一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。本发明专利技术本发明专利技术采取前后组二次成像的方式，前组光学系统为后组发射、接收光学系统共口径的大视场一次成像系统，将远距离目标/场景成像在其成像面(待扫描)上，该前组待扫描成像面根据系统各项参数可为平面或球面；后组采用合束棱镜、波片等对发射光学系统、接收光学系统进行共轴合束与隔离，实现收发光学系统的共轴像方扫描光学系统；激光器出射光束束腰等参量与发射光学系统参量匹配耦合进主光路，面阵APD探测器或其他激光探测与接收光学系统耦合进主光路，且发射光学系统、接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描。配像方扫描。配像方扫描。

【技术实现步骤摘要】
一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统


[0001]本专利技术涉及激光发射光学系统
，是一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。

技术介绍

[0002]激光雷达作为一种光电传感器，其光学系统一般由发射光学和接收光学两部分组成。发射光学系统与激光器耦合，作为信号光的发射源，该信号光为传输载体，经目标反射返回后的信号光带有目标信息属性；接收光学系统与探测器耦合，用于信号光的接收、探测与还原。
[0003]由于激光器功率、探测器面阵规模等限制，远距离、高分辨率激光雷达的发射和接收系统的束散角或视场角较小，且很难做大，否则激光传输距离受限或空间分辨率受限。由此，面阵凝视扫描是激光雷达光学系统在保证远距离传输、空间分辨率的同时，扩大视场范围或搜索的一种方法。
[0004]面阵成像激光雷达为主动探测光电传感器，其发射光学、接收光学等两套光学系统属性，决定其扫描方法不同于传统的单路被动光电成像系统的扫描方法。扫描设计时，需同时考虑发射与接收两光路的近场、远场光学对准、对正问题，对于有限面阵器件来说，此对准、对正精度尤为重要。为保证发射与接收的瞬时视场、探测时间等同步，采用发射与接收分开扫描、电控同步方法，将增加系统体积、增加控制系统难度，无法很好的适应使用需求。因此，需考虑收发支路的共口径或共光轴扫描，采用如快反镜等扫描机构在收发光学系统外部进行扫描，势必造成系统体积较大、控制精度过高、成本较高等限制问题，还需考虑消像旋的复杂硬件设计或软件补偿设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了可以很好的平衡系统体积、精度、成本等参数与应用需求，本专利技术提供了一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，本专利技术提供了以下技术方案：
[0006]一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，所述系统包括：控制系统、激光器光源发射端、激光APD面阵探测器、一次成像面、激光接收光学系统、光信号合束/隔离器、激光发射光学系统、像面伺服扫描机构、大视场共口径一次成像光学系统；
[0007]所述控制系统控制激光器光源发射端、激光APD面阵探测器和像面伺服扫描机构；激光器光源发射端与激光发射光学系统耦合；激光APD面阵探测器与激光接收光学系统耦合；激光发射光学系统与激光接收光学系统通过光信号合束/隔离器进行共轴耦合形成后组收发共轴光学系统；
[0008]大视场共口径一次成像光学系统探测远处景物时，形成平面或球面景物共轭像，前组像面为待扫描像面；后组收发共轴光学系统在像面伺服扫描机构带动下，对待扫描像面进行一定规律扫描；控制系统用于对扫描光学系统及光学扫描伺服机构的控制；
[0009]当后组收发共轴光学系统不扫描时，为系统瞬时小视场激光成像；当扫描时，为系
统大视场扫描激光成像；当扫描机构快速移动时，为系统瞬时视场在前组大视场范围内的瞬时指向激光成像。
[0010]优选地，所述像面伺服扫描机构包括平面或球面伺服扫描机构。
[0011]优选地，激光器光源发射端以激光光源为基础，对VCSEL、LD、LED光源均适用。
[0012]优选地，所述一次成像面包括平面或球面一次成像面。
[0013]优选地，所述激光器光源发射端出射光束束腰参量与激光发射光学系统参量匹配耦合进主光路，激光APD面阵探测器与激光接收光学系统耦合进主光路，且激光发射光学系统与激光接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描。
[0014]本专利技术具有以下有益效果：
