激光雙光束掃描接收方法

激光雙光束掃描接收方法

目前，主要的掃描激光雷達(dá)是單一光掃描方法。為了提高成像速度，需要增加激光雷達(dá)掃描儀的掃描速度和檢測(cè)器的脈沖重復(fù)率。增加掃描器的掃描速率受到掃描器最高掃描速率的限制,并且在掃描速率太高時(shí)會(huì)產(chǎn)生掃描失真。而要提高激光器的重復(fù)頻率,一方面會(huì)減小激光雷達(dá)探測(cè)的最大非模糊距離,另一方面會(huì)增加激光器的復(fù)雜性,給制造相應(yīng)的激光器帶來(lái)困難。本文探索一種雙光束掃描,雙光束偏振接收的方法,使兩束激光對(duì)同一空域的上半部、下半部同時(shí)掃描,在接收端再把它們分開(kāi),分別進(jìn)行信號(hào)處理。采用了雙光束掃描、接收方法以后,與單光束掃描、接收方法比較主要有以下優(yōu)點(diǎn):(1)在激光發(fā)射頻率與振鏡掃描頻率一定時(shí),掃描像元素可以加倍。(2)在像元素不變的條件下,掃描幀頻可以加倍,即成像速率可以加快一倍。(3)激光雷達(dá)的最大非模糊距離加遠(yuǎn)。在采用單光束掃描時(shí),要提高成像速率必需提高激光脈沖的重復(fù)頻率,但在高的重復(fù)頻率的下又會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)問(wèn)題,即最大非模糊距離減小,因此提高成像速率與加遠(yuǎn)探測(cè)距離是一對(duì)矛盾。但是采用了雙光束掃描和雙路接收技術(shù)可以緩解這一矛盾,在較低的激光脈沖重復(fù)頻率下就可以實(shí)現(xiàn)較高的成像速率。成像距離的計(jì)算采用單元探測(cè)的成像激光雷達(dá)系統(tǒng),單脈沖激光器激光雷達(dá)的最大非模糊距離與激光重復(fù)頻率的關(guān)系如下:R=C/2F(1)式中R:最大非模糊距離;c:光速;F:脈沖激光的重復(fù)頻率。激光器的重復(fù)頻率與成像幀頻及掃描的點(diǎn)陣的關(guān)系如下:F=KMN(2)式中K:成像幀頻;M:掃描像素的列數(shù);N:掃描像素的行數(shù)?？梢缘贸瞿繕?biāo)的距離R與成像的像元素M*N和幀頻數(shù)K的關(guān)系為:2RKMN=C(3)式中C為光速?？梢?jiàn)像元素、幀頻數(shù)與成像距離三者的乘積為常數(shù)。當(dāng)成像距離一定時(shí),成像激光雷達(dá)存在著高成像速率和高分辨率(高像素?cái)?shù))的矛盾,即不可能使成像分辨率達(dá)到很高的同時(shí),還使成像速率也達(dá)到很高。如果像元素與幀頻數(shù)一定,則非模糊的最大距離間隔受到限制。為了解決像元素、幀頻數(shù)與成像距離的矛盾,我們把脈沖激光分為偏振方向垂直的兩束光,以一定的夾角同時(shí)發(fā)射,打到目標(biāo)的不同位置?；夭ㄐ盘?hào)采用偏振分束片分束,由兩支探測(cè)器分別接收不同偏振方向的回波信號(hào),我們稱之為二元接收,則(3)式變?yōu)?RKMN=C(4)對(duì)比公式(3)(4),可見(jiàn)當(dāng)成像距離一定時(shí),像元素與幀頻數(shù)的乘積可提高一倍;而當(dāng)像元素與幀頻數(shù)的乘積一定時(shí),非模糊的成像距離則提高一倍。因此采用二元接收方式可以提高成像激光雷達(dá)的性能。雙光束掃描結(jié)果實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,圖中E是反射率和透射率都是50%的半反射鏡;F是反射率99%的全反射鏡;C是鍺布儒斯特窗,可以將P方向的偏振光變成S方向的偏振光;D1和D2是兩個(gè)液氮冷卻快速響應(yīng)的HgCdTe探測(cè)器;采用的激光器是電光調(diào)Q射頻激勵(lì)波導(dǎo)CO2激光器,調(diào)Q脈沖重復(fù)頻率可調(diào),輸出線偏振光,平均功率3瓦,峰值功率150瓦;目標(biāo)是一塊長(zhǎng)方形的白色泡沫塑料,放置距X-Y掃描振鏡兩米遠(yuǎn)處;示波器采用泰克公司TDS3032型數(shù)字存儲(chǔ)示波器,最高響應(yīng)頻率為300MHz。