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适用于单 光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统

阅读：1028发布：2020-07-15

专利汇可以提供适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，属于单光子激光成像雷达技术应用领域。本发明解决了现有Gm-APD受固有回波动态范围大及自身环境适应性较差限制激光成像性能稳定性的问题。本发明的可变光阑设置在接收光学系统上，发射光学系统固定安装在接收光学系统上，接收光学系统的光轴与发射光学系统的光轴平行，光阑电机与可变光阑建立驱动连接，变焦电机与发射光学系统的变焦镜片建立驱动连接，Gm-APD探测器与接收光学系统建立固定安装。本发明的变焦发射系统，能够自主调整发射光斑功率密度，缓解大动态范围引发的增益饱和等问题；可变光阑接收系统，能够自主调整接收光学口径，抑制背景光、目标杂光等噪声，实现最优信噪比接收。，下面是适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：包括接收光学系统(1)、发射光学系统(2)、Gm-APD探测器(3)、变焦电机(4)、光阑电机(5)和可变光阑(6)，可变光阑(6)设置在接收光学系统(1)上，发射光学系统(2)固定安装在接收光学系统(1)上，接收光学系统(1)的光轴与发射光学系统(2)的光轴平行，光阑电机(5)与可变光阑(6)建立驱动连接，变焦电机(4)与发射光学系统(2)建立驱动连接，Gm-APD探测器(3)与接收光学系统(1)建立固定安装。
2.根据权利要求1所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的接收光学系统(1)包括接收光学机械系统和接收光学镜片；
所述的接收光学机械系统包括接收前组镜筒(9)、接收后组镜筒(13)、接收定位套(17)、接收光圈从动齿轮(18)和接收定位销(19)，接收后组镜筒(13)的前端通过螺钉与接收前组镜筒(9)的后端建立连接安装，接收后组镜筒(13)的后端通过螺钉与Gm-APD探测器(3)固定安装；所述的接收光圈从动齿轮(18)、接收定位套(17)和接收定位销(19)套装设置在接收前组镜筒(9)的外侧；
所述的接收光学镜片包括第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜，所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜依次由接收前组镜筒(9)的前端安装至接收后组镜筒(13)的后端；
所述的接收前组镜筒(9)包括接收前组压圈一(7)、接收前组隔圈一(8)、接收前组压圈二(10)、接收前组隔圈二(15)和接收前组压圈三(16)；所述的接收前组压圈一(7)、接收前组隔圈一(8)、接收前组压圈二(10)、接收前组压圈三(16)和接收前组隔圈二(15)依次设置在接收前组镜筒(9)的内部；所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片和第三正透镜分别通过接收前组压圈一(7)、接收前组隔圈一(8)、接收前组压圈二(10)、接收前组压圈三(16)和接收前组隔圈二(15)通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定安装在接收前组镜筒(9)的内部；
所述的接收后组镜筒(13)包括接收后组压圈(11)和接收后组隔圈(12)，接收后组压圈(11)和接收后组隔圈(12)依次设置在接收后组镜筒(13)的内部；所述的第二负透镜和第四正透镜分别通过接收后组压圈(11)和接收后组隔圈(12)通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定在接收后组镜筒(13)的内部。
3.根据权利要求2所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的接收前组镜筒(9)内安装有可变光阑(6)，光阑电机(5)通过接收光圈从动齿轮(18)与可变光阑(6)建立驱动连接，接收光圈从动齿轮(18)套装在接收前组镜筒(9)的外侧，并通过接收定位套(17)和接收定位销(19)限定接收光圈从动齿轮(18)套装在接收前组镜筒(9)的外侧。
4.根据权利要求1所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的发射光学系统(2)包括发射光学机械系统和变焦发射光学镜片；
所述的发射光学机械系统包括发射主镜筒(20)、发射变焦从动齿轮(24)、发射电机座(25)、发射后组镜筒(26)和光纤法兰(29)，所述的发射主镜筒(20)的后端与发射后组镜筒(26)的前端建立连接安装，光纤法兰(29)安装在发射后组镜筒(26)的后端；发射变焦从动齿轮(24)套装在发射主镜筒(20)的外侧，变焦电机(4)通过发射电机座(25)安装在发射主镜筒(20)上，变焦电机(4)的输出端与发射变焦从动齿轮(24)建立驱动连接。
5.根据权利要求4所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的发射主镜筒(20)包括发射变焦定位压圈(21)、发射变焦组压圈(22)、齿轮定位套(23)、发射变焦镜座(27)和发射变焦隔圈(28)，所述的发射变焦镜座(27)位于发射主镜筒(20)的内部，并通过发射变焦定位压圈(21)将发射变焦镜座(27)定位在发射主镜筒(20)的内部；发射变焦镜座(27)通过发射主镜筒(20)的凸轮拟合曲线孔安装在发射变焦从动齿轮(24)上，发射变焦从动齿轮(24)通过齿轮定位套(23)定位套装在发射主镜筒(20)的外侧。
6.根据权利要求5所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的变焦发射光学镜片包括第五正透镜和第三负透镜，第五正透镜和第三负透镜分别通过发射变焦隔圈(28)和发射变焦组压圈(22)通过过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧方式固定安装在发射变焦镜座(27)内。
7.根据权利要求1所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的Gm-APD探测器(3)的焦面尺寸3.2mm×3.2mm，焦距85mm，光学口径65mm。
8.根据权利要求1所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的光阑电机(5)的驱动器由图像处理器控制，图像处理器包括FPGA和DSP处理器。
9.根据权利要求1所述的适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，其特征在于：所述的可变光阑(6)为孔径光阑，孔径光阑通过凸轮曲线孔与接收光圈从动齿轮(18)连接。

