CN109655807A - 一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置及系统，包括：分为上下两层的箱体，箱体下层安装有种子源、声光调制器和光纤放大器，种子源和声光调制器并排设置，光纤放大器横向设置；箱体上层有二维扫描振镜、主镜、次镜、耦合器、环形器、双路平衡探测器、中频放大器、二次电源、信息处理器和控制处理器，信息处理器和控制处理器安装在一侧内壁上，二维扫描振镜、主镜和次镜安装于同一列，双路平衡探测器与中频放大器竖向安装，二次电源在次镜下，耦合器和环形器在箱体上层右下角。本发明通过二维振镜扫描实现实时成像，可用于风速场高精度测量或目标距离、强度、速度、振动探测，体积小，适用于车载、机载平台，光调简单、光学稳定性高。

Description

一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置及系统

技术领域

本发明涉及一种雷达系统及装置，具体地，涉及一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置及系统。

背景技术

激光外差相干探测技术可获得回波信号的振幅、相位及频率信息，是目前通过非接触手段获取目标信息最多的一种激光探测技术，该技术具有微弱信号探测能力强及信噪比高的优点，这是传统激光直接探测手段不可比拟的。激光外差相干探测技术最初应用于风速场测量，以克服传统风速测量手段，例如，气象气球、声呐等体积大、空间分辨率低、精度不高的缺点，随着此技术的发展，外差相干技术用于测量空间目标三维结构、距离及运动速度，实现不同种类目标的探测识别。

外差相干探测相对直接探测实现条件苛刻，需要考虑本振光与主振光波前、波矢、模式等因素匹配，对光学调节要求严格。传统的全固态外差相干激光雷达系统，不仅体积增大，而且相干效率受光学调节精度影响很大，此类装置一般为非移动式，限制了载荷平台，且成本高。采用光纤耦合方式的外差相干系统是目前降低系统体积及提高相干效率的有效方案，具有光调简单、光学结构稳定性高、易便携的特点，已成为外差相干探测系统的主要方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置及系统，通过二维扫描振镜扫描实现实时成像，可用于风速场测量或目标距离、强度、速度、振动探测，系统体积小，适用于车载、机载平台。

本发明提供了一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，包括：分为上下两层的箱体，所述箱体开有光学窗口，

所述箱体的下层安装有种子源、声光调制器和光纤放大器，所述种子源和所述声光调制器并排设置，所述光纤放大器横向设置；

所述箱体的上层安装有二维扫描振镜、主镜、次镜、耦合器、环形器、双路平衡探测器、中频放大器、二次电源、信息处理器和控制处理器，所述信息处理器和所述控制处理器安装在所述箱体上层的同一侧内壁上，所述二维扫描振镜、所述主镜和所述次镜安装于同一列，且所述二维扫描振镜紧贴所述箱体的光学窗口设置，双路平衡探测器与中频放大器竖向安装，所述二次电源安装于所述次镜的下方，所述耦合器和所述环形器安装于所述箱体上层的右下角。

进一步的，所述箱体上层的右下角还安装有多个圆环，所述耦合器和所述环形器分别通过多个圆环缠绕固定在所述箱体的上层。

进一步的，所述激光雷达装置还包括第一连接结构和第二连接结构，所述主镜通过所述第一连接结构与所述二维扫描振镜连接，所述次镜通过所述第二连接结构与所述主镜连接。

进一步的，所述第一连接结构为三拉三顶结构，所述第二连接结构为机械拉紧支架。

一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，应用一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，所述激光雷达系统包括：

用于生成连续的主振光和本振光的种子源，用于将连续的主振光转换为脉冲光的声光调制器，用于放大所述脉冲光的光纤放大器，用于控制所述种子源、所述声光调制器和所述光纤放大器的控制处理器，用于调整放大后的脉冲光的路径与所述声光调制器接收到的回波信号的路径的环形器，用于调整焦距的主镜和次镜，用于收发激光的二维扫描振镜，用于将回波信号与本振光耦合的耦合器，用于提高信号信噪比的双路平衡探测器，用于放大中频信号并隔绝其他频段信号的中频放大器，用于控制所述中频放大器、通过所述控制处理器控制所述种子源和所述光纤放大器、接收所述中频放大器输出的数据并根据所述中频放大器输出的数据重构出激光三维点云距离像、强度像和速度像的信息处理器，

