CN111650602A - 基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于衍射光学元件DOE与光纤阵列的多波长激光雷达系统，包括多波长激光器组、发射光学系统、多波长DOE模块、多波长合束模块、光束扫描模块、接收光学系统、光纤阵列、多波长面阵探测器组、多波长回波信号处理、多波长三维图像处理模块。本发明采用DOE衍射分束，实现激光束阵列照明，通过调节不同波长激光束阵列空间的分布，实现高密度激光点阵照明；多波长激光点阵与接收端光纤阵列在空间分布上形成一一对应关系，利用不同波长的空间分布，光纤阵列取代传统的色散元件，避免多级色散元件带来系统体积增加，同时也解决面阵探测器占空比低的问题，提高面阵探测系统能量利用率。
Description
技术领域
本发明属于机载光电成像技术领域，涉及一种基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达。
背景技术
多波长激光雷达是一种主动式传感器，它以有、无人机为工作平台，通过发射不同波长的激光照射目标，接收回波信号获取主动多光谱数据和三维空间数据。在高点密度地形测绘、无缝衔接的水陆一体化探测、环境建模、精细的都市绘图以及植被分类上有着广泛的应用。
在机载激光雷达成像体制中，相对于单点扫描，小规模阵列探测器和光学扫描装置结合，可以兼顾探测距离、成像速度、成像覆盖范围等综合要求；但是常规泛光照明的方式，相对占空比较低的面阵探测器来说，能量损失较大。
多波长激光雷达接收端一般采用大口径光学天线共孔径接收，在接收后端对波长进行空间分离，空间色散元件一般采用二向色镜或者薄膜滤波片，多块空间色散元件对多波长进行空间分离，同时结合一些反射镜完成接收后端系统的布局。整个后端系统较复杂，体积固定且较大，装调也繁琐；随着波长数目增加复杂度进一步增加。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：克服上述现有技术的不足，提出一种基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，以应用于机载光电成像技术领域。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其包括多波长激光器组1、发射光学系统2、多波长DOE模块3、多波长合束模块4、光束扫描模块5、接收光学系统6、光纤阵列7、多波长面阵探测器组8、多波长回波信号处理模块9、多波长三维图像处理模块10；多波长激光器组1发射空间分离的多波长激光光束；来自多波长激光器组1的激光束通过发射光学系统2进行扩散、准直后，分别通过各自波长对应的多波长DOE模块3中的DOE器件，完成单束激光到多束阵列的转变；多波长激光阵列通过多波长合束模块4实现对多波长激光点阵空间位置的调控；合束后的多波长激光束通过光束扫描模块5完成对地大角度扫描；接收光学系统6将多波长激光回波聚焦并耦合进入位于焦平面上的光纤阵列7一端，在光纤阵列7的另一端，对应波长的光纤分别连接到与之对应的面阵探测器8上；面阵探测器8输出的原始信号经过多波长回波信号处理模块9和多波长三维图像处理模块10后，获取目标的几何信息和光谱信息。
其中，所述的多波长激光器组1由多台或单台激光器构成，发射多个激光波长，各波长激光束在空间上独立且分离，构成对目标的主动光谱探测光源。
其中，所述的发射光学系统2对激光束进行扩散和准直，达到DOE器件对入射激光光束尺寸和束散角的要求；所述的多波长DOE模块3，根据各个波长激光束空间分布要求，独立设计DOE相位分布，多块DOE组合实现多波长激光点阵照明；所述的多波长合束模块4根据各个波长DOE器件出射光束的空间分布特点，调整其点阵空间位置，实现聚焦光斑与光纤位置一一对应。
其中，所述的接收光学系统6包括大口径反射望远系统与消色差透镜组，完成消色差处理，实现宽波段成像；所述的光纤阵列7的光纤空间排布与焦平面上多波长激光光斑空间分布一一对应以及单光斑对应的接收视场小于光纤端面接收角；所述的多波长面阵探测器组8，根据激光波长选择探测器，不同波长对应不同类型的面阵探测器；所述的多波长回波信号处理模块9按波长独立完成信号处理，获取目标的距离信息和强度信息；所述的多波长三维图像处理模块10通过目标几何形状和空间位置进行辐射强度矫正，获取高精度目标光谱信息，多波长数据融合，获取高精度目标几何信息。
