《激光杂志》2021 年第 42 卷第 1 期 LASER JOURNAL(V〇1.42,No. 1,2021) 109集像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究
杨兴雨i’2’3，方庆园h2，金梦哲刘卫东K2，郝丽婷3
'石家庄铁道大学信息科学与技术学院，石家庄050043;
2石家庄铁道大学河北省电磁环境效应与信息处理学科重点实验室，石家庄050043;
3南京大学电子科学与工程学院，南京210046
摘要：激光三维成像雷达技术在近十几年得到了飞速发展，各种新激光雷达体制在新技术的刺激下也曰
渐成熟。集像素激光三维成像雷达技术是新型体制的典型代表，其具有用少量探测器就能实现大规模像素
阵列探测的能力，并且在相同能量条件下能获取到更高信噪比的回波信号。研究了集像素激光三维成像雷
达的雷达方程，分析了发射系统与接收系统能量利用效率，设计提出圆台柱透镜与楔形微透镜阵列耦合结构来 进一步提高集像素激光三维成像雷系统的能量利用效率，经仿真分析与实验测试结果表明，圆台柱透镜与楔
形微透镜阵列耦合结构可大大提高集像素激光三维成像雷达的能量利用效率，对提高激光成像雷达系统的
成像质量和有效作用距离具有十分重要的意义。
关键词：集像素；三维成像；激光雷达；圆台柱透镜；楔形微透镜阵列
中图分类号:TN951 文献标识码：A d o i：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021.01. 109
Research and analysis of energy utilization efficiency of
3D imaging cluster lidar system
YANG Xingyu1'2,FANG Qingyuan1 2,JIN Mengzhe1'2,LIU Weidong12,HAO Liting3
1 School o f Information Science and Technology，Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China；
2Hebei Key Laboratory for Electromagnetic Environmental Effects and Information Processing, Shijiazhuang Tiedao University，
Shijiazhuang 050043 , China；
3School of Electronic Science and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210046, China
A b stra c t ： L aser imaging radar ( L idar) technology has developed rapidly in the past d e c a d e, and u nder the stim ulation of new technologies, various new lidar systems have m atured. Three dim ensional (3D)imaging clu ster lidar technology is a typical representative of new systems. It has the ability to detect la rg e-s c a le pixel arrays with a sm all num ber of detectors, and which can obtain echo signals with higher sig n a l-to-n o ise ratio (S N R) under the sam e en ergy conditions. In this p a p e r, the lidar equation of 3D imaging C-L id a r is derived. The energy utilization efficiency of the transm itting system and the receiving system is analyzed. The coupling structure of the circular column lens and the wedge m icro-len s array is proposed to further improve the energy utilization efficiency of 3D imaging C-L id a r system. The sim ulation analysis and experim ental resu
