CN207636773U - 基于多面阵apd阵列的复合模式激光雷达成像系统 - Google Patents

Abstract

基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，涉及雷达工程领域，本实用新型为解决现有成像技术单一，无法同时满足远距离、大视场与高帧频、高分辨率成像的需求等问题，本实用新型能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；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模块、第一发射系统、第二发射系统，回波接收系统包括第一接收系统和第二接收系统；本发明采用光学相控阵作为光束偏转器件，有效的减小了系统的体积。采用盖革模式APD阵列作为光电探测接收器件，实现更远距离的探测，以及获取更高的距离分辨率。

Description

基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统

技术领域

本实用新型涉及雷达工程领域，具体涉及一种基于多面阵APD阵列的复合模式激光成像雷达。

背景技术

激光雷达是经典雷达技术与现代激光技术相结合的产物，具有精准、快速、灵敏等一系列独特的特点。随着激光雷达应用越来越广泛，各领域对激光雷达的性能也提出了更高的要求。

目前激光主动成像探测技术主要包括两种：扫描型和非扫描型。扫描激光三维成像可以实现大视场、远距离成像功能，但每一幅图像都需要多次扫描，而多次扫描致使成像帧频降低，并且难以对运动物体成清晰图像；而非扫描激光三维成像雷达具有成像速度快，分辨率高的优点，但视场小，不具有远程探测的优势，对激光功率和接收探测器的要求较高。单一成像机制无法同时满足远距离、大视场与高帧频、高分辨率成像的需求。为了突破单独扫描成像速度慢与非扫描成像视场小的局限，实现远距离、高帧频和高分辨率目标探测与识别，本实用新型设计出具有扫描与非扫描一体化成像工作机制的光纤相控阵激光三维成像雷达。

实用新型内容

本实用新型为解决现有成像技术单一，无法同时满足远距离、大视场与高帧频、高分辨率成像的需求等问题，提供一种基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统。

基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，所述成像雷达系统能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；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模块、第一发射系统、第二发射系统，

第一发射系统包括相位调制器阵列、光纤放大器阵列、准直扩束光路阵列、单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；第二发射系统包括相位调制器、光纤放大器、准直扩束光路、单向玻璃和光学相控阵；

所述回波接收系统包括第一接收系统和第二接收系统；所述第一接收系统包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、多组淬火电路和第一距离测量单元；第二接收系统包括滤光片、双胶合透镜、面阵APD、淬火电路和第二距离测量单元；

所述中央处理单元向激光器模块发送控制信号，向激光发射系统发送驱动信号；激光器模块接收到中央处理单元发送的控制信号后发射多束激光，所述多束激光分别经第一发射系统的相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束光路阵列后经单向玻璃阵列进入光学相控阵阵列，所述第一发射系统中的光学相控阵阵列根据接收的驱动信号控制多束激光偏转并对目标区域进行电光扫描；多束激光经过目标区域反射后，再次经过光学相控阵阵列、单向玻璃阵列反射至第一接收系统，多束激光分别经过滤光片阵列和双胶合透镜阵列后汇聚到面阵APD阵列的感光面上，所述面阵APD阵列将接收的多束激光的光信号转换成电信号，经对应的淬火电路后由第一距离测量单元计算目标区域的距离信息，并传递至中央处理单元；所述中央处理单元根据多束激光偏转角度信息以及目标区域的距离信息，获得目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统扫描成像；

在扫描成像后，发现目标区域存在可疑目标时，对可疑目标进行凝视成像，具体过程为：

激光器模块接收到中央处理单元发送的控制信号后发射单束激光，所述单束激光经第二发射系统中的相位调制器、光纤放大器和准直扩束光路后再经单向玻璃进入光学相控阵，所述激光发射系统中的第二发射系统的光学相控阵根据接收的驱动信号控制单束激光偏转并对可疑目标区域进行凝视；单束激光经过可疑目标反射后，再经光学相控阵、单向玻璃反射至第二接收系统，单向激光依次经过滤光片、双胶合透镜后，单束激光投射到面阵APD的感光面上，所述面阵APD将接到激光的光信号转换成电信号，经淬火电路后由第二距离测量单元计算目标区域的距离信息，并传递给中央处理单元；根据单束激光偏转角度信息以及目标区域的距离信息，获得可疑目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统凝视成像。

本实用新型的有益效果：

一、本实用新型采用光学相控阵作为光束偏转器件，实现光束高精度的偏转与扫描，具有高的稳定性和分辨率、可编程实现多光束同步和动态聚焦/散焦能力、体积小、重量轻等优点，有效的减小了系统的体积。采用盖革模式APD阵列作为光电探测接收器件，实现更远距离的探测，以及获取更高的距离分辨率。