其中，所述多波长激光器组1采用Nd:YAG固体激光器，产生基频光λ1＝1.06μm，非线性调频获取λ2＝1.57μm，通过倍频晶体，获取倍频光λ3＝0.53μm，三倍频光λ4＝0.35μm，实现四波长激光脉冲同步输出，输出光窗相互独立分离。
其中，所述发射光学系统2针对0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm四波长激光光束质量分别设计相对应的扩散和准直系统，使其达到对应波长DOE器件对于入射光束质量的要求；多波长DOE模块3对0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm四波长激光光束都采用8×8面阵分束器，单个光斑尺寸为0.5mrad，光斑角间距为1mrad，保证四波长光斑阵列之间相互无重叠区域产生。
其中，所述光束扫描模块5采用双光楔扫描镜实现30°圆锥对地扫描。
其中，所述光纤阵列7采用大纤芯多模光纤，构成16×16光纤矩形，与在焦平面上多波长激光光斑分布一致。
其中，所述多波长面阵探测器组8中，0.35μm和0.53μm激光光束采用8×8MCP-PMT面阵探测器、1.06μm激光光束采用8×8Si APD面阵探测器、1.57μm激光光束采用8×8InGaAs APD面阵探测器。
其中，所述多波长回波信号处理9进行256路信号处理，获取多波长脉冲飞行时间和强度信息；所述多波长三维图像处理模块10采用多波长数据融合，获取目标几何信息以及多光谱三维图像。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，采用DOE衍射分束，实现激光束阵列照明，通过调节不同波长激光束阵列空间的分布，实现高密度激光点阵照明；多波长激光点阵与接收端光纤阵列在空间分布上形成一一对应关系，利用不同波长的空间分布，光纤阵列取代了传统的色散元件，避免了多块色散元件带来系统体积增加；同时也解决面阵探测器占空比低的问题，提高面阵探测系统能量利用率；光纤阵列与面阵探测器组合实现接收端柔性布局，合理利用机载平台有限的空间。
附图说明
图1是基于衍射光学元件与光纤阵列多波长激光雷达组成示意图。
图2是多波长DOE合束结构示意图。
图3是多波长激光焦斑与光纤阵列耦合示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，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。
基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统如图1所示，其包括多波长激光器组1、发射光学系统2、多波长DOE模块3、多波长合束模块4、光束扫描模块5、接收光学系统6、光纤阵列7、多波长面阵探测器组8、多波长回波信号处理模块9、多波长三维图像处理模块10；多波长激光器组1发射空间分离的多波长激光光束；来自多波长激光器组1的激光束通过发射光学系统2进行扩散、准直后，分别通过各自波长对应的多波长DOE模块3中的DOE器件，完成单束激光到多束阵列的转变；多波长激光阵列通过多波长合束模块4实现对多波长激光点阵空间位置的调控；合束后的多波长激光束通过光束扫描模块5完成对地大角度扫描；接收光学系统6将多波长激光回波聚焦并耦合进入位于焦平面上的光纤阵列7一端，在光纤阵列7的另一端，对应波长的光纤分别连接到与之对应的面阵探测器8上；面阵探测器8输出的原始信号经过多波长回波信号处理模块9和多波长三维图像处理模块10后，获取目标的几何信息和光谱信息。
