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是單一光掃描方法。為了提高成像速度，需要增加激光雷達掃描儀的掃描速度和檢測器的脈沖重復(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會產(chǎn)生掃描失真。而要提高激光器的重復(fù)頻率,一方面會減小激光雷達探測的最大非模糊距離,另一方面會增加激光器的復(fù)雜性,給制造相應(yīng)的激光器帶來困難。本文探索一種雙光束掃描,雙光束偏振接收的方法,使兩束激光對同一空域的上半部、下半部同時掃描,在接收端再把它們分開,分別進行信號處理。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:(1)在激光發(fā)射頻率與振鏡掃描頻率一定時,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)激光雷達的最大非模糊距離加遠。在采用單光束掃描時,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)頻率的下又會產(chǎn)生另一個問題,即最大非模糊距離減小,因此提高成像速率與加遠探測距離是一對矛盾。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)頻率下就可以實現(xiàn)較高的成像速率。成像距離的計算采用單元探測的成像激光雷達系統(tǒng),單脈沖激光器激光雷達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?？梢娤裨亍l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,成像激光雷達存在著高成像速率和高分辨率(高像素數(shù))的矛盾,即不可能使成像分辨率達到很高的同時,還使成像速率也達到很高。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,以一定的夾角同時發(fā)射,打到目標(biāo)的不同位置。回波信號采用偏振分束片分束,由兩支探測器分別接收不同偏振方向的回波信號,我們稱之為二元接收,則(3)式變?yōu)?RKMN=C(4)對比公式(3)(4),可見當(dāng)成像距離一定時,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,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的性能。雙光束掃描結(jié)果實驗裝置如圖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是兩個液氮冷卻快速響應(yīng)的HgCdTe探測器;采用的激光器是電光調(diào)Q射頻激勵波導(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)是一塊長方形的白色泡沫塑料,放置距X-Y掃描振鏡兩米遠處;示波器采用泰克公司TDS3032型數(shù)字存儲示波器,最高響應(yīng)頻率為300MHz。由于CO2激光為不可見光,為了直觀顯示激光打到目標(biāo)上的掃描點陣,將兩束波長為650nm的半導(dǎo)體激光與兩束CO2激光合束。由計算機控制掃描振鏡進行掃描,并同時為CO2激光器、兩臺半導(dǎo)體激光器及示波器提供脈沖觸發(fā)信號。CO2激光器發(fā)出P方向線偏振激光,到達半反射鏡E,反射光射向目標(biāo),透射光經(jīng)過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X-Y振鏡掃描器進行分空域的雙光束掃描。由于兩束波長為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)掃描點陣的圖形,通過調(diào)整兩束激光的角度,使掃描的兩個空域激光點陣對齊。再由數(shù)碼相機對準(zhǔn)目標(biāo)上掃描點陣的圖形拍照,可以獲得掃描點陣的照片。1.掃描位點與發(fā)射頻率兩束激光在目標(biāo)上的掃描點陣如圖2a所示,此時數(shù)碼相機的曝光時間為0.3秒?？梢钥闯?經(jīng)過雙光束分空域掃描,掃描的點陣為64×64,如果我們擋住其中的一束激光,則掃描點陣如圖2b所示,擋住其中的另一束激光,則掃描點陣如圖2c所示,此時的掃描點陣為64×32,掃描幀頻為10幀/秒,激光的發(fā)射頻率為20KHz。這說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)上的兩部分掃描點陣空域?qū)R。數(shù)碼相機的曝光時間為0.3秒,掃描圖像如圖3a所示,此時點陣為64×32。擋住其中的一束激光,則掃描點陣為64×16,如圖3b所示。擋住其中的另一束激光,則掃描點陣為64×16,如圖3c所示。此實驗說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的曝光時間皆為0.3秒,但是圖3的光強度明顯高于圖2,是因為圖2掃描幀頻為10幀/s,圖3掃描幀頻為20幀/s。3.回波信號的檢測經(jīng)過掃描的雙光束激光打到目標(biāo)后,接收端接收到的目標(biāo)回波信號兩種偏振方向的成分都有,偏振方向垂直的掃描回波信號經(jīng)過布儒斯特窗分束片,把兩束偏振的回波光信號分開,分別由兩臺光伏HgCdTe探測器探測,經(jīng)過放大后輸入示波器,顯示兩路回波信號的波形。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,分析了二列陣高幀頻激光主動成像技術(shù)上的優(yōu)點;在實驗上研究了二列陣雙光束掃描,驗證了在激光發(fā)射頻率、振鏡掃描頻率一定時,使掃描像元素加倍;在像元素不變的條件下,實現(xiàn)掃描幀頻加倍。由于實驗條件的限制,還無法在實驗上驗證“像元素與幀頻數(shù)的乘積一定