所述控制处理器的信号输出端分别与所述种子源的信号输入端、所述声光调制器的信号输入端和所述光纤放大器的信号输入端连接，所述种子源的主振光输出端与所述声光调制器的光输入端连接，所述种子源的本振光输出端与所述耦合器的光输入端连接，所述声光调制器的光输出端与所述光纤放大器的光输入端连接，所述光纤放大器的光输出端与所述环形器的光输入端，所述环形器的光输出端与所述耦合器的光输入端连接，所述环形器和所述次镜光路互通，所述次镜和所述主镜光路互通，所述主镜和所述二维扫描振镜光路互通，所述耦合器的两个光输出端与所述双路平衡探测器的两个光输入端连接，所述双路平衡探测器的信号输出端与所述中频放大器的信号输入端连接，所述中频放大器与所述信息处理器信号互通，所述信息处理器和所述控制处理器信号互通。

进一步的，所述激光雷达系统还包括分别为所述控制处理器、所述种子源、所述声光调制器、所述光纤放大器、所述环形器、所述次镜、所述主镜、所述二维扫描振镜、所述耦合器、所述双路平衡探测器、所述中频放大器和所述信息处理器供电的二次电源。

进一步的，所述激光雷达系统还包括用于实时显示激光三维点云距离像、强度像和速度像、并对信息处理器下达命令的上位机，所述上位机与所述信息处理器信号互通。

进一步的，声光调制器发出的脉冲光的脉宽范围为100ns～300ns，重频为20kHz。

进一步的，二维扫描振镜的面阵扫描规格为32×32，面阵图像输出频率为19.5Hz。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统及装置，通过二维振镜扫描实现实时成像，可用于风速场的高精度测量或目标距离、强度、速度、振动探测，本装置体积小、便携，适用于车载、机载平台，且光调简单、光学稳定性高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置的样机模装图；

图2为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置的下层装配图；

图3为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置的上层装配图；

图4为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置的主镜次镜安装图；

图5为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统的结构示意图；

图6为本发明提出的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置的室内三维距离实验图。

图中：1为种子源，2为声光调制器，3为光纤放大器，4为二维扫描振镜，5为主镜，6为次镜，7为二次电源，8为第一圆环，9为第二圆环，10为第三圆环，11为第四圆环，12为双路平衡探测器，13为中频放大器，14为控制处理器，15为信息处理器，16为耦合器，17为环形器，18为箱体，上位机19。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本发明领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1-图4所示，提供了一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，包括：分为上下两层的箱体18，

箱体18的下层安装有种子源1、声光调制器2和光纤放大器3，种子源1和声光调制器2并排设置，光纤放大器3横向设置；

箱体18的上层安装有二维扫描振镜4、主镜5、次镜6、耦合器16、环形器17、双路平衡探测器12、中频放大器13、二次电源7、信息处理器15和控制处理器14，信息处理器15和控制处理器14安装在箱体18上层的同一侧内壁上，二维扫描振镜4、主镜5和次镜6安装于同一列，且二维扫描振镜4紧贴箱体18上层的内侧壁设置，双路平衡探测器12与中频放大器13竖向安装，二次电源7安装于次镜6的下方，耦合器16和环形器17安装于箱体18上层的右下角。

