法兼顧橫向分辨率和成像幀率。此外，目前使用的單光子面陣探測(cè)器像元尺寸均較大，將導(dǎo)致激光雷達(dá)的瞬時(shí)接收視場較大；有些系統(tǒng)還在單光子面陣探測(cè)器前端附加了微透鏡陣列，進(jìn)一步擴(kuò)大了瞬時(shí)接收視場，這種設(shè)計(jì)在光照較強(qiáng)烈時(shí)，會(huì)在單光子面陣探測(cè)器上形成很多背景噪聲光子，從而無法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)。

TOF相機(jī)采用強(qiáng)度探測(cè)的面陣探測(cè)器，其陣列規(guī)模較大，一次成像即可實(shí)現(xiàn)高分辨率目標(biāo)三維形貌獲取。但是其有兩個(gè)缺點(diǎn)：首先，陣列規(guī)模太大，每個(gè)像元獲得的回光能量較小，受限于光源照明功率，無法在遠(yuǎn)距離時(shí)工作；其次，測(cè)量體制決定了測(cè)距精度隨作用距離變遠(yuǎn)而急劇惡化。

綜上所述，同時(shí)具有高分辨率、高成像幀率、高測(cè)量精度、遠(yuǎn)作用距離的激光雷達(dá)已經(jīng)成為商用領(lǐng)域、航天領(lǐng)域的迫切需要。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高分辨率混合固態(tài)成像激光雷達(dá)，可在高成像幀率、高測(cè)量精度、遠(yuǎn)作用距離的前提要求下顯著提高三維成像的分辨率。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高分辨率混合固態(tài)成像激光雷達(dá)，包括脈沖光纖激光器、準(zhǔn)直器、衍射光柵、45°反射鏡、快反鏡、接收光學(xué)系統(tǒng)、單光子面陣探測(cè)器、單光子面陣探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路、存儲(chǔ)器、FPGA、快反鏡驅(qū)動(dòng)電路；

其中脈沖光纖激光器、準(zhǔn)直器、衍射光柵組成光源，快反鏡、快反鏡驅(qū)動(dòng)電路組成收發(fā)同步掃描系統(tǒng)，45°反射鏡、接收光學(xué)系統(tǒng)組成同軸收發(fā)光路，單光子面陣探測(cè)器、單光子面陣探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路組成探測(cè)組件，存儲(chǔ)器、FPGA組成數(shù)據(jù)處理單元；