CN211577416U - 一种非扫描激光雷达接收光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种非扫描激光雷达接收光学系统，包括物镜光学系统、光纤阵列及探测器阵列。光纤阵列有M根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应。物镜光学系统将不同视场的弥散斑聚焦于同一焦平面，光纤阵列中的每根光纤的一端均处于此平面。光纤芯径2r≤光纤中心间距d。各光纤长度相同。探测器阵列含多个探测器，M根光纤传输的M个回波信号与探测器阵列中的各探测器一一耦合。Z个1×N线阵探测器拼接构成探测器阵列。本实用新型与点扫描雷达相比，探测面积增大，成像速度加快；与面阵非扫描雷达相比，成本显著降低，便于推广应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及雷达技术领域，具体为一种非扫描激光雷达接收光学系统。
背景技术
激光雷达技术被广泛用于军事侦查、地表形貌测绘、大气探测、空间技术等领域。传统的点扫描激光雷达以单元探测技术为主，激光器重复频率高，需要扫描装置，体积大，成像速度慢，分辨率受限。
面阵非扫描三维成像激光雷达虽然不用扫描，可以实现高分辨率、大视场、快速成像，但是现在大面积高像素的探测器的技术国外垄断，对我国封锁。而大面积高像素探测器的材料成本高，研发成本更高，我国自行开发还需要一定时间。现有的高像素的探测器面积有限，与其配套的大规模信号处理技术所需的研发成本也很高。目前面阵非扫描三维成像激光雷达探测成像分辨率一般为16×16、25×25、32×32、64×64等。我国很难购买到适用的大面积高像素的探测器。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了提供一种非扫描激光雷达接收光学系统，克服现有激光雷达的技术和方法的不足和缺点，摄远物镜光学子系统与远心光学子系统组成大口径、大视场的物镜光学系统，接收激光雷达的微弱回波信号；经物镜光学系统接收到的回波信号和光纤阵列一一对应，光纤阵列将回波信号耦合到由多个线阵探测器拼接的探测器阵列，完成回波信号探测。本实用新型克服了传统的点扫描激光雷达激光器重复频率高，体积大，成像速度慢，分辨率受限的不足和面阵非扫描三维成像激光雷达受限于大面积高像素探测器以及大规模信号处理技术水平等的缺点。
本实用新型设计的一种非扫描激光雷达接收光学系统，接收本雷达发射的1×M路的线阵光束的回波信号，每一发射光束的发散角为θ发，θ发的单位为弧度rad，θ发的取值范围由雷达扫描的采样分辨率Δ与目标距离l确定，其取值范围θ发≤Δ/l。接收视场≥M*θ发，1×M路发射光束返回1×M路回波信号形成1×M个弥散斑，回波信号中心的夹角θ弥≥θ发。本系统包括物镜光学系统及光电探测装置，所述物镜光学系统接收雷达回波信号。本系统还包括光纤阵列，所述光电探测装置为探测器阵列。
所述物镜光学系统包括摄远物镜光学子系统与远心光学子系统。
摄远物镜光学子系统包括一个前正透镜组和一个后负透镜组，以缩短长焦距物镜的筒长；远心光学子系统包括2至4个聚光透镜组，其出瞳位于无穷远，即主光线平行于光轴，其使物镜光学系统接收到的不同视场下的弥散斑偏移量相同。
物镜光学系统的有效口径，即摄远物镜光学子系统中物镜的有效口径≥ 100mm。
光纤阵列有M根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应。单根光纤为大芯径多模石英光纤，数值孔径大于或等于本激光雷达接收光学系统的像方数值孔径，以有利于提高接收耦合效率。
物镜光学系统将不同视场的弥散斑聚焦于同一平面，此平面即本激光雷达接收光学系统的焦平面，光纤阵列中的每根光纤的一端均处于此平面上。全视场范围内，在所述焦平面上的各弥散斑直径均小于或等于光纤阵列的单根光纤芯径，以提高接收到的M个回波信号的耦合效率，小于或等于光纤芯径的弥散斑的光才能被光纤耦合接收。
相邻光纤中心的间距为d，物镜光学系统的焦距为f，则光纤阵列各光纤接收视场间隔θ间＝d/f，当θ间趋于0时，θ间＝Sinθ间≈d/f，本实用新型中d＜＜f，故按此近似值计算θ间，θ间的单位为弧度rad。光纤阵列一根光纤的芯径为 2r，光纤接收视场角θ光＝2r/f，光纤芯径2r≤光纤中心间距d，光纤阵列的每根光纤接收视场角θ光≤θ间，以有效防止各路回波信号之间的串扰。
