一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统技术方案

本发明专利技术公开了一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，光源发出的光进入第一镜头组中，其信号光通过第二镜头组发射至目标，第四镜头组接收目标反射的信号光，在第二像平面上成实像，实像由一第五镜头组进行扩束后，进入第一合束器；其本振光通过第三镜头组在第一像平面处产生激光束腰，由另一第五镜头组进行扩束后，进入合束器，再由第六镜头组进行汇聚，第三像平面上放置传感器阵列，传感器阵列连接信号处理模块，对电信号进行计算处理后输出。通过使信号光和本振光的传播方向接近平行，由合束器将其聚焦到像平面上，通过像平面上的传感器阵列，实现焦平面阵列的相干测速和测距，有效的避免了交流分量在相位上产生的错位，提高了信噪比。了信噪比。了信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统


[0001]本专利技术属于电子信息
，涉及一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统。

技术介绍

[0002]相干光测距是一种利用光的相干性进行测距的光测距方法。其原理为利用光的相干性来获取干涉后的光拍频信号，距离信息则由加载在光信号上的频率变化来获得。
[0003]假设本振光和信号光的角频率分别为ω
L
和ω
s
，对应的相位φ
L
和φ
S
，为对应二者的电场振幅为：
[0004][0005]则本振光和信号光产生在探测器的光敏面上产生干涉时，其光电流为：
[0006][0007]式中，α为光电探测器光电响应率。可以得到光电流具有一个交流项，其频率ω＝ω
L
‑
ω
S
，其相位为φ＝φ
L
‑
φ
s
，通过对光电流的频率检测，即可以的得到目标的距离。
[0008]此外，由于多普勒效应，照射到具有相对速度的目标产生的回波会产生一个多普勒频移，其大小可以由下式计算：
[0009][0010]上式中，v为目标和探测源的径向速度，λ为探测光的波长。当目标靠近探测源时，f
d
>0，当目标原理探测源时，f
d
<0。
[0011]当前，主流的探测方案仍然以单点探测或其变种为主。单点指在一个收发单元内，具有一组发射端和接收端，最终仅输出一个测距/测速结果。通过多组探测器阵列，实现大角度的覆盖。具体实现的形式包括：
[0012](1)机械扫描：采用多路单点的收发模组组合成线阵，再通过旋转扫描机构进行扫描，从而可以实现对于大角度的覆盖。这种机械旋转的方法为最传统的扫描模式。
[0013](2)MEMS扫描：收发的单路模组固定，采用一块或者多块MEMS微振镜对收发激光进行偏折和行扫描。因为这种扫描方式的主要部件都不需要移动，因此这种方法被称为“半固态”的。
[0014](3)采用光相控阵(Optical Phased Array,OPA)等扫描装置。这是一种全固态，完全没有移动部件的扫描模式。OPA可以对于光场相位的调控，从而改变发射和接收的角度。
[0015]上述三个方案中，由于(1)和(2)由于依然具有可以移动或者旋转的部件，导致其可靠性大打折扣，(3)中使用的OPA目前技术成熟度仍然较差。因此，设计一种完全固态，无可移动部件的激光雷达方案是具有很强的必要性的。