lts show that the coupling structure of the circular column lens and the wedge m icro-len s array can improve the energy utilization efficiency of the 3D imaging C-L id a r. Sim ultaneously, it is of great significance to improve the imaging quality and effective range of laser imaging radar system K ey w o r d s：cluster p ix e ls；3D im aging；lid a r；circular colum n le n s；wedge m ic ro-le n s arrays
收稿日期:2020-06-16
基金项目：国家自然科学基金青年基金（N o. 61801309)；中国博士后科 学基金面上项目（N o. 2017M6234〇0)
作者简介：杨兴雨（ 1988-)，男，博士，主要从事激光成像雷达方面的研 究0E-mail :xyyang@ stdu. edu. cn 1引言
激光雷达探测技术已被广泛在应用于测绘学、地 震学、考古学、遥感、城市三维重建、海岸线监测、军事
杨兴雨等：集像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究
110 《激光杂志》2021 年第 42 卷第 1 期 LASER JOURNAL(V〇1.42，N〇. 1,2021)
目标探测与识别打击等诸多科研、商业及军事领域+8]。高效率高分辨率激光三维成像雷达技术在各 领域迫切需求的刺激下得到了飞速发展。新型体制 下的激光雷达系统正逐步向小体积化、高度集成化、智能化以及网络化方向发展^集像素激光三维成像雷达技术〜171是新型体制的典型代表，其具有用少 量探测器就能实现大规模像素阵列探测的能力，并且 在相同能量条件下能获取到更高信噪比的回波信号。换言之，如果提高激光雷达系统的能量利用效率，将 增强有效的激光回波信号，即提高信号质量，提高系 统回波信号信噪比[18#]。因此，激光雷达系统的能 量利用效率直接关系到激光雷达系统的最远探测距 离、回波信噪比、成像质量等诸多关键性能参数，提高 激光雷达系统能量利用效率对评价激光雷达系统的 优越性至关重要。
基于集像素激光三维成像雷达系统，给出了该 系统的激光雷达方程，分析了激光能量与探测距离的 关系，研究了光学系统的能量利用效率，提出圆台柱 透镜与楔形微透镜阵列耦合结构来进一步提高集 像素激光三维成像雷达系统的激光能量利用效率，从 而达到进一步优化集像素激光三维成像雷达性能 的目的。数，P表示目标平均反射率，表示激光接收系统的 激光能量衰减系数，表示单程大气衰减系数。
由激光雷达方程可知，能量利用效率不仅与激光 雷达系统的设计有关，而且与大气条件和目标特性直 接相关。而人为可以调整改变的只能是激光雷达系 统内的相关参数来提高激光雷达的系统能量利用效 率。
3集像素激光雷达系统能量分析
集像素激光三维成像雷达系统主要包含激光 器子系统、激光发射系统、激光接收系统及数据处理 系统。系统示意图如图1所示。
C-LiDAR接收天线接收镜头
n
n n rr
激光发射控制信号
C-LiDAR发射天线
图1集像素激光成像雷达系统示意图
2集像素激光雷达方程
集像素激光三维成像雷达系统基于组构与 解构的思想，通过组构对光束整形后的窄带状激 光束进行编码调制形成〃个像素因子投影至目标物，在物方空间也就形成了带有正交调制光信号的激
光 回波信号，这些带有‘特殊身份’的激光回波信号被m 个探测器单元所接收，并且复用这m个探测器单元，每个探测器都能探测到n个像素因子，通过这种方式 将获取到《><^个像素数，即将物点空间的每个像素 因子等分成m个像素点，所有像素因子被m个探测 单元所接收，最终通过解构及数字解码技术将所获 取到nxm个像素恢复。
集像素激光雷达是大视场激光雷达系统，其发 射系统投影到目标物的激光束是窄带状编码激光束，其雷达方程如式（1):
=k*P,r=
^ •i?l r •p •i7r e •Dr e ••Pl r(1)其中，A表示能量利用效率，/^表示探测器可响应的最小光功率，即雷达可接收到的最小光回波信号 能量表示激光发射功率，表示激光雷达可探测 的最大距离，7^表示激光发射系统的激光能量衰减系
激光发射系统将激光器发射的圆斑激光束整形 为窄带状激光束，如图2所示。空间整形后的光束通 过组构后被压缩至投影镜头投影至远距离目标物 处。
宽度0.6 m m
长度65.0 m m
图2窄带状激光束
集像素激光三维成像雷达的发射系统激光能 量衰减系数&主要由光学镜片吸收损耗、组构能量 衰减以及窄带激光束的宽度压缩比等因素共同决定。在发射系统能量优化方面，所设计的7块光束整形镜 片都通过镀膜的方式，每块镜片的1 064 nm激光透过 率达到99. 95%以上（不镀膜处理每块镜片80%左 右），测试统计结果如图3所示。相比不镀膜的总透 过率提高了 78. 58%，增大了发射系统能量利用效率。
