CN109298406B - 基于液晶相控阵的激光雷达系统 - Google Patents

基于液晶相控阵的激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

基于液晶相控阵的激光雷达系统，涉及激光相控技术领域，解决现有光路中采用分光器件将入射光和出射光分离开，分光器件的引入会导致光强的损失，使得光束偏转系统的使用受到限制的问题，包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统；激光发射系统包括激光器A、发射光路；发射光路包括扩束准直系统A、精偏转系统、1/4波片、粗偏转系统；精偏转系统包括1/2波片、LCSLM和DSP控制器；粗偏转系统包括液晶偏振旋转器、LCPG和偏振光栅控制器；回波接收系统包括FPGA、MPPC和接收光路；本发明采用斜入射的方式，使入射到液晶空间光调制器的光与出射光的夹角增大，不仅简化了光路，减小了系统体积，也减少分光器件导致的光强损失，增大液晶空间光调制器的使用范围。

Description

基于液晶相控阵的激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光相控技术领域，具体涉及一种宽视场、高精度、高衍射效率的激光相控阵雷达系统。
背景技术
与其他体制雷达相比，激光雷达具有更高的载波频率。在测速、测角和测距上比微波雷达具有更高的分辨率，且具有作用距离远、抗干扰能力强、能获得目标的多种图像等优点，因此在目标探测、目标成像、目标测速、目标跟踪等领域受到广泛关注并成为研究热点。传统的激光雷达系统通过伺服系统驱动机械转动机构来实现光束扫描，但由于伺服系统体积大、功耗高、抗振动性差、机械惯性强，容易出现谐振现象，难以满足高性能激光雷达的应用需求。为了满足下一代激光雷达在满足低SWaP(Size,Weight,and Power Consumption，体积、重量和功耗)及其技术指标的需求。新型的光束偏转系统需要实现扫描视场范围大、扫描角度可连续控制、响应时间快、偏转精度高的光束偏转控制，但目前现有的光束偏转技术很难兼顾这些要求。
将液晶空间光调制器(LCSLM，Liquid crystal spatial light modulator)与液晶偏振光栅(LCPG，Liquid crystal polarization grating)组合使用便可以很好的解决上述问题，但目前的LCSLM多为反射式，在光束垂直入射时，光路中必须采用分光器件将入射光和出射光分离开，分光器件的引入会导致光强的损失，使得LCSLM的使用受到限制。因此本发明提出一种斜入射下LCSLM和LCPG相结合的宽视场，高精度，高衍射效率的激光相控阵雷达系统，同时提出一种斜入射下LCSLM的相位调制特性曲线测量方法。这将对未来激光雷达系统产生重要影响，并且对空间光通信、激光整形及光学成像等诸多应用技术的发展有着重要的推进作用。
发明内容
本发明为解决光路中采用分光器件将入射光和出射光分离开，分光器件的引入会导致光强的损失，使得光束偏转系统的使用受到限制的问题，提供一种基于液晶相控阵的激光雷达系统。
基于液晶相控阵的激光雷达系统，包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统；所述激光发射系统包括激光器A、发射光路；
所述发射光路包括扩束准直系统A、精偏转系统、1/4波片、粗偏转系统；
所述精偏转系统包括1/2波片、LCSLM和DSP控制器；
所述粗偏转系统包括液晶偏振旋转器、LCPG和偏振光栅控制器；
回波接收系统包括FPGA、MPPC和接收光路；
所述中央处理单元控制激光器A出射线偏振光，并向FPGA发送计时指令，FPGA开始计时；
所述线偏振光经扩束准直系统A后，光束经过1/2波片产生与LCSLM光轴方向相同的线偏振光，该线偏振光以一定的角度斜入射到LCSLM，通过LCSLM的线偏振光经1/4波片后，变成圆偏振光入射到粗偏转系统，通过粗偏转系统中的液晶偏振旋转器选择光的左右旋性，再经过LCPG；
中央处理单元向偏振光栅控制器发送光束偏转指令，控制LCPG实现光束的偏转，再向DSP控制器发送光束偏转指令，控制LCSLM实现光束的高精度偏转，同时校正大角度偏转时产生的系统误差；
接收光路将接收的回波激光汇聚到MPPC的感光面上，实现回波激光的准确接收，所述中央处理单元控制FPGA停止计时，并将回波激光中目标信息传至中央处理单元。
本发明的有益效果
一、本发明采用液晶偏振光栅与液晶空间光调制器相结合的方法，在光束斜入射的情况下，通过精偏转系统来确定光束的高分辨率，粗偏转系统控制光束的大角度偏转，设计一种大视场、高精度的光束偏转系统，同时兼顾了高精度和大角度两个性能指标，实现了大范围内的高精度光束偏转。
二、本发明采用斜入射的方式，可使入射到液晶空间光调制器的光与出射光的夹角增大，使入射光与出射光分离开，代替了分光器件分离入射光和出射光。不仅简化了光路，减小了系统体积，也可减少分光器件导致的光强损失，增大液晶空间光调制器的使用范围。
三、本发明所设计的接收系统，采用牛顿望远镜接收回波信号，以滤光片滤除背景杂光，双胶合透镜将回波汇聚到MPPC的感光面上。这种结构可获得尽可能多的回波能量，尽量减少信号衰减，提高信号的信噪比；并在减小系统体积的同时，有效降低光损失的问题，从而实现远距离的探测以及获取更高的距离分辨率。同时采用FPGA实现数据高速读取传输与控制，提高运算效率，有效减少数据处理时间。
四、本发明采用偏振干涉原理构建相位调制系统，通过测量一束光中两个偏振分量的干涉结果，得到斜入射下LCSLM的相位调制特性曲线，无需额外引入参考光，光路简单，且抗干扰性好，对环境振动和空气扰动不敏感，测量结果更加准确。
