二维线扫描激光雷达的光路系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

激光测距是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光束测量目标距离的一种距离测量。激光测距一般由激光发射、激光接收两部分组成。激光发射由脉冲激光器、发射光学系统、取样器以及瞄准光学系统实现，其作用是将高峰值功率的激光脉冲射向目标。激光接收由接收光学系统、光电探测器和放大器、接收电路和计数显示器实现，其作用是接收从目标漫反射回来的激光脉冲回波并计算和显示目标距离。激光测距的工作原理是利用脉冲激光器向目标发射单次激光脉冲或激光脉冲串，计数器测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间，由此运算目标的距离。

激光雷达特点：激光雷达是以激光为辐射源并作为载频，具有波长短，光束质量高，定向性强的优点，其工作频率从红外到紫外光谱段；与无线雷达相比，激光雷达的测量精度、分辨率和抗干扰性能好，且体积小；能够跟踪低空和超低空的飞行物等。

根据激光雷达对目标的探测特点，如果将对单一点的扫描换成立体的二维线扫描，可以实现对目标的有效探测和定形，即可以有效实现对目标物的捕捉和定位，因而二维线扫描激光雷达系统的分析对二维线扫描激光雷达的今后应用具有重要的意义。

2. 国内外研究现状分析

国外，1960年世界上第一台红宝石激光器出现不久，科学家和工程师们就提出了激光测距、激光雷达、激光制导的设想，并展开了研究工作。最简单的激光雷达就是激光测距机，它以体积小、重量轻、精度高、速度快的优越性逐步替代了传统的地光学测距机。其中，以人造卫星测距机的发展最为突出，1969年精确地测出了地球测点与月球上反射器之间的距离。

激光雷达从一开始就和航天技术紧密结合在一起。最早公开报道的星载激雷达是美国国际电话和电报公司研制的用于航天飞行器交会对接的激光雷达。第一代原理样机于1967年研制成功。通过空间飞行试验证明了星载激光雷达的可行性。第二代样机于1971年研制成功。1978年美国国家航天局的马歇尔航天中心研制了用于同一目的的CO₂相干激光雷达，1984年取得阶段性成果。

国内，华中科技大学主要研究海洋探测激光雷达，采用ＹＡＧ调Q倍频激光器研究成功一套机载海洋激光雷达系统，并于1996年5月进行了海上实验，成功地探测到了8090m的海底。中国科学院上海光机所1996年研制的半导体激光测距仪样机选用国产半导体激光二极管，波长为800900nm，重复频率1kHz，测距仪测量范围10100m(无合作目标)，分辨率为0.5m。中国计量学院1999年报道了LF1系列人眼安全便携式半导体激光测距仪，工作波长905nm，重复频率100Hz，在无合作目标的情况下，此测距范围141000m，测距精度。建成第三代人造卫星激光测距系统投入使用并达到国际水平。第一代红宝石SLR系统的测距精度为米级，第二代YAG激光器的精度达分米级，第三代锁模激光器加微机系统在大于8000公里距离上精度达到厘米级。

3. 研究的基本内容与计划

目前直接探测方式成像激光雷达的成像广泛采用单元探测器，每次只探测一个像素。这种方法探测器技术和激光器技术都比较成熟。激光器发出一个脉宽很窄的脉冲(一般为ns量级)，激光扫描器将发射的激光脉冲指向目标，回波强度反映目标的反射率特性，激光的往返时间反映目标的距离。激光扫描器按照一定的扫描图样如光栅扫描将激光光束指向目标上的不同位置，通过多次测量就可以得到目标的角度-角度-距离图像(三维图像)和角度-角度-强度图像。采用光机扫描方式，在物空间进行扫描。目前在成像激光雷达中使用的物空间扫描的光机扫描方式主要有转镜扫描、振镜扫描等。转镜扫描是以圆柱型多面转镜绕中心轴旋转，各侧面为平面反射镜。若入射光线不变且与转轴垂直，根据光的反射定律可知当转镜转动α角时，反射光线方向改变2α角，转镜在转动的过程中反射光线的轨迹为一条直线。

本次设计采用旋转光学棱镜实现激光的二维扫描。要求设计者设计相应的旋转棱镜，实现120范围内的扫描范围；且旋转棱镜转速可调，范围100-1000rpm，以适应不用的应用需求。

针对上面所提及的设计要求，必须相应的学习相关的内容，深入理解其硬件电路的工作目的、工作原理、工作方式，且要考虑到采用适当的电机和驱动器等。

4. 研究创新点

本次设计的光路系统与棱镜系统，摈弃了转镜的单调性与云台的笨重性，所设计的激光雷达的主要性能指标与理论设计基本一致，具有成像速率高、图像分辨率高、测距精度高以及可同时获得高精度强度图像的特点。