五分鐘讀懂成像激光雷達(dá)！

引言

激光雷達(dá)的研究最早是從軍事應(yīng)用中開始的，其中一個(gè)重要應(yīng)用是目標(biāo)識別。主動成像激光雷達(dá)系統(tǒng)可以直接獲得目標(biāo)的輪廓和位置信息(即強(qiáng)度像和距離像)，可以很容易地識別目標(biāo)。分為掃描成像激光雷達(dá)和非掃描成像激光雷達(dá)兩種。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

成像技術(shù)

采用直接探測的成像激光雷達(dá)系統(tǒng)一般可采用三種技術(shù)：

(1)采用單元探測器，每次只探明一個(gè)像素大部分成像激光雷達(dá)的研究都是采用這種技術(shù)，原因是探測器技術(shù)和激光器技術(shù)都比較成熟。激光器發(fā)出一個(gè)脈寬很窄的脈沖(一般為ns量級)，經(jīng)過測量光波的往返時(shí)間，確定目標(biāo)的距離。掃描光學(xué)系統(tǒng)(掃描器)將發(fā)射脈沖指向目標(biāo)，回波強(qiáng)度反映目標(biāo)的反射率特性。掃描器按照一定的掃描圖樣如光柵掃描將光束指向目標(biāo)上的不同位置，這樣，就可以通過接收系統(tǒng)得到目標(biāo)的角度-角度-強(qiáng)度圖像和角度-角度-距離圖像(Angle-Angle-Range-AAR)，AAR又稱三維圖像。這種成像技術(shù)要求激光的重復(fù)頻率要高、脈沖寬度要窄，單脈沖能量要大。

(2)采用面陣探測器，每次探測所有像素一般來說，成像激光雷達(dá)存在著高成像速率和高分辨率(高像素?cái)?shù))的矛盾，即不可能使成像分辨率達(dá)到很高的同時(shí)，還使成像速率也達(dá)到很高。這種矛盾對采用單元探測器的激光雷達(dá)尤為突出。因此，必須折衷考慮兩者的關(guān)系。在成像像素?cái)?shù)要求很高而成像速率要求不很高的情況下，可采用這種技術(shù)。通過控制發(fā)射激光，使發(fā)射光能同時(shí)覆蓋整個(gè)目標(biāo)，然后用一個(gè)二維陣列探測器接收回波信號。這種方法一般需要對發(fā)射光進(jìn)行調(diào)制，對接收信號進(jìn)行解調(diào)，才能測量到距離信息。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要掃描器，缺點(diǎn)是要求激光器發(fā)射功率要足夠大，無法采用高靈敏度的APD探測器。

(3)采用陣列探測器，每次探測幾個(gè)像素這種技術(shù)可以作為上述兩種技術(shù)的折衷。將發(fā)射光分為x束，同時(shí)照射目標(biāo)上x點(diǎn)。從x點(diǎn)反射回的信號投射到對應(yīng)的x元探測上，通過處理可得到x個(gè)像素?cái)?shù)的距離信息和強(qiáng)度信息。通過掃描器掃描，直到探測到所要求的像素?cái)?shù)時(shí)，成像顯示。

這種技術(shù)較為新穎，比較有發(fā)展?jié)摿Γy度也較大。目前這項(xiàng)研究才剛剛起步，用于這項(xiàng)研究的高靈敏度陣列APD探測器線列維數(shù)可達(dá)32維，面陣APD可達(dá)8×8。將一束光分為幾束光同時(shí)照射目標(biāo)，用相同維數(shù)的探測器探測對應(yīng)的回波信號，就可以實(shí)現(xiàn)高速高分辨率成像。這項(xiàng)研究難度較大，對掃描器的要求較高，信號的探測也較為困難。

以上是三種不同的成像技術(shù)，必須根據(jù)實(shí)際要求來選擇不同的方法。

單元技術(shù)--發(fā)射機(jī)

掃描和非掃描激光雷達(dá)對發(fā)射機(jī)(激光器)的要求不同。掃描激光雷達(dá)要求激光器在很短的時(shí)間內(nèi)照射目標(biāo)上的一個(gè)較小的范圍，要求激光器有較高的重復(fù)頻率。二極管泵浦固體激光器可滿足這些要求。燈泵和化學(xué)泵浦的激光器輸出激光峰值功率很高，但是脈沖重復(fù)頻率較低。閃光燈泵浦的激光器價(jià)格低，效率較低，比較適合于非掃描系統(tǒng)。

二極管激光器

單個(gè)二極管激光器的輸出功率很小，將多個(gè)二極管“堆積”便可產(chǎn)生較高功率的激光輸出，但是此時(shí)激光器的輸出光斑并不是圓形光斑，而是一個(gè)如10°×30°的光椎。必須很好地對輸出激光進(jìn)行準(zhǔn)直而不損失能量。二極管激光器的輸出激光是一個(gè)比較寬的光源，需要一個(gè)長焦距的透鏡準(zhǔn)直，將其壓縮成一個(gè)窄光束。通過增加二極管激光器電源的工作電流，可以增大激光器的輸出功率。但增大工作電流，就會增大損害激光器的幾率，減小激光器的工作壽命，或者直接損壞激光器。

