一種非掃描型3d激光成像雷達的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種非掃描型3D激光成像雷達。包括鎖模激光器、分束片、PIN光電管、激光擴束鏡、多通道并行計時儀、望遠鏡、MCP像增強器、光纖陣列、雪崩光電二極管陣列、數據采集模塊和計算機；光纖陣列與雪崩光電二極管陣列信號輸入端的連接方式由d-分離矩陣A確定。本發明能夠實現高點云采集速率、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
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學三維成像【技術領域】，具體涉及一種非掃描型3D激光成像雷達。
【背景技術】
[0002] 非掃描型激光成像雷達是近年來出現的新型雷達，因為沒有機械掃描裝置，具有 高幀頻率、寬視場、高可靠性的特點，在目標匹配、制導、水下反潛與掃雷、地質勘探等領域 有著廣泛的應用前景。
[0003] 由于非掃描型激光雷達的反射回波往往是離散光子脈沖，所以需要光子級別甚至 單光子級別的光電探測裝置，而現有的光子級和單光子級別的光電探測裝置存在規模小、 價格高昂等問題。目前已見報道的非掃描型3D激光成像雷達的解決方案有三種：（1)基于 微通道板的楔形陽極光子計數成像系統；（2)基于AH)陣列的光子計數成像系統；（3)基于 微透鏡陣列的3D相機。其中，基于微通道板的楔形陽極光子計數成像系統成像分辨率高， 但受限于楔形陽極的編解碼方法，其成像幀頻低；基于AH)陣列的光子計數成像系統具有 靈敏度高、點云采集速率快的特點，但目前最大規模的APD陣列僅為32 X 32,分辨率低，限 制了其實際應用的范圍；基于微透鏡陣列的3D相機具有較高的點云采集速率，但微透鏡陣 列導致信號串擾嚴重、成像分辨率低。因此，以上三種方法都無法滿足目標匹配、制導、水下 反潛與掃雷、地質勘探等實際應用的需求。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種能夠實現高點云采集速率、高分辨率的非掃描型3D 激光成像雷達。
[0005] 為了解決上述技術問題，本發明提供一種非掃描型3D激光成像雷達，包括鎖模激 光器、分束片、PIN光電管、激光擴束鏡、多通道并行計時儀、望遠鏡、MCP像增強器、光纖陣 列、雪崩光電二極管陣列、數據采集模塊和計算機；其中，
[0006] 分束片設置在鎖模激光器輸出端的中心軸線上；
[0007] PIN光電管設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 道并行計時儀的開始端相連；
[0008] 激光擴束鏡設置在分束片分出的另一路光束的光軸上，且激光擴束鏡與鎖模激光 器輸出端的距離為激光擴束鏡輸入負透鏡的一倍焦距；
[0009] 望遠鏡的光軸與激光擴束鏡的光軸相交；
[0010] MCP像增強器和光纖陣列依次設置在望遠鏡的光軸上，MCP像增強器的熒光屏幾 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輸入端相連；
[0012] 雪崩光電二極管陣列的信號輸出端分別與多通道并行計時儀的停止端以及數據 采集模塊的數字輸入端相連接；
[0013] 多通道并行計時儀的輸出端與數據采集模塊的數字輸入端相連接；
[0014] 數據采集模塊的輸出端與計算機連接；
[0015] 光纖陣列由a X b個1 X L光纖分束器構成，每個1 X L光纖分束器的尾纖數量為L， aXb個1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強器熒光屏近貼 耦合；雪崩光電二極管陣列由N個雪崩光電二極管組成，且aXb大于N。
[0016] 本發明與現有技術相比，其顯著優點在于：（1)本發明基于群試理論，設計出獨特 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量，簡化了 3D激光成像雷達的結構，降低了成本；(2)本發明使用易于工藝實現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)本發明采集的數據只有"0" 和" 1"兩種狀態，使系統具有良好的魯棒性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明非掃描型3D激光成像雷達結構示意圖。
[0018] 圖2是本發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是本發明仿真實驗中的待測目標的圖像。
[0021] 圖5是本發明仿真實驗中利用本發明對圖4所示的待測目標進行不同時間測量獲 得的圖像。
【具體實施方式】
[0022] -、本發明的組成和結構：
[0023] 如圖1所示，本發明非掃描型3D激光成像雷達，包括鎖模激光器1、分束片2、PIN 光電管3、激光擴束鏡4、多通道并行計時儀5、望遠鏡7、MCP像增強器8、光纖陣列9、雪崩 光電二極管陣列10、數據采集模塊11和計算機12 ;其中，