窄带状激光束的长度由组构所决定，宽度维度 的压缩直接决定了在激光雷达泛照在目标表面的激 光能量密度，即宽度(0.6mm)维度越窄，目标表面能 量密度越大，激光光强越强，激光回波信号则信噪比 越高，其基本原理如图4所示。
99.99%
接收系统镜片编号
图7激光接收系统镜片透过率
回波激光通过接收系统的光纤阵列耦合到光电
探测器（APD )，耦合效率决定了该部分的能量利用效 率。按照传统的光纤排列方式不论是哪种排列方式， 耦合效率都不高，例如图8(a )所示，理想状态的耦合
效率不足80%。基于解构特性，回波激光束仍被整 形为窄带激光束，再通过楔形微透镜阵列结构耦合到 连接A P D 的光纤阵列，可将耦合效率提升到接近 1〇〇%。楔形微透镜阵列结构如图8(b )所示，通过楔 形微透镜结构可将接收系统接收到的回波激光信号 完全耦合到光纤阵列中，优化了集像素激光三维成
形为窄带激光束，窄带状激光束通过圆台柱透镜结构
宽度被压缩为10 p m 左右条带状，如图6 (c ) HAWK 9.0高倍电子显微镜记录结果，窄带状激光束 被压缩到9. 6 (jun 。
图6实验测试系统及结果
集像素激光三维成像雷达的接收系统激光能
量衰减系数r ?re 主要由光学镜片吸收损耗、解构能量 衰减以及光电耦合结构等因素共同决定。
在接收系统能量优化方面，所设计的5块光束整 形镜片都通过镀膜的方式每块镜片的激光透过率达 到
99. 95%以上（不镀膜处理每块镜片80%左右），测 试统计结果如图7所示。相比不镀膜的总透过率提 高了 66. 98% ，增大了接收系统能量利用效率。
发射系统镜片编号
图3激光发射系统镜片透过率
图4窄带激光束成像原理简图
4表示窄带激光束，即望远系统的焦平面，B 表示望远镜头，C 是目标物,/表示镜头焦距，/表示焦平面窄带激光束的长度，m 表示宽度,/?表示雷达系统的探测距离，L 表示激光泛照目标的长度，W 表示宽度。由图4可得关系式(2):
丄=丄=!
(2)R L W
v '
因此，当窄带激光束的宽度《；变窄，由（2)可知, W 将变窄，即C 的面积将变小，而探测区域的激
光束 总能量并未发生变化，在C 区域的激光能量密度将与 w 成反比例关系。基于w = 0.30 mm ，设计了圆台柱 透镜将w 压缩到〇. 01 mm ，即将C 处的能量密度提高 了 30倍，优化了集像素激光三维成像雷达系统的 激光发射系统。发射系统增加圆台柱透镜后仿真结 果如图5(a )所示，圆台柱透镜的设计结构如图5(b ) 所示。
Y 轴旋转90。
:(计
主视图，
r ....
■ ^
侧视图
'
俯视图
(a )
— (b )
图5
发射系统仿真结果及圆台柱透镜结构
为了验证仿真结果的正确性，搭建了实验平台进 行试验测试，采用HAWK 9.0高倍电子显微镜记录测 试结果，实验平台总体结构如图6(a )所示。实验具 体光路如图6( b )所示，激光束通过平面柱透镜被整
杨兴雨等：集像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究
《激光杂志》2021 年第 42 卷第 1 期 LASER JOURNAL (V 〇1.42，N 〇. 1 ,2021)
111
^99
88776655 .9'.9'.9.99.99.9.9.9
>0
9
9 9 9 9 9 9 9 9 9
0|9|9
^'9|99'9|919'9|
^9988776655
t u o x o 99
9 9
9 9 9 9 9 9 ^ Q -
Q , Q - 9%/翅
却
屮#扫怕來蕕
图84结论
优化集像素激光三维成像雷达光学系统，提高 激光发射系统与接收系统的激光能量利用效率对增
大激光雷达系统的探测距离具有很重要的作用。基 于时间飞行技术的测距或者三维成像激光雷达在系 统本身能量利用率方面都存在着进一步优化的必要 性，提高发射系统的激光能量利用率可使激光飞行距 离增大，回波信号增强，提高激光就收系统的能量利 用率可使信号质量更优，为计算解调距离信息以及三 维成像提供最佳的信号。所设计的圆台柱透镜能够 将空间光整形到微米量级，对于光束压缩具备极为明 显的效果，楔形微透镜阵列耦合结构可将空间光与光 纤的耦合效率基本达到100%，为空间光与光纤耦合 提供了一种非常有效的方法。
参考文献
[1 ]
MICHAEL J. Joyce, JOHN D. Erb, BARRY A. Sampson, Ron A. Moen. Detection of coarse woody debris using airborne light detection and ranging ( LiDAR) [ J ]. Forest E- cology and Management ,2019,433.
