[发明专利]基于光栅耦合的无扫描的相干激光雷达系统及其成像方法

说明书

本申请公开了一种基于光栅耦合的无扫描的相干激光雷达系统及其成像方法，其中，系统包括：光孤子频率梳光源；调制模块，用于利用电光调制将光孤子频率梳光源调制为啁啾幅度调制信号；阵列光栅耦合器件，用于接收由啁啾幅度调制信号发射后从目标反射的激光信号，并将激光信号通过光纤引出；光电二极管，用于将接收到由光纤引出的激光信号和啁啾幅度调制信号转换为电信号；超外差接收系统，用于基于电信号生成目标在不同空间位置的信息，并基于不同空间位置的信息生成三维结构信息。该系统可在无需扫描的条件下实现对目标的三维成像，提升了系统的深度分辨率，具有抗干扰性强、帧频高以及体积小的特性。

技术领域

本申请涉及雷达成像技术领域，特别涉及一种基于光栅耦合的无扫描的相干激光雷达系统及成像方法。

背景技术

传统的扫描式激光三维成像系统主要由扫描装置将脉冲激光光束发射至目标表面的不同位置，利用光电探测器对激光脉冲的渡越时间进行测量，从而得到目标表面不同扫描点处的距离信息，这种成像体制以其作用距离远，探测精度高等技术优势，多应用于机载以及航空航天等领域。传统的激光雷达系统都采用了线阵探测器接收，激光扫描的工作模式；且由于激光功率有限，探测器需要较高的灵敏度，因此传统激光雷达存在成本较高、帧频低、体积较大的弊端，扫描式激光三维成像系统存在成像速度较慢的弊端，因此，基于大面阵的非扫描式激光三维成像系统应运而生，目前主要有以下几种成像体制：基于G-APDs阵列式闪光激光三维成像体制，基于增益调制式的激光三维成像体制，条纹管激光三维成像体制，基于相位差测量的激光三维成像体制，基于光束偏振调制的激光三维成像体制以及距离选通激光三维成像体制等。

由于国外开展激光探测光源的时间较早，其激光三维成像技术的发展也相对较快，近些年国外主要的研究进展有：1992年，Robert L.Gustavson等人利用二极管激光三维成像雷达实现了对卡车、坦克等军事设备的三维成像，该雷达采用扫描方式，探测器帧频为30Hz，现已应用于美军某型号子母弹的实际应用当中。2002年，Marius A.Albota等人利用Nd:YAG微片全固态激光器作为激光探测光源，利用G-APD阵列探测器为激光三维成像探测部件，实现了距离分辨率小于3cm的激光三维成像要求。2004年，ChingSeong Tan等人利用距离选通激光三维成像技术实现了水下激光三维成像目的，选通门技术摆脱了水下激光光束后向散射对激光三维成像系统的不利影响，采用RITP算法将水下目标的三维图像重建出来，拓展了激光三维成像技术的研究方向。2005年，美国林肯实验室利用基于G-APD阵列探测技术实现了高分辨率激光三维成像。该体制利用微片激光器作为激光探测源，并且通过衍射光学元件将微片激光器的输出光束转换成32×32阵列激光束，实现了激光光束与探测器各检测单元一一对应的关系，从而实现了全天候高效率的激光三维成像系统。2006年，Pierre Andersson等人利用脉冲激光辐射照明，研制出了一种基于距离选通技术的远距离激光三维成像系统，利用该三维成像样机对7.2km外的探测目标进行三维成像，得到距离精度小于2cm的实验结果。2010年，Min Seok Oh等人提出一种激光三维重建算法，利用一种被动调Q微片激光器作为探测用激光光源，利用一种G-APD为激光探测器，利用一种TDC信号转换发生器为信号处理单元，实现了对稀疏障碍物后目标的三维成像要求。2010年，NormanA.Lopez等人通过对激光三维成像系统采集到的图像信息进行处理，确定了影响三维成像效果的影响因素，为后续激光三维成像工作提供了坚实的理论基础。2017年，MichaelTulldahl等人研究了包含128×32个测量单元的G-APD阵列激光雷达在复杂环境中的穿透能力，所使用的激光光源的中心波长为1542nm，重复频率为90kHz，研究发现在复杂环境中，不同的激光功率对不同纵向距离的目标的反射影响均有不同，因此实验发现可以通过寻找最优激光功率来提高激光三维成像系统的距离分辨能力。