用于激光雷达的复合式扫描系统转让专利
申请号 : CN201510289254.4
文献号 : CN104914445B
文献日 : 2017-07-07
发明人 : 母一宁 , 马辰昊 , 宫平
申请人 : 长春理工大学
摘要 :
用于激光雷达的复合式扫描系统，涉及光电技术领域，解决现有激光雷达扫描系统存在扫描效率低、激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受限；且扫描视场小、均匀性差以及分辨率低等问题，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、PZT快速倾斜镜、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；本发明所述系统利用X轴振镜、Y轴振完成大范围的粗扫描，利用PZT快速倾斜镜完成小范围的精确扫描，进而实现大范围精确的激光扫描雷达成像。
权利要求 :
1.用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；其特征是；所述发射子系统还包括PZT快速倾斜镜，使PZT快速倾斜镜的基准零度与光学接收系统共轴，调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴；
所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，准直后的激光束的束腰出现在被测区间；
所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；
经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对回波信号光电转换后传送至信号处理电路，所述信号处理电路从回波光电信号中提取被测区域不同位置的距离信息，并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据所述距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像；所述激光束的回波发散角小于等于PZT快速倾斜镜单步偏转角的2倍。
2.根据权利要求1所述的用于激光雷达的复合式扫描系统，其特征在于，所述光学发射系统为非平行光束准直器；激光束经过准直后，其束腰位置在测量区域。
3.根据权利要求1所述的用于激光雷达的复合式扫描系统，其特征在于，所述光学接收系统的光学接收视场包含PZT快速倾斜镜的振动视场，所述光学接收视场与PZT快速倾斜镜的振动视场共轴，当X轴振镜和Y轴振镜转动时，同时带动光学接收视场和PZT快速倾斜镜的振动视场同时转动，实现由精扫描视场到粗扫描视场的拼接。
4.根据权利要求1所述的用于激光雷达的复合式扫描系统，其特征在于，经过所述PZT快速倾斜镜反射的激光束通过X轴振镜和Y轴振镜后发生偏转，并采用逐行扫描的方式，从上至下以Z字型的方式进行扫描。
说明书 :
用于激光雷达的复合式扫描系统
技术领域
[0001] 本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种用于激光雷达的复合式扫描装置。
背景技术
[0002] 传统的激光雷达从应用上讲大致分为两类，分别为跟踪式激光雷达与测量式激光雷达。
[0003] 跟踪式激光雷达主要用于激光制导跟踪场合，利用超大功率(瞬时功率万瓦)激光器对目标进行照射，而后在接收端采用高速阵列探测器，对目标进行高速测距以及成像。这类雷达的优点在于可以实现高速的立体成像，缺点在于阵列探测器的像元尺寸受到限制所以其成像的二维分辨率无法做的太高，并且视场极小。
[0004] 测量式激光雷达主要用于地形地貌测量与大气测量等场合，利用大功率激光器对目标进行逐点扫描，而后在接收端采用单一探测器，对目标进行高速逐点测距最后成像。这类雷达的优点在于可以实现大面积的成像，缺点在于成像过程分辨率较低，而且系统的分辨率精度还受扫描伺服系统的约束。
[0005] 现有技术不足之处在于：
[0006] 传统激光雷达系统，在成像过程中主要有两个参数制约着激光雷达的成像带宽，分别是固态激光器的重复频率和扫描系统的扫描带宽与扫描精度。为了提高激光雷达的成像带宽与精度，近年来国内外诸多学者为此提出了诸多解决方案。Tuley等人提出采用对二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量，Surmann等人采用机械式二维扫描装置实现三维激光测量，瞿荣辉等人提出一种基于电光扫描的光学相控阵技术，孟昭华等人使用窄线宽半导体激光器利用声光移频器、马赫-曾德尔幅度调制器构建了一套基于平衡相干探测与啁啾调幅的激光测距实验系统，郑睿童等人提出一种基于线阵APD探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统，吴丽娟等人提出改革模式APD阵列无扫描式激光雷达，并对其三维成像进行了仿真。所述虽然扫描方式简单，扫描角度大，但是扫描效率低，激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受很大限制。所用的声光扫描和电光扫描的方式，扫描速度快、效率高，属无惯性扫描，但其扫描视场小且均匀性差，提出的无扫描方式虽然具有对激光脉冲频率要求低，成像速度快的优点，但扫描视场小，分辨率低。
发明内容
[0007] 本发明为解决现有激光雷达扫描系统存在扫描效率低、激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受限；且扫描视场小、均匀性差以及分辨率低等问题，提供一种用于激光雷达的复合式扫描系统。
