專利名稱：基于apd陣列的非掃描3d成像激光雷達光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種激光雷達光學系統(tǒng)，尤其涉及一種基于雪崩光電二極管
APD(Avalanche Photo Diode)陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，屬于光學測量儀器 技術(shù)領域。
(二)
背景技術(shù)：
激光雷達是迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一，是傳統(tǒng)雷達技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。 基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達，是利用脈沖激光泛光照明和高靈敏度雪崩光電二 極管APD焦平面陣列組件實現(xiàn)高幀頻單次角-角-距離三維成像，它是一種新體制成像激光雷 達。該成像激光雷達系統(tǒng)通過控制激光的發(fā)射，使發(fā)射光能同時覆蓋整個目標，然后用一個 置于接收光學系統(tǒng)焦平面上的二維APD陣列接收回波信號，各單元APD并行得到回波的距離 信息，得到目標的角-角-距離像?；贏PD陣列的非掃描3D成像激光雷達，除了接收光信 號使用APD焦平面陣列探測外，其發(fā)射和接收光學系統(tǒng)是影響其性能的關(guān)鍵組件。
非掃描激光雷達沒有機械掃描裝置，具有高幀率、寬視場、堅固、體積小的特點，有著 廣闊的市場前景。與掃描成像激光雷達相比，其主要優(yōu)點有采用APD焦平面陣列威像，靈 敏度高；無需高重頻、窄波束激光輻射源，且發(fā)射和接受光路不需要嚴格的平行校準；由于 成像時間短，當雷達與目標存在相對運動時，不用瞄準線穩(wěn)定也不會導致圖像失真；具有較 遠的作用距離，且不存在距離模糊問題；不需要復雜的高速掃描裝置，體積小、重量輕、成 本低，適裝性好。
(三) 發(fā)明內(nèi)容(1) 目的
本發(fā)明的目的是為了提供一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，該系
統(tǒng)克服已有的激光雷達光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴、調(diào)整加工維護不方便的缺點，是一種 易于調(diào)整、加工、維護及適于實際應用的非掃描激光雷達光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎，體積 小、重量輕、成本低，實用性好。
(2) 技術(shù)方案
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，該光學系統(tǒng)被安裝在激光雷達 系統(tǒng)外殼里，它是由激光器、伽利略望遠鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f！發(fā)射透鏡組 成的發(fā)射光學單元，以及焦距f2接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學單元構(gòu)成，激光 雷達系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器，伽利略望遠鏡安裝在激光器前方，激光器發(fā)出的 激光束通過光纖導入伽利略望遠鏡，伽利略望遠鏡前方裝有分光器，分光器產(chǎn)生光斑，分光 器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，調(diào)整發(fā)射-接收分光鏡和光斑之間的間距可以選擇光斑的數(shù)目， 發(fā)射-接收分光鏡位于光斑和焦距^發(fā)射透鏡之間，發(fā)射-接收分光鏡與發(fā)射透鏡之間的間距 應等于接收透鏡焦距f2的1/2，且不大于發(fā)射透鏡的焦距,發(fā)射-接收分光鏡是一個中間開 孔的平面鏡，且與光軸成45。角放置；激光雷達系統(tǒng)外殼的端口裝有焦距f2接收透鏡，接收 透鏡是一個中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中，發(fā)射-接收分光鏡將接 收光束90°反射到探測器上，探測器位于接收透鏡經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡折轉(zhuǎn)光路后焦平面的位 置。
其中，所述的激光器使用微片激光器；
其中，伽利略望遠4竟由凹透鏡和凸透鏡組成；
其中，所述的探測器為APD陣列；
其中，所述的分光器是正交光柵和聚焦透鏡的組合，通過改變正交光柵的刻線數(shù)和聚焦 透鏡的焦距可以調(diào)整光斑的間距。
激光器發(fā)出532nm的脈沖激光經(jīng)伽利略望遠鏡擴束后得到的準直光照射到分光器上，通 過衍射分光后激光光束被分成若干子光束，經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡選擇得到所需的子光束數(shù)目， 然后從發(fā)射透鏡出射后照射到欲成像的目標，經(jīng)目標反射的激光回波信號通過接收透鏡后， 經(jīng)過發(fā)射-接收分光鏡發(fā)生90°的折轉(zhuǎn)，聚焦在APD陣列上。
利用非掃描3D成像激光雷達系統(tǒng)進行激光回波信號的探測，由于采用了發(fā)射-接收分光
4鏡，使得發(fā)射光路與接收光路分開，因此大大降低了初始發(fā)射激光束對探測器的影響。
本發(fā)明適用于基于APD陣列的非掃描三維成像激光雷達系統(tǒng)，該激光雷達系統(tǒng)可裝載于 各種機動平臺，用于車輛導航和防撞、機載三維地形測繪、航天器空間交會對接等。 (3 )優(yōu)點及效果
1、 非掃描成像激光雷達系統(tǒng)采用了透射式光學系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、加工容易，易于密封， 適于野外工作；
2、 激光束發(fā)射接收同軸，減小了系統(tǒng)體積；
3、 采用分光器對激光光束進行分光，調(diào)節(jié)聚焦透鏡或接收透鏡的焦距可以使衍射光斑 與APD像元的瞬時視場相匹配，提高了角分辨率，減弱了背景；
4、 采用發(fā)射-接收分光4竟使得發(fā)射光路與接收光路分開，大大降^f氐了初始發(fā)射激光束對 探測器的影響；