所述的多波长激光器组1由多台或单台激光器构成，发射多个激光波长，各波长激光束在空间上独立且分离，构成对目标的主动光谱探测光源；所述的发射光学系统2对激光束进行扩散和准直，达到DOE器件对入射激光光束尺寸和束散角的要求；所述的多波长DOE模块3，根据各个波长激光束空间分布要求，独立设计DOE相位分布，多块DOE组合实现多波长激光点阵照明；所述的多波长合束模块4根据各个波长DOE器件出射光束的空间分布特点，调整其点阵空间位置，实现聚焦光斑与光纤位置一一对应；所述的光束扫描模块5，由于激光脉冲在飞行过程中，扫描模块一直在运动，出射光斑与接收光斑有一定的旋转位移，因此光纤阵列7位置需要调整进行补偿；所述的接收光学系统6，主要由大口径反射望远系统与消色差透镜组构成，完成消色差处理，实现宽波段成像；所述的光纤阵列7的光纤空间排布与焦平面上多波长激光光斑空间分布一一对应以及单光斑对应的接收视场小于光纤端面接收角；所述的多波长面阵探测器组8，根据激光波长选择探测效率高的探测器，不同波长对应不同类型的面阵探测器；所述的多波长回波信号处理9按波长独立完成信号处理，获取目标的距离信息和强度信息；所述的多波长三维图像处理模块10通过目标几何形状和空间位置进行辐射强度矫正，获取高精度目标光谱信息，多波长数据融合，获取高精度目标几何信息。
实施例
本实施例中，多波长激光器组1采用Nd:YAG固体激光器产生基频光λ1＝1.06μm，非线性调频获取λ2＝1.57μm，通过倍频晶体，获取倍频光λ3＝0.53μm，三倍频光λ4＝0.35μm，实现四波长激光脉冲同步输出，输出光窗相互独立分离。
发射光学系统2针对0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm四波长激光光束质量分别设计相对应的扩散和准直系统，使其达到对应波长DOE器件对于入射光束质量的要求。
多波长DOE模块3 0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm都采用8×8面阵分束器，单个光斑尺寸为0.5mrad，光斑角间距为1mrad，保证四波长光斑阵列之间相互无重叠区域产生，同时保持组合后光斑分布紧凑。
多波长合束模块4为实现波长间光斑阵列之间的相互嵌套，通过调节反射镜的纵向空间位置以及入射光束在反射镜上的横向位置来实现，四波长DOE合束后的光斑分布如图2所示
光束扫描模块5通过双光楔扫描镜实现30°圆锥对地扫描。
接收光学系统6、采用卡式望远系统和消色差透镜组成，保证多波长在焦平面上的成像质量以及焦平面上单光斑对应的接收视场小于光纤端面接收角，实现高效率耦合。
光纤阵列7采用大纤芯多模光纤，构成16×16光纤矩形，与在焦平面上多波长激光光斑分布一致，光纤矩阵排布与焦平面多波长激光光斑分布如图3所示。
多波长面阵探测器组8，其中0.35μm和0.53μm激光采用8×8MCP-PMT面阵探测器、1.06μm激光采用8×8Si APD面阵探测器、1.57μm激光采用8×8InGaAs APD面阵探测器。
多波长回波信号处理9完成256路信号处理，获取多波长脉冲飞行时间和强度信息。
多波长三维图像处理模块10，通过目标几何形状和空间位置进行辐射强度矫正，提升目标反射率反演精度，避免了被动光谱探测易受太阳的光照强度，照射角度，目标形状以及阴影影响，获取高精度目标光谱信息；采用多波长数据融合，获取高精度目标几何信息以及多光谱三维图像。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，包括多波长激光器组(1)、发射光学系统(2)、多波长DOE模块(3)、多波长合束模块(4)、光束扫描模块(5)、接收光学系统(6)、光纤阵列(7)、多波长面阵探测器组(8)、多波长回波信号处理模块(9)、多波长三维图像处理模块(10)；多波长激光器组(1)发射空间分离的多波长激光光束；来自多波长激光器组(1)的激光束通过发射光学系统(2)进行扩散、准直后，分别通过各自波长对应的多波长DOE模块(3)中的DOE器件，完成单束激光到多束阵列的转变；多波长激光阵列通过多波长合束模块(4)实现对多波长激光点阵空间位置的调控；合束后的多波长激光束通过光束扫描模块(5)完成对地大角度扫描；接收光学系统(6)将多波长激光回波聚焦并耦合进入位于焦平面上的光纤阵列(7)一端，在光纤阵列(7)的另一端，对应波长的光纤分别连接到与之对应的面阵探测器(8)上；面阵探测器(8)输出的原始信号经过多波长回波信号处理模块(9)和多波长三维图像处理模块(10)后，获取目标的几何信息和光谱信息。