具体的，在本实施例中，整套装置集成在510×375×260mm的箱体18内，且整套装置功耗约为100W，满足了车载、机载平台的测量需求。本装置中的各个元器件的摆放安装位置是经过仔细考虑推敲的，如信息处理器15和控制处理器14安装在箱体18上层的同一侧内壁上，最大限度地实现了结构优化，二次电源7放置于次镜6下方，利用空间堆砌的方式节省了空间，双路平衡探测器12与中频放大器13竖向安装，不仅可利用空余空间，而且便于接线方便。整个装置内的各个元件的摆放方式将有限的空间利用到了极致，使外差相干激光雷达满足车载、机载平台的测量需求成为可能。

参照图1、图3所示，在本部分优选实施例中，箱体18上层的右下角还安装有多个圆环，耦合器16和环形器17分别通过多个圆环缠绕固定在箱体18的上层。

具体的，在本实施例中，共设有第一圆环8、第二圆环9、第三圆环10和第四圆环11四个圆环，它们用于缠绕环形器17、耦合器16及长度多余的光纤，在闲置不用时，多个圆环仅需放置于箱体18的第二层底板表面，多个圆环本身基本不占用空间，且重量很小。相对于通过螺钉等紧固装置将环形器17和耦合器16安装在箱体18中，多个圆环的使用方式更加自由且轻便。

参照图4所示，在本部分优选实施例中，激光雷达装置还包括第一连接结构和第二连接结构，主镜5通过第一连接结构与二维扫描振镜4连接，次镜6通过第二连接结构与主镜5连接。

参照图1所示，在本部分优选实施例中，第一连接结构为三拉三顶结构，第二连接结构为机械拉紧支架。

第一连接结构的三拉三顶结构主要用于调整主镜投射到扫描振镜上的光斑位置，三拉三顶设计了细微调整结构，能使主镜和扫描振镜同轴，进而使扫描点阵处于最佳工作状态。第二连接结构的机械拉紧支架主要用于调整光纤出射激光与次镜的同轴度。本发明设计的两种机械调整机构，巧妙地完成了光纤激光、次镜、主镜、扫描振镜的光学同轴调整，达到最佳激光光学收发效率和系统工作状态，成像效果满足视觉要求。

具体的，采用三拉三顶结构的第一连接结构和采用机械拉紧支架的第二连接结构有利于主镜5和次镜6的光学校准及两者的结构稳定。且光学收发同轴。

参照图5所示，应用于上述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，激光雷达系统包括：

用于生成连续的主振光和本振光的种子源1，用于将连续的主振光转换为脉冲光的声光调制器2，用于放大脉冲光的光纤放大器3，用于控制种子源1、声光调制器2和光纤放大器3的控制处理器14，用于调整放大后的脉冲光的路径与声光调制器2接收到的回波信号的路径的环形器17，用于调整焦距的主镜5和次镜6，用于收发激光的二维扫描振镜4，用于将回波信号与本振光耦合的耦合器16，用于提高信号信噪比的双路平衡探测器12，用于放大中频信号并隔绝其他频段信号的中频放大器13，用于控制中频放大器13、通过控制处理器14控制种子源1和光纤放大器3、接收中频放大器13输出的数据并根据中频放大器13输出的数据重构出激光三维点云距离像、强度像和速度像的信息处理器15，

控制处理器14的信号输出端分别与种子源1的信号输入端、声光调制器2的信号输入端和光纤放大器3的信号输入端连接，种子源1的主振光输出端与声光调制器2的光输入端连接，种子源1的本振光输出端与耦合器16的光输入端连接，声光调制器2的光输出端与光纤放大器3的光输入端连接，光纤放大器3的光输出端与环形器17的光输入端，环形器17的光输出端与耦合器16的光输入端连接，环形器17和次镜6光路互通，次镜6和主镜5光路互通，主镜5和二维扫描振镜4光路互通，耦合器16的两个光输出端与双路平衡探测器12的两个光输入端连接，双路平衡探测器12的信号输出端与中频放大器13的信号输入端连接，中频放大器13与信息处理器15信号互通，信息处理器15和控制处理器14信号互通。

