CN106093911A

CN106093911A - 一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统

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Publication number: CN106093911A
Application number: CN201610591388.6A
Authority: CN
Inventors: 韩绍坤; 马亚运; 夏文泽; 王亮; 曹京亚
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2016-11-09

Abstract

本发明涉及一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，属于光电成像技术领域。该装置包括光纤脉冲激光器、光纤分路器、光纤阵列、发射光学系统、平面反射镜、接收光学系统和APD面阵探测器。光纤脉冲激光器发射窄脉冲红外激光光束，激光光束经过光纤分路器后，出射64路能量相同的激光光束，每一路激光光束从光纤阵列出射，光纤阵列端面变为一个8×8的点阵脉冲激光光源，出射的激光光束经发射光学系统和平面反射镜后成像于目标物之上，被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收后，成像于APD面阵探测器之上。解决了非扫描激光成像雷达照明系统光强分布不够均匀和能量利用率低的问题，同时该系统还增大了系统探测距离。

Description

一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统

技术领域

本发明涉及一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，属于光电成像技术领域。

背景技术

激光成像雷达是近年来国际上的研究热点之一，是激光技术和雷达技术相结合后的产物。激光成像雷达具有极高的频域、空域和时域分辨能力，所以其已经被广泛的应用到目标探测、跟踪、瞄准和成像识别等领域。激光成像雷达的基本结构包含：激光器、发射系统、接收光学系统、光电探测器、放大电路、计时电路、控制和处理系统。相比传统强度图像获取方式，激光成像雷达不仅可以获得目标物的强度图像还能获取目标物的距离图像。相比其他距离像获取方式，激光成像雷达具有成像精度高、成像距离远和不受外界条件影响等优势。按照图像获取机理的不同，激光成像雷达一般可以分为扫描式和非扫描式两种机制。扫描式激光成像雷达因采用光机扫描系统，所以存在成像帧频低、体积大、高速条件下图像畸变大等缺点。因此，近年来非扫描式激光成像雷达逐步取代扫描式激光成像雷达，成为新的研究热点。非扫描式激光成像雷达一般采用大光斑照明方式，即一次发射能够覆盖整个视场的激光光束，激光回波信号由一个置于接收光学系统像平面上的二维面阵探测器接收，探测器将光信号转换成电信号，并送往后续电路进行处理，最终得到目标物的强度图像和距离图像。大光斑照明方式是一种传统的泛光照明方式，由于现有激光器制造技术尚不够成熟，因此此种照明方式存在照明面光强分布不够均匀和能量利用率低的问题，这将直接影响到非扫描激光成像雷达的成像质量和探测距离。因此，如何改善非扫描激光成像雷达照明系统光强分布不够均匀和能量利用率低的问题成为当下激光雷达的研究热点之一。

随着光纤技术的迅速发展，光纤激光器、光纤分路器的制造技术和光纤拼接技术已经实现了快速的飞跃。当前，光纤分路器已经可以实现精确地多路能量均分，市面上已经存在1分64路的光纤分路器产品。光纤激光器可以发射纳秒级红外激光脉冲，光纤分路器可以将一路光纤激光按照能量均分到多路光纤中，光纤拼接技术可以实现裸纤的精准排列。本发明利用光纤激光器、光纤分路器和光纤拼接技术实现了均匀光强的点阵照明，点照明的优点在于可实现均匀照明，此外由于面照明变成点照明，绝对照明面积的减少导致单位面积上光能量的提升，所以点阵照明还可以增大探测距离；通过对发射和接收光学系统的特殊设计，可以实现发射光学系统与接收光学系统的共光轴，以及面阵探测器上每个像元与光纤阵列上每个发光点的一一对应。解决了非扫描激光成像雷达照明系统光强分布不够均匀和能量利用率低的问题，同时该系统还增大了系统探测距离。

发明内容

本发明的目的是解决非扫描激光成像雷达照明系统存在的光能分布不均匀和激光能量利用率低的问题，提出一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提出一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统。该系统包括：光纤脉冲激光器、光纤分路器、光纤阵列、发射光学系统、平面反射镜、接收光学系统、APD面阵探测器；

