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   扫描振镜在成像激光雷达中的技术研究

  激光雷达是雷达技术和激光技术相结合的产物。激光雷达发射激光对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标发射至发射点的距离、方位、径向速度、目标表面反射率等信息。按照获取目标信息的类型,激光雷达可分为激光测距雷达、激光测速雷达、激光测角跟踪雷达和成像激光雷达等。成像激光雷达是一种主动式传感技术。与可见光和红外光波段的被动成像系统相比,成像激光雷达可以快速地提取目标物的三维空间坐标,获得目标的方位、距离、形状等三维立体信息。成像激光雷达在军事上有广泛的应用前景,可装备于陆、海、空等机动平台,执行目标识别、成像制导、战场侦察等任务。根据成像的不同,成像激光雷达可分为非扫描成像激光雷达和扫描成像激光雷达。

    扫描成像激光雷达的扫描方式主要有机械扫描、声光扫描、电光扫描和二元光学扫描等。机械扫描通过电机驱动镜面转动,利用几何光学的原理实现光束的偏转。机械扫描具有大场镜和高扫描速率,而且不同的机械结果可以获得不同的扫描图样,是目前扫描成像激光雷达中广泛应用的扫描方式。扫描成像激光雷达由单点测距激光雷达发展而来,通过二维激光扫描振镜改变光束指向在目标面上进行扫描,通过脉冲激光测距的方法逐个测量目标点的距离,得到目标区域点阵的三维图像。扫描成像激光雷达的关键技术在于高功率和高光束质量的激光器、高性能二维扫描振镜、高灵敏度接收器和图像处理及目标识别算法。

    高性能二维扫描振镜是扫描成像激光雷达硬件中的关键技术,其主要作用是将激光器发射出来的激光束进行有规律的偏移,形成对目标表面的扫描。扫描成像激光雷达对二维激光扫描振镜的要求主要包括:大视场、高扫描速率、低能量衰减、均匀的扫描点分布、同步接受发送等。扫描振镜摆角是成像激光雷达的重要参数,反映了激光雷达能够探测的目标区域的大小。扫描速率决定了成像激光雷达获得三维图像的帧速,扫描速率越高,成像的实时性越好,这在军事应用方面尤其重要。二维激光扫描振镜要能同时完成发射光学系统和接收光学系统光轴的偏转,以实现同步的发送和接收,实现距离测量。

    在扫描成像激光雷达中,为了获得空间分布均匀的点阵,一般采用的方法为等时间间隔发射激光脉冲,机械扫描器的镜面以线性规律转动。对于振镜扫描,当入射光的方向与转轴垂直,且镜面按照三角波规律转动且入射光线与转轴垂直时,在镜面线位移很小的情况下,反射光线扫描点的分布是均匀的。在二维扫描中,由于光束反射的固有特性不能同时满足两个扫描器均匀扫描的条件,会造成扫描图像的畸变。扫描成像激光雷达要对目标平面进行二维扫描,通常采用扫描振镜完成,其中振镜一般按照三角波或锯齿波进行运动。

    扫描振镜由扫描反射镜、摆动电机、位置传感器、驱动电路和伺服控制器等部分构成,是一种高精度的位置随动控制系统。目前用于扫描成像激光雷达的振镜为检流计式振镜,其外观如图1.1所示。 

图1.1 检流计式振镜

 

   检流计式振镜为闭环反馈系统,具有偏角大、精度高、速度快、体积小等优点。金海创科技经过多年的潜心研发,研制出了国际最先进的各种型号振镜扫描系统。其中JD1403、SG7210具有较高的速度和定位精度,具体技术指标如下: 

 

     扫描电机参数

     

                  

伺服驱动板参数