专利名称：一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法
技术领域：
本发明涉及三维成像激光雷达领域。
背景技术：
激光雷达与现有的光学成像手段相比较，具有不依赖于目标的光照条件，或者辐射特征，全天时工作，获取目标三维立体信息的长处；与微波雷达比较，其高分辨率、体积小、重量轻。因而在民用与军事方面具有良好的应用前景。目前三维成像激光雷达的方式有两种。其一为激光光束扫描方式；其二为焦平面阵列探测方式。激光光束扫描方式一般采用高重频激光脉冲发射，通过机械扫描装置(如双检流计式振镜、旋转楔形棱镜等)使激光脉冲按照固定扫描图样指向探测空域上的不同点，构成二维扫描空间点阵，落在扫描空域内的目标对这些空间点阵反射，然后再利用单元探测器按照固定的时间序列测量来自不同点的光强和脉冲往返时间，来获取目标的3D图像。但是，这种二维扫描成像方式将会限制图像的获取速度，即成像速率难以提高，与此同时机械扫描装置增加整个系统的重量和体积，功耗和成本也比较高，难以实现低成本和小型化。焦平面阵列探测方式是一种非扫描技术。其特点是将多个探测器集成在一个阵列芯片上，每个探测器对应各自的空域进行探测，测量激光脉冲的往返时间或者解算每个探测单元上激光的相位关系，实现对目标的快速三维成像。国外采用焦平面阵列芯片解决，现在大部分处于实验室阶段、或者单件制作，还不能实现商业销售。如果需要用于军事、或者航天更是不可能。因而难以解决我国的军事、航天需求。而国内半导体工业基础的限制，在研制专用大规模芯片方面与国外存在很大的距离；同时，进行该项研究，投入巨大，因此，采用这种方案解决我们目前的空间需求更不大可能。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提出一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法，利用方便易得的单探测器通过稀疏排列组成稀疏阵列探测系统，并结合压电陶瓷小角度快速的扫描，实现对目标回波信号分区域快速的光电转换，解决激光雷达高速三维成像问题。一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法，所述三维成像激光雷达由发射光学系统和探测成像光学系统组成。所述发射光学系统为由激光器1和扩束器2组成的激光发射系统，其采用非扫描、以大发射视场形式覆盖所需探测视场；其特征在于所述探测成像光学系统由压电陶瓷二维振镜3、激光接收系统4和稀疏阵列探测系统5组成；激光器 1发射激光光束，扩束器2与激光器1共轴，光束经扩束器2整形后照射到所需探测视场； 压电陶瓷二维振镜3相对接收系统光轴以45°角放置，其将目标回波信号反射到激光接收系统4，激光接收系统4将目标回波信号聚焦到其焦平面，稀疏阵列探测系统5放置于激光接收系统4的焦平面处，实现目标回波信号的光电转换。所述稀疏阵列探测系统5是将单颗探测器按照一定的间距均勻排列，所述单个探测器的排列方式使压电陶瓷二维振镜3的扫描幅度刚好使阵列探测器的接收视场充满整个探测视场。本发明带来以下有益效果稀疏阵列高速三维成像激光雷达实现方法的优点在于1、无电机转动扫描，整个结构简化，可靠性提高，克服了空间冷焊的限制，寿命大为提高，重量、体积也显著减小；2、阵列探测，成像帧频高，可以满足高速测量；3、器件容易获得，避免转型号时遇到难以克服的供货问题。4、收发分离布局，对发射光的要求低，安装方便。


图1 稀疏阵列高速三维成像激光雷达原理图及接收系统示意2 稀疏阵列高速三维成像激光雷达激光发射系统示意图
具体实施例方式结合参见图1、图2，图中1为激光器；2为扩束器；3为压电陶瓷二维振镜；4为接收系统；5为稀疏阵列探测系统；6为目标屏；7为基座；8为稀疏阵列探测系统放大图。压电陶瓷二维振镜是一种快速实现小幅度二维扫描的驱动机构，其响应频率一般可以达到2KHz，其驱动端面带有高反射率反射镜，可以提供对探测区域在两个轴向上做小范围的高速扫描。接收系统是一套通常的成像光路，其接收口径与视场依赖于成像视场要求、激光发射功率、探测器的灵敏度、压电陶瓷二维振镜扫描视场。稀疏阵列探测系统是将单颗探测器按照一定的间距均勻排列，单个探测器排列成稀疏阵列探测系统的原则是压电陶瓷振镜的扫描幅度刚好使阵列探测器的接收视场充满整个探测视场。稀疏阵列高速三维成像激光雷达结构参见图2，激光器1发射激光，激光束经过扩束器2照射到所需探测目标6 ；通过压电陶瓷二维振镜3扫描，可将各视场回波信号折返到接收系统4，接收系统4将回波信号聚焦到稀疏阵列探测系统5，完成目标的单帧探测。