由于CO2激光為不可見(jiàn)光,為了直觀顯示激光打到目標(biāo)上的掃描點(diǎn)陣,將兩束波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光與兩束CO2激光合束。由計(jì)算機(jī)控制掃描振鏡進(jìn)行掃描,并同時(shí)為CO2激光器、兩臺(tái)半導(dǎo)體激光器及示波器提供脈沖觸發(fā)信號(hào)。CO2激光器發(fā)出P方向線偏振激光,到達(dá)半反射鏡E,反射光射向目標(biāo),透射光經(jīng)過(guò)1/2波片變成S偏振方向的偏振光,再由全反射鏡F反射而射向目標(biāo),經(jīng)過(guò)X-Y振鏡掃描器進(jìn)行分空域的雙光束掃描。由于兩束波長(zhǎng)為650nm的半導(dǎo)體激光與兩束CO2激光合束,這樣我們就可以用眼睛觀察到目標(biāo)上(白色泡沫塑料板)掃描點(diǎn)陣的圖形,通過(guò)調(diào)整兩束激光的角度,使掃描的兩個(gè)空域激光點(diǎn)陣對(duì)齊。再由數(shù)碼相機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)上掃描點(diǎn)陣的圖形拍照,可以獲得掃描點(diǎn)陣的照片。1.掃描位點(diǎn)與發(fā)射頻率兩束激光在目標(biāo)上的掃描點(diǎn)陣如圖2a所示,此時(shí)數(shù)碼相機(jī)的曝光時(shí)間為0.3秒?？梢钥闯?經(jīng)過(guò)雙光束分空域掃描,掃描的點(diǎn)陣為64×64,如果我們擋住其中的一束激光,則掃描點(diǎn)陣如圖2b所示,擋住其中的另一束激光,則掃描點(diǎn)陣如圖2c所示,此時(shí)的掃描點(diǎn)陣為64×32,掃描幀頻為10幀/秒,激光的發(fā)射頻率為20KHz。這說(shuō)明雙光束分空域掃描可以在不提高激光器發(fā)射頻率的情況下,提高掃描的像元素,驗(yàn)證了理論分析。由于雙光束CO2激光與兩束半導(dǎo)體激光可以合束,則偏振方向垂直的脈沖雙光束CO2激光的掃描點(diǎn)陣也如圖2一樣。2.最大掃描頻率的確定改變掃描控制程序,使幀掃描頻率加倍,即20Hz/s;行掃描頻率不變,即160Hz/s。調(diào)整兩激光束的角度,使兩束激光在目標(biāo)上的兩部分掃描點(diǎn)陣空域?qū)R。數(shù)碼相機(jī)的曝光時(shí)間為0.3秒,掃描圖像如圖3a所示,此時(shí)點(diǎn)陣為64×32。擋住其中的一束激光,則掃描點(diǎn)陣為64×16,如圖3b所示。擋住其中的另一束激光,則掃描點(diǎn)陣為64×16,如圖3c所示。此實(shí)驗(yàn)說(shuō)明雙光束掃描可以在不增加行掃描頻率和激光器脈沖重復(fù)頻率的情況下,增加成像幀頻。圖2與圖3的曝光時(shí)間皆為0.3秒,但是圖3的光強(qiáng)度明顯高于圖2,是因?yàn)閳D2掃描幀頻為10幀/s,圖3掃描幀頻為20幀/s。3.回波信號(hào)的檢測(cè)經(jīng)過(guò)掃描的雙光束激光打到目標(biāo)后,接收端接收到的目標(biāo)回波信號(hào)兩種偏振方向的成分都有,偏振方向垂直的掃描回波信號(hào)經(jīng)過(guò)布儒斯特窗分束片,把兩束偏振的回波光信號(hào)分開(kāi),分別由兩臺(tái)光伏HgCdTe探測(cè)器探測(cè),經(jīng)過(guò)放大后輸入示波器,顯示兩路回波信號(hào)的波形。如圖4所示。如果擋住其中的一束光,則示波器上的一路接收信號(hào)消失,證明了偏振分束接收的可行性。掃描像元素法理論上研究了二列陣雙光束掃描的特點(diǎn),分析了二列陣高幀頻激光主動(dòng)成像技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn);在實(shí)驗(yàn)上研究了二列陣雙光束掃描,驗(yàn)證了在激光發(fā)射頻率、振鏡掃描頻率一定時(shí),使掃描像元素加倍;在像元素不變的條件下,實(shí)現(xiàn)掃描幀頻加倍。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,還無(wú)法在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證“像元素與幀頻數(shù)的乘積一定