[01154973]一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统

① 课题来源与背景 激光雷达测量是一种已迅速发展成为热点的主动光学遥感技术,为获取空间三维数据提供了重要手段。现有技术的缺陷主要体现在：ICCD系统需要很大的激光发射功率对目标实施泛光照明,探测距离小,不能瞬间获取距离信息,处理电路和算法复杂,体积、重量较大,不适合高速、高精度机载三维成像应用场合。点扫描APD探测器对激光器重复频率要求高,需要扫描装置,光学系统设计难度大。采用单点APD组合的APD面阵均采用分立元件,若用其构成更高分辨率的APD阵列,必然出现体积庞大,加工、调试困难,一致性差等诸多问题。采用一片APD面阵芯片的测量系统,分辨率偏低,不适合分辨率要求较高的应用场合。采用达曼光栅对发射激光均匀分束,虽然可以减小激光发射功率,但达曼光栅价格昂贵。 ② 技术原理及性能指标 脉冲式N×N阵列激光雷达系统包括控制子系统、发射子系统、接收子系统和测距与强度获取子系统。控制子系统包括：主控制器、姿态测量模块、GPS（全球定位系统）接收机、外部存储器和显示器。发射子系统包括：脉冲激光器、准直透镜、分光片、光纤分束器、发射透镜阵列、全反射镜和PIN（P-I-N结构二极管）高速光电探测模块。接收子系统包括：接收透镜、光纤耦合阵列和APD阵列探测器。测距与强度获取子系统包括：跨阻放大模块、增益可调放大模块、宽带放大模块、高速比较模块、AD（模拟数字）转换模块、高精度时间间隔测量模块、微控制器阵列A和微控制器阵列B。 ③ 技术的创造性与先进性 1)发射的脉冲激光经光纤分束器均匀分为N×N束后经发射透镜阵列对目标实施点阵照明,可实现把泛光照明的整体能量集中到有限的N×N点阵上,使发射激光能量能够更加集中、有效地利用,相比同等发射功率下的泛光照明提高了探测距离。 2) 采用多个K×K APD面阵芯片构成N×N APD阵列探测器,提高了探测分辨率,对激光器重复频率要求低,无需扫描装置,降低了光学系统设计复杂度,简化了电路处理系统结构,提高了整机工作的可靠性和稳定性。 3)被脉冲激光点阵照明的目标所产生的激光散射回波信号由接收透镜聚焦后,再经光纤耦合阵列输入到APD阵列探测器的N×N个APD光敏面单元上,有效减少了视场外环境光、杂散光进入APD阵列探测器。 4)实现了单脉冲激光发射瞬间同步获取N×N通道的距离信息和强度信息。 5)采用增益可调放大模块解决了因探测距离不同引起的激光回波脉冲时间游走问题,采用多通道高精度计时技术对N×N通道时间间隔并行精确测量,降低了距离测量误差。 ④技术的成熟程度,适用范围和安全性 本发明涉及主动光学航空遥感载荷领域的激光雷达技术,特别是一种脉冲式N×N阵列激光雷达系统。 ⑤应用情况及存在的问题 本系统可用于瞬间同步获取距离和强度信息的场合,有效降低了光学系统复杂度,具有分辨率高的特点。