CN107703517B - 机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统 - Google Patents

机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统 Download PDF

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Abstract

机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，涉及雷达工程技术领域，解决现有激光三维成像系统存在只能对近距离目标探测，成像帧频低等问题，包括多光束激光模块、发射模块、接收模块、中央处理器和距离测量单元，所述多光束激光模块包括分束器、相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束阵列；所述发射模块包括单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；接收模块包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、淬火电路和距离测量单元；通过多光束激光对地面目标区域进行扫描，得到相应的点云数据，并对所得数据进行处理，实现高帧频、高分辨率、大视场的目标三维图像重构，实时高速地完成中远距离对地目标的探测任务。本发明系统测量速度快、测量精度高。

Description

机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统
技术领域
本发明涉及雷达工程技术领域，具体涉及一种机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统。
背景技术
激光三维成像雷达技术作为一种主动成像技术，受光照条件和目标背景反差特性影响较小，可在低照度和复杂背景下获取目标的三维信息，实现三维成像，可在复杂环境侦察、靶场测量、战场侦察、军用目标识别、火力控制、水下探测等军用领域，并能长时间作业，也可用于地形地貌测绘、数字城市等等民用方面。
传统激光雷达多采用机械偏转、声光和电光等扫描方式进行波束指向控制。机械偏转法的响应速度和控制精度限制了成像速率和帧频，并且由于惯性扫描，灵活性受到很大限制，很难满足高性能激光雷达的要求；而声光和电光偏转法虽然不需要机械运动，但其偏转角度通常只有几个毫弧度，因而只能在小角度、小口径光束偏转的系统中应用；非扫描激光雷达抛弃了机械的扫描装置，在成像帧频和成像质量等性能上有了很大的提高，但由于采用泛光照射，能量利用率不高、作用距离近、图像中心与边缘分辨力相差很大，导致成像质量不高。
传统激光三维成像系统的成像探测体制主要有以下几种：一是以ICCD为核心探测器组件的距离门选通体制，该体制通过不同距离门选通探测多帧目标图像，然后采用多帧图像累积的方式获得目标的三维距离信息；二是以条纹管为核心探测器组件的线性电场偏转计时体制，它是利用电阴极将光子转换成电子后，再利用随时间线性变化的电场对不同时刻达到电子的偏转变化来记录光子到达时间以获得距离信息；三是以EBAPS、MSM等为核心探测器组件的发射光调制与探测回波混频解调体制，首先对发射激光进行调制，然后利用探测器探测回波信号，最后对其进行解调以获得目标的距离信息。这些方法具有较高的探测灵敏度和探测精度，以及较低的功耗，但是只能进行近距离目标探测，并且成像帧频较低。
针对激光三维成像雷达系统具有成像分辨率高、成像速率快等要求，本发明设计了一种大功率多光束激光输出的光学相控阵激光三维成像雷达系统，采用大功率多光束发射激光，以多个小面阵盖革模式的APD为核心探测器组件，实现远距离的高灵敏度高帧频成像，利用光学相控阵实现光束偏转，对目标区域进行扫描，以减少系统体积，大幅提高机电一体化水平。
该系统可提高机载激光三维成像雷达的探测能力、生存能力和自主创新能力，为国家科技储备提供重要的技术支撑，为提升我国国防科技自主创新能力和国防科技工业发展奠定基础。
发明内容
本发明为解决现有激光三维成像系统存在只能对近距离目标探测，成像帧频低等问题，提供一种机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统。
机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，包括多光束激光模块、发射模块、接收模块、中央处理器和距离测量单元，所述多光束激光模块包括分束器、相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束阵列；所述发射模块包括单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；接收模块包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、淬火电路和距离测量单元；
所述中央处理器控制多光束激光模块发射激光光源，所述激光光源通过分束器分为多束光源，所述多束光源经相位调制器阵列调制相位后经光纤放大器阵列进行功率放大，然后经准直扩束阵列进行准直扩束后由发射模块接收；
所述发射模块接收的多束光源经单向玻璃阵列透射至光学相控阵阵列，所述中央处理器向光学相控阵阵列发送驱动信号，控制多束光源偏转，使所述多束光源入射至目标区域；
经所述目标区域反射的多束光源入射至所述光学相控阵阵列和单向玻璃阵列，经所述单向玻璃阵列反射的多束光源依次经滤光片阵列和双胶合透镜阵列后由面阵APD阵列接收，所述面阵APD阵列将接收的多光束光源的光信号转换成电信号，经淬火电路后由距离测量单元计算目标区域的距离信息，所述中央处理器读取机载GPS惯性测量单元的位置和姿态信息，根据多束光源偏转角度信息以及距离信息，获得目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统成像。
本发明的有益效果：
一、本发明所述的雷达成像系统采用大功率多光束激光作为出射光束，既提高了探测距离，还扩大了探测区域。
二、本发明所述的雷达成像系统采用光学相控阵阵列作为光束偏转器件，减小了系统的体积，同时实现了快速扫描，提高了图像的分辨率。采用盖革模式APD阵列作为核心探测器组件，可实现单光子测距，具有高灵敏度和高成像帧频。中央处理器采用多核DSP作为中央处理单元，实现了数据的并行计算，提高了三维图像的成像速度。
三、本发明所述的雷达系统，通过多光束激光对地面目标区域进行扫描，得到相应的点云数据，并对所得数据进行处理，实现高帧频、高分辨率、大视场的目标三维图像重构，实时高速地完成中远距离对地目标的探测任务。
四、本发明所述的雷达系统，具备测量速度快、测量精度高、无需合作目标、抗干扰能力强等优点。利用其获取三维信息的能力和透视能力，可用于地形地貌的测绘，不仅可以对普通地形建立数字地形模型，还可对具有植被覆盖的地形或被海水覆盖的近海岸建立数字地表模型，同时，它还是战场侦察的利器，尤其是探测荫蔽在植被之下或伪装网下的军事目标，具有不可替代的作用。此外，它在机器人视觉、安全监控，工业自动化生产等民用方面也有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统的结构框图；
图2为本发明所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统中多光束激光模块结构示意图；
图3为本发明所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统中发射模块结构示意图；
图4为本发明所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统中接收模块的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，包括多光束激光模块1、发射模块2、接收模块3、中央处理器4和距离测量单元7，所述多光束激光模块1包括分束器1-1、相位调制器阵列1-2、光纤放大器阵列1-3和准直扩束阵列1-4；
所述发射模块2包括单向玻璃阵列2-1和光学相控阵(Optical Phased-Array,OPA)阵列2-2；
接收模块3包括滤光片阵列3-1、双胶合透镜阵列3-2、面阵APD阵列3-3、淬火电路3-4和距离测量单元3-5；
多光束激光模块1接收到中央处理器(DSP C6678)发送的“start”信号后控制种子光源发射大功率激光信号，种子光源进入分束器1-1，经过分束器1-1分为N束光，分成的N束光经过相位调制器阵列1-2调制每束光的相位使其相位相同，然后经光纤放大器阵列进行功率放大，经准直扩束阵列1-4准直扩束后输出为高功率多光束激光，输出的激光进入发射模块，经过单向玻璃阵列2-1、OPA阵列，进行电光扫描，所述中央处理器(DSP C6678)发送一组驱动信号U(U1,U2…Un)到光学相控阵阵列2-2，控制多束光源偏转，使所述多束光源入射至目标区域6；激光经过目标区域发射后，入射光束依次经过OPA阵列和单向玻璃阵列2-1，此时，入射光束经过单向玻璃时被反射进入接收模块，再经过滤光片阵列3-1进行滤光后经过双胶合透镜阵列3-2，接收光路将接收的光信号送入面阵APD阵列3-3读出电路，面阵APD阵列3-3将所接收到的光信号转换成相应的电信号，再经淬火电路阵列3-4处理，由距离测量单元利用脉冲飞行时间测量方法计算被探测目标区域的距离信息，中央处理电路4读取机载GPS惯性测量单元的位置和姿态信息，综合光束偏转角度信息，飞机位置和姿态信息以及距离信息进行三维图像重构，实现大视场、高分辨率成像。
本实施方式中，所述距离测量单元采用脉冲飞行时间测量方法，采用基于FPGA的计时电路实现。
本实施方式中还包括显示模块，用于对中央处理器处理的图像显示。
本实施方式中，OPA体积小、重量轻，可以与激光雷达技术相复合设计一种大功率多光束激光输出的光学相控阵激光三维成像雷达系统，采用大功率多光束发射激光，以多个小面阵盖革模式的APD为核心探测器组件，利用光学相控阵实现光束偏转，通过多光束激光对地面目标区域进行扫描，实现高帧频、高分辨率、大视场的目标三维图像重构，实时高速地完成中远距离对地目标的探测任务。