[0015]本专利技术基于像方扫描方法实现激光雷达的发射光学系统、接收光学系统共光轴一致性扫描，进而实现瞬时小视场面阵凝视激光成像，像方扫描大视场累积拼接激光成像或瞬时快速指向激光成像。
[0016]本专利技术采取前后组二次成像的方式，前组光学系统为发射、接收光学系统共口径的大视场一次成像系统，将远距离目标/场景成像在其成像面(待扫描)上，该前组待扫描成像面根据系统各项参数可为平面或球面；后组采用合束棱镜、波片等对发射光学系统、接收光学系统进行共轴合束与隔离，实现收发光学系统的共轴像方扫描光学系统；激光器出射光束束腰等参量与发射光学系统参量匹配耦合进主光路，面阵APD探测器或其他激光探测与接收光学系统耦合进主光路，且发射光学系统、接收光学系统的像方孔径角或物方孔径角对准，以便匹配像方扫描；二维或二轴伺服运动机构带动后组共轴(共口径)收发光学系统，以一定状态沿进行平面像方扫描或球面像方扫描，实现激光雷达收发共口径的远距离、高分辨率瞬时面阵凝视成像或大视场扫描成像或大视场内任意指向。
附图说明
[0017]图1为实际光学系统近轴成像示意图；
[0018]图2为像方平面扫描面阵成像激光雷达光学系统模型原理图；
[0019]图3为像方球面平面扫描面阵成像激光雷达光学系统模型原理图；
[0020]图4为本专利技术的结构组成框图。
具体实施方式
[0021]以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。
[0022]具体实施例一：
[0023]根据图1至图4所示，本专利技术为解决上述技术问题采取的具体优化技术方案是：本专利技术涉及一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，所述系统包括：控制系统、激光器光源发射端、激光APD面阵探测器、一次成像面、激光接收光学系统、光信号合束/隔离器、激光发射光学系统、像面伺服扫描机构、大视场共口径一次成像光学系统；
[0024]所述控制系统控制激光器光源发射端、激光APD面阵探测器和像面伺服扫描机构；激光器光源发射端与激光发射光学系统耦合；激光APD面阵探测器与激光接收光学系统耦合；激光发射光学系统与激光接收光学系统通过光信号合束/隔离器进行共轴耦合形成后
组收发共轴光学系统；
[0025]大视场共口径一次成像光学系统探测远处景物时，形成平面或球面景物共轭像，前组像面为待扫描像面；后组收发共轴光学系统在像面伺服扫描机构带动下，对待扫描像面进行一定规律扫描；控制系统用于对扫描光学系统及光学扫描伺服机构的控制；
[0026]当后组收发共轴光学系统不扫描时，为系统瞬时小视场激光成像；当扫描时，为系统大视场扫描激光成像；当扫描机构快速移动时，为系统瞬时视场在前组大视场范围内的瞬时指向激光成像。
[0027]所述像面伺服扫描机构包括平面或球面伺服扫描机构。所述一次成像面包括平面或球面一次成像面。所谓“一次像像面”(应分开读“一次像、像面”或一次像的像面，即一次像的像面位置，此设计此处为虚面)是指前组大视场共口径一次成像光学系统在此处有像面，但在该处仅为系统“成像”的中继过程，实际成像要靠伺服扫描机构带动后组扫描或静止或指向时，由后组调制前组该“一次像像面”光信息使其在后组激光APD面阵探测器进行还原成像。
[0028]所谓“平面或球面一次像像面”是指前组光学系统在此处设计有中继像面，该像面为球面形式或平面形式，本设计此处为虚设“像面”，仅为激光雷达接收光学系统、发射光学系统共口径像方扫描“本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，其特征是：所述系统包括：控制系统、激光器光源发射端、激光APD面阵探测器、一次成像面、激光接收光学系统、光信号合束/隔离器、激光发射光学系统、像面伺服扫描机构、大视场共口径一次成像光学系统；所述控制系统控制激光器光源发射端、激光APD面阵探测器和像面伺服扫描机构；激光器光源发射端与激光发射光学系统耦合；激光APD面阵探测器与激光接收光学系统耦合；激光发射光学系统与激光接收光学系统通过光信号合束/隔离器进行共轴耦合形成后组收发共轴光学系统；大视场共口径一次成像光学系统探测远处景物时，形成平面或球面景物共轭像，前组像面为待扫描像面；后组收发共轴光学系统在像面伺服扫描机构带动下，对待扫描像面进行一定规律扫描；控制系统用于对扫描光学系统及光学扫描伺服机构的控制；当后组收发共轴光学系统不扫描时，为系统瞬时小视场激光成像；当扫描时，为系...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙剑峰，张海龙，周鑫，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：