技术实现思路

[0016]本专利技术的目的在于解决现有技术中的焦平面阵列成像时，由于像素内的多个点具有不同的相位，使光电流的交流分量在相位上产生错位，不同区域的光电流加和之后，交流分量相互抵消，导致信噪比降低的问题，提供一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统。
[0017]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0018]一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，包括光源、第一镜头组、第二镜头组、第三镜头组、第四镜头组、第五镜头组、第一合束器和第六镜头组；
[0019]光源中发出的光进入第一镜头组中，由第一镜头组进行准直、整形和分束，将光分为信号光和本振光，信号光通过第二镜头组发射至目标，第四镜头组接收从目标反射的信号光，在第二像平面上成实像，实像由其中一个第五镜头组进行扩束后，进入第一合束器；本振光通过第三镜头组进行整形、聚焦后，在第一像平面处产生激光束腰，激光束腰由另一个第五镜头组进行扩束后，进入第一合束器，信号光和本振光均通过第一合束器之后，通过第六镜头组进行汇聚，在第三像平面上实现信号光和本振光的相干，第三像平面上放置有第一传感器阵列，第一传感器阵列完成光电转换后将电信号输入至信号处理模块，信号处理模块对电信号进行计算处理后输出。
[0020]本专利技术的进一步改进在于：
[0021]所述信号光和本振光均通过第一合束器之后，进入第一分束器将光分为两路，第一路光通过第六镜头组后在第三像平面上形成第一实像，同时第二路光通过第七镜头组后在第四像平面上形成第二实像；第三像平面和第四像平面处分别放置第一传感器阵列和第二传感器阵列，第一传感器阵列和第二传感器阵列分别完成光电转换后将电信号输入至信号处理模块。
[0022]所述第一实像与第二实像相同或者互为镜像。
[0023]所述第六镜头组和第七镜头组的结构相同或者光学功能相同。
[0024]所述在第一像平面处产生激光束腰，激光束腰的1/e2半径为r1，所述第四镜头组接收从目标反射的信号光，在第二像平面上成实像，实像的半径为r2。
[0025]所述激光束腰的1/e2半径r1大于第二像平面上的实像半径r2。
[0026]所述第二像平面上的实像由其中一个第五镜头组进行扩束后，成为半径为r4、发散角为θ4的近似平行光；激光束腰由另一个第五镜头组进行扩束后，准直成为发散角的1/e2半径为r3、发散角为θ3的近似平行光。
[0027]所述第二像平面上实像进行扩束后形成的近似平行光的半径r4小于激光束腰进行扩束后形成的近似平行光的半径r3；所述第二像平面上实像进行扩束后形成的近似平行光的发散角θ4大于激光束腰进行扩束后形成的近似平行光的发散角θ3。
[0028]所述光源为外腔窄线宽激光器、分布式布拉格光栅激光器或声光调制器。
[0029]所述电信号为模拟电流信号、模拟电压信号或数字信号，所述信号处理模块输出的数据为被测目标的速度、距离、三维坐标信息或点云信息。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术提出了一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，通过将光源发射出的光分为信号光和本振光，分别通过镜头组进行扩束、准直和整形后，使二者的传播方向接近平行，再通过合束器对本振光和信号光进行聚焦，将其聚焦到像平面上，通过像平面上的传
感器阵列进行光电信号转换，在信号处理模块中对电信号进行计算处理，从而得到目标的速度和距离信息，实现了焦平面阵列的相干测速和测距，有效的避免了交流分量在相位上产生的错位，提高了信噪比。
附图说明
[0032]为了更清楚的说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0033]图1表示光源为光纤激光器时激光雷达系统光路结构示意图；
[0034]图2表示光源为空间光激光器时激光雷达系统光路结构示意图；
[0035]图3表示进行面阵平衡探测时激光雷达系统光路结构示意图。
[0036]其中：1
‑
光源，2
‑
第一镜头组，3
‑
第二镜头组，4
‑
第三镜头本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，其特征在于，包括光源(1)、第一镜头组(2)、第二镜头组(3)、第三镜头组(4)、第四镜头组(7)、第五镜头组(6，9)、第一合束器(10)和第六镜头组(11)；光源(1)中发出的光进入第一镜头组(2)中，由第一镜头组(2)进行准直、整形和分束，将光分为信号光和本振光，信号光通过第二镜头组(3)发射至目标，第四镜头组(7)接收从目标反射的信号光，在第二像平面(8)上成实像，实像由其中一个第五镜头组进行扩束后，进入第一合束器(10)；本振光通过第三镜头组(4)进行整形、聚焦后，在第一像平面(5)处产生激光束腰，激光束腰由另一个第五镜头组进行扩束后，进入第一合束器(10)，信号光和本振光均通过第一合束器(10)之后，通过第六镜头组(11)进行汇聚，在第三像平面(12)上实现信号光和本振光的相干，第三像平面(12)上放置有第一传感器阵列(16)，第一传感器阵列(16)完成光电转换后将电信号输入至信号处理模块(18)，信号处理模块(18)对电信号进行计算处理后输出。2.如权利要求1所述的一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，其特征在于，所述信号光和本振光均通过第一合束器(10)之后，进入第一分束器(13)将光分为两路，第一路光通过第六镜头组(11)后在第三像平面(12)上形成第一实像，同时第二路光通过第七镜头组(14)后在第四像平面(15)上形成第二实像；第三像平面(12)和第四像平面(15)处分别放置第一传感器阵列(16)和第二传感器阵列(17)，第一传感器阵列(16)和第二传感器阵列(17)分别完成光电转换后将电信号输入至信号处理模块(18)。3.如权利要求2所述的一种采用焦平面成像的相干光激光雷达系统，其特征在于，所述第一实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冰，余敏，辛有泽，胡从振，耿莉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：