[0024] 分束片2設置在鎖模激光器1輸出端的中心軸線上；
[0025] PIN光電管3設置在分束片2分出的一路光束的光軸上，PIN光電管3的輸出端與 多通道并行計時儀5的開始端相連；
[0026] 激光擴束鏡4設置在分束片2分出的另一路光束的光軸上，且激光擴束鏡4與鎖 模激光器1輸出端的距離為激光擴束鏡4輸入負透鏡的一倍焦距；
[0027] 望遠鏡7的光軸與激光擴束鏡4的光軸相交；
[0028] MCP像增強器8和光纖陣列9依次設置在望遠鏡7的光軸上，MCP像增強器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的信號輸入端相連；
[0030] 雪崩光電二極管陣列10的信號輸出端分別與多通道并行計時儀5的停止端以及 數據采集模塊11的數字輸入端相連接；
[0031] 多通道并行計時儀5的輸出端與數據采集模塊11的數字輸入端相連接；
[0032] 數據采集模塊11的輸出端與計算機12連接；
[0033] 光纖陣列9由aXb個1XL光纖分束器構成，每個1XL光纖分束器的尾纖數量為 L，aXb個1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強器8熒光屏 近貼耦合；雪崩光電二極管陣列10由N個雪崩光電二極管組成，且aXb遠大于N。
[0034] 二、光纖陣列9的尾纖與雪崩光電二極管陣列10的信號輸入端的連接方式
[0035] 如圖2,每個1XL光纖分束器的L個尾纖按群試采樣原理設計、捆扎，連接到相應 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1 XL光纖分束器作為矩陣A 的列元素，每個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相應輸入端是否進行連接，當Au = 1 時，將第j個1 X L光纖分束器與第i個雪崩光電二極管相連；當Ay = 0時，則第j個1 X L 光纖分束器與第i個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。本發明采取基于中國剩余定理的Eppstein算法設計光纖陣列9中的光 纖分束器與雪崩光電二極管陣列10相應輸入端的連接方式，即設計d-分離矩陣A。具體設 計方式為：
【權利要求】
1. 一種非掃描型3D激光成像雷達，其特征在于，包括鎖模激光器（1)、分束片（2)、PIN 光電管（3)、激光擴束鏡（4)、多通道并行計時儀（5)、望遠鏡（7)、MCP像增強器（8)、光纖陣 列（9)、雪崩光電二極管陣列（10)、數據采集模塊（11)和計算機（12);其中， 分束片（2)設置在鎖模激光器（1)輸出端的中心軸線上； PIN光電管（3)設置在分束片（2)分出的一路光束的光軸上，PIN光電管（3)的輸出端 與多通道并行計時儀（5)的開始端相連； 激光擴束鏡（4)設置在分束片（2)分出的另一路光束的光軸上，且激光擴束鏡（4)與 鎖模激光器（1)輸出端的距離為激光擴束鏡（4)輸入負透鏡的一倍焦距； 望遠鏡（7)的光軸與激光擴束鏡（4)的光軸相交； MCP像增強器（8)和光纖陣列（9)依次設置在望遠鏡（7)的光軸上，MCP像增強器（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)的信號輸入端相連； 雪崩光電二極管陣列（10)的信號輸出端分別與多通道并行計時儀（5)的停止端以及 數據采集模塊（11)的數字輸入端相連接； 多通道并行計時儀（5)的輸出端與數據采集模塊（11)的數字輸入端相連接； 數據采集模塊（11)的輸出端與計算機（12)連接； 光纖陣列（9)由aXb個1XL光纖分束器構成，每個1XL光纖分束器的尾纖數量為L， aXb個1 XL光纖分束器的輸入端耦合成aXb面陣，aXb面陣與MCP像增強器⑶熒光屏 近貼耦合；雪崩光電二極管陣列（10)由N個雪崩光電二極管組成，且aXb大于N。
2. 如權利要求1所述非掃描型3D激光成像雷達，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)的信號輸入端的連接方式的方法為： 假設：存在d-分離矩陣A，以每個1 X L光纖分束器作為矩陣A的列元素，每個雪崩光 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)相應輸入端是否進行連接，當Au = 1時，將第j個1XL 光纖分束器與第i個雪崩光電二極管相連；當=0時，則第j個1XL光纖分束器與第 i個雪崩光電二極管不連接；d-分離矩陣A的設計方式為：
【文檔編號】G01S17/89GK104122561SQ201410336162
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月15日 優先權日:2014年7月15日
【發明者】何偉基, 冒添逸, 尹文也, 陳錢, 顧國華, 張聞文, 錢惟賢, 隋修寶, 于雪蓮, 屈惠民, 任侃, 路東明 申請人:南京理工大學