二、本实用新型设计了基于多光束扫描体制的远距离激光三维成像系统设计，降低了对单光束激光脉冲功率的要求。

三、本实用新型设计了基于非扫描体制的高帧频激光三维成像系统设计，采用128X128像元数APD作为成像传感器，单光束照射一次成像。

四、本实用新型设计了扫描成像系统与非扫描(凝视)成像系统一体化激光三维成像系统，两种工作模式既可以独立工作，又可以同步协调工作，解决了激光成像雷达大视场与高速、高分辨成像之间的矛盾。扫描系统引导凝视系统，使激光三维成像雷达具有区域普查和个别详查的能力，通过扫描系统与凝视系统协同工作，有效地解决了机载激光雷达大视场与高分辨之间的矛盾，避免了漏警。

五、本实用新型设计了APD阵列并行数据处理电路，由于所需的APD阵列探测器像元数较多，后续信号处理电路通道数多，设计了APD阵列并行数据处理电路以保证高可靠的数据同步传输，提高成像的速度。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统的总体结构图；

图2为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统中激光发射系统的光路图；

图3为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统中扫描成像的原理图；

图4为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统中凝视成像的原理图；

图5为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统中扫描成像与凝视成像工作流程图；

图6为本实用新型所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统中多光束扫描与凝视系统示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，利用扫描机制激光成像雷达远距离、大视场成像的优势，结合非扫描激光成像雷达高帧频、高分辨率成像的优势，设计了一种基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，所述成像雷达系统能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；包括中央处理单元6、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模块1、第一发射系统2、第二发射系统3，

第一发射系统2包括相位调制器阵列、光纤放大器阵列、准直扩束光路阵列、单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；第二发射系统3包括相位调制器3-1、光纤放大器3-2、准直扩束光路3-3、单向玻璃3-4和光学相控阵(Optical Phased-Array,OPA)3-5；所述回波接收系统包括第一接收系统4和第二接收系统5；

所述第一接收系统4包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、多组淬火电路和第一距离测量单元；第二接收系统5包括滤光片5-1、双胶合透镜5-2、面阵APD5-3、淬火电路5-4和第二距离测量单元5-5；所述中央处理单元6向激光器模块1发送控制信号，向激光发射系统发送驱动信号；

多光束扫描体制的远距离激光三维成像系统工作模式：

激光器模块1接收到中央处理单元(DSPC6678)发送的“start”信号后出射多束激光，激光器模块1接收到中央处理单元6发送的控制信号后发射多束激光，所述多束激光分别经第一发射系统2的相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束光路阵列后扩束和光线的准直输出，输出的多束激光经单向玻璃阵列进入光学相控阵阵列，所述第一发射系统2中的光学相控阵阵列根据接收的驱动信号控制多束激光偏转并对目标区域进行电光扫描；多束激光经过目标区域反射后，再次经过光学相控阵阵列、单向玻璃阵列反射至第一接收系统4，多束激光分别经过滤光片阵列和双胶合透镜阵列后汇聚到面阵APD阵列的感光面上，所述面阵APD阵列将接收的多束激光的光信号转换成电信号，经对应的淬火电路后由第一距离测量单元通过飞行时间(TOF)测距法计算目标区域的距离信息，并传递至中央处理单元6；所述中央处理单元6根据多束激光偏转角度信息以及目标区域的距离信息，获得目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统扫描成像。所述面阵APD阵列中各APD采用8X8像元的APD。

凝视成像的高帧频激光三维成像系统工作模式：

激光器模块1接收到中央处理单元(DSPC6678)发送的“start”信号后出射单束激光，该束激光分别进入相位调制器3-1、光纤放大器3-2后经准直扩束光路3-3进行激光的扩束和光线的准直输出，输出的单束激光经过单向玻璃3-4后进入光学相控阵3-5，根据光学相控阵3-5接收到的驱动信号控制激光偏转并对可疑目标区域进行凝视；激光经过可疑目标反射后，经过光学相控阵3-5、单向玻璃3-4反射至第二接收系统5，单束激光经过第二接收系统的滤光片5-1、双胶合透镜5-2后，单束激光投射到面阵APD5-3的感光面上，所述面阵APD5-3将接到激光的光信号转换成电信号，经淬火电路后由第二距离测量单元计算目标区域的距离信息，并传递给中央处理单元6；根据单束激光偏转角度信息以及距离信息，获得可疑目标的空间位置坐标，并进行三维图像重构，实现雷达系统凝视成像。所述面阵APD 5-3采用128X128像元数APD。

结合图5和图6说明本实施方式，本实施方式中，可以实现两种工作模式的切换成像；当扫描系统在视场中发现可疑目标时，凝视成像即通过光学相控阵将光束指向目标方向，实现目标的高分辨凝视成像。通过扫描成像之外的设备实现目标凝视，使凝视成像和扫描成像可以同时进行。

本实施方式所述的激光器模块1包括激光器1-1、光隔离器1-2、预放大器1-3和分束器1-4；所述激光器1-1输出激光经过光隔离器1-2进入预放大器1-3，经过预放后的激光由分束器1-4分成多路光束。所述中央处理单元6实现发射与扫描控制、信息接收与处理、扫描成像调度等功能。

本实施方式中的激光发射系统采用多光束放大机制实现大功率出射激光；采用相位调制器用于调整多束激光之间的相位；采用扩束准直光路实现激光扩束和光线的准直输出，减小激光发散角；采用光学相控阵作为光束偏转控制器件，以实现快速灵巧的光束扫描控制，同时减小系统的体积和重量。