各光纤长度相同，光纤长度≤0.5m。经过光纤传输的信号强度变化、传输时间及传输损耗均忽略不计。
所述探测器阵列含多个探测器，M根光纤传输的M个回波信号与探测器阵列中的各探测器一一耦合。
所述探测器阵列含Z个1×N的线阵探测器，N＜M，Z×N≥M，Z个1×N 线阵探测器拼接构成探测器阵列。所述N的取值为16、25、32、64和128。
各探测器包括光电转换器及辅助电路，将各光纤传输的回波信号转为电信号送入雷达中心系统分析比较。
与现有技术相比，本实用新型一种非扫描激光雷达接收光学系统的优点为：1、与传统的点扫描激光雷达相比，在相同的水平分辨率下，本实用新型的1×M光纤阵列接收物镜光学系统接收的各视场回波信号，获得的单次激光脉冲探测面积成M倍增大，成像速度也对应加快M倍；2、与面阵非扫描三维成像激光雷达相比，本实用新型1×M光纤阵列接收的回波信号耦合到多个线阵拼接的探测器阵列，单次激光脉冲的采样分辨率增大Z倍，不需要大面积高像素的探测器以及大规模信号处理技术，大大降低了雷达接收光学系统所需的技术水平，打破国外技术垄断，便于推广应用。
附图说明
图1为本非扫描激光雷达接收光学系统实施例的主要部件框图；
图2为本非扫描激光雷达接收光学系统实施例的光路示意图；
图3为图1中物镜光学系统的结构示意图。
图中标号：1、物镜光学系统，11、摄远物镜光学子系统，12、远心光学子系统，2、光纤阵列，3、探测器阵列。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图，对本实用新型进一步详细说明。
本非扫描激光雷达接收光学系统实施例，接收本雷达发射的1×256路的线阵光束的回波信号，雷达扫描的采样分辨率Δ≤0.62m，目标距离l为1km，发射光束的发散角为θ发≤0.62mrad，接收视场≥159.3mrad，1×256路发射光束返回1×256路回波信号形成1×256个弥散斑，回波信号中心的夹角θ弥≥θ发。
本系统包括物镜光学系统1、光纤阵列2及探测器阵列3，如图1框图所示。如图2所示，本例物镜光学系统1接收雷达回波信号。
如图3所示，本例物镜光学系统1包括摄远物镜光学子系统11与远心光学子系统12。
摄远物镜光学子系统11包括一个前正透镜组和一个后负透镜组；远心光学子系统12包括3个聚光透镜组，其出瞳位于无穷远，即主光线平行于光轴，其使物镜光学系统1接收到的不同视场下的弥散斑偏移量相同。
本例物镜光学系统1的有效口径，即摄远物镜光学子系统11中物镜的有效口径120mm；有效焦距f＝450mm。
本例光纤阵列2有256根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应。单根光纤为大芯径多模石英光纤，数值孔径大于或等于本激光雷达接收光学系统的像方数值孔径。在全视场下焦平面上的各弥散斑直径均小于光纤阵列2的单根光纤芯径。
本例光纤阵列2的光纤芯径2r＝0.28mm，光纤中心间距d＝0.3mm。
物镜光学系统1将不同视场的弥散斑聚焦于同一平面，此平面即本激光雷达接收光学系统的焦平面，光纤阵列2中的每根光纤的一端均处于此平面上。
本例各光纤长度相同为0.3m。经过光纤传输的信号强度变化、传输时间及传输损耗均忽略不计。
本例探测器阵列3含16个1×16的线阵探测器，线阵探测器拼接构成探测器阵列3。256根光纤传输的256个回波信号与探测器阵列3中的各探测器一一耦合。
各探测器包括光电转换器及辅助电路，将各光纤传输的回波信号转为电信号送入雷达中心系统分析比较。
本实施例与传统的点扫描激光雷达相比，在相同的水平分辨率下，1× 256光纤阵列接收物镜光学系统接收的各视场回波信号，获得的单次激光脉冲探测面积增大256倍，成像速度加快256倍；与面阵非扫描三维成像激光雷达相比，本例的探测器阵列为16个1×16的线阵探测器拼接而成，成本低，且为国产部件。