所述光纤脉冲激光器可以发射红外激光脉冲，其激光光束经由光纤出射；

所述光纤分路器为拉锥式光纤分路器，其入射端口与光纤脉冲激光器的出射光纤相连接；

所述光纤阵列是由光纤排列而成的8*8正方形的光纤端面，其入射端口上每跟光纤与光纤分路器的每根出射光纤相连接；

所述发射光学系统是一个多镜片的物距可调光学系统，外加机械结构可以精确地改变光纤阵列到发射光学系统之间的距离，发射光学系统的数值孔径需大于光纤的数值孔径；

所述平面反射镜位于接收光学系统之前，它能够改变激光光束传播方向，利用该反射镜可以实现发射光路与接收光路的共光路；

所述接收光学系统是一个折反式望远接收光学系统；

所述APD面阵探测器是一种8×8排布的面阵APD阵列，其位于接收光学系统的像平面上。

工作过程为：光纤脉冲激光器发射窄脉冲红外激光光束，激光光束经过光纤分路器后，出射64路能量相同的激光光束，每一路激光光束从光纤阵列出射，出射的激光光束经发射光学系统和平面反射镜后成像于目标物上，被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收后，成像于APD面阵探测器之上。

有益效果

本发明借用光纤激光器、光纤分路器和光纤拼接技术实现了均匀光强的点阵照明，通过对发射和接收光学系统的特殊设计，实现了面阵探测器上像元与光纤阵列上发光点的一一对应。解决了非扫描激光成像雷达照明系统光强分布不够均匀和能量利用率低的问题，同时该系统还增大了系统探测距离，扩展了非扫描激光成像雷达的应用范围。

附图说明

图1为实施例中用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统的结构示意图。

其中1-光纤脉冲激光器，2-光纤分路器，3-光纤阵列，4-发射光学系统，5-平面反射镜，6-接收光学系统，7-APD面阵探测器。

图2为光纤阵列示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例

一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统。如图1所示，该系统包括：光纤脉冲激光器(1)、光纤分路器(2)、光纤阵列(3)、发射光学系统(4)、平面反射镜(5)、接收光学系统(6)、APD面阵探测器(7)；

所述光纤脉冲激光器(1)可以发射波长为915nm，脉宽为5ns，重频为100Hz的激光脉冲，其采用的光纤为62.5/125um标准光纤；

所述光纤分路器(2)为拉锥式1分64路光纤分路器，使用光纤为62.5/125um标准光纤，其可以将1路光纤激光按照能量均分到64路光纤中；

所述光纤阵列(3)是以标准62.5/125um光纤排列而成的8*8正方形的光纤端面，相邻光纤的纤芯间距为250um；

所述发射光学系统(4)是一个多镜片的物距可调光学系统，其中每片镜片表面均镀有915nm的增透膜，外加机械结构可以精确地改变光纤阵列到发射光学系统之间的距离，以此实现将每一个发光点成像于目标物之上，发射光学系统的数值孔径需大于光纤的数值孔径，以实现能量的充分利用；

所述平面反射镜(5)表面镀有915nm波段的增反膜，它位于接收光学系统之前，它能够以最大的反射率改变激光光束传播方向，利用该反射镜可以实现发射光路与接收光路的共光路，以此实现面阵探测器上每个像元与光纤阵列上每个发光点之间的一一对应；

所述接收光学系统(6)是一个折反式望远接收光学系统，其由多片镜头组成，每片镜片表面均镀有915nm的增透膜，其焦距的选定要依据发射光学系统的焦距，以达到垂轴放大率的匹配；

所述APD面阵探测器(7)是一种8×8排布的面阵APD阵列，其光谱响应中心波长为905nm，正方形像元边长为405um，相邻像元中心间距为500um。

工作过程为：光纤脉冲激光器(1)发射窄脉冲红外激光光束，激光光束经过光纤分路器(2)，把一路激光按照能量均匀分成为64路激光，每一路激光光束从光纤阵列(3)出射，光纤阵列端面变为一个8×8的点阵脉冲激光光源，从此光源出射的激光光束经发射光学系统(4)后，发散的激光光束变成收缩的激光光束，激光光束的传播方向经平面反射镜(5)旋转90度后成像于目标物上，被目标物反射的激光光束经接收光学系统(6)接收后，成像于APD面阵探测器之上。

工作原理：

光纤分路器是一种实现光信号功率在不同光纤间的分配或组合的光器件。利用不同光纤面紧邻光纤芯区中导波能量的相互交换作用构成。按所采用的光纤类型可分为多模光纤、单模光纤和保偏光纤耦合器等。按照分光原理的不同，光纤分路器可以分为波导式和熔融拉锥式。

