CN108845331B - 一种激光雷达探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括：全固态激光器用于辐射出脉宽很窄、峰值功率较高的脉冲光束；发射光学系统用于将光束匀化、扩束后发射到外部空间，并用于照明待测目标；接收光学系统用于接收经目标不同位置处反射的回波脉冲；焦平面探测器用于测得回波脉冲的波形与强度信息；读出电路用于获取焦平面探测器测得的回波脉冲强度，并以此获得目标的反射特性信息。本发明的激光雷达探测系统，通过构建高成像速度的三维激光雷达、构建结构紧凑、轻量化的三维激光雷达，从而精确地获取目标的距离、三维形貌信息，同时获取目标的表面反射特性。

Description

一种激光雷达探测系统
技术领域
本发明涉及三维成像激光雷达领域，尤其涉及一种激光雷达探测系统。
背景技术
随着人类探索、开发和利用外层空间的深入以及太空战的现实需求，诸如故障航天器的在轨捕获与维修、空间垃圾清除及太空反卫等课题已成为航天技术发展需要面对和解决的课题，而非合作目标(泛指不能提供有效合作信息的空间物体，包括故障或失效卫星、空间碎片以及对方航天器等)的探测与识别技术是解决这些问题必需的关键基础技术。由于非合作目标缺乏先验知识、不能安装人工标记、信息获取途径少，且无法进行航天器间的通信，使得非合作目标的位姿测量十分困难，此时选择合适的测量传感器和测量方法显得尤为重要。
光学测量手段无需接触目标就能获取目标的位姿信息，是非合作目标位姿测量的主要手段。常用的光学测量手段包括单目成像、双目视觉以及激光雷达成像等。单目相机是最常见也是最简单的光学传感器，是大部分航天器上的标准装备；然而由于其无法直接获取目标的距离与三维形貌信息，在非合作目标位姿测量中常常受到限制。双目视觉利用三角测量方法，模拟人眼成像原理，能够获取目标的三维图像；由于其测量的关键技术是图像配准和三维重建技术，故而将受限于目标表面的纹理信息，若目标表面缺少纹理信息(如平滑的黑色表面)，则同名点提取和匹配就会变得非常困难，从而影响距离信息的确定；同时双目相机的配置受限于服务航天器的尺寸，测距距离和精度受基线长度限制。
传统的激光雷达成像系统可以同时获得非合作目标的距离、三维形貌信息，在诸多外层空间研究中得到了广泛应用。通常，激光雷达可分为扫描型和凝视型两类。由于目标是运动的，而扫描型激光雷达的成像速度又较慢，所以会导致运动失真问题，无法获得目标表面精确的三维点云信息。基于焦平面阵列探测器的凝视型三维成像激光雷达无需对场景进行逐行扫描，可实时获得目标的三维图像；并且由于取消了光束扫描机构，其系统更加稳定可靠，具有更好的可维护性，质量更轻、功耗更小、体积更紧凑。这些优势都是外层空间研究中所需要的。然而，传统的凝视型激光雷达还存在诸多弊端：(1)相比于扫描型激光雷达，其探测距离较短；(2)由于传统的大功率脉冲激光器、发射光学系统和接收光学系统的体积和重量均较大，所以整体系统的体积和重量均无法进一步压缩；(3)只能获得目标的距离与三维形貌信息，无法获取目标表面的反射特性。
发明内容
基于上述问题，本发明提供一种激光雷达探测系统，能够有效减少探测器体积，提高探测精度。
为解决上述问题，本发明提供了一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括：
全固态激光器用于辐射出脉宽很窄、峰值功率较高的脉冲光束；
发射光学系统用于将光束匀化、扩束后发射到外部空间，并用于照明待测目标；
接收光学系统用于接收经目标不同位置处反射的回波脉冲；
焦平面探测器用于测得回波脉冲的波形与强度信息；
读出电路用于获取焦平面探测器测得的回波脉冲强度，并以此获得目标的反射特性信息。
本发明的激光雷达探测系统，通过构建高成像速度的三维激光雷达、构建结构紧凑、轻量化的三维激光雷达，从而精确地获取目标的距离、三维形貌信息，同时获取目标的表面反射特性。
附图说明
图1示出了本发明的激光雷达探测系统结构示意图；
图2示出了本发明的发射与接收光学系统示意图；
图3示出了本发明的单个像素的读出电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本方案利用雪崩二极管阵列作为焦平面探测器，采取微小型大功率全固态激光器、基于折/衍射光学的小型化发射与接收光学系统、集成读出电路等微系统架构手段实现轻量化、小型化的三维激光雷达系统。其测量方法同样是基于测量飞行时间的方案，具体而言：(1)激光器辐射出脉宽很窄(ns量级)、峰值功率较高(kW量级)的脉冲光束，此时开始计时；(2)该光束经发射光学系统匀化、扩束后发射到外部空间，并用于照明待测目标；(3)目标不同位置处反射的回波脉冲经接收光学系统作用，由焦平面探测器中相对应的雪崩二极管接收；(4)通过调节雪崩二极管的反向偏压，使其工作于线性模式，即可测得回波脉冲的波形与强度信息；(4)利用时刻鉴别电路精确获取回波脉冲的返回时刻，并停止计时；(5)通过提取焦平面探测器中所有雪崩二极管测得的飞行时间来构建目标的三维形貌，并得到距离信息；(6)与此同时，利用读出电路获取所有雪崩二极管测得的回波脉冲强度，并以此获得目标的反射特性信息。具体的三维成像激光雷达微系统架构如图1所示，其结构设计图如图1所示。
