激光雷达模拟样机系统与实验研究
由于激光雷达具有极高的角分辨率、距离分辨率、速度分辨率，且测速范围广、能获得目标的多种图像、抗干扰能力强、比微波雷达的体积和重量小等一系列独特的优点，在军用领域和民用领域都有广泛的应用。随着近年来激光雷达的发展，由于无扫描成像激光雷达具有高帧率、宽视场、坚固、体积小等优点已成为该领域研究热点，一直受到各国军方关注。为满足当前对此类激光雷达的迫切需求，进行成像激光雷达的研究是十分必要的。本文通过对凝视型成像激光雷达进行原理性验证，同时研究其关键技术，研制出激光雷达模拟样机，并对其性能做了实验研究。该研究成果可应用于侦查、制导、水下探测、测污等领域，具有广阔的应用前景。 研究了满足本实验要求激光雷达发射系统。采用Nd：YAG激光器，利用发射光学系统，改变出射激光的束散角。对整体发射系统进行了实验研究，测试了发射系统的能量损耗和扩束能力。 激光雷达模拟样机接收系统是本研究中最为重要的一个环节。首先根据设计要求，利用软件设计了单个光学透镜系统，并对其进行拼接来获得更大接收视场，加工组装后得到满足实验设计要求的光学复眼系统。探讨了APD探测器的选取和参数，并设计了相应的电路。通过计算结果选取了数值孔径合适的阶跃型光纤，分析了机械对准误差给耦合效率带了的影响，在实验中测定了耦合效率，设计加工了精密光纤耦合器，从而保证准确对接。最后通过实验对单个光纤信号的结果进行了分析和研究，测试了其测距能力，探讨复眼接收系统的基本性能。目前的激光扫描成像大多为一次发射对应一个像点，为了得到高的成像分辨率，就需要激光工作频率很高，这使得光信息处理也面l临数据大量繁杂的困难。本方案运用波面分割技术，使一次激光发射能在复眼阵列器上得到一组距离数据，达到探测制导的目的。系统采用特殊设计的阵列透镜构成仿生复眼，通过光纤“模拟神经”与阵列探测器相耦合，APD探测器接收的激光信号通过相应电路转换后经处理后，得到一组成像像元的距离信息，通过数据综合处理形成目标距离三维图像。当考虑到需要扩大视场时，由于弹载小型化对复眼配数的限制和激光束散角的扩束限制，实验中采用声光扫描系统。声光扫描与机械扫描机构完全不同，虽然光束在扫描，而发射与接收装置是固定的，这种扫描方案只能在较小视场中应用，由于弹载制导系统监控视场很小，选择声光扫描是非常适宜的。声光扫描与振镜扫描相比又具有稳定可靠和抗光伤强度高的优点。由基本原理入手，选取TeO2作为声光材料，运用声光偏转技术改变激光传输方向，研制出一维可调式声光偏转器，偏转角为2°，扫描方式通过改变射频信号频率来实现。重点研究了声光偏转器的衍射效率的提高途径，测试了声光扫描器的偏转角和引入损耗，并分析了损耗的形成原因。 研究了激光雷达模拟样机处理系统。对整个系统用到的电路和元器件及其工作流程做了深入的研究。 在此结果之上，进行了单眼的测距实验，多个复眼组合的距离成像实验，从实验结果可以看出，本样机系统测距精度高，能反映探测目标的轮廓，满足导弹制导要求。
激光雷达;发射系统;光学复眼;波面分割技术;耦合效率;扩束限制
长春理工大学
博士
光学工程
梁柱
2012
中文
TN958.98;TN957.52
110
2012-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）