具体的，种子源1输出主振光和本振光，主振光与本振光皆为连续光，其中，本振光经光纤线路传导至耦合器16中，主振光经声光调制器2转换为脉冲光，脉冲光经光纤放大器3放大后，再经环形器17传递到次镜6、主镜5，最后经二维扫描振镜4照射到目标上；从目标处反射回的回波信号再依次经二维扫描振镜4、主镜5、次镜6和环形器17进入耦合器16与本振光耦合，耦合器16再分别将回波信号和本振光传输给双路平衡探测器12，双路平衡探测器12将回波信号和本振光的信噪比提高后将外差模拟信号发射至中频放大器13，中频放大器13过滤掉除中频信号之外的信号并放大中频信号，将放大后的中频信号发送至信息处理器15处理，信息处理器15可以通过控制处理器14控制种子源1和光纤放大器3，用以控制种子源1输出主振光和本振光的功率，和控制光纤放大器3放大脉冲光的程度，同时，信息处理器15还能够从控制处理器14处获得种子源1和光纤放大器3的参数反馈，信息处理器15亦可以控制中频放大器13对中频信号的放大程度，并根据中频放大器13输出的数据重构出激光三维点云距离像、强度像和速度像等。

参照图5所示，在本部分优选实施例中，激光雷达系统还包括分别为控制处理器14、种子源1、声光调制器2、光纤放大器3、环形器17、次镜6、主镜5、二维扫描振镜4、耦合器16、双路平衡探测器12、中频放大器13和信息处理器15供电的二次电源1。

参照图5所示，在本部分优选实施例中，激光雷达系统还包括用于实时显示激光三维点云距离像、强度像和速度像、并对信息处理器15下达命令的上位机19，上位机19与信息处理器15信号互通。

具体的，上位机19通过信息处理器15发送指令及获得相关元件的参数反馈，并加以显示使工作人员得以了解相关动态，上位机19能够实时显示激光三维点云距离像、强度像和速度像等，如图6所示。图6提供了经本系统探测出的室内三维距离实验结果图，根据此图能够清晰分辨两个靶标右下和左下的深灰色区域，原图中标靶为非常清晰的深蓝绿色部分(图6中为深灰色部分)，室内走廊背景为黄色部分(图6中为浅灰色部分，用伪彩色显示距离值)，由距离像颜色差异能分辨两靶标的前后顺序，右下角标靶颜色更清晰且更深，因此，前左下角标靶相对较模糊，较右下角标靶更远。目标与系统装置之间的距离，测距精度为30cm。

在本部分优选实施例中，声光调制器2发出的脉冲光的脉宽范围为100ns～300ns，重频为20kHz。

具体的，上述参数较有利于得到更为准确清晰的图像。

在本部分优选实施例中，二维扫描振镜4的面阵扫描规格为32×32，面阵图像输出帧频19.5Hz。

具体的，在本实施例中，二维扫描振镜4的面阵扫描规格可调，本发明设定为32×32，有利于成功成像，但使用者也可以根据环境或目标的不同采用不同于本实施例规格的二维扫描振镜4，这种变化同样在本发明的保护范围之内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，其特征在于，包括：分为上下两层的箱体(18)，所述箱体(18)开有光学窗口，

所述箱体(18)的下层安装有种子源(1)、声光调制器(2)和光纤放大器(3)，所述种子源(1)和所述声光调制器(2)并排设置，所述光纤放大器(3)横向设置；

所述箱体(18)的上层安装有二维扫描振镜(4)、主镜(5)、次镜(6)、耦合器(16)、环形器(17)、双路平衡探测器(12)、中频放大器(13)、二次电源(7)、信息处理器(15)和控制处理器(14)，所述信息处理器(15)和所述控制处理器(14)安装在所述箱体(18)上层的同一侧内壁上，所述二维扫描振镜(4)、所述主镜(5)和所述次镜(6)安装于同一列，且所述二维扫描振镜(4)紧贴所述箱体(18)的光学窗口设置，双路平衡探测器(12)与中频放大器(13)竖向安装，所述二次电源(7)安装于所述次镜(6)的下方，所述耦合器(16)和所述环形器(17)安装于所述箱体(18)上层的右下角。

