基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统

摘要

一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，被安装在激光雷达系统外壳里，它是由激光器、伽利略望远镜、分光器、发射-接收分光镜和焦距f1发射透镜组成的发射光学单元、以及焦距f2接收透镜和发射-接收分光镜组成的接收光学单元构成；激光雷达系统外壳尾部的内壁上装有激光器，伽利略望远镜安装在激光器前方，伽利略望远镜前方装有分光器，分光器前装有发射-接收分光镜，它是一个中间开孔的平面镜，位于光斑和焦距f1发射透镜之间，且与光轴成45°角放置，激光雷达系统外壳端口装有焦距f2接收透镜，发射透镜位于接收透镜中央的孔中，发射-接收分光镜将接收光束90°反射到位于接收透镜焦平面位置的探测器上。该光学系统结构简单，精度高，可用于测绘、导航、航天领域。

权利要求

1.一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，该系统被安装在激光雷达系统外壳里，其特征在于：它是由激光器、伽利略望远镜、分光器、发射-接收分光镜和焦距f1发射透镜组成的发射光学单元，以及焦距f2接收透镜和发射-接收分光镜组成的接收光学单元构成；激光雷达系统外壳尾部的内壁上安装有激光器，伽利略望远镜安装在激光器前方，伽利略望远镜前方安装有分光器，分光器前装有发射-接收分光镜，它位于光斑和焦距f1发射透镜之间，它与发射透镜之间的间距等于接收透镜焦距f2的1/2且不大于发射透镜的焦距f1，发射-接收分光镜是一个中间开孔的平面镜，它与光轴成45°角放置；激光雷达系统外壳端口装有焦距f2接收透镜，它是一个中间开孔的聚焦透镜，发射透镜位于接收透镜中央的孔中，发射-接收分光镜将接收光束90°反射到探测器上，探测器位于接收透镜经发射-接收分光镜折转光路后焦平面的位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，其特征在于：该激光器为微片激光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，其特征在于：该伽利略望远镜是凹透镜和凸透镜的组合。

4.根据权利要求1所述的一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，其特征在于：该探测器为APD阵列。

5.根据权利要求1所述的一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，其特征在于：该分光器是正交光栅和聚焦透镜的组合。

说明书

基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统

(一)技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光雷达光学系统，尤其涉及一种基于雪崩光电二极管APD(Avalanche Photo Diode)阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，属于光学测量仪器技术领域。(二)背景技术

[0002] 激光雷达是迅速发展的高新技术之一，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达，是利用脉冲激光泛光照明和高灵敏度雪崩光电二极管APD焦平面阵列组件实现高帧频单次角-角-距离三维成像，它是一种新体制成像激光雷达。该成像激光雷达系统通过控制激光的发射，使发射光能同时覆盖整个目标，然后用一个置于接收光学系统焦平面上的二维APD阵列接收回波信号，各单元APD并行得到回波的距离信息，得到目标的角-角-距离像。基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达，除了接收光信号使用APD焦平面阵列探测外，其发射和接收光学系统是影响其性能的关键组件。

[0003] 非扫描激光雷达没有机械扫描装置，具有高帧率、宽视场、坚固、体积小的特点，有着广阔的市场前景。与扫描成像激光雷达相比，其主要优点有：采用APD焦平面阵列成像，灵敏度高；无需高重频、窄波束激光辐射源，且发射和接受光路不需要严格的平行校准；由于成像时间短，当雷达与目标存在相对运动时，不用瞄准线稳定也不会导致图像失真；具有较远的作用距离，且不存在距离模糊问题；不需要复杂的高速扫描装置，体积小、重量轻、成本低，适装性好。(三)发明内容

[0004] (1)目的

[0005] 本发明的目的是为了提供一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，该系统克服已有的激光雷达光学系统结构复杂、价格昂贵、调整加工维护不方便的缺点，是一种易于调整、加工、维护及适于实际应用的非扫描激光雷达光学系统。该系统结构新颖，体积小、重量轻、成本低，实用性好。

[0006] (2)技术方案

[0007] 一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统，该光学系统被安装在激光雷达系统外壳里，它是由激光器、伽利略望远镜、分光器、发射-接收分光镜和焦距f1发射透镜组成的发射光学单元，以及焦距f2接收透镜和发射-接收分光镜组成的接收光学单元构成，激光雷达系统外壳尾部的内壁上安装有激光器，伽利略望远镜安装在激光器前方，激光器发出的激光束通过光纤导入伽利略望远镜，伽利略望远镜前方装有分光器，分光器产生光斑，分光器前装有发射-接收分光镜，调整发射-接收分光镜和光斑之间的间距可以选择光斑的数目，发射-接收分光镜位于光斑和焦距f1发射透镜之间，发射-接收分光镜与发射透镜之间的间距应等于接收透镜焦距f2的1/2，且不大于发射透镜的焦距f1，发射-接收分光镜是一个中间开孔的平面镜，且与光轴成45°角放置；激光雷达系统外壳的端口装有焦距f2接收透镜，接收透镜是一个中间开孔的聚焦透镜，发射透镜位于接收透镜中央的孔中，发射-接收分光镜将接收光束90°反射到探测器上，探测器位于接收透镜经发射-接收分光镜折转光路后焦平面的位置。