说明书全文

适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，属于单光子激光成像雷达技术应用领域。

背景技术

[0002] 单光子探测激光雷达采用盖革模式雪崩二极管阵列(Gm-APD)，在提升探测灵敏度前提下，大幅度降低了激光器功率、降低了功耗，实现了整套系统小型化，是进入21世纪后国际发展的主流方向。Gm-APD激光雷达探测灵敏度极高，从微弱信号探测方面，具有极好的优势；但另一方面，也极易受到空天背景光、电子暗计数等影响，使成像性能受损，限制了Gm-APD激光雷达的环境适应性。现有技术手段是采取多帧统计方法，即对场景成像要进行多次激光脉冲式照射，通过统计接收图像序列，反演出正确的场景三维距离像，该方法可以有效抑制空天背景光等噪声，但对激光器重复频率要求高了，不利于系统装置的小型化和低功耗。因此，提供一种适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，用来解决Gm-APD受固有回波动态范围大及自身环境适应性较差限制激光成像性能稳定性的问题是十分必要的。

发明内容

[0003] 本发明为了解决现有Gm-APD受固有回波动态范围大及自身环境适应性较差限制激光成像性能稳定性的问题，提出了一种适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统。

[0004] 本发明的技术方案：

[0005] 适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，包括接收光学系统、发射光学系统、Gm-APD探测器、变焦电机、光阑电机和可变光阑，可变光阑设置在接收光学系统上，发射光学系统固定安装在接收光学系统1上，接收光学系统的光轴与发射光学系统的光轴平行，光阑电机与可变光阑建立驱动连接，变焦电机与发射光学系统建立驱动连接，Gm-APD探测器与接收光学系统建立固定安装。

[0006] 优选的：所述的接收光学系统包括接收光学机械系统和接收光学镜片；

[0007] 所述的接收光学机械系统包括接收前组镜筒、接收后组镜筒、接收定位套、接收光圈从动齿轮和接收定位销，接收后组镜筒的前端通过螺钉与接收前组镜筒的后端建立连接安装，接收后组镜筒的后端通过螺钉与Gm-APD探测器固定安装；所述的接收光圈从动齿轮、接收定位套和接收定位销套装设置在接收前组镜筒的外侧；

[0008] 所述的接收光学镜片包括第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜，所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜依次由接收前组镜筒的前端安装至接收后组镜筒的后端；

