[实用新型]基于线阵APD探测器的激光扫描三维成像雷达

说明书

技术领域

本专利属于光电仪器技术领域，具体指一种基于线阵APD探测器的激光扫描三维成像雷达。它适用于航天器自动着陆导航、空间交会对接导航等对三维成像速度要求苛刻的场合。

背景技术

激光雷达(LIDAR：LIght Detecion and Ranging)的概念起源于微波雷达，是以激光测距技术为基础。它可以测量物体和传感器之间的距离信息，通常通过扫描机构完成大范围测量，进而可以反演得到目标的数字高程模型(DEM)或目标的三维图像。由于突出的三维构形能力，激光雷达技术被广泛应用在测量测绘、工业生产、军事侦查、航空航天等诸多领域。

激光扫描三维成像雷达，通常采用高重复频率激光器发射激光束，由单元APD探测器接收回波信息，再通过扫描机构完成对目标的大范围测量，单位时间内发射的激光束越多，对目标的测量就越详尽，成像速度就越快。(参见在先技术[1]，A.WEHR U L，“Airborne Laser scanning-an introduction and overview.ISPRS Journal of Photogrametry & Remote Sensing”，1999，54.)这样激光重复频率的高低就成了衡量激光雷达成像效率的一个重要的指标。随着激光器技术的发展，激光重复频率可以做到10kHz～200kHz，但是进一步提高重频则会遇到技术障碍并增加开发成本。在某些应用场合，如航天器自动着陆导航，要求激光雷达能实现大视场、高帧频的三维成像，原有的采用单元探测器扫描成像方式的激光雷达已无法满足应用要求。

发明内容

本专利提出了一种基于线阵APD探测器的激光扫描三维成像雷达，旨在解决单元探测器扫描成像激光雷达成像效率低的问题，实现大视场、高帧频的激光三维成像。

基于线阵APD探测器的激光扫描三维成像雷达，包括光纤激光器3，激光整形单元4，接收望远镜5，二维扫描机构6，线阵APD探测器1和信号处理电路2构成。

光纤激光器3波长为1064nm，它能够以30～60kHz的重复频率发射脉宽为10ns的窄脉冲激光。激光整形单元4由一个准直镜4-1和一个柱面镜4-2组成，它能够将一束高斯圆形激光展宽成一束条形激光。接收望远镜5采用离轴双反结构，目的是减小光学系统的体积。接收望远镜5中间留有小孔，供条形激光出射之用。二维扫描机构6由两个正交的检流计振镜组成，可以实现快速二维摆动扫描。激光发射和接收采用同轴结构，激光回波由线阵APD探测器1接收，APD探测器线阵长度通常为8～25元。系统信号处理和控制由信息处理电路2来实现。

光纤激光器3发出一束圆形高斯脉冲激光，由激光整形单元4将激光束整形成为一束条形激光，从接收望远镜的开孔中出射，经过二维扫描机构6射向探测目标。线阵APD探测器1由N+1个独立的像元组成，其中N为7-24间的任意正整数，线阵APD探测器1的接收视场和条形激光的远场光斑相重合。条形激光中的一小部分照射在二维扫描机构6及其框架上产生的散射光经过接收望远镜5聚焦在线阵APD探测器1上，经过光电转换产生一个高速电脉冲，取其中一个像元的信号作为激光雷达计时的开始信号START。出射激光在照射到目标上之后，一部分沿原光路返回，由接收望远镜5聚焦，再由线阵APD探测器1接收。接收到的激光回波由线阵APD探测器1的其余N个像元进行光电转换变为N个并行的高速电脉冲，即作为激光雷达的N个计时停止信号STOP1…N。由信号处理电路2处理后，将时间间隔数据转换为距离数据，再与二维扫描机构6的位置数据同步采集和存储。二维扫描机构6对条形激光进行二维扫描，实现大视场三维成像。

本专利和先前的技术相比，主要优点为：

(1)采用条形激光发射，线阵APD探测器并行接收的方式，一个激光脉冲可以接收N束并行的激光回波，从而在不增加激光器重复频率的情况下，使得激光雷达的探测效率大为提高。

(2)采用线阵APD探测器N+1个像元中的一个像元，利用二维扫描机构及其框架上的散射激光产生的信号，作为时间间隔测量的开始信号START，利用其余N个像元输出的回波信号作为计时停止信号STOP1…N。该方法节省了元器件，使得系统更为紧凑。

采用了本专利设计的激光雷达系统可以实现30°×30°视场，10Hz的激光三维成像。

附图说明

图1是基于线阵APD探测器的激光扫描三维成像雷达的结构框图。

图2是激光整形单元组成框图。

具体实施方式

线阵APD探测器1采用Perkin Elmer公司25元线阵APD探测器C30985E。接收望远镜5采用离轴双反结构，压缩体积。接收望远镜5有效孔径为30mm，焦距为150mm。线阵APD探测器1的接收视场和条形激光的远场光斑相重合，单个像元的接收视场为2×2mrad，总的接收视场为2×48mrad，线阵探测器的中心与激光光斑中心相重合。光纤激光器3在信号处理电路2的控制下，发出发散角为1mrad的圆形高斯脉冲激光束，脉冲宽度为7ns，重复频率为60kHz。激光光束由激光整形单元4将激光束整形成为条形激光，发散角变为1mrad×80mrad，经过二维扫描机构6射向探测区域。激光照射在机箱内产生散射光，散射光经过接收望远镜5聚焦在线阵APD探测器1上，转换为电脉冲，通过线阵APD探测器1的第25元输出，作为激光雷达时间间隔测量的起始信号START。出射激光在被目标反射之后，一部分沿原光路返回，经过二维扫描机构6，由接收望远镜5聚焦之后，由线阵APD探测器1接收。接收到的激光回波由线阵APD探测器1进行光电转换变为电信号，即作为激光雷达时间间隔测量停止信号STOP 1...24。经过并行的放大和鉴别之后，送入信号处理电路2中进行处理，经过时间间隔测量和解算，最终得到距离数据。同时，信号处理电路2控制二维扫描机构6进行扫描，同步采集二维扫描机构6的位置数据。24路测距数据和2路扫描位置数据共同组成一次激光脉冲的测量数据。二维扫描机构6采用二维振镜扫描，一维以55Hz，30°的扫描速率进行正弦方式往复运动，另一维以步进方式进行配合，在0.1s内完成对30°×30°视场的扫描成像。由测量数据可以反演得到目标的三维图像数据和DEM模型。