[0008] 其中，所述的激光器使用微片激光器；

[0009] 其中，伽利略望远镜由凹透镜和凸透镜组成；

[0010] 其中，所述的探测器为APD阵列；

[0011] 其中，所述的分光器是正交光栅和聚焦透镜的组合，通过改变正交光栅的刻线数和聚焦透镜的焦距可以调整光斑的间距。

[0012] 激光器发出532nm的脉冲激光经伽利略望远镜扩束后得到的准直光照射到分光器上，通过衍射分光后激光光束被分成若干子光束，经发射-接收分光镜选择得到所需的子光束数目，然后从发射透镜出射后照射到欲成像的目标，经目标反射的激光回波信号通过接收透镜后，经过发射-接收分光镜发生90°的折转，聚焦在APD阵列上。

[0013] 利用非扫描3D成像激光雷达系统进行激光回波信号的探测，由于采用了发射-接收分光镜，使得发射光路与接收光路分开，因此大大降低了初始发射激光束对探测器的影响。

[0014] 本发明适用于基于APD阵列的非扫描三维成像激光雷达系统，该激光雷达系统可装载于各种机动平台，用于车辆导航和防撞、机载三维地形测绘、航天器空间交会对接等。

[0015] (3)优点及效果

[0016] 1、非扫描成像激光雷达系统采用了透射式光学系统，结构简单、加工容易，易于密封，适于野外工作；

[0017] 2、激光束发射接收同轴，减小了系统体积；

[0018] 3、采用分光器对激光光束进行分光，调节聚焦透镜或接收透镜的焦距可以使衍射光斑与APD像元的瞬时视场相匹配，提高了角分辨率，减弱了背景；

[0019] 4、采用发射-接收分光镜使得发射光路与接收光路分开，大大降低了初始发射激光束对探测器的影响；

[0020] 5、对发射透镜的焦距进行调整可以改变光束的发散角。(四)附图说明

[0021] 图1　基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统结构示意图[0022] 图中符号说明如下：

[0023] 1激光器 2伽利略望远镜 3分光器 4正交光栅 5聚焦透镜[0024] 6光斑 7发射-接收分光镜 8发射透镜 9接收透镜 10探测器[0025] 11发射和接收光学系统 12激光雷达系统外壳(五)具体实施方式

[0026] 一种基于APD阵列的非扫描3D成像激光雷达光学系统11，被安装在激光雷达系统外壳12里；该光学系统11由激光器1、伽利略望远镜2、分光器3、发射-接收分光镜7和焦距f1发射透镜8组成的发射光学单元，以及焦距f2接收透镜9和发射-接收分光镜7组成的接收光学单元构成；激光雷达系统外壳12尾部的内壁上安装有激光器1，伽利略望远镜2安装在激光器1前方，激光器1发出的激光束通过光纤导入伽利略望远镜2，伽利略望远镜2前方装有分光器3，分光器3产生光斑6，分光器3前装有发射-接收分光镜7，调整发射-接收分光镜7和光斑6之间的间距可以选择光斑6的数目，发射-接收分光镜7位于光斑6和焦距f1发射透镜8之间，发射-接收分光镜7与发射透镜8之间的间距应等于接收透镜9焦距f2的1/2，且不大于发射透镜8的焦距f1，发射-接收分光镜7是一个中间开孔的平面镜，且与光轴成45°角放置；激光雷达系统外壳12端口装有焦距f2接收透镜9，接收透镜9是一个中间开孔的聚焦透镜，发射透镜8位于接收透镜9中央的孔中，发射-接收分光镜7将接收光束90°地反射到探测器10上，探测器10位于接收透镜9经发射-接收分光镜7折转光路后焦平面的位置。

[0027] 其中，所述的激光器1为微片激光器；

[0028] 其中，伽利略望远镜2由凹透镜和凸透镜组成；

[0029] 其中，所述的探测器10为APD阵列；

[0030] 其中，所述的分光器3是正交光栅4和聚焦透镜5的组合；通过改变正交光栅4的刻线数和聚焦透镜5的焦距可以调整光斑6的间距。

[0031] 激光器1发出532nm的脉冲激光经伽利略望远镜2准直扩束后得到的准直光束照射到分光器3上，通过分光器3后激光光束被分成若干子光束，经发射-接收分光镜7选择得到所需的子光束数目，然后从发射透镜8出射后照射到欲成像的目标，经目标反射的激光回波信号通过接收透镜9接收后，再由发射-接收分光镜7发生90°的折转，聚焦在探测器10即APD阵列上，得到目标的距离信息。