5、 對發(fā)射透鏡的焦距進行調(diào)整可以改變光束的發(fā)散角。
(四)


圖1 基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 圖中符號說明如下
1 激光器2伽利略望遠鏡3分光器4正交光柵5 聚焦透鏡 6 光斑7發(fā)射-接收分光鏡8 發(fā)射透鏡 9接收透鏡 10探測器 11發(fā)射和接收光學系統(tǒng) 12激光雷達系統(tǒng)外殼
(五)
具體實施例方式
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)11，被安裝在激光雷達系統(tǒng)外 殼12里；該光學系統(tǒng)11由激光器1、伽利略望遠鏡2、分光器3、發(fā)射-接收分光鏡7和焦 距6發(fā)射透鏡8組成的發(fā)射光學單元，以及焦距f2接收透鏡9和發(fā)射-接收分光鏡7組成的 接收光學單元構(gòu)成；激光雷達系統(tǒng)外殼12尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器1,伽利略望遠鏡2安 裝在激光器1前方，激光器1發(fā)出的激光束通過光纖導入伽利略望遠鏡2,伽利略望遠鏡2前方裝有分光器3，分光器3產(chǎn)生光斑6，分光器3前裝有發(fā)射-接收分光鏡7,調(diào)整發(fā)射-接 收分光鏡7和光斑6之間的間距可以選擇光斑6的數(shù)目，發(fā)射-接收分光鏡7位于光斑6和焦 距6發(fā)射透鏡8之間，發(fā)射-接收分光鏡7與發(fā)射透鏡8之間的間距應等于接收透鏡9焦距 f2的1/2,且不大于發(fā)射透鏡8的焦距f，，發(fā)射-接收分光鏡7是一個中間開孔的平面鏡，且 與光軸成45 °角放置；激光雷達系統(tǒng)外殼12端口裝有焦距f2接收透鏡9,接收透鏡9是一個 中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡8位于接收透鏡9中夾的孔中，發(fā)射-接收分光鏡7將接收光 束90°地反射到探測器10上，探測器10位于接收透鏡9經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡7折轉(zhuǎn)光路后焦 平面的^f立置。
其中，所述的激光器1為微片激光器；
其中，伽利略望遠鏡2由凹透鏡和凸透鏡組成；
其中，所述的探測器10為APD陣列；
其中，所述的分光器3是正交光柵4和聚焦透鏡5的組合；通過改變正交光柵4的刻線 數(shù)和聚焦透鏡5的焦距可以調(diào)整光斑6的間距。
激光器1發(fā)出532nm的脈沖激光經(jīng)伽利略望遠鏡2準直擴束后得到的準直光束照射到分 光器3上，通過分光器3后激光光束被分成若干子光束，經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡7選擇得到所需 的子光束數(shù)目，然后從發(fā)射透鏡8出射后照射到欲成像的目標，經(jīng)目標反射的激光回波信號 通過接收透鏡9接收后，再由發(fā)射-接收分光鏡7發(fā)生90°的折轉(zhuǎn)，聚焦在探測器10即APD 陣列上，得到目標的距離信息。
權(quán)利要求
1、一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)被安裝在激光雷達系統(tǒng)外殼里，其特征在于它是由激光器、伽利略望遠鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f1發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學單元，以及焦距f2接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學單元構(gòu)成；激光雷達系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上安裝有激光器，伽利略望遠鏡安裝在激光器前方，伽利略望遠鏡前方安裝有分光器，分光器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，它位于光斑和焦距f1發(fā)射透鏡之間，它與發(fā)射透鏡之間的間距等于接收透鏡焦距f2的1/2且不大于發(fā)射透鏡的焦距f1，發(fā)射-接收分光鏡是一個中間開孔的平面鏡，它與光軸成45°角放置；激光雷達系統(tǒng)外殼端口裝有焦距f2接收透鏡，它是一個中間開孔的聚焦透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，其特 征在于該激光器為微片激光器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，其特 征在于該珈利略望遠鏡是凹透鏡和凸透鏡的組合。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，其特 征在于該探測器為APD陣列。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，其特 征在于該分光器是正交光柵和聚焦透鏡的組合。
全文摘要
一種基于APD陣列的非掃描3D成像激光雷達光學系統(tǒng)，被安裝在激光雷達系統(tǒng)外殼里，它是由激光器、伽利略望遠鏡、分光器、發(fā)射-接收分光鏡和焦距f₁發(fā)射透鏡組成的發(fā)射光學單元、以及焦距f₂接收透鏡和發(fā)射-接收分光鏡組成的接收光學單元構(gòu)成；激光雷達系統(tǒng)外殼尾部的內(nèi)壁上裝有激光器，伽利略望遠鏡安裝在激光器前方，伽利略望遠鏡前方裝有分光器，分光器前裝有發(fā)射-接收分光鏡，它是一個中間開孔的平面鏡，位于光斑和焦距f₁發(fā)射透鏡之間，且與光軸成45°角放置，激光雷達系統(tǒng)外殼端口裝有焦距f₂接收透鏡，發(fā)射透鏡位于接收透鏡中央的孔中，發(fā)射-接收分光鏡將接收光束90°反射到位于接收透鏡焦平面位置的探測器上。該光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，精度高，可用于測繪、導航、航天領域。
文檔編號G01S7/481GK101430377SQ200810227010
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月18日
發(fā)明者劉曉波, 麗 李 申請人:北京航空航天大學