回波接收系统包括两个接收系统，均采用透射式光学系统，以滤光片滤除背景杂光，双胶合透镜将回波汇聚到APD的感光面上；采用盖革模式APD阵列实现远距离的探测，以及获取更高的距离分辨率；采用数字读出电路为了降低应用系统数据处理压力，实现多回波探测。

本实施方式为了实现高速成像，需要实现高速APD阵列数据读取与数据处理。高速APD阵列数据读取对同步性提出了更高的要求，为了实现多片APD阵列数据读取的高可靠性的同步，将多片APD阵列、淬火电路以及它们的控制电路整合到一起，利用多块FPGA同时实现数据高速读取传输与控制，并在多块FPGA之间建立总线连接，并进行FIFO(First InFirst Out)设计解决FPGA可能出现的时钟之间的匹配问题，通过优化逻辑设计消除竞争冒险现象。

为了提高运算效率，设计专用并行算法。设计过程中，可以比较适用于通用计算机的串行运算的传统算法，在其基础上加以改进，将算法模型向电路结构逐级转化，使其具有适用于并行特性的硬件特性，然后，利用FPGA针对特点算法生成专用电路，实施快速并行计算。从而有效减少数据处理时间。

Claims (6)

1.基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，所述雷达成像系统能够实现扫描成像与凝视成像两种工作模式，且两种工作模式既能够独立工作，又能够同步协调工作；其特征是，包括中央处理单元(6)、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模块(1)、第一发射系统(2)、第二发射系统(3)，

第一发射系统(2)包括相位调制器阵列、光纤放大器阵列、准直扩束光路阵列、单向玻璃阵列和光学相控阵阵列；

第二发射系统(3)包括相位调制器(3-1)、光纤放大器(3-2)、准直扩束光路(3-3)、单向玻璃(3-4)和光学相控阵(3-5)；

所述回波接收系统包括第一接收系统(4)和第二接收系统(5)；

所述第一接收系统(4)包括滤光片阵列、双胶合透镜阵列、面阵APD阵列、多组淬火电路和第一距离测量单元；

第二接收系统(5)包括滤光片(5-1)、双胶合透镜(5-2)、面阵APD(5-3)、淬火电路(5-4)和第二距离测量单元(5-5)；

所述中央处理单元(6)向激光器模块(1)发送控制信号，向激光发射系统发送驱动信号；

激光器模块(1)接收到中央处理单元(6)发送的控制信号后发射多束激光，所述多束激光分别经第一发射系统(2)的相位调制器阵列、光纤放大器阵列和准直扩束光路阵列后经单向玻璃阵列进入光学相控阵阵列，所述第一发射系统(2)中的光学相控阵阵列根据接收的驱动信号控制多束激光偏转并对目标区域进行电光扫描；多束激光经过目标区域反射后，再次经过光学相控阵阵列、单向玻璃阵列反射至第一接收系统，多束激光分别经过滤光片阵列和双胶合透镜阵列后汇聚到面阵APD阵列的感光面上，所述面阵APD阵列将接收的多束激光的光信号转换成电信号，电信号由对应的淬火电路以及第一距离测量单元后被中央处理单元(6)接收；

激光器模块(1)接收到中央处理单元(6)发送的控制信号后发射单束激光，所述单束激光经第二发射系统(3)中的相位调制器(3-1)、光纤放大器(3-2)和准直扩束光路(3-3)后再经单向玻璃(3-4)进入光学相控阵(3-5)，所述激光发射系统中的第二发射系统(3)的光学相控阵(3-5)根据接收的驱动信号控制单束激光偏转并对可疑目标区域进行凝视；单束激光经过可疑目标反射后，再经光学相控阵(3-5)、单向玻璃(3-4)反射至第二接收系统(5)，单向激光依次经过滤光片(5-1)、双胶合透镜(5-2)后，单束激光投射到面阵APD(5-3)的感光面上，所述面阵APD(5-3)将接到激光的光信号转换成电信号，电信号经淬火电路、第二距离测量单元后由中央处理单元(6)接收。

2.根据权利要求1所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，其特征在于，控制激光器模块(1)发射多束激光，其中一束激光对可疑目标进行凝视成像的同时，其余多束激光继续进行扫描成像。

3.根据权利要求1所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，其特征在于，所述激光器模块包括激光器(1-1)、光隔离器(1-2)、预放大器(1-3)和分束器(1-4)；所述激光器(1-1)输出激光经过光隔离器(1-2)进入预放大器(1-3)，经过预放后的激光由分束器(1-4)分成多路光束。

4.根据权利要求1所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，其特征在于，第一接收系统(4)中的面阵APD阵列的各面阵APD采用8X8像元数的APD。

5.根据权利要求1所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，其特征在于，第二接收系统(5)中的面阵APD采用128X128像元数的APD。

6.根据权利要求1所述的基于多面阵APD阵列的复合模式激光雷达成像系统，所述第一距离测量单元和第二距离测量单元采用FPGA实现。