[0009] 所述的接收前组镜筒包括接收前组压圈一、接收前组隔圈一、接收前组压圈二、接收前组隔圈二和接收前组压圈三；所述的接收前组压圈一、接收前组隔圈一、接收前组压圈二、接收前组压圈三和接收前组隔圈二依次设置在接收前组镜筒的内部；所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片和第三正透镜分别通过接收前组压圈一、接收前组隔圈一、接收前组压圈二、接收前组压圈三和接收前组隔圈二通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定安装在接收前组镜筒的内部；

[0010] 所述的接收后组镜筒包括接收后组压圈和接收后组隔圈，接收后组压圈和接收后组隔圈依次设置在接收后组镜筒的内部；所述的第二负透镜和第四正透镜分别通过接收后组压圈和接收后组隔圈通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定在接收后组镜筒的内部。

[0011] 优选的：所述的接收前组镜筒内安装有可变光阑，光阑电机通过接收光圈从动齿轮与可变光阑建立驱动连接，接收光圈从动齿轮套装在接收前组镜筒的外侧，并通过接收定位套和接收定位销限定接收光圈从动齿轮套装在接收前组镜筒外侧的位置。

[0012] 优选的：所述的发射光学系统包括发射光学机械系统和变焦发射光学镜片；

[0013] 所述的发射光学机械系统包括发射主镜筒、发射变焦从动齿轮、发射电机座、发射后组镜筒和光纤法兰，所述的发射主镜筒的后端与发射后组镜筒的前端建立连接安装，光纤法兰安装在发射后组镜筒的后端；发射变焦从动齿轮套装在发射主镜筒的外侧，变焦电机通过发射电机座安装在发射主镜筒上，变焦电机的输出端与发射变焦从动齿轮建立驱动连接。

[0014] 优选的：所述的发射主镜筒包括发射变焦定位压圈、发射变焦组压圈、齿轮定位套、发射变焦镜座和发射变焦隔圈，所述的发射变焦镜座位于发射主镜筒的内部，并通过发射变焦定位压圈将发射变焦镜座定位在发射主镜筒的内部；发射变焦镜座通过发射主镜筒的凸轮拟合曲线孔安装在发射变焦从动齿轮上，发射变焦从动齿轮通过齿轮定位套定位套装在发射主镜筒的外侧。

[0015] 优选的：所述的变焦发射光学镜片包括第五正透镜和第三负透镜，第五正透镜和第三负透镜分别通过发射变焦隔圈和发射变焦组压圈通过过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧方式固定安装在发射变焦镜座内。

[0016] 优选的：所述的Gm-APD探测器的焦面尺寸3.2mm×3.2mm，焦距85mm，光学口径 65mm。

[0017] 优选的：所述的光阑电机的驱动器由图像处理器控制，图像处理器包括FPGA和DSP 处理器。

[0018] 优选的：所述的可变光阑为孔径光阑，孔径光阑通过凸轮曲线孔与接收光圈从动齿轮连接。

[0019] 本发明具有以下有益效果：本发明涉及适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统，本系统的发射光学系统采用电机驱动机械变焦，接收光学系统采用电机驱动机械可变光阑，运用控制算法，能够自动调整发射光斑尺寸和接收光学口径尺寸。变焦发射，能够自主调整发射光斑功率密度，缓解大动态范围引发的增益饱和等问题；可变光阑接收，能够自主调整接收光学口径，抑制背景光、目标杂光等噪声，实现最优信噪比接收。本系统能够同时有效提升成像性能和环境适应性，为进一步提升Gm-APD激光雷达效能提供一种有效的技术途径。图像处理器由FPGA和DSP组成；将接收回波强度、图像信噪比等指标，作为自适应调节参数，实时控制变焦电机和光阑电机，使激光雷达成像性能一直处于最佳工作状态。附图说明

