一種非掃描型3d激光成像雷達(dá)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種非掃描型3D激光成像雷達(dá)。包括鎖模激光器、分束片、PIN光電管、激光擴(kuò)束鏡、多通道并行計(jì)時(shí)儀、望遠(yuǎn)鏡、MCP像增強(qiáng)器、光纖陣列、雪崩光電二極管陣列、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)；光纖陣列與雪崩光電二極管陣列信號(hào)輸入端的連接方式由d-分離矩陣A確定。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)高點(diǎn)云采集速率、高分辨率三維成像。
【專利說明】一種非掃描型3D激光成像雷達(dá)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)三維成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種非掃描型3D激光成像雷達(dá)。

【背景技術(shù)】
[0002] 非掃描型激光成像雷達(dá)是近年來(lái)出現(xiàn)的新型雷達(dá)，因?yàn)闆]有機(jī)械掃描裝置，具有 高幀頻率、寬視場(chǎng)、高可靠性的特點(diǎn)，在目標(biāo)匹配、制導(dǎo)、水下反潛與掃雷、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域 有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 由于非掃描型激光雷達(dá)的反射回波往往是離散光子脈沖，所以需要光子級(jí)別甚至 單光子級(jí)別的光電探測(cè)裝置，而現(xiàn)有的光子級(jí)和單光子級(jí)別的光電探測(cè)裝置存在規(guī)模小、 價(jià)格高昂等問題。目前已見報(bào)道的非掃描型3D激光成像雷達(dá)的解決方案有三種：（1)基于 微通道板的楔形陽(yáng)極光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)；（2)基于AH)陣列的光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)；（3)基于 微透鏡陣列的3D相機(jī)。其中，基于微通道板的楔形陽(yáng)極光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)成像分辨率高， 但受限于楔形陽(yáng)極的編解碼方法，其成像幀頻低；基于AH)陣列的光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)具有 靈敏度高、點(diǎn)云采集速率快的特點(diǎn)，但目前最大規(guī)模的APD陣列僅為32 X 32,分辨率低，限 制了其實(shí)際應(yīng)用的范圍；基于微透鏡陣列的3D相機(jī)具有較高的點(diǎn)云采集速率，但微透鏡陣 列導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重、成像分辨率低。因此，以上三種方法都無(wú)法滿足目標(biāo)匹配、制導(dǎo)、水下 反潛與掃雷、地質(zhì)勘探等實(shí)際應(yīng)用的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高點(diǎn)云采集速率、高分辨率的非掃描型3D 激光成像雷達(dá)。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種非掃描型3D激光成像雷達(dá)，包括鎖模激 光器、分束片、PIN光電管、激光擴(kuò)束鏡、多通道并行計(jì)時(shí)儀、望遠(yuǎn)鏡、MCP像增強(qiáng)器、光纖陣 列、雪崩光電二極管陣列、數(shù)據(jù)采集模塊和計(jì)算機(jī)；其中，
[0006] 分束片設(shè)置在鎖模激光器輸出端的中心軸線上；
[0007] PIN光電管設(shè)置在分束片分出的一路光束的光軸上，PIN光電管的輸出端與多通 道并行計(jì)時(shí)儀的開始端相連；
[0008] 激光擴(kuò)束鏡設(shè)置在分束片分出的另一路光束的光軸上，且激光擴(kuò)束鏡與鎖模激光 器輸出端的距離為激光擴(kuò)束鏡輸入負(fù)透鏡的一倍焦距；
[0009] 望遠(yuǎn)鏡的光軸與激光擴(kuò)束鏡的光軸相交；
[0010] MCP像增強(qiáng)器和光纖陣列依次設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡的光軸上，MCP像增強(qiáng)器的熒光屏幾 何中心與光纖陣列的幾何中心重合；
[0011] 光纖陣列的尾纖與雪崩光電二極管陣列的信號(hào)輸入端相連；