具体光学系统实施方案如下(1)发射光学系统本发明激光发射系统由激光器1和扩束器2组成，其采用非扫描、以大发射视场形式覆盖所需探测视场，激光发射模式可以采用脉冲或者调制的激光，参见图2。当采用脉冲激光进行扫描时，每个脉冲发射的回波，在空间关系上，都对应一个焦平面上的像，目标与激光雷达的距离就反映在回波激光的飞行时间上，记录二维振镜的每个扫描角与阵列探测器的时间，就形成一个完整的三维图形；如果采用调制的连续波激光，探测器阵列接收对应位置的返回光波，其强度调制相位与发射激光的相位差与目标到雷达的距离相关，因而采用鉴相器解出相差，就得到了距离信息，通过同样的方式也就获得了完整的三维图像。(2)探测成像光学系统本发明探测成像光学系统由压电陶瓷二维振镜3、激光接收系统4和稀疏阵列探测系统5组成，参见图1。压电陶瓷二维振镜3和激光接收系统4的口径取决于探测距离， 其扫描角和视场角取决于整体视场角U和稀疏阵列探测器的阵列数N，图1中以2X2阵列的稀疏阵列探测系统为例，压电陶瓷二维振镜3的扫描角Ul = U/N = U/2，接收系统4的视场角U2 = U-Ul = U/2 ；稀疏阵列探测系统5的布局间隔在稀疏阵列探测系统阵列数一定条件下直接取决于接收系统的焦距。 探测成像光学系统的工作过程为参见图1，以2X2阵列的稀疏阵列探测系统为例，把目标6分成四个区域，回波信号由压电陶瓷二维振镜3反射，经接收系统4成像于稀疏阵列探测系统5上，在压电陶瓷二维振镜3的扫描起始角处，一区域的A点成像于探测器 A，上，二区域B点成像于探测器B，上，三区域C点成像于探测器C，上，四区域D点成像于探测器D’上；压电陶瓷二维振镜3扫描过一个二维视场后，一区域上的点都依次成像于探测器A’上，二区域上的点都依次成像于探测器B’上，三区域上的点都依次成像于探测器C’ 上，四区域上的点都依次成像于探测器D’上；各探测器按时间记录下的各点探测能量在空间上相对关系显示，可以组合一帧图像。
权利要求
1. 一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法，所述三维成像激光雷达由发射光学系统和探测成像光学系统组成；所述发射光学系统为由激光器(1)和扩束器( 组成的激光发射系统，其采用非扫描、以大发射视场形式覆盖所需探测视场；其特征在于所述探测成像光学系统由压电陶瓷二维振镜(3)、激光接收系统(4)和稀疏阵列探测系统(5)组成；激光器(1)发射激光光束，扩束器( 与激光器(1)共轴，光束经扩束器( 整形后照射到所需探测视场；压电陶瓷二维振镜C3)相对接收系统光轴以45°角放置，其将目标回波信号反射到激光接收系统G)，激光接收系统(4)将目标回波信号聚焦到其焦平面，稀疏阵列探测系统(5)放置于激光接收系统(4)的焦平面处，实现目标回波信号的光电转换；所述稀疏阵列探测系统(5)是将单颗探测器按照一定的间距均勻排列，所述单个探测器的排列方式使压电陶瓷二维振镜(3)的扫描幅度刚好使阵列探测器的接收视场充满整个探测视场。
全文摘要
本发明涉及三维成像激光雷达领域。所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提出一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法，利用方便易得的单探测器通过稀疏排列组成稀疏阵列探测系统，并结合压电陶瓷小角度快速的扫描，实现对目标回波信号分区域快速的光电转换，解决激光雷达高速三维成像问题。其特征在于所述探测成像光学系统由压电陶瓷二维振镜(3)、激光接收系统(4)和稀疏阵列探测系统(5)组成。本发明的优点在于实现无电机转动扫描，整个结构简化，可靠性提高；阵列探测，成像帧频高，可以满足高速测量；器件容易获得；收发分离布局，对发射光的要求低，安装方便。
文档编号G01S17/89GK102565808SQ20101059900
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张大庆, 徐国樑, 陶坤宇 申请人:上海无线电设备研究所