摘要: 隨著激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展和測距精度需求的提高，對發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)提出了新的要求，需具有光束可調(diào)節(jié)、測量光斑小、回波效率高等特性。設(shè)計一種工作于1550nm光通信波段的收發(fā)一體光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射與接收模塊共用部分光路，以減小接收視野盲區(qū)，同時有利于結(jié)構(gòu)小型化。為解決不同測量距離、不同表面傾角造成的回波能量差異問題，將光學(xué)系統(tǒng)的擴(kuò)束組件設(shè)計成放大倍率為2x～3.5x的連續(xù)可調(diào)結(jié)構(gòu)；使用兩組雙膠合透鏡進(jìn)行色差校正，以降低光譜寬度對系統(tǒng)傳播距離的影響。經(jīng)設(shè)計優(yōu)化，系統(tǒng)準(zhǔn)直后的激光發(fā)散角小于0.3mrad，出射光斑直徑在6.26mm～10.20mm連續(xù)可調(diào)，對于50m內(nèi)的測量目標(biāo)，照射光斑直徑均小于20mm，且在不同變焦位置發(fā)散角和光斑直徑均滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞: 光學(xué)設(shè)計；激光測距；收發(fā)一體系統(tǒng)；變焦系統(tǒng)

引言

自20世紀(jì)60年代，世界上第一臺激光測距儀由美國研制成功后，激光雷達(dá)在非接觸測量領(lǐng)域顯得越來越重要。激光雷達(dá)主動發(fā)射激光，照射到被探測目標(biāo)表面，通過收集回波信號測量目標(biāo)的距離。相比于傳統(tǒng)的紅外測距、超聲測距、毫米波測距等方法，激光測距的探測距離更遠(yuǎn)，測量精度更高。近年來，激光雷達(dá)在軍民領(lǐng)域均發(fā)展迅速，應(yīng)用需求持續(xù)增加，激光測距技術(shù)的優(yōu)越性也得到充分地發(fā)揮。在高精尖技術(shù)層面，如航空航天、衛(wèi)星遙感、碎片探測領(lǐng)域，高精度的激光雷達(dá)探測技術(shù)已經(jīng)成為各國爭先研制的焦點。

隨著激光器和芯片技術(shù)的進(jìn)步，激光測距朝著測程遠(yuǎn)、精度高、小型化的方向發(fā)展，因此對光學(xué)系統(tǒng)也提出更高的要求。此外，若測距精度在毫米級以下，則需要考慮非同軸帶來的系統(tǒng)誤差。然而，現(xiàn)有的絕大部分激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)使用不同的光路，相互獨立且不同軸，存在接收視野盲區(qū)。為了提高測距精度，同時保證系統(tǒng)的小型化，亟待研制收發(fā)一體式的緊湊型激光雷達(dá)。

本文設(shè)計一款收發(fā)一體的激光測距光學(xué)系統(tǒng)，在激光波長選擇上使用1550nm的光通信波段，該波長不僅擁有更好的大氣透過率，還具備人眼安全的優(yōu)勢，可應(yīng)用于人口密集的場合。同時，充分利用光纖接口的低背景噪聲優(yōu)勢，使用單模光纖作為激光束的發(fā)射端口。為有效解決傳統(tǒng)系統(tǒng)非共軸帶來的接收視野盲區(qū)問題，發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)共用擴(kuò)束光路。最后為適應(yīng)不同距離的測量，兼顧系統(tǒng)的可調(diào)節(jié)能力，將擴(kuò)束光路做成變倍結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計、優(yōu)化的光學(xué)系統(tǒng)，將為后續(xù)工程樣機(jī)的研制提供理論和實驗基礎(chǔ)。

1.收發(fā)一體激光測距的工作原理

收發(fā)一體激光測距系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，其中光學(xué)部分由準(zhǔn)直模塊、分束器、擴(kuò)束模塊和聚焦模塊4部分構(gòu)成（圖中透鏡均為模型示意）。激光信號從光纖端口出射，首先被準(zhǔn)直模塊整形成平行光束，然后透過分束鏡（beam splitter, BS），經(jīng)擴(kuò)束模塊放大光束口徑，最終照射到待測目標(biāo)表面。激光束在待測表面發(fā)生漫反射后，部分回波信號重新被光學(xué)系統(tǒng)收集，從而被雪崩光電二極管（avanlanche photodiode，APD）接收放大。為計算激光從發(fā)射到收集的時間間隔，系統(tǒng)設(shè)置了參考反射鏡，可比較兩束脈沖光在收集時刻的差異，間接計算到待測目標(biāo)的相對距離。

圖1.收發(fā)一體激光雷達(dá)構(gòu)成示意圖

從光路上看，準(zhǔn)直模塊最先參與激光整形，直接影響后續(xù)光束的傳播效果；擴(kuò)束模塊同時參與發(fā)射與接收，是收發(fā)一體系統(tǒng)設(shè)計的重點。因此， 準(zhǔn)直模塊和擴(kuò)束模塊的設(shè)計質(zhì)量將直接影響到系統(tǒng)收發(fā)效率和測量精度。

2.系統(tǒng)設(shè)計的理論模型

由于系統(tǒng)準(zhǔn)直模塊和擴(kuò)束模塊的設(shè)計過程較為復(fù)雜，涉及激光整形和連續(xù)變焦原理，需要分別建立理論模型，以指導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 準(zhǔn)直模塊設(shè)計

經(jīng)光纖出射的激光束具有高斯光束的性質(zhì)，在傳輸過程中其曲率中心與曲率半徑不斷改變，但振幅和強(qiáng)度在橫截面內(nèi)始終保持高斯分布特性。因此在對高斯光束做整形時，不能簡單使用幾何光學(xué)來模擬計算，需要考慮其束腰、發(fā)散角、瑞利范圍等物理光學(xué)傳播參數(shù)。

準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。激光束從光纖端面出射，初始束腰半徑為ω0，發(fā)散角為θ，與整形透鏡距離為l。經(jīng)透鏡整形后，光束依然有著高斯光束的性質(zhì)，新光束的束腰半徑為ω′0，其光斑半徑ω′(z)是傳播距離z的函數(shù)。

圖2.準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)原理圖

圖4.準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)光路圖

圖6.優(yōu)化后的變倍擴(kuò)束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖9.整體光路結(jié)構(gòu)圖

5.結(jié)論

本文設(shè)計了一款適用于高精度測距的光學(xué)系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了收發(fā)一體，還使用了連續(xù)變倍結(jié)構(gòu)，具備光束可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。僅使用11片透鏡，降低了加工成本，采用模塊化設(shè)計方法，將光路分解為準(zhǔn)直模塊、擴(kuò)束模塊和聚焦模塊，然后對各模塊進(jìn)行原理分析，并分別設(shè)計優(yōu)化。最終得到的光學(xué)系統(tǒng)，從發(fā)射來看，各變倍組態(tài)下整形后的出射光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角小于0.3 mrad，出射光斑直徑在6.26 mm～10.20 mm連續(xù)可調(diào)，對于50 m內(nèi)的測量目標(biāo)，系統(tǒng)照射光斑直徑均小于20 mm；從接收來看，各組態(tài)對1°視場內(nèi)的回波接收效率均高于90%。該光學(xué)系統(tǒng)最大的特點在于共軸收發(fā)，從結(jié)構(gòu)上消除了發(fā)射端和接收端的非同軸誤差，有利于測距精度的提升，可為收發(fā)一體的激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計提供參考。