用于激光雷达的复合式扫描系统技术方案

用于激光雷达的复合式扫描系统，涉及光电技术领域，解决现有激光雷达扫描系统存在扫描效率低、激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受限；且扫描视场小、均匀性差以及分辨率低等问题，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、PZT快速倾斜镜、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；本发明专利技术所述系统利用X轴振镜、Y轴振完成大范围的粗扫描，利用PZT快速倾斜镜完成小范围的精确扫描，进而实现大范围精确的激光扫描雷达成像。

【技术实现步骤摘要】
用于激光雷达的复合式扫描系统
本专利技术涉及光电
，具体涉及一种用于激光雷达的复合式扫描装置。
技术介绍
传统的激光雷达从应用上讲大致分为两类，分别为跟踪式激光雷达与测量式激光雷达。跟踪式激光雷达主要用于激光制导跟踪场合，利用超大功率(瞬时功率万瓦)激光器对目标进行照射，而后在接收端采用高速阵列探测器，对目标进行高速测距以及成像。这类雷达的优点在于可以实现高速的立体成像，缺点在于阵列探测器的像元尺寸受到限制所以其成像的二维分辨率无法做的太高，并且视场极小。测量式激光雷达主要用于地形地貌测量与大气测量等场合，利用大功率激光器对目标进行逐点扫描，而后在接收端采用单一探测器，对目标进行高速逐点测距最后成像。这类雷达的优点在于可以实现大面积的成像，缺点在于成像过程分辨率较低，而且系统的分辨率精度还受扫描伺服系统的约束。现有技术不足之处在于：传统激光雷达系统，在成像过程中主要有两个参数制约着激光雷达的成像带宽，分别是固态激光器的重复频率和扫描系统的扫描带宽与扫描精度。为了提高激光雷达的成像带宽与精度，近年来国内外诸多学者为此提出了诸多解决方案。Tuley等人提出采用对二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量，Surmann等人采用机械式二维扫描装置实现三维激光测量，瞿荣辉等人提出一种基于电光扫描的光学相控阵技术，孟昭华等人使用窄线宽半导体激光器利用声光移频器、马赫-曾德尔幅度调制器构建了一套基于平衡相干探测与啁啾调幅的激光测距实验系统，郑睿童等人提出一种基于线阵APD探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统，吴丽娟等人提出改革模式APD阵列无扫描式激光雷达，并对其三维成像进行了仿真。所述虽然扫描方式简单，扫描角度大，但是扫描效率低，激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受很大限制。所用的声光扫描和电光扫描的方式，扫描速度快、效率高，属无惯性扫描，但其扫描视场小且均匀性差，提出的无扫描方式虽然具有对激光脉冲频率要求低，成像速度快的优点，但扫描视场小，分辨率低。
技术实现思路
本专利技术为解决现有激光雷达扫描系统存在扫描效率低、激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受限；且扫描视场小、均匀性差以及分辨率低等问题，提供一种用于激光雷达的复合式扫描系统。用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；其特征是；所述发射子系统还包括PZT快速倾斜镜，使PZT快速倾斜镜的基准零度与光学接收系统共轴，调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴；所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，准直后的激光束的束腰出现在被测区间；所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对回波信号光电转换后传送至信号处理电路，所述信号处理电路从回波光电信号中提取被测区域不同位置的距离信息，并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据所述距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像；所述激光束的回波发散角小于等于PZT快速倾斜镜单步偏转角的2倍。本专利技术的有益效果：本专利技术所述的复合式扫描系统采用基于PZT快速倾斜镜与X轴振镜、Y轴振镜相结合的两级复合式激光扫描系统，利用X轴振镜、Y轴振完成大范围的粗扫描，利用PZT快速倾斜镜完成小范围的精确扫描，进而实现大范围精确的激光扫描雷达成像。本专利技术所述系统选用粗、精两级扫描系统完成扫描，所以其既能在大视场范围内扫描成像，又可以通过精扫描获得扫描精度；所述光源选用高重频激光器，所以在提高成像精度的同时，成像带宽也能有所提高。本专利技术所述的光源为DFB高频半导体光纤激光器，这类激光器与F-P腔激光器相比具有动态单纵模窄线宽、波长稳定性好两大优点，并且它的EA电吸收调制具有外形尺寸小、啁啾效应弱和驱动电压低等优点；激光回波的发散角要求小于PZT偏转角的2倍，光学发射系统与传统激光准直天线的本质区别在于，经复合式扫描光学发射系统准直后激光光束的束腰要出现在被测区间。附图说明图1为本专利技术所述的用于激光雷达的复合式扫描系统工作示意图；图2为激光雷达工作原理框图；图3为本专利技术所述的用于激光雷达的复合式扫描系统中光学发射系统的光学结构图；图4中(a)为图3中光学系统的衍射能量圈示意图；(b)为光学系统1km远处光斑足迹示意图；图5为光学接收系统的光路仿真效果示意图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级掺铒光纤放大器(EDFA)和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、PZT快速倾斜镜、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，实现对光束的精扫描，即所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对光束滤波后传送至信号处理电路，所述信号处理电路获得距离信息并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据获得的距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像。本实施方式中所述的光束的光源为DFB高频半导体光纤激光器，采用可编程逻辑门阵列(FPGA)对其进行调制，DFB激光器发出的种子光信号经过EDFA两级放大后发出高功率、高重频激光信号；本实施方式中光源采用1550n本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、PZT快速倾斜镜、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；其特征是；所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大光敏面APD，所述大光敏面APD对回波信号光电转换后传送至信号处理电路，所述信号处理电路从回波光电信号中提取被测区域不同位置的距离信息，通过该距离信息并将所述距离信息传送至ARM处理器，所述ARM处理器根据所述距离信息与PZT快速倾斜镜位置信息、X轴振镜位置信息和Y轴振镜位置信息计算获得被测目标区域各点的三维信息，并将三维信息发送到上位机，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像；所述激光束的回波发散角小于等于PZT快速倾斜镜单步偏转角的2倍。...

【技术特征摘要】
1.用于激光雷达的复合式扫描系统，包括发射子系统、接收子系统和电控系统；所述发射子系统包括DFB激光器、两级EDFA和光学发射系统；接收子系统包括光学接收系统、X轴振镜、Y轴振镜以及大光敏面APD；所述电控系统包括信号处理电路、PZT驱动器、FPGA、ARM处理器、上位机、X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器；其特征是；所述发射子系统还包括PZT快速倾斜镜，使PZT快速倾斜镜的基准零度与光学接收系统共轴，调整光学发射系统与PZT快速倾斜镜的基准零度共轴，实现三者共轴；所述DFB激光器接收FPGA发出的数字信号后出射高频激光，所述高频激光经过两级EDFA放大后经光学发射系统准直入射到PZT快速倾斜镜上，准直后的激光束的束腰出现在被测区间；所述PZT驱动器控制PZT快速倾斜镜向X轴和Y轴方向步进，所述激光束经X轴振镜的反射镜和Y轴振镜的反射镜反射后在被测目标区域形成多个扫描点组成的PZT扫描视场，所述X轴振镜驱动器和Y轴振镜驱动器分别控制X轴振镜和Y轴振镜偏转，经PZT快速倾斜镜反射的光束通过X轴振镜和Y轴振镜的反射镜反射后逐行扫描并在被测目标区域形成振镜扫描视场，所述振镜扫描视场由多个PZT扫描视场拼接组成；经被测目标区域发生漫反射的光束由光学接收系统接收并会聚至大...

【专利技术属性】
技术研发人员：母一宁，马辰昊，宫平，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22