Claims (4)

1.机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，包括多光束激光模块（1）、发射模块（2）、接收模块（3）、中央处理器（4）和距离测量单元（3-5），其特征是；所述多光束激光模块（1）包括分束器（1-1）、相位调制器阵列（1-2）、光纤放大器阵列（1-3）和准直扩束阵列（1-4）；
所述发射模块（2）包括单向玻璃阵列（2-1）和光学相控阵阵列（2-2）；
接收模块（3）包括滤光片阵列（3-1）、双胶合透镜阵列（3-2）、面阵APD阵列（3-3）、淬火电路（3-4）和距离测量单元（3-5）；
所述中央处理器（4）控制多光束激光模块（1）发射激光光源，所述激光光源通过分束器（1-1）分为多束光源，所述多束光源经相位调制器阵列（1-2）调制相位后经光纤放大器阵列（1-3）进行功率放大，然后经准直扩束阵列（1-4）进行准直扩束后由发射模块（2）接收；
所述发射模块（2）接收的多束光源经单向玻璃阵列（2-1）透射至光学相控阵阵列（2-2），所述中央处理器（4）向光学相控阵阵列（2-2）发送驱动信号，控制多束光源偏转，使所述多束光源入射至目标区域（6）；
经所述目标区域（6）反射的多束光源入射至所述光学相控阵阵列（2-2）和单向玻璃阵列（2-1），经所述单向玻璃阵列（2-1）反射的多束光源依次经滤光片阵列（3-1）和双胶合透镜阵列（3-2）后由面阵APD阵列（3-3）接收，所述面阵APD阵列（3-3）将接收的多束光源的光信号转换成电信号，经对应的淬火电路（3-4）后由对应的距离测量单元（3-5）计算目标区域的距离信息，所述中央处理器（4）读取机载GPS惯性测量单元的位置和姿态信息，根据多束光源偏转角度信息以及距离信息，获得目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统成像。
2.根据权利要求1所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，其特征在于，还包括显示模块（5），所述显示模块与中央处理器（4）连接，对中央处理器获得的图像信息进行显示。
3.根据权利要求1所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，其特征在于，所述距离测量单元采用FPGA计时电路。
4.根据权利要求1所述的机载多光束光学相控阵激光三维成像雷达系统，其特征在于，所述中央处理器（4）采用DSP。
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