[0008] 用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；其特征是；所述发射子系统还包括PZT快速倾斜镜，使PZT快速倾斜镜的基准零度与光学接收系统共轴，调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴；
[0009] 所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，准直后的激光束的束腰出现在被测区间；
[0010] 所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；
[0011] 经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对回波信号光电转换后传送至信号处理电路，所述信号处理电路从回波光电信号中提取被测区域不同位置的距离信息，并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据所述距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像；所述激光束的回波发散角小于等于PZT快速倾斜镜单步偏转角的2倍。
[0012] 本发明的有益效果：本发明所述的复合式扫描系统采用基于PZT快速倾斜镜与X轴振镜、Y轴振镜相结合的两级复合式激光扫描系统，利用X轴振镜、Y轴振完成大范围的粗扫描，利用PZT快速倾斜镜完成小范围的精确扫描，进而实现大范围精确的激光扫描雷达成像。本发明所述系统选用粗、精两级扫描系统完成扫描，所以其既能在大视场范围内扫描成像，又可以通过精扫描获得扫描精度；所述光源选用高重频激光器，所以在提高成像精度的同时，成像带宽也能有所提高。本发明所述的光源为DFB高频半导体光纤激光器，这类激光器与F-P腔激光器相比具有动态单纵模窄线宽、波长稳定性好两大优点，并且它的EA电吸收调制具有外形尺寸小、啁啾效应弱和驱动电压低等优点；激光回波的发散角要求小于PZT偏转角的2倍，光学发射系统与传统激光准直天线的本质区别在于，经复合式扫描光学发射系统准直后激光光束的束腰要出现在被测区间。
附图说明
[0013] 图1为本发明所述的用于激光雷达的复合式扫描系统工作示意图；
[0014] 图2为激光雷达工作原理框图；
[0015] 图3为本发明所述的用于激光雷达的复合式扫描系统中光学发射系统的光学结构图；
[0016] 图4中(a)为图3中光学系统的衍射能量圈示意图；(b)为光学系统1km远处光斑足迹示意图；
[0017] 图5为光学接收系统的光路仿真效果示意图。
具体实施方式
[0018] 具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级掺铒光纤放大器(EDFA)和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、PZT快速倾斜镜、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；
[0019] 所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，实现对光束的精扫描，即所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；
[0020] 经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对光束滤波后传送至信号处理电路，所述信号处理电路获得距离信息并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据获得的距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像。
[0021] 本实施方式中所述的光束的光源为DFB高频半导体光纤激光器，采用可编程逻辑门阵列(FPGA)对其进行调制，DFB激光器发出的种子光信号经过EDFA两级放大后发出高功率、高重频激光信号；本实施方式中光源采用1550nm的DFB高重频半导体激光器作为种子光源，这类激光器与F-P腔激光器相比具有动态单纵模窄线宽、波长稳定性好两大优点，并且它的EA电吸收调制具有外形尺寸小、啁啾效应弱和驱动电压低等优点。两者可以被集成在一起形成电吸收型调制激光器。但是DFB激光器的输出功率无法满足激光雷达的功率需求，因此本实施方式采用两级EDFA放大的方式实现其高频率与高功率的信号输出，最大输出功率为2W。
[0022] 本实施方式所述的光学发射系统采用非平行光束准直器；激光光束经过准直后，其束腰位置会出现在测量区域。非平行光束准直器特点在于，光束准直器需要保持让准直后的激光束的光斑面积远远小于目标面积。由于采用PZT快速倾斜镜进行精扫描，为区分出相邻两个扫描光点，需要使激光束回波的发散角小于PZT快速倾斜镜单步偏转角度的2倍。光学发射系统的光学结构结合图3，出射光为发散角为0.1mrad的准平行光，前透镜组由三片透镜组成，后透镜组由两片透镜组成，出瞳直径为40mm，工作在0-3000m处最大光斑直径为30.648mm。该光学发射系统的性能评价，结合图4，图4(a)为衍射能量圈，80％以上的能量主要集中在光斑中心；图4(b)为该光学系统1km远处光斑足迹图，能量主要集中在直径
100mm的光斑内，其性能符合复合式扫描光学发射系统的使用要求，本实施方式中光学发射系统与传统激光准直天线的本质区别在于，经复合式扫描光学发射系统准直后激光光束的束腰要出现在被测区间。