上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种非扫描激光雷达接收光学系统，接收本雷达发射的1×M路的线阵光束的回波信号，每一发射光束的发散角为θ发，θ发的单位为弧度rad，接收视场≥M*θ发，1×M路发射光束返回1×M路回波信号形成1×M个弥散斑，回波信号中心的夹角θ弥≥θ发，本非扫描激光雷达接收光学系统包括物镜光学系统及光电探测装置，所述物镜光学系统接收雷达回波信号；其特征在于：
还包括光纤阵列(2)，所述光电探测装置为探测器阵列(3)；
所述物镜光学系统(1)包括摄远物镜光学子系统(11)与远心光学子系统(12)；
所述光纤阵列(2)有M根平行于主光轴的线型光纤，与回波信号的弥散斑一一对应；
所述物镜光学系统(1)将不同视场的弥散斑聚焦于同一平面，此平面即本激光雷达接收光学系统的焦平面，光纤阵列(2)中的每根光纤的一端均处于此平面上；
相邻光纤中心的间距为d，物镜光学系统(1)的焦距为f，则光纤阵列(2)各光纤接收视场间隔θ间，θ间的单位为弧度rad；光纤阵列(2)的一根光纤的芯径为2r，光纤接收视场角θ光＝2r/f，光纤芯径2r≤光纤中心间距d，光纤阵列(2)的每根光纤接收视场角θ光≤θ间；
所述探测器阵列(3)含多个探测器，M根光纤传输的M个回波信号与探测器阵列(3)内的各探测器一一耦合；各探测器包括光电转换器及辅助电路，将各光纤传输的回波信号转为电信号送入雷达中心系统分析比较。
2.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述摄远物镜光学子系统(11)包括一个前正透镜组和一个后负透镜组；远心光学子系统(12)包括2至4个聚光透镜组，其出瞳位于无穷远，即主光线平行于光轴。
3.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述发射光束的发散角θ发的取值范围由雷达扫描的采样分辨率Δ与目标距离l确定，θ发的取值范围≤Δ/l。
4.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述物镜光学系统(1)的有效口径，即摄远物镜光学子系统(11)中物镜的有效口径≥100mm。
5.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述光纤阵列(2)单根光纤为大芯径多模石英光纤，数值孔径大于或等于本激光雷达接收光学系统的像方数值孔径。
6.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
在全视场范围内所述焦平面上各弥散斑直径均小于或等于所述光纤阵列(2)的单根光纤芯径。
7.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述光纤阵列(2)各光纤长度相同，光纤长度≤0.5m。
8.根据权利要求1所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述探测器阵列(3)含Z个1×N的线阵探测器，N＜M，Z×N≥M，Z个1×N线阵探测器拼接构成探测器阵列(3)。
9.根据权利要求8所述的非扫描激光雷达接收光学系统，其特征在于：
所述N的取值为16、25、32、64和128中的任一个。
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| CN201922364127.2U CN211577416U (zh) | 2019-12-25 | 2019-12-25 | 一种非扫描激光雷达接收光学系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN110879385A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-03-13 | 中国电子科技集团公司第三十四研究所 | 一种非扫描激光雷达接收光学系统 |
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| CN110879385B (zh) * | 2019-12-25 | 2024-06-11 | 中国电子科技集团公司第三十四研究所 | 一种非扫描激光雷达接收光学系统 |
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