[发明专利]一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统

说明书

本发明提供一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。本发明本发明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。

技术领域

本发明涉及激光发射光学系统技术领域，是一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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，本发明提供了一种基于像方扫描的激光雷达收发光学系统，本发明提供了以下技术方案：

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；

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。

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。

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。

优选地，所述一次成像面包括平面或球面一次成像面。

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。