2.如权利要求1所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述的多波长激光器组(1)由多台或单台激光器构成，发射多个激光波长，各波长激光束在空间上独立且分离，构成对目标的主动光谱探测光源。
3.如权利要求2所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述的发射光学系统(2)对激光束进行扩散和准直，达到DOE器件对入射激光光束尺寸和束散角的要求；所述的多波长DOE模块(3)，根据各个波长激光束空间分布要求，独立设计DOE相位分布，多块DOE组合实现多波长激光点阵照明；所述的多波长合束模块(4)根据各个波长DOE器件出射光束的空间分布特点，调整其点阵空间位置，实现聚焦光斑与光纤位置一一对应。
4.如权利要求3所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述的接收光学系统(6)包括大口径反射望远系统与消色差透镜组，完成消色差处理，实现宽波段成像；所述的光纤阵列(7)的光纤空间排布与焦平面上多波长激光光斑空间分布一一对应以及单光斑对应的接收视场小于光纤端面接收角；所述的多波长面阵探测器组(8)，根据激光波长选择探测器，不同波长对应不同类型的面阵探测器；所述的多波长回波信号处理模块(9)按波长独立完成信号处理，获取目标的距离信息和强度信息；所述的多波长三维图像处理模块(10)通过目标几何形状和空间位置进行辐射强度矫正，获取高精度目标光谱信息，多波长数据融合，获取高精度目标几何信息。
5.如权利要求4所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述多波长激光器组(1)采用Nd:YAG固体激光器，产生基频光λ1＝1.06μm，非线性调频获取λ2＝1.57μm，通过倍频晶体，获取倍频光λ3＝0.53μm，三倍频光λ4＝0.35μm，实现四波长激光脉冲同步输出，输出光窗相互独立分离。
6.如权利要求5所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述发射光学系统(2)针对0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm四波长激光光束质量分别设计相对应的扩散和准直系统，使其达到对应波长DOE器件对于入射光束质量的要求；多波长DOE模块(3)对0.35μm、0.53μm、1.06μm、1.57μm四波长激光光束都采用8×8面阵分束器，单个光斑尺寸为0.5mrad，光斑角间距为1mrad，保证四波长光斑阵列之间相互无重叠区域产生。
7.如权利要求6所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述光束扫描模块(5)采用双光楔扫描镜实现30°圆锥对地扫描。
8.如权利要求7所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述光纤阵列(7)采用大纤芯多模光纤，构成16×16光纤矩形，与在焦平面上多波长激光光斑分布一致。
9.如权利要求8所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述多波长面阵探测器组(8)中，0.35μm和0.53μm激光光束采用8×8MCP-PMT面阵探测器、1.06μm激光光束采用8×8Si APD面阵探测器、1.57μm激光光束采用8×8InGaAs APD面阵探测器。
10.如权利要求9所述的基于衍射光学元件与光纤阵列的多波长激光雷达系统，其特征在于，所述多波长回波信号处理(9)进行256路信号处理，获取多波长脉冲飞行时间和强度信息；所述多波长三维图像处理模块(10)采用多波长数据融合，获取目标几何信息以及多光谱三维图像。
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