[0012] 雪崩光電二極管陣列的信號(hào)輸出端分別與多通道并行計(jì)時(shí)儀的停止端以及數(shù)據(jù) 采集模塊的數(shù)字輸入端相連接；
[0013] 多通道并行計(jì)時(shí)儀的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字輸入端相連接；
[0014] 數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端與計(jì)算機(jī)連接；
[0015] 光纖陣列由a X b個(gè)1 X L光纖分束器構(gòu)成，每個(gè)1 X L光纖分束器的尾纖數(shù)量為L(zhǎng)， aXb個(gè)1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強(qiáng)器熒光屏近貼 耦合；雪崩光電二極管陣列由N個(gè)雪崩光電二極管組成，且aXb大于N。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：（1)本發(fā)明基于群試?yán)碚摚O(shè)計(jì)出獨(dú)特 的光纖陣列和雪崩光電二極管連接方式，從而大量減少了雪崩光電二極管的數(shù)量，簡(jiǎn)化了 3D激光成像雷達(dá)的結(jié)構(gòu)，降低了成本；(2)本發(fā)明使用易于工藝實(shí)現(xiàn)的高像素光纖陣列代 替大小受工藝制約的低像素 AH)陣列，提高了成像分辨率；（3)本發(fā)明采集的數(shù)據(jù)只有"0" 和" 1"兩種狀態(tài)，使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明非掃描型3D激光成像雷達(dá)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2是本發(fā)明中光纖陣列和雪崩光電二極管陣列連接示意圖。
[0019] 圖3是是本發(fā)明中3X3的光纖陣列和雪崩光電二極管陣列連接示意圖
[0020] 圖4是本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中的待測(cè)目標(biāo)的圖像。
[0021] 圖5是本發(fā)明仿真實(shí)驗(yàn)中利用本發(fā)明對(duì)圖4所示的待測(cè)目標(biāo)進(jìn)行不同時(shí)間測(cè)量獲 得的圖像。

【具體實(shí)施方式】
[0022] -、本發(fā)明的組成和結(jié)構(gòu)：
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明非掃描型3D激光成像雷達(dá)，包括鎖模激光器1、分束片2、PIN 光電管3、激光擴(kuò)束鏡4、多通道并行計(jì)時(shí)儀5、望遠(yuǎn)鏡7、MCP像增強(qiáng)器8、光纖陣列9、雪崩 光電二極管陣列10、數(shù)據(jù)采集模塊11和計(jì)算機(jī)12 ;其中，
[0024] 分束片2設(shè)置在鎖模激光器1輸出端的中心軸線上；
[0025] PIN光電管3設(shè)置在分束片2分出的一路光束的光軸上，PIN光電管3的輸出端與 多通道并行計(jì)時(shí)儀5的開始端相連；
[0026] 激光擴(kuò)束鏡4設(shè)置在分束片2分出的另一路光束的光軸上，且激光擴(kuò)束鏡4與鎖 模激光器1輸出端的距離為激光擴(kuò)束鏡4輸入負(fù)透鏡的一倍焦距；
[0027] 望遠(yuǎn)鏡7的光軸與激光擴(kuò)束鏡4的光軸相交；
[0028] MCP像增強(qiáng)器8和光纖陣列9依次設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡7的光軸上，MCP像增強(qiáng)器8的熒 光屏幾何中心與光纖陣列9的幾何中心重合；
[0029] 光纖陣列9的尾纖與雪崩光電二極管陣列10的信號(hào)輸入端相連；
[0030] 雪崩光電二極管陣列10的信號(hào)輸出端分別與多通道并行計(jì)時(shí)儀5的停止端以及 數(shù)據(jù)采集模塊11的數(shù)字輸入端相連接；
[0031] 多通道并行計(jì)時(shí)儀5的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊11的數(shù)字輸入端相連接；
[0032] 數(shù)據(jù)采集模塊11的輸出端與計(jì)算機(jī)12連接；
[0033] 光纖陣列9由aXb個(gè)1XL光纖分束器構(gòu)成，每個(gè)1XL光纖分束器的尾纖數(shù)量為 L，aXb個(gè)1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強(qiáng)器8熒光屏 近貼耦合；雪崩光電二極管陣列10由N個(gè)雪崩光電二極管組成，且aXb遠(yuǎn)大于N。