[0020] 图1是适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统的结构示意图；

[0021] 图2是接收光学系统的机械结构示意图；

[0022] 图3是发射光学系统的结构示意图；

[0023] 图中1-接收光学系统，2-发射光学系统，3-Gm-APD探测器，4-变焦电机，5-光阑电机，6-可变光阑，7-接收前组压圈一，8-接收前组隔圈一，9-接收前组镜筒，10-接收前组压圈二，11-接收后组压圈，12-接收后组隔圈，13-接收后组镜筒，14-接收调节垫，15-接收前组隔圈二，16-接收前组压圈三，17-接收定位套，18-接收光圈从动齿轮，19-接收定位销，20-发射主镜筒，21-发射变焦定位压圈，22-发射变焦组压圈，23-齿轮定位套，24- 发射变焦从动齿轮，25-发射电机座，26-发射后组镜筒，27-发射变焦镜座，28-发射变焦隔圈，29-光纤法兰。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明的保护范围。

[0025] 结合说明书附图1至图3说明本发明的具体实施方式：本发明适用于单光子激光成像雷达的自适应控制的收发光学系统包括接收光学系统1、发射光学系统2、Gm-APD探测器3、变焦电机4、光阑电机5和可变光阑6，可变光阑6设置在接收光学系统1上，发射光学系统2固定安装在接收光学系统1上，接收光学系统1的光轴与发射光学系统2 的光轴平行，光阑电机5与可变光阑6建立驱动连接，变焦电机4与发射光学系统2建立驱动连接，Gm-APD探测器3与接收光学系统1建立固定安装。如此设置，可变光阑6 设置在接收光学系统1上，光阑电机5与可变光阑6建立驱动连接，即接收光学系统1 采用光阑电机5驱动可变光阑，使用控制算法达到能够自主调整接收光学口径，抑制背景光、目标杂光等噪声，实现最优信噪比接收；变焦电机4与发射光学系统2的变焦镜片建立驱动连接，即发射光学系统2采用变焦电机4驱动变焦镜片移动，使用控制算法达到能够自动调整发射光斑功率密度，缓解大动态范围引发的增益饱和等问题。并且在接收光学系统内，分别加装了窄带滤波片和光阑，光阑开口尺寸变化由特定的传动机构及微特电机控制；

[0026] 所述的接收光学系统1包括接收光学机械系统和接收光学镜片；

[0027] 所述的接收光学机械系统包括接收前组镜筒9、接收后组镜筒13、接收定位套17、接收光圈从动齿轮18和接收定位销19，接收后组镜筒13的前端通过螺钉与接收前组镜筒9的后端建立连接安装，接收后组镜筒13的后端通过螺钉与Gm-APD探测器3固定安装；所述的接收光圈从动齿轮18、接收定位套17和接收定位销19套装设置在接收前组镜筒9的外侧；

[0028] 所述的接收光学镜片包括第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜，所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片、第三正透镜、第二负透镜和第四正透镜依次由接收前组镜筒9的前端安装至接收后组镜筒13的后端；

[0029] 所述的接收前组镜筒9包括接收前组压圈一7、接收前组隔圈一8、接收前组压圈二 10、接收前组隔圈二15和接收前组压圈三16；所述的接收前组压圈一7、接收前组隔圈一8、接收前组压圈二10、接收前组压圈三16和接收前组隔圈二15依次设置在接收前组镜筒9的内部；所述的第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜、窄带滤光片和第三正透镜分别通过接收前组压圈一7、接收前组隔圈一8、接收前组压圈二10、接收前组压圈三16 和接收前组隔圈二15通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定安装在接收前组镜筒9的内部；

[0030] 所述的接收后组镜筒13包括接收后组压圈11、接收后组隔圈12和接收调节垫14；接收后组压圈11和接收后组隔圈12依次设置在接收后组镜筒13的内部；所述的第二负透镜和第四正透镜分别通过接收后组压圈11和接收后组隔圈12通过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧的方式固定在接收后组镜筒13的内部；所述的接收调节垫14能够调节像面虚实，使成像质量处于最佳状态。所述的接收前组镜筒9内安装有可变光阑6，光阑电机5 通过接收光圈从动齿轮18与可变光阑6建立驱动连接，接收光圈从动齿轮18套装在接收前组镜筒9的外侧，并通过接收定位套17和接收定位销19限定接收光圈从动齿轮18套装在接收前组镜筒9外侧的位置。如此设置，在接收光学系统1中，设置可变光阑6，起到滤波器的作用，并且通过光阑电机5驱动可变光阑6的开口尺寸，能够调节背景光和目标光的混光比例，进而起到调整图像信噪比和对比度的目的；并且收发光学系统通过精密装调手段实现收发光学系统光轴平行，通过机械结构件将二者固定连接，实现收发光学系统分口径“合体”组成收发光学系统一体机。

