[发明专利]一种激光三维成像光学收发系统

说明书

技术领域

本发明属于激光三维成像技术领域，具体涉及一种基于激光编码复用技术实现推扫式三维测量的成像激光雷达。

背景技术

三维成像激光雷达技术适用于数字城市三维构建，自然灾害救援，数字地球等大范围区域高速成像的场合。三维成像激光雷达技术采用主动发射激光照射目标的方式，利用光电探测器接收目标反射的回波信号，提取包括高程信息在内的目标三维信息，并对目标进行三维图形的重建。是目前唯一能够同时直接获取目标三维图像的技术，具有很高的军事和民用应用价值。但是，传统的激光成像技术采用点扫描体制，通过二维扫描(行扫+帧扫)获取图像，致使其成像帧频较低，目前所报道的最高指标为20Hz，成像视场角一般小于1°；另外，由于扫描器的应用，不仅增大了系统的体积，还降低了系统的可靠性和工作稳定性。这些缺点限制了点扫描体制激光成像技术的应用。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种激光三维成像光学收发系统，基于激光编码复用技术实现推扫式三维测量，能够实现每个光电接收单元可以测量多个像点的距离信息。

技术方案：一种激光三维成像光学收发系统，所述三维成像光学收发系统包括发射光学部分和探测成像光学部分；其中：

所述发射光学部分包括脉冲激光器、扩束镜、柱面透镜、激光编码机构以及发射镜头；所述脉冲激光器用于产生激光脉冲，所述扩束镜、柱面透镜以及发射镜头同轴设置，所述激光编码机构设置在柱面透镜的焦平面上；

所述扩束镜用于对所述激光脉冲进行扩束后产生圆形光束；

所述柱面透镜用于对扩束镜产生的圆形光束进行会聚，并在柱面透镜的焦平面上形成条形激光束；

所述激光编码机构用于对所述条形激光束进行编码；

所述发射镜头用于将编码后的条形激光束投影到目标区域表面；

所述探测成像光学部分包括接收镜头、光纤传像束、耦合镜头以及面阵光电传感器；所述光纤传像束由若干根光纤构成，所有光纤入射端以一字型排开，每根光纤之间的距离固定设置，构成线阵光纤传感端面并与所述接收镜头同轴设置；所有光纤的输出端以矩阵方式排列构成输出面并与所述耦合镜头以及面阵光电传感器同轴设置；

所述接收镜头用于接收目标区域反射后的回波信号，并成像于所述光纤传像束的线阵光纤传感端面上；

所述光纤传像束用于将线阵光纤传感端面接收的各码段内相同序号的光通过光纤组合成一束光出射，实现光束的分组合并；

所述耦合镜头用于将光纤传像束的输出端面按照比例缩小并成像于所述面阵光电传感器的表面，实现光束的耦合；

所述面阵光电传感器用于接收激光回波信号并转换成电信号，实现回波信号的光电转换。

进一步的，所述脉冲激光器产生的激光脉冲的波长为532nm，脉冲宽度为1-20ns，工作频率为3-20KHz。

进一步的，所述系统还包括光电探测器，用来测定所述激光脉冲的产生时刻。

进一步的，所述光电探测器采用PIN光电二极管。

进一步的，所述扩束镜的扩束倍数为5-10倍。

进一步的，所述柱面透镜的焦距为150mm，并镀有532nm增透膜。

进一步的，所述激光编码机构为编码盘。

进一步的，所述耦合镜头由两焦距不同的平凸透镜同轴设置构成。

进一步的，所述面阵光电传感器由雪崩光电二极管构成。

有益效果：本系统实现线阵照明，使得该推扫方式的激光三维成像技术能够实现大视场高速高分辨率的三维成像。发射光学部分射出的条形激光束经过编码盘编码后投影到目标区域，目标区域的反射回波被探测成像光学部分接收；像点距离信息则根据回波信号的接收时刻与光电探测器测得到的发射激光脉冲时刻之间的时间差计算得到。通过对激光进行整形编码接收实现每个光电接收单元可以测量多个像点的距离信息，大大提高成像的效率；发射光学部分射出的条形激光束实现推扫式三维测量，大大提高成像的速率。

附图说明

图1是三维成像激光雷达光学收发系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。