五、本发明采用傅里叶变换算法对测得的实验数据进行拟合。该算法效率高，速度快，且经过傅里叶变换表示的曲线具有良好的保真度。
附图说明
图1为本发明所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统总体框图；
图2为采用本发明所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统中发射系统结构图；
图3为本发明所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统接收系统结构图；
图4为本发明所述的LCSLM相位调制特性曲线测量系统结构图；
图5为本发明LCSLM相位调制特性曲线测量方法斜20°入射时归一化光强随灰度值变化曲线示意图；
图6为本发明LCSLM相位调制特性曲线测量方法斜20°入射时灰度值与相位调制量的关系曲线示意图；
图7为本发明LCSLM相位调制特性曲线测量方法斜20°入射时经傅立叶变换拟合后的灰度值与相位调制量的关系曲线示意图；
图8为本发明LCSLM相位调制特性曲线测量方法斜20°入射时经反插值后的灰度值与相位调制量的线性对应关系曲线示意图；
图9为本发明LCSLM相位调制特性曲线测量方法斜20°入射时灰度值与相位调制量的理想特性曲线与校正特性曲线对比图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于液晶相控阵的激光雷达系统，包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统；所述激光发射系统包括激光器、发射光路；所述发射光路包括扩束准直系统、精偏转系统、1/4波片、粗偏转系统；所述精偏转系统包括1/2波片、LCSLM和DSP控制器；所述粗偏转系统包括液晶偏振旋转器、液晶偏振光栅和偏振光栅控制器；回波接收系统包括FPGA、多像素光子计数器(MPPC)和接收光路；
所述中央处理单元控制激光器出射激光，同时给FPGA发送指令，FPGA开始计时。其中中央处理单元采用具有较强并行计算能力的8核DSP芯片TMS320C6678，用于控制光束发射与接收，并对通过读出电路计算得到的目标距离信息以及光束偏转角度信息进行处理。激光器出射的激光为线偏振光，线偏振光经过由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的伽利略扩束结构，实现光束的扩束准直。扩束准直后的光束斜入射到精偏转系统中，精偏转系统出射的光束经过1/4波片，使线偏振光变成圆偏振光入射到粗偏转系统中，入射到粗偏转系统的圆偏振光通过液晶偏振旋转器选择光的左右旋性，再经过液晶偏振光栅，中央处理单元给偏振光栅控制器发送偏转指令，控制偏振光栅实现光束的大角度偏转。中央处理单元给LCSLM控制器发送偏转指令，控制LCSLM实现光束的高精度偏转，同时校正系统误差。采用接收系统接收回波激光，接收光路中采用折反式光学系统，经滤光片滤除背景杂光后由双胶合透镜将回波激光汇聚到MPPC的感光面上，实现回波激光的准确接收。MPPC准确接收回波激光后，控制FPGA停止计时，同时将目标信息传输给中央处理单元进行处理。
本实施方式中所述的接收光路包括牛顿望远镜、滤光片和双胶合透镜，采用牛顿望远镜将回波激光反射至滤光片，以滤光片滤除背景杂光，双胶合透镜将回波汇聚到MPPC的感光面上，保证MPPC准确接收回波，实现远距离的探测，以及获取更高的距离分辨率。可采用数字读出电路降低应用系统数据处理压力，实现多回波探测。为实现高速MPPC数据读取与数据处理，将MPPC的读出电路与控制电路整合到一起，利用FPGA实现数据高速读取传输与控制，并设计专用算法，提高运算效率，从而有效减少数据处理时间。
本实施所述的精偏转系统可实现偏转角度范围为±0.7°的近乎连续扫描的高精度偏转；所述粗偏转系统可实现角分辨率为0.7°，偏转角度范围为±40°的大角度偏转。整个激光相控阵雷达系统可实现±40°的近乎连续扫描的宽视场、高精度、高衍射效率的光束偏转。
具体实施方式二、结合图4至图9说明本实施方式，采用偏振干涉原理构建相位调制系统，通过测量一束光中两个偏振分量的干涉结果，得到入射角为斜20°下LCSLM的相位调制特性曲线。斜入射下LCSLM的相位延迟测量系统包括：激光器B、扩束准直系统B、半波片、偏振片P1和偏振片P2。
激光器出射一束1064nm的线偏振光经扩束准直后，通过半波片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，再通过偏振片P1斜20°入射到LCSLM上，调整偏振片P1，使偏振片P1的光轴与LCSLM的液晶快轴成45°夹角，与LCSLM的液晶快轴平行的光(偏振片P1光轴的45°夹角分量)经LCSLM调制后反射回来，另一部分未经调制的光直接反射回来。经LCSLM调制后反射回来的光入射到偏振片P2上，调整偏振片P2，使偏振片P2的光轴与LCSLM的液晶快轴成45°夹角，同时与偏振片P1的光轴成90°夹角，使得只有光矢量平行于偏振片P2光轴的光透过(LCSLM的液晶快轴的45°夹角分量)。
通过给LCSLM施加周期性变化的0-255灰度图，得到入射角为斜20°的呈周期性变化的光强值，采用能量计接收并存储光强信息；通过分析施加的灰度值与光强的对应关系，可得到灰度值与相位调制量的关系，并采用傅里叶变换算法对测得的实验数据进行拟合,修正个别奇异值；将灰度值与相位调制量的关系曲线截取一个0-2π的相位变化周期，采用反插值法，将实际输入灰度值和液晶空间光调制器的驱动灰度值之间建立一种非线性的映射关系，补偿液晶空间光调制器相位调制曲线的非线性，使输入灰度与调制相位之间满足线性的对应关系。得到入射角为斜20°的LCSLM用户查找表(LUT)，即LCSLM驱动灰度与输入灰度之间的对应关系。