[0031] 所述的发射光学系统2包括发射光学机械系统和变焦发射光学镜片；

[0032] 所述的发射光学机械系统包括发射主镜筒20、发射变焦从动齿轮24、发射电机座25、发射后组镜筒26和光纤法兰29，所述的发射主镜筒20的后端与发射后组镜筒26的前端建立连接安装，光纤法兰29安装在发射后组镜筒26的后端；发射变焦从动齿轮24套装在发射主镜筒20的外侧，变焦电机4通过发射电机座25安装在发射主镜筒20上，变焦电机4的输出端与发射变焦从动齿轮24建立驱动连接。所述的发射主镜筒20包括发射变焦定位压圈
21、发射变焦组压圈22、齿轮定位套23、发射变焦镜座27和发射变焦隔圈 28，所述的发射变焦镜座27位于发射主镜筒20的内部，并通过发射变焦定位压圈21将发射变焦镜座27定位在发射主镜筒20的内部；发射变焦镜座27通过主镜筒20的凸轮拟合曲线孔安装在发射变焦从动齿轮24上，发射变焦从动齿轮24通过齿轮定位套23定位套装在发射主镜筒20的外侧。所述的变焦发射光学镜片包括第五正透镜和第三负透镜，第五正透镜和第三负透镜分别通过发射变焦隔圈28和发射变焦组压圈22通过过孔轴配合、端面定位和压圈锁紧方式固定安装在发射变焦镜座27内。如此设置，在发射光学系统2中，将变焦镜片通过发射变焦隔圈28、发射变焦定位压圈21和发射变焦组压圈22 安装在发射变焦镜座27内，发射变焦镜座27通过主镜筒20的凸轮拟合曲线孔安装在发射变焦从动齿轮24上，发射电机座25通过发射镜筒的凸轮拟合曲线孔安装到变焦电机4 的从动齿轮上，按光学设计要求由变焦电机
4带动驱动主动齿轮通过精密齿轮副驱动发射电机座25按光学设计拟合曲线进行自适应连续移动，实现发射光学系统的自适应变焦调光，从而实现与接收光学系统口径的匹配在的驱动下按光学设计拟合曲线进行自适应连续移动，实现发射光学系统的自适应变焦调光，从而实现与接收光学系统口径的匹配。发射光学系统还可由图像处理器电控，实现光学视场连续变化，实现远距离小视场、近距离大视场成像，通过改变视场提高光功率密度实现远距离成像目的。

[0033] 所述的Gm-APD探测器3的焦面尺寸3.2mm×3.2mm，焦距85mm，光学口径65mm。如此设置，接收光学系统1和Gm-APD探测器3紧密耦合，组成了探测接收系统。

[0034] 所述的光阑电机5的驱动器由图像处理器控制，图像处理器包括FPGA和DSP处理器。如此设置，能够高速采集处理激光图像数据，根据激光三维距离像状态，还可使用控制算法，实时自主控制变焦电机和光阑电机，使整套激光雷达系统能一直处于最优工作状态，实时输出稳定的高分辨三维距离像。

[0035] 所述的可变光阑6为孔径光阑，孔径光阑通过凸轮曲线孔与接收光圈从动齿轮18连接。如此设置，可变光阑6为孔径光阑，孔径光阑通过凸轮曲线孔与光阑调整从动齿轮连接，光阑驱动电机带动驱动主动齿轮通过精密齿轮副驱动该光阑按光学设计拟合曲线进行自适应连续移动，实现接收光学系统的自适应口径，从而实现与发射光学系统的匹配。

[0036] 本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

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