五分鐘讀懂成像激光雷達！

引言

激光雷達的研究最早是從軍事應用中開始的，其中一個重要應用是目標識別。主動成像激光雷達系統(tǒng)可以直接獲得目標的輪廓和位置信息(即強度像和距離像)，可以很容易地識別目標。分為掃描成像激光雷達和非掃描成像激光雷達兩種。在軍事、航空航天、工業(yè)和醫(yī)學等領域有廣泛的應用。

成像技術(shù)

采用直接探測的成像激光雷達系統(tǒng)一般可采用三種技術(shù)：

(1)采用單元探測器，每次只探明一個像素大部分成像激光雷達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)出一個脈寬很窄的脈沖(一般為ns量級)，經(jīng)過測量光波的往返時間，確定目標的距離。掃描光學系統(tǒng)(掃描器)將發(fā)射脈沖指向目標，回波強度反映目標的反射率特性。掃描器按照一定的掃描圖樣如光柵掃描將光束指向目標上的不同位置，這樣，就可以通過接收系統(tǒng)得到目標的角度-角度-強度圖像和角度-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，成像激光雷達存在著高成像速率和高分辨率(高像素數(shù))的矛盾，即不可能使成像分辨率達到很高的同時，還使成像速率也達到很高。這種矛盾對采用單元探測器的激光雷達尤為突出。因此，必須折衷考慮兩者的關(guān)系。在成像像素數(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)射光能同時覆蓋整個目標，然后用一個二維陣列探測器接收回波信號。這種方法一般需要對發(fā)射光進行調(diào)制，對接收信號進行解調(diào)，才能測量到距離信息。這種技術(shù)的優(yōu)點是不需要掃描器，缺點是要求激光器發(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，同時照射目標上x點。從x點反射回的信號投射到對應的x元探測上，通過處理可得到x個像素數(shù)的距離信息和強度信息。通過掃描器掃描，直到探測到所要求的像素數(shù)時，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。目前這項研究才剛剛起步，用于這項研究的高靈敏度陣列APD探測器線列維數(shù)可達32維，面陣APD可達8×8。將一束光分為幾束光同時照射目標，用相同維數(shù)的探測器探測對應的回波信號，就可以實現(xiàn)高速高分辨率成像。這項研究難度較大，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)實際要求來選擇不同的方法。

單元技術(shù)--發(fā)射機

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

二極管激光器

單個二極管激光器的輸出功率很小，將多個二極管“堆積”便可產(chǎn)生較高功率的激光輸出，但是此時激光器的輸出光斑并不是圓形光斑，而是一個如10°×30°的光椎。必須很好地對輸出激光進行準直而不損失能量。二極管激光器的輸出激光是一個比較寬的光源，需要一個長焦距的透鏡準直，將其壓縮成一個窄光束。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頻率的同時，脈沖能量會降低，而脈沖寬度會增加，會導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頻率時的30ns增加到30kHz時的80ns。而能量會從800LJ降到200LJ(30kHz時)。

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到12，500kW，這要遠遠大于二極管泵浦固體激光器的輸出功率。脈沖寬度很窄，脈沖重復頻率在90Hz時的脈寬可達到6ns。激光器的體積和電源也都很小。

掃描系統(tǒng)

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

力學掃描系統(tǒng)能夠進行大角度范圍掃描。轉(zhuǎn)鏡可以用很高的掃描速度進行掃描，但是只能以固定的掃描圖樣掃描。需用兩個轉(zhuǎn)鏡才能組成一個二維掃描系統(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。聲光掃描器不包含任何機械運動部分。缺點是，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，光學系統(tǒng)還必須冷卻處理。

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

二元光學是光學技術(shù)中的一個新興的重要分支，它是建立在衍射理論、計算機輔助設計和微細加工技術(shù)基礎上的光學領域的前沿學科之一。利用二元光學技術(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，另一組為負透鏡。準直光經(jīng)過正透鏡后開始會聚，然后通過負透鏡后又變?yōu)闇手惫?。當正透鏡陣列和負透鏡陣列橫向有相對移動時，準直光的方向就會發(fā)生變化。若兩個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，二元光學掃描器的掃描速度可以達到很高(>1kHz)；掃描圖樣可以通過編程任意改變；掃描器體積??；可以很容易將一束光分成多束光。二元光學掃描器有兩個主要缺點，即掃描角度較小(幾度)；透過率較低，若要增大透過率，則價格就會很高。

應用

成像激光雷達由于具有極高的角度分辨率和距離分辨率，可以同時成目標的強度像和距離像，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。在軍事中的應用很廣，如小型靈巧炸彈和巡航導彈的精確制導；巡航導彈的地形跟隨和障礙物回避、導彈下視測高；直升機避障；飛行器導航；水下魚雷探測和識別；戰(zhàn)場中敵我識別；目標跟蹤；目標瞄準；導彈防御等。

二極管泵浦固體激光技術(shù)大大推動了成像激光雷達技術(shù)的發(fā)展。隨著高效率、高重復頻率、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體積更小、價格更低、商業(yè)價值更高。

二極管泵浦固體成像激光雷達在工業(yè)中的應用越來越廣泛，潛在的應用如機器人視覺；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