[发明专利]一种非扫描激光雷达接收光学系统

说明书

本发明为一种非扫描激光雷达接收光学系统，包括物镜光学系统、光纤阵列及探测器阵列。光纤阵列有M根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应。物镜光学系统将不同视场的弥散斑聚焦于同一焦平面，光纤阵列中的每根光纤的一端均处于此平面。光纤芯径2r≤光纤中心间距d。各光纤长度相同。探测器阵列含多个探测器，M根光纤传输的M个回波信号与探测器阵列中的各探测器一一耦合。Z个1×N线阵探测器拼接构成探测器阵列。本发明与点扫描雷达相比，探测面积增大，成像速度加快；与面阵非扫描雷达相比，成本显著降低，便于推广应用。

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，具体为一种非扫描激光雷达接收光学系统。

背景技术

激光雷达技术被广泛用于军事侦查、地表形貌测绘、大气探测、空间技术等领域。传统的点扫描激光雷达以单元探测技术为主，激光器重复频率高，需要扫描装置，体积大，成像速度慢，分辨率受限。

面阵非扫描三维成像激光雷达虽然不用扫描，可以实现高分辨率、大视场、快速成像，但是现在大面积高像素的探测器的技术国外垄断，对我国封锁。而大面积高像素探测器的材料成本高，研发成本更高，我国自行开发还需要一定时间。现有的高像素的探测器面积有限，与其配套的大规模信号处理技术所需的研发成本也很高。目前面阵非扫描三维成像激光雷达探测成像分辨率一般为16×16、25×25、32×32、64×64等。我国很难购买到适用的大面积高像素的探测器。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种非扫描激光雷达接收光学系统，克服现有激光雷达的技术和方法的不足和缺点，摄远物镜光学子系统与远心光学子系统组成大口径、大视场的物镜光学系统，接收激光雷达的微弱回波信号；经物镜光学系统接收到的回波信号和光纤阵列一一对应，光纤阵列将回波信号耦合到由多个线阵探测器拼接的探测器阵列，完成回波信号探测。本发明克服了传统的点扫描激光雷达激光器重复频率高，体积大，成像速度慢，分辨率受限的不足和面阵非扫描三维成像激光雷达受限于大面积高像素探测器以及大规模信号处理技术水平等的缺点。

本发明设计的一种非扫描激光雷达接收光学系统，接收本雷达发射的1×M路的线阵光束的回波信号，每一发射光束的发散角为θ_发，θ_发的单位为弧度rad，θ_发的取值范围由雷达扫描的采样分辨率Δ与目标距离l确定，其取值范围θ_发≤Δ/l。接收视场≥M*θ_发，1×M路发射光束返回1×M路回波信号形成1×M个弥散斑，回波信号中心的夹角θ_弥≥θ_发。本系统包括物镜光学系统及光电探测装置，所述物镜光学系统接收雷达回波信号。本系统还包括光纤阵列，所述光电探测装置为探测器阵列。

所述物镜光学系统包括摄远物镜光学子系统与远心光学子系统。

摄远物镜光学子系统包括一个前正透镜组和一个后负透镜组，以缩短长焦距物镜的筒长；远心光学子系统包括2至4个聚光透镜组，其出瞳位于无穷远，即主光线平行于光轴，其使物镜光学系统接收到的不同视场下的弥散斑偏移量相同。

物镜光学系统的有效口径，即摄远物镜光学子系统中物镜的有效口径≥100mm。

光纤阵列有M根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应。单根光纤为大芯径多模石英光纤，数值孔径大于或等于本激光雷达接收光学系统的像方数值孔径，以有利于提高接收耦合效率。

物镜光学系统将不同视场的弥散斑聚焦于同一平面，此平面即本激光雷达接收光学系统的焦平面，光纤阵列中的每根光纤的一端均处于此平面上。全视场范围内，在所述焦平面上的各弥散斑直径均小于或等于光纤阵列的单根光纤芯径，以提高接收到的M个回波信号的耦合效率，小于或等于光纤芯径的弥散斑的光才能被光纤耦合接收。