Claims (4)

1.基于液晶相控阵的激光雷达系统，包括中央处理单元、激光发射系统和回波接收系统；其特征是：
所述激光发射系统包括激光器A、发射光路；
所述发射光路包括扩束准直系统A、精偏转系统、1/4波片、粗偏转系统；
所述精偏转系统包括1/2波片、LCSLM和DSP控制器；
所述粗偏转系统包括液晶偏振旋转器、LCPG和偏振光栅控制器；
回波接收系统包括FPGA、MPPC和接收光路；
所述中央处理单元控制激光器A出射线偏振光，并向FPGA发送计时指令，FPGA开始计时；
所述线偏振光经扩束准直系统A后，光束经过1/2波片产生与LCSLM光轴方向相同的线偏振光，该线偏振光以一定的角度斜入射到LCSLM，通过LCSLM的线偏振光经1/4波片后，变成圆偏振光入射到粗偏转系统，通过粗偏转系统中的液晶偏振旋转器选择光的左右旋性，再经过LCPG；
中央处理单元向偏振光栅控制器发送光束偏转指令，控制LCPG实现光束的偏转，再向DSP控制器发送光束偏转指令，控制LCSLM实现光束的高精度偏转，同时校正大角度偏转时产生的系统误差；
接收光路将接收的回波激光汇聚到MPPC的感光面上，实现回波激光的准确接收，所述中央处理单元控制FPGA停止计时，并将回波激光中目标信息传至中央处理单元；
所述LCSLM为加载斜入射用户查找表的LCSLM，具体实现方法为：
步骤一、激光器B出射的线偏振光经扩束准直系统B后，通过半波片产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，再通过偏振片P1入射到LCSLM上，调整偏振片P1，使偏振片P1的光轴与LCSLM的液晶快轴成45°夹角，与LCSLM的液晶快轴平行的光经LCSLM调制后反射回来，另一部分未经调制的光直接反射回来；
步骤二、经LCSLM调制后反射回来的光入射到偏振片P2上，调整偏振片P2，使偏振片P2的光轴与LCSLM的液晶快轴成45°夹角，同时与偏振片P1的光轴成90°夹角，使得只有光矢量平行于偏振片P2光轴的光透过；
步骤三、通过给LCSLM施加周期性变化的0-255灰度图，获得不同入射角下的呈周期性变化的光强值，采用能量计接收并存储所述光强值；
步骤四、通过分析施加的灰度级与光强值的对应关系，获得灰度值与相位调制量的关系，并采用傅里叶变换算法对测得的灰度值与相位调制量的关系数据进行拟合；
步骤五、对步骤四获得的灰度值与相位调制量的关系曲线截取0-2π的相位变化周期，采用反插值法，将实际输入灰度值与LCSLM的驱动灰度值之间建立非线性的映射关系，补偿LCSLM相位调制曲线的非线性，使输入灰度值与相位调制量满足线性对应关系，获得斜入射下LCSLM用户查找表，即LCSLM驱动灰度值与输入灰度值之间的对应关系。
2.根据权利要求1所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统，其特征在于：
所述接收光路包括牛顿望远镜、滤光片和双胶合透镜；回波激光经牛顿望远镜反射至滤光片，所述滤光片滤除背景杂光后，光束经双胶合透镜汇聚到MPPC的感光面上，使MPPC准确接收回波，实现回波探测。
3.根据权利要求1所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统，其特征在于：所述扩束准直系统A为由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的伽利略扩束结构，实现光束的扩束准直。
4.根据权利要求1所述的基于液晶相控阵的激光雷达系统，其特征在于：该线偏振光以一定的角度斜入射到LCSLM，一定角度的范围为0-45°。
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