基于可饱和吸收材料的被动调Q固体脉冲激光器，其结构相对简单、稳定性好，且容易实现小型化，所以选取该类型激光器作为脉冲激光光源。该激光器的结构为：(1)808nm波长的半导体激光器作为泵浦源，其输出的泵浦光束通过自聚焦透镜进行汇聚。(2)汇聚后的光束透过腔镜耦合进Nd:YAG晶体，该腔镜需要镀808nm增透膜和1064nm高反膜；808nm增透膜可增加泵浦光束的透过率，进而增加泵浦效率；1064nm高反膜可降低1064nm波长激光器谐振腔的损耗，进而增加激光器的整体效率。(3)Nd:YAG晶体作为增益介质，在808nm泵浦光束作用下发生粒子数反转，进而产生1064nm波长的激光。(4)Cr4+:YAG作为可饱和吸收材料，用于实现被动调Q，进而将Nd:YAG晶体产生的连续激光调制为ns量级的脉冲激光。(5)对Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体进行热键合形成Nd:YAG/Cr4+:YAG晶体，这样可以缩减激光器体积。(6)输出耦合镜和腔镜共同构成激光器谐振腔，且输出耦合镜通过镀膜将1064nm波长激光的透过率控制在5％～30％。(7)1064nm脉冲激光透过输出耦合镜辐射到扩束透镜，经调制后输出到外部空间中。(8)由于激光器工作时会产生寄生热，并使得晶体温度发生变化，而该温度变化又对输出光束的脉宽、功率产生影响，鉴于此，需要引入温度控制模块以增加系统稳定性。
当半导体激光器的抽运功率约为10W时，该固体激光器可实现的性能参数如下：激光脉宽可达3ns，脉冲重频可达10kHz，脉冲峰值功率约为5kW，输出光束的光斑直径约为1mm，光束远场发散角可达几个mrad，其光束质量因数约为M2＝1.2。其中纳秒量级的激光脉宽有利于提升三维成像激光雷达系统的测量精度，千瓦量级脉冲峰值功率有利于实现增加三维成像激光雷达系统的探测距离，M2＝1.2的光束质量因数有利于后续发射光学系统的设计与实现。将上述所有器件与时序控制、电源系统进行封装后，该固体激光器的外形尺寸最终可达50mm x 40mm x 20mm，实现了激光器的小型化，有利于三维成像激光雷达系统体积的压缩。
在整个雪崩二极管阵列电路中，读出电路与计时电路的整体设计需要全局考虑阵列中所有组件的时钟分配、控制、电路复用等细节。整个电路功能需要实现将雪崩二极管测得的回波脉冲飞行时间和强度信息进行读取。将整体电路分为多条链路，进行读出电路串联设计，其结构如图3所示。
在体积、重量、功耗均大为降低的前提下，依旧可以实现传统凝视型激光雷达的性能指标，比如远距离(大于500m)、高成像速度(数千帧每秒)，同时，还可以探测目标的表面反射特性。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种激光雷达探测系统，其特征在于，包括：
微型大功率全固态激光器用于辐射出脉宽很窄、峰值功率较高的脉冲光束；
小型发射光学系统用于将光束匀化、扩束后发射到外部空间，并用于照明待测目标；
小型接收光学系统用于接收经目标不同位置处反射的回波脉冲；
焦平面探测器用于测得回波脉冲的波形与强度信息；
读出电路用于获取焦平面探测器测得的回波脉冲强度，并以此获得目标的反射特性信息；
所述微型大功率全固态激光器为基于可饱和吸收材料的被动调Q固体脉冲激光器，所述全固态激光器具体包括：
泵浦源，采用808nm波长的半导体激光器作为泵浦源，
自聚焦透镜，用于将从泵浦源输出的泵浦光束进行汇聚；
腔镜，用于将汇聚后的光束耦合进Nd:YAG晶体；
Nd:YAG晶体，作为增益介质产生激光；
Cr4+:YAG，作为可饱和吸收材料，用于实现被动调Q，将所述Nd:YAG晶体产生的连续激光调制为ns量级的脉冲激光；
其中，所述Nd:YAG晶体和Cr4+:YAG晶体通过热键合形成Nd:YAG/Cr4+:YAG晶体；
所述微型大功率固态激光器发出的激光脉宽可达3ns，脉冲重频可达10kHz，脉冲峰值功率约为5kW，输出光束的光斑直径约为1mm，光束远场发散角可达几个mrad；
所述微型大功率固态激光器的外形尺寸最终可达50mm x 40mm x 20mm；
所述小型发射光学系统采用3片式伽利略型透镜进行扩束；
所述小型接收光学系统采用球面镜加非球面镜的设计；
所述焦平面探测器采用雪崩二极管阵列。
2.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述读出电路用于将工作在线性模式的雪崩二极管输出的电流信号按照一定的帧频读取出来，为后续的计时电路提供停止判据，以此获取脉冲的飞行时间以及回波光强度，完成激光探测的功能。
3.如权利要求1所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述读出电路包括I/V转换、积分器、滤波器和计时器。
4.如权利要求3所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述读出电路用于获取焦平面探测器测得的回波脉冲强度具体为获取每个像素输出的飞行时间和光强度信息。
5.如权利要求3所述的激光雷达探测系统，其特征在于，所述读出电路的工作时序具体为，当门控信号开始时，激光器发出脉冲的同时计时器开始计时，APD接收到回波信号后，经过读出电路的处理得到每个像素的脉冲飞行时间TOF和光强度信息。
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