100mm的光斑内，其性能符合复合式扫描光学发射系统的使用要求，本实施方式中光学发射系统与传统激光准直天线的本质区别在于，经复合式扫描光学发射系统准直后激光光束的束腰要出现在被测区间。
[0023] 本实施方式中在接收端采用光学接收系统，即采用卡塞格林望远系统实现对激光回波信号进行接收，为了使接收视场大于粗扫描视场，所以探测器选用大光敏面雪崩二极管，即光敏面直径为3.75mm的APD雪崩二极管，光学系统主镜焦距除以大敏面APD光敏面尺寸即为光学接收视场，在设计过程中，光学系统的光阑和主镜重合，所以根据系统的技术指标可设系统的入瞳直径D＝150mm，由经验得遮拦比α＝30％，为减小系统的体积，缩短筒长，因此主镜和次镜之间的距离d不能过大，选取主镜的相对孔径D/f’＝0.5，则系统主镜的焦距f1’为300mm，次镜放大率β为f’/f1’＝-2.5.确定了α,β后，主镜与次镜的顶点曲率半径r1,r2,以及它们之间的距离d可由下式确定：r1＝2*f’/β＝-600mm,r2＝(α*β*r1)/(β+1)＝-300,d＝f1’*(1-α)/β＝-210mm.系统为特殊的两镜反射系统，即系统消除为了球差SI和慧差SII(SI＝SII＝0)，由此可分别计算出主镜与次镜的偏心率e1和e2，e12＝1+2α/(1-α)β2＝
1.137143,e22＝(2β/(1-α)+(1+β)(1-β)2)/(1+β)3＝7.560847。根据上述设计参数，优化后的系统视场角为5.009mrad。光学接收系统的仿真效果如图5所示。
1.137143,e22＝(2β/(1-α)+(1+β)(1-β)2)/(1+β)3＝7.560847。根据上述设计参数，优化后的系统视场角为5.009mrad。光学接收系统的仿真效果如图5所示。
[0024] 具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的用于激光雷达的复合式扫描系统的实施例：由光纤发出的光束经准直后入射到PZT快速倾斜镜的镜面上，由PZT驱动器控制PZT镜面步进角度为50μrad，XY方向分别步进33步，经X振镜和Y振镜的反射镜反射后照射到目标区域形成一个由33×33个点组成的PZT扫描视场，通过对振镜的X驱动器和Y驱动器进行控制，使X反射镜和Y反射镜有规律偏转，扫描光束逐行扫描形成一个扫描区域为60×30的振镜扫描视场，每帧扫描图像共有1980×990个点组成。PZT的调整范围为±
0.825mrad，首先需要让PZT快速倾斜镜的基准零度与零度光学接收系统共轴，然后调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴，PZT快速倾斜镜被安装在光学接收系统(卡塞格林系统次镜)后面，进而使发射光轴与接收光轴两者平行输出，误差小于10秒。X轴振镜和Y轴振镜扫描主要用来实现粗扫描，由PZT快速倾斜镜的镜面反射的激光束通过X轴振镜和Y轴振镜后被有规律的偏转。系统采用逐行扫描的方式，从上至下以z字型的方式进行逐行扫描。PZT工作频率为3500Hz，设定X轴振镜和Y轴振镜的扫描频率为
3.214Hz，每帧扫描区域为60×30，每帧可测量1800个区域，调整其视场角水平方向为±
99mrad，垂直方向为±49.5mrad。PZT快速倾斜镜扫描主要用来实现精扫描，由于PZT快速倾斜镜分辨率为0.23μrad，重复精度为1.6μrad，所以本实施方式中设定PZT快速倾斜镜的步进角度为50μrad，由反射原理可知激光光束将被偏转0.1mrad，即每个区域进行33×33个点的扫描，每一帧激光扫描图像由1.9602M个点组成，所以激光器的重频选用40MHz即可。
0.825mrad，首先需要让PZT快速倾斜镜的基准零度与零度光学接收系统共轴，然后调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴，PZT快速倾斜镜被安装在光学接收系统(卡塞格林系统次镜)后面，进而使发射光轴与接收光轴两者平行输出，误差小于10秒。X轴振镜和Y轴振镜扫描主要用来实现粗扫描，由PZT快速倾斜镜的镜面反射的激光束通过X轴振镜和Y轴振镜后被有规律的偏转。系统采用逐行扫描的方式，从上至下以z字型的方式进行逐行扫描。PZT工作频率为3500Hz，设定X轴振镜和Y轴振镜的扫描频率为
3.214Hz，每帧扫描区域为60×30，每帧可测量1800个区域，调整其视场角水平方向为±
99mrad，垂直方向为±49.5mrad。PZT快速倾斜镜扫描主要用来实现精扫描，由于PZT快速倾斜镜分辨率为0.23μrad，重复精度为1.6μrad，所以本实施方式中设定PZT快速倾斜镜的步进角度为50μrad，由反射原理可知激光光束将被偏转0.1mrad，即每个区域进行33×33个点的扫描，每一帧激光扫描图像由1.9602M个点组成，所以激光器的重频选用40MHz即可。
[0025] 所述DFB激光器接收到由FPGA发出的数字信号后发射出经过调制的高频激光光波，经过两级EDFA放大后由光学发射系统准直后入射到PZT快速倾斜镜的镜面上，通过FPGA对PZT驱动器控制进而对PZT快速倾斜镜控制，使得激光束按要求偏转，再通过控制X轴振镜和Y轴振镜改变方向后射向被测目标。反射光经X轴振镜和Y轴振镜偏转后通过光学接收系统会聚由APD接收，滤除X轴振镜和Y轴振镜的镜面漫反射光和滤光片的反射光带来的信号干扰，经过信号处理电路处理后得到距离信息。由ARM将这些距离信息与提供给PZT快速倾斜镜和X轴振镜和Y轴振镜的位置信息相结合就可得到目标区各点的三维位置信息，最后将相关信息发送到上位机上，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像。