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光纤阵列成像激光雷达系统的设计


摘要:简要介绍了光纤阵列成像激光雷达的研究背景、系统优势和发展现状。然后提出了本文设计的雷达系统, 并介绍了该系统的工作原理, 系统采用光纤阵列前端窗口扫描的方法, 避免了光电探测器阵列的制作, 同时减少了光电探测器的数量。之后文章对光纤阵列成像激光雷达系统的各部分器件进行分析, 包括光纤的选择、光纤阵列的设计和聚焦透镜的分析, 并重点讨论了聚焦透镜 F值对光纤阵列接收系统的影响, 最终得到本系统聚焦透镜 F最优值 5.47。最后推导了本文光纤阵列成像激光雷达系统的传输效率, 给出了传输效率公式。


关键词:光纤阵列;激光雷达;成像雷达;聚焦透镜;传输效率


0 引言

激光成像雷达具有一系列特有的优点:极高的距离分辨率、速度分辨率、角分辨率,抗干扰能力强,比微波雷达的重量和体积小等,不仅能够探测和跟踪目标,获取目标的方位、速度信息,而且还能完成普通雷达所不能完成的任务,如探测水雷、潜艇、隐藏目标等。


现在的成像激光雷达系统按成像方式主要分为采用单元探测器的扫描成像与采用阵列探测器的非扫描成像。采用单元探测器的扫描成像作用距离可达10km以上,但是成像速率会受到一定的限制,无法对高速运动目标成像。而阵列探测可以实现高成像速率,但是目前经常使用的APD光电探测器阵列难以保证大的像元数。


近些年光纤传感技术迅速发展,光纤体积小,重量轻,可弯曲,抗电磁干扰能力强,在很多领域都可以发挥它的优势。随着各种光纤器件的成熟,光纤在激光雷达中的应用越来越多,特别是利用光纤阵列解决激光雷达探测中遇到的问题,在接收系统前端制作成大型光纤阵列,同时利用光纤的柔韧性,尾纤连接分立的单元光电探测器。这样既避免了制作大型光电探测器阵列的难题,还可以通过一些手段降低对光电探测器像元数的要求。


2005年,德国DiehlBGTDefence开发了一种双重探测模式雷达——肉眼安全的激光和红外双重探测雷达[4],用于自动制导、空中防御目标探测和识别,以及弹道导弹防御。双重探测模式是由快照模式的成像红外传感器和成像雷达传感器组成。重要部件有激光器,成像平面的光纤阵列,红外光波波长选择器件。德国DBD实验室建立了一个实验室系统进行了单点和3D雷达成像测量。图1是他们的雷达系统结构图和光纤阵列照片。


图1.双重探测模式雷达结构图和光纤阵列照片


2003~2005年,日本防御部科技研究院制作了一种光学光纤成像激光雷达[5-6],使用了焦平面光纤阵列的探测方式,他们设计的雷达系统使用的光电探测器数量比其焦平面分辨率(即光纤阵列中的光纤数量)要少。


在焦平面一端,光纤阵列的横剖面由35×35的光纤方阵组成,在光纤阵列的后端光纤分成25束分别连接25个平行多通道脉冲接收器。每一束光纤由49根光纤组成,49根光纤是从35×35的阵列中的无重叠区域选出的。


可移动窗口是一个允许露出5×5光纤剖面区域的窗口,来确保探测器接收回波脉冲激光束时无串扰。返回脉冲激光束聚焦在35×35光纤阵列上的一些5×5区域。日本防御部科技研究院制作的雷达距离分辨率小于15cm,角分辨率是1像素。图2为他们的光纤阵列成像激光雷达的系统结构框图。


中国科学院近代物理研究所和长春光机所对光纤阵列探测有过一些研究,但是没有设计或制作出雷达系统。


本文首先介绍了光纤阵列成像激光雷达系统的工作原理,并采用了光纤阵列前端窗口扫描的方法,从而减少了光电探测器的数量。然后,进一步对光纤阵列接收系统中的各部分器件进行了讨论和分析,并深入研究了透镜的F值对光纤阵列接收系统的影响。最后,分析了由于光纤阵列的引入,而引起的接收端传输效率的变化,得到了接收端光纤阵列的传输效率公式。


图2.光纤阵列成像激光雷达系统结构框图 


1 光纤阵列成像激光雷达系统的工作原理


图3为光纤阵列成像激光雷达系统的结构图,其工作过程如下,激光器发出的激光脉冲经过脉冲调制和扩束系统之后发射出去,照射到目标上,散射回波脉冲经聚焦透镜汇聚到焦平面上,即光纤阵列前端面,在前端面放置一个区域扫描装置控制光的透过,使每一时刻只有一个小阵列区域有光通过,再经过光纤传导后由分立的光电探测器接收,之后进行信号处理成像。


图 3.光纤阵列成像激光雷达系统图 


图4是光纤阵列结构图。本文设计了一个16×16的光纤阵列,共分成16个区域,每一个区域的第一根光纤在后端扎成一束,作为第一束光纤,连接第一个光电探测器;每一个区域第二根光纤在后端扎成一束,作为第二束光纤,连接第二个光电探测器⋯⋯同理,一直到第16束光纤,连接第16个光电探测器。通过这样的结构设计,并在光纤阵列前端放置一个空间光调制器进行扫描,保证每次只有一个区域接收到光,这样就可以使后端的16个探测器同时只接收到一个区域的信号。比如,4×4孔径停留在(1,1)区域,那么第一束光纤中,只有第一个区域里的那根光纤有信号,其他束光纤同理。于是16个探测器接收到的都是第一个区域里的信号。


图4.光纤阵列结构图 


2 光纤阵列成像激光雷达的器件分析

2.1 光纤的选择

对于本系统,回波信号通过透镜和光纤直接耦合,由于端面反射,其耦合效率并不高。由于光纤的孔径角对雷达探测效率起到决定性作用。单模光纤数值孔径通常为6°~7°,多模光纤数值孔径通常为10°~13°,那么选用数值孔径更大的多模光纤对接收功率会有很大提高。而且系统中光纤的长度较短,则多模光纤较大的色散,对信号影响也很小。所以,系统选用多模光纤进行接收。


......


5 结论

本文首先介绍了光纤阵列成像激光雷达系统的工作原理,系统采用了光纤阵列前端窗口扫描的方法,从而减少了光电探测器的数量。然后,进一步对光纤阵列接收系统中的各部分器件进行了讨论和分析,并深入研究了透镜的F值对光纤阵列接收系统的影响,最后推导了光纤阵列成像激光雷达系统的传输效率,得到了光纤阵列接收系统的传输效率公式。

鉴于篇幅问题,本文仅为节选(光电工程 第39卷 第11期),全文内容可阅读原文下载PDF文档。

源自于:光行天下