[2] 程曼，蔡振江，Ning Wang ，等.基于地面激光雷达的田间
花生冠层高度测量系统研制[J ].农业工程学报，2019,
35 (01) ：180-187.[3]
任文核，宋小全，王芳涵.星载激光雷达观测东中国海气 溶胶时空分布的统计特征[J ].红外与激光工程，2018,
47(12) ：89-94.
像雷达系统的回波激光接收系统。
[4] 王恺，胡凯.基于激光雷达通信的地面特征识别技术 [J ].中国交通信息化，2019,（01 ):129-132.
[5] 李洪鹏，李国元，蔡志坚，等.全波形激光雷达回波分解 方法[J ].遥感学报，2019,23(0丨）：89-98.
[6] 徐安成.激光雷达信号的舰船识别研究[J ].舰船科学技
术,2018,40(24) :103-105.
[7]
王瑶瑶，王京卫，赵莉莉.基于激光雷达的建筑三维数字 化技术应用研究[J ].山东建筑大学学报,2018,33(06): 79-84.[8]
田晓敏，刘东，徐继伟，等.大气探测激光雷达网络和星
载激光雷达技术综述[•!].大气与环境光学学报，2018,
13 (06) ：401-416,[9]
杨兴雨，古丽孜热•艾尼外，王元庆，等.超高分辨率集
像素激光三维成像雷达分析与研究[J /0L ].激光杂
志:1-4.
.
10]崔鹏，杨兴雨，王元庆，等.激光三维成像雷达的激光触
发电路研究[■!].激光杂志，2018,39(09) :34-37.
1 11]李芬芳，王元庆，杨兴雨.改进小波变换在激光雷达回波
分解中的应用[J ] •激光杂志,2018,39(07) :30-33.
,
12]沈略，王元庆，徐帆.线阵激光雷达同步扫描系统的设计
[J ].电子器件，2016, 39(03) :596-599.
[13] 杨兴雨，苏金善，王元庆，等.大视场线阵推扫激光3D 成
像雷达光束整形[J] •光电工程，2016,43(04) :89-94.
[14] 戴璨，王元庆，徐帆.基于粒子算法的3维激光雷达回
波分解[J ].激光技术，2016,40(02) :284-287.
:15]杨兴雨，苏金善，王元庆，等.3D 激光雷达中激光编码器
的驱动控制[J ].激光杂志，2016,37(02) =103-105 + 109.
[16] 杨兴雨，苏金善，王元庆，等.国内外澈光成像雷达系统
发展的研究[J ].激光杂志，2016,37(01 ):1-4.
[17] XU Fan, WANG Yuanqing. V -L decomposition of a novel
full-waveform lidar system based on virtual instrument tech- nique[J]. Chinese Physics B, 2015, 24 (10) ：266-277.[18] SU J. , WANG Y. , LIANG D. . Long range detection of
line-array multi-pulsed coding lidar by combining the accumulation coherence and subpixel-energy detection method [J], Opt. Expo 2015； 23(12) ： 15174-15185.
19] XU Fan, WANG Yuanqing, LI Fenfang. Pixel multiplexing
technique for real - time three - dimensional - imaging laser detection and ranging system using four linear - mode avalanche photodiodes. Rev Sic Instrum 2016; 87(033112) ： 1 -10. /10. 1063/1.4944811
L (
L
I I
1；…- _
I t
1
h
楔形微透镜阵列
光纤阵列耦合截面
(b)
；传统耦合结构与楔形微透镜阵列结构
杨兴雨等：集像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究
112
《激光杂志》2021 年第 42 卷第 1 期 LASERJOURNAL (Vol . 42, No . 1,2021 )
回
波激光束
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议