二極管泵浦固體激光器

二極管泵浦固體激光器在增加脈沖重復(fù)頻率的同時(shí)，脈沖能量會降低，而脈沖寬度會增加，會導(dǎo)致脈沖峰值功率下降。如美國相干公司的DPY501QⅡ型激光器，脈沖寬度會從低重復(fù)頻率時(shí)的30ns增加到30kHz時(shí)的80ns。而能量會從800LJ降到200LJ(30kHz時(shí))。

閃光燈泵浦固體激光器

目前閃光燈泵浦的固體激光器的脈沖峰值功率最大可達(dá)到12，500kW，這要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二極管泵浦固體激光器的輸出功率。脈沖寬度很窄，脈沖重復(fù)頻率在90Hz時(shí)的脈寬可達(dá)到6ns。激光器的體積和電源也都很小。

掃描系統(tǒng)

目前，可用于激光雷達(dá)的掃描器可分為三種:力學(xué)、電學(xué)和二元光學(xué)掃描器。力學(xué)掃描器如轉(zhuǎn)鏡、擺鏡、振鏡需要反射鏡轉(zhuǎn)動或擺動等才能達(dá)到光束偏轉(zhuǎn)的目的。

力學(xué)掃描系統(tǒng)能夠進(jìn)行大角度范圍掃描。轉(zhuǎn)鏡可以用很高的掃描速度進(jìn)行掃描，但是只能以固定的掃描圖樣掃描。需用兩個(gè)轉(zhuǎn)鏡才能組成一個(gè)二維掃描系統(tǒng)。振鏡由于慣性的影響，掃描速度不會很高。力學(xué)掃描系統(tǒng)體積較大、笨重，耗電量大。

聲光掃描系統(tǒng)掃描速度可以很高，光束可以指向掃描空間中的任一點(diǎn)。聲光掃描器不包含任何機(jī)械運(yùn)動部分。缺點(diǎn)是，掃描角度小。一般在同幾十分之一毫弧度量級，而且光透過率低，光束質(zhì)量差，耗電量大，光學(xué)系統(tǒng)還必須冷卻處理。

液晶位相陣列也可以用于進(jìn)行光束掃描，工作方式類似于位相陣列雷達(dá)。該掃描系統(tǒng)不包含運(yùn)動部分，可以將光束指向掃描空間中的任意點(diǎn)，掃描角度一般可達(dá)±4.5°。缺點(diǎn)是，掃描速度很慢，不能進(jìn)行連續(xù)掃描，而是將光束指向空間中的離散點(diǎn)，切換掃描方向一般需要幾毫秒。

二元光學(xué)是光學(xué)技術(shù)中的一個(gè)新興的重要分支，它是建立在衍射理論、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和微細(xì)加工技術(shù)基礎(chǔ)上的光學(xué)領(lǐng)域的前沿學(xué)科之一。利用二元光學(xué)技術(shù)可制造出微透鏡陣列靈巧掃描器。一般這種掃描器由一對間距只有幾微米的微透鏡陣列組成，一組為正透鏡，另一組為負(fù)透鏡。準(zhǔn)直光經(jīng)過正透鏡后開始會聚，然后通過負(fù)透鏡后又變?yōu)闇?zhǔn)直光。當(dāng)正透鏡陣列和負(fù)透鏡陣列橫向有相對移動時(shí)，準(zhǔn)直光的方向就會發(fā)生變化。若兩個(gè)微透鏡陣列在水平方向發(fā)生相對移動，則輸出光就會有水平方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。透鏡陣列之間有很小的相對移動，就會產(chǎn)生幾度的光束偏轉(zhuǎn)，透鏡陣列越小，要求的相對移動也就越小。由于這種微透鏡陣列的重量很小，產(chǎn)生光束偏轉(zhuǎn)所需的移動也很小，因此，二元光學(xué)掃描器的掃描速度可以達(dá)到很高(>1kHz)；掃描圖樣可以通過編程任意改變；掃描器體積?。豢梢院苋菀讓⒁皇夥殖啥嗍?。二元光學(xué)掃描器有兩個(gè)主要缺點(diǎn)，即掃描角度較小(幾度)；透過率較低，若要增大透過率，則價(jià)格就會很高。

應(yīng)用

成像激光雷達(dá)由于具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可以同時(shí)成目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像，還可以成高分辨率的三維圖像，所以很適合于在軍事上發(fā)展智能武器。在軍事中的應(yīng)用很廣，如小型靈巧炸彈和巡航導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)；巡航導(dǎo)彈的地形跟隨和障礙物回避、導(dǎo)彈下視測高；直升機(jī)避障；飛行器導(dǎo)航；水下魚雷探測和識別；戰(zhàn)場中敵我識別；目標(biāo)跟蹤；目標(biāo)瞄準(zhǔn)；導(dǎo)彈防御等。

二極管泵浦固體激光技術(shù)大大推動了成像激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展。隨著高效率、高重復(fù)頻率、高輸出功率的二極管泵浦固體激光器技術(shù)日益成熟，采用二極管泵浦固體激光器的成像激光雷達(dá)體積更小、價(jià)格更低、商業(yè)價(jià)值更高。

二極管泵浦固體成像激光雷達(dá)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，潛在的應(yīng)用如機(jī)器人視覺；智能高速公路；障礙物回避；產(chǎn)品缺陷檢測；產(chǎn)品分類等。

來源：深圳東裕光大