为了实现面阵探测器中每个像元与光纤阵列中每个发光点之间的一一对应，光纤阵列中相邻光纤之间的纤芯间距、面阵探测器中相邻像元之间的中心间距、发射和接收光学系统的焦距要满足一定的代数条件。在此系统中，存在两个物像关系，光纤阵列上的发光点与目标物上的被照明点是一组物像关系，其可以表示为:

\frac{1}{l_{t}} + \frac{1}{L} = \frac{1}{f_{t}},

目标物上的被照明点与面阵探测器上的像元点是另外一组物像关系，其可以表示为：

\frac{1}{l_{r}} + \frac{1}{L} = \frac{1}{f_{r}},

其中，l_t为光纤阵列到发射光学系统的距离，l_r为接收光学系统到面阵探测器之间的距离，L探测距离，f_t和f_r分别为发射和接收光学系统的焦距。则这个系统的总垂轴放大率为：

β = β_{t} \cdot β_{r} = \frac{L}{l_{t}} \cdot \frac{l_{r}}{L} = \frac{l_{r}}{l_{t}} = \frac{l_{r}}{f_{t}} - \frac{l_{r}}{f_{r}} + 1,

因为这个雷达系统主要应用于远距离成像所以有L>>l_r，则有l_r≈f_r，故：

β \approx \frac{f_{r}}{f_{t}},

因此该系统必须满足：

h_{s e n s e r} = h_{f i b e r} \cdot \frac{f_{r}}{f_{t}},

其中，h_senser为面阵探测器中相邻像元之间的中心间距，h_fiber为光纤阵列中相邻光纤之间的纤芯间距。

在光纤阵列中的激光光束射向发射光学系统的过程中，为了追求最大的能量利用率，发射光学系统的数值孔径需大于光纤的数值孔径，即从光纤中出射的激光是在一定发散角范围以内的，我们的发射光学系统口径需要足够大，以满足所有出射激光均能通过发射光学系统。

Claims

1.一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，包括光纤脉冲激光器、发射光学系统、平面反射镜、接收光学系统、APD面阵探测器，其特征在于本发明包含光纤分路器和光纤阵列，光纤分路器通过光纤连接在光纤脉冲激光器上，以实现将一路激光能量均分成多路激光能量，光纤阵列与光纤分路器相连接，以实现方形结构的点阵激光照明；发射光学系统能够将光纤阵列的出射端面成像于目标物上，发射光学系统与接收光学系统经过反射镜实现共光路设计，以此实现探测器中每个探测单元与点阵照明中每个照明点的一一对应；

具体工作过程为：光纤脉冲激光器发射红外激光光束，激光光束经过光纤分路器，把一路激光按照能量均匀分成为64路激光，每一路激光光束从光纤阵列出射，出射的激光光束经发射光学系统后，激光光束的传播方向经平面反射镜旋转90度后成像于目标物上，被目标物反射的激光光束经接收光学系统接收后，成像于APD面阵探测器之上。

2.根据权利要求1所述的一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，其特征为：所述光纤分路器为拉锥式1分64路光纤分路器，所使用的光纤为62.5/125um的多模光纤，其入射端口与光纤脉冲激光器的出射光纤相连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，其特征为：所述光纤阵列是由光纤排列而成的8×8正方形的光纤端面，其入射端口上每跟光纤与光纤分路器的每根出射光纤相连接，所使用的光纤为62.5/125um的多模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种用于非扫描激光成像的点阵发射接收系统，其特征为：所述发射光学系统是一个物距可调的光学系统，外加机械结构可以精确地改变光纤阵列到发射光学系统之间的距离，以实现将光纤阵列的出射端面成像于目标物上，且发射光学系统焦距、接收光学系统焦距、APD面阵探测器中相邻像元之间的中心间距和光纤阵列中相邻光纤之间的纤芯间距需要满足如下数学关系：

h_{s e n s e r} = h_{f i b e r} \cdot \frac{f_{r}}{f_{t}}

其中，f_t和f_r分别为发射和接收光学系统的焦距，h_senser为面阵探测器中相邻像元之间的中心间距，h_fiber为光纤阵列中相邻光纤之间的纤芯间距。