2.根据权利要求1所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述箱体(18)上层的右下角还安装有多个圆环，所述耦合器(16)和所述环形器(17)分别通过多个圆环缠绕固定在所述箱体(18)的上层。

3.根据权利要求1所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述激光雷达装置还包括第一连接结构和第二连接结构，所述主镜(5)通过所述第一连接结构与所述二维扫描振镜(4)连接，所述次镜(6)通过所述第二连接结构与所述主镜(5)连接。

4.根据权利要求3所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，其特征在于，所述第一连接结构为三拉三顶结构，所述第二连接结构为机械拉紧支架。

5.一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，其特征在于，应用权利要求1-4任意一项所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达装置，所述激光雷达系统包括：

用于生成连续的主振光和本振光的种子源(1)，用于将连续的主振光转换为脉冲光的声光调制器(2)，用于放大所述脉冲光的光纤放大器(3)，用于控制所述种子源(1)、所述声光调制器(2)和所述光纤放大器(3)的控制处理器(14)，用于调整放大后的脉冲光的路径与所述声光调制器(2)接收到的回波信号的路径的环形器(17)，用于调整焦距的主镜(5)和次镜(6)，用于收发激光的二维扫描振镜(4)，用于将回波信号与本振光耦合的耦合器(16)，用于提高信号信噪比的双路平衡探测器(12)，用于放大中频信号并隔绝其他频段信号的中频放大器(13)，用于控制所述中频放大器(13)、通过所述控制处理器(14)控制所述种子源(1)和所述光纤放大器(3)、接收所述中频放大器(13)输出的数据并根据所述中频放大器(13)输出的数据重构出激光三维点云距离像、强度像和速度像的信息处理器(15)，

所述控制处理器(14)的信号输出端分别与所述种子源(1)的信号输入端、所述声光调制器(2)的信号输入端和所述光纤放大器(3)的信号输入端连接，所述种子源(1)的主振光输出端与所述声光调制器(2)的光输入端连接，所述种子源(1)的本振光输出端与所述耦合器(16)的光输入端连接，所述声光调制器(2)的光输出端与所述光纤放大器(3)的光输入端连接，所述光纤放大器(3)的光输出端与所述环形器(17)的光输入端，所述环形器(17)的光输出端与所述耦合器(16)的光输入端连接，所述环形器(17)和所述次镜(6)光路互通，所述次镜(6)和所述主镜(5)光路互通，所述主镜(5)和所述二维扫描振镜(4)光路互通，所述耦合器(16)的两个光输出端与所述双路平衡探测器(12)的两个光输入端连接，所述双路平衡探测器(12)的信号输出端与所述中频放大器(13)的信号输入端连接，所述中频放大器(13)与所述信息处理器(15)信号互通，所述信息处理器(15)和所述控制处理器(14)信号互通。

6.根据权利要求5所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括分别为所述控制处理器(14)、所述种子源(1)、所述声光调制器(2)、所述光纤放大器(3)、所述环形器(17)、所述次镜(6)、所述主镜(5)、所述二维扫描振镜(4)、所述耦合器(16)、所述双路平衡探测器(12)、所述中频放大器(13)和所述信息处理器(15)供电的二次电源(1)。

7.根据权利要求5所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，其特征在于，所述激光雷达系统还包括用于实时显示激光三维点云距离像、强度像和速度像、并对信息处理器(15)下达命令的上位机(19)，所述上位机(19)与所述信息处理器(15)信号互通。

8.根据权利要求6所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，其特征在于，声光调制器(2)发出的脉冲光的脉宽范围为100ns～300ns，重频为20kHz。

9.根据权利要求6所述的一种1.06μm脉冲外差相干二维扫描激光雷达系统，其特征在于，二维扫描振镜(4)的面阵扫描规格为32×32，面阵图像输出帧频为19.5Hz。