[0034] 二、光纖陣列9的尾纖與雪崩光電二極管陣列10的信號(hào)輸入端的連接方式
[0035] 如圖2,每個(gè)1XL光纖分束器的L個(gè)尾纖按群試采樣原理設(shè)計(jì)、捆扎，連接到相應(yīng) 雪崩光電二極管陣列10的輸入端，具體是：存在矩陣A，以每個(gè)1 XL光纖分束器作為矩陣A 的列元素，每個(gè)雪崩光電二極管作為矩陣A的行元素，按照矩陣A中元素 Ay的取值決定光 纖陣列9中的光纖分束器與雪崩光電二極管陣列10相應(yīng)輸入端是否進(jìn)行連接，當(dāng)Au = 1 時(shí)，將第j個(gè)1 X L光纖分束器與第i個(gè)雪崩光電二極管相連；當(dāng)Ay = 0時(shí)，則第j個(gè)1 X L 光纖分束器與第i個(gè)雪崩光電二極管不連接。
[0036] 所述矩陣A是d-分離矩陣。d-分離矩陣是滿足矩陣中任意d+Ι列不能被其余d 列所覆蓋的矩陣。本發(fā)明采取基于中國(guó)剩余定理的Eppstein算法設(shè)計(jì)光纖陣列9中的光 纖分束器與雪崩光電二極管陣列10相應(yīng)輸入端的連接方式，即設(shè)計(jì)d-分離矩陣A。具體設(shè) 計(jì)方式為：

【權(quán)利要求】
1. 一種非掃描型3D激光成像雷達(dá)，其特征在于，包括鎖模激光器（1)、分束片（2)、PIN 光電管（3)、激光擴(kuò)束鏡（4)、多通道并行計(jì)時(shí)儀（5)、望遠(yuǎn)鏡（7)、MCP像增強(qiáng)器（8)、光纖陣 列（9)、雪崩光電二極管陣列（10)、數(shù)據(jù)采集模塊（11)和計(jì)算機(jī)（12);其中， 分束片（2)設(shè)置在鎖模激光器（1)輸出端的中心軸線上； PIN光電管（3)設(shè)置在分束片（2)分出的一路光束的光軸上，PIN光電管（3)的輸出端 與多通道并行計(jì)時(shí)儀（5)的開始端相連； 激光擴(kuò)束鏡（4)設(shè)置在分束片（2)分出的另一路光束的光軸上，且激光擴(kuò)束鏡（4)與 鎖模激光器（1)輸出端的距離為激光擴(kuò)束鏡（4)輸入負(fù)透鏡的一倍焦距； 望遠(yuǎn)鏡（7)的光軸與激光擴(kuò)束鏡（4)的光軸相交； MCP像增強(qiáng)器（8)和光纖陣列（9)依次設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡（7)的光軸上，MCP像增強(qiáng)器（8) 的熒光屏幾何中心與光纖陣列（9)的幾何中心重合； 光纖陣列（9)的尾纖與雪崩光電二極管陣列（10)的信號(hào)輸入端相連； 雪崩光電二極管陣列（10)的信號(hào)輸出端分別與多通道并行計(jì)時(shí)儀（5)的停止端以及 數(shù)據(jù)采集模塊（11)的數(shù)字輸入端相連接； 多通道并行計(jì)時(shí)儀（5)的輸出端與數(shù)據(jù)采集模塊（11)的數(shù)字輸入端相連接； 數(shù)據(jù)采集模塊（11)的輸出端與計(jì)算機(jī)（12)連接； 光纖陣列（9)由aXb個(gè)1XL光纖分束器構(gòu)成，每個(gè)1XL光纖分束器的尾纖數(shù)量為L(zhǎng)， aXb個(gè)1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強(qiáng)器⑶熒光屏 近貼耦合；雪崩光電二極管陣列（10)由N個(gè)雪崩光電二極管組成，且aXb大于N。
2. 如權(quán)利要求1所述非掃描型3D激光成像雷達(dá)，其特征在于，確定光纖陣列（9)的尾 纖與雪崩光電二極管陣列（10)的信號(hào)輸入端的連接方式的方法為： 假設(shè)：存在d-分離矩陣A，以每個(gè)1 X L光纖分束器作為矩陣A的列元素，每個(gè)雪崩光 電二極管作為矩陣A的行元素，按照矩陣A中元素 Au的取值決定光纖陣列（9)中的光纖分 束器與雪崩光電二極管陣列（10)相應(yīng)輸入端是否進(jìn)行連接，當(dāng)Au = 1時(shí)，將第j個(gè)1XL 光纖分束器與第i個(gè)雪崩光電二極管相連；當(dāng)=0時(shí)，則第j個(gè)1XL光纖分束器與第 i個(gè)雪崩光電二極管不連接；d-分離矩陣A的設(shè)計(jì)方式為：

【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104122561SQ201410336162
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】何偉基, 冒添逸, 尹文也, 陳錢, 顧國(guó)華, 張聞文, 錢惟賢, 隋修寶, 于雪蓮, 屈惠民, 任侃, 路東明 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)