[发明专利]一种稀疏阵列高速三维成像激光雷达的实现方法

说明书

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匀排列，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。

附图说明：

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图

图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匀排列，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。