第44卷第11期红外与激光工程2015年11月Vol.44No.11Infrared and Laser Engineering Nov.2015一种激光雷达复合式扫描方法及试验 马辰昊，付跃刚，宫平，欧阳名钊，张书瀚
(长春理工大学光电工程学院，吉林长春130022)
摘要：传统激光雷达系统中，固态激光光源的重复频率和扫描系统的扫描带宽、精度均制约着系统成像。为提高激光雷达的成像精度，首先，在激光光源上采用经EDFA放大后的DFB高重频激光光源。其次，提出了一种PZT与振镜相结合的两级复合式激光扫描方法，利用PZT对小视场范围进行精细扫描，利用振镜对PZT的扫描视场和接收视场进行偏转完成粗扫描，在提高激光雷达扫描精度的同时拥有较大的扫描视场。最后，经试验所设计的复合式扫描激光雷达的方位角为±99mrad，俯仰角为±49.5mrad，角分辨率达到0.1mrad，测距精度达到0.159m。 关键词：激光雷达；视场拼接；振镜
中图分类号：TN247文献标志码：A文章编号：1007-2276(2015)11-3270-06
A composite scanning method and experiment of laser radar
Ma Chenhao,Fu Yuegang,Gong Ping,Ouyang Mingzhao,Zhang Shuhan
(School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun130022,China)
Abstract:In traditional laser radar system,the imaging is influenced by repetition rate of selected solid-state laser as well as scanning bandwidth and scanning precision in the laser scanning system.In order to improve the scanning bandwidth and precision,DFB high-repetition-rate semiconductor laser which was amplified by EDFA was adopted as the laser source firstly.Secondly,a two-stage composite laser scanning method had been proposed with combination of PZT and galvanometer.PZT got on meticulous scanning in small areas,then galvanometer was used to deflect and finish coarse scanning on the PZT scanning field and receiving the field.The scanning accuracy had been raised and the scanning field of laser radar had been expanded simultaneously.At last,azimuth of composite scanning laser radar is±99mrad,pitch angle is±49.5mrad.Angular resolution can measure up to0.1mrad,and the ranging precision can reach0.159m.
Key words:laser radar;field joint;galvanameter
收稿日期：2015-03-21；修订日期：2015-04-23
基金项目：国家自然科学基金(61108044)
作者简介：马辰昊(1988-)，女，讲师，博士，主要从事光电检测方面的研究。Email:mch6567@163
通讯作者：付跃刚(1972-)，男，教授，博士生导师，博士，主要从事光电检测方面的研究。Email:fuyg@cust.edu
第11期
0引言
传统激光雷达系统在成像过程中主要有两个参数制约着激光雷达的成像带宽，分别是固态激光器的重复频率和扫描系统的扫描带宽与扫描精度。为了提高激光雷达的成像带宽与精度，近年来国内外诸多学者为此提出了诸多解决方案。Tuley等人[1]提出采用对二维激光雷达增加一维扫描装置的方法实现三维测量，Surmann等人[2]采用机械式二维扫描装置实现三维激光测量，瞿荣辉等人[3]提出一种基于电光扫描的光学相控阵技术，孟昭华等人[4]使用窄线宽半导体激光器利用声光移频器、马赫-曾德尔幅度调制器构建了一套基于平衡相干探测与啁啾调幅的激光测距实验系统，郑睿童等人[5]提出一种基于线阵APD探测器的脉冲式一维非扫描激光雷达系统，吴丽娟等人[6]提出盖革模式APD阵列无扫描式激光
雷达，并对其三维成像进行了仿真。参考文献[1-2]所述虽然扫描方式简单，扫描角度大，但是扫描效率低，激光光斑行与行之间的间距比较大，光斑分布的均匀性受很大限制。参考文献[3-4]所用的声光扫描和电光扫描的方式，扫描速度快、效率高，属无惯性扫描，但其扫描视场小且均匀性差，参考文献[5-6]提出的无扫描方式虽然具有对激光脉冲频率要求低，成像速度快的优点，但扫描视场小，分辨率低。鉴于此，文中提出了一种基于PZT快速倾斜镜与伺服振镜相结合的两级复合式激光扫描方法，并给出相应的原理性试验验证。
1PZT原理简述
压电陶瓷驱动器(PZT)具有体积小、响应速度快、重复定位精度高、位移分辨率高等优点。在一些需要进行超精密定位以及微小位移控制的应用中，具有其他驱动器无法比拟的地位，是比较理想的驱动器。PZT快速倾斜镜物理控制结构如图1所示，其中X、Y为PZT振镜的两个运动平面，A、B、C分别为PZT快速倾斜镜的三个控制柱的高度，a为A控制柱到B、C控制柱连线间的距离，b为B、C控制柱之间的距离，d为通过A、B、C三个控制柱中心的圆的直径。其中，a、b、d由所选的PZT快速倾斜镜型号确定，PZT快速倾斜镜的等效方位角θx、俯仰角θy和移动距离Z分别可表示为：
θx=[A-1/2(B+C)]/a(1)
θy=(B-C)/b(2)
Z=(A+B+C)/3(3)
称呼后缀A、B、C三个压电陶瓷控制柱中任何一个控制柱两端电压值的变化都将引起PZT振镜平面倾角的变化，该平面的变化可以转换为X、Y两个方向的运动，从而可将光线偏移量对应为A、B、C三个控制柱两端电压模拟量变化，进而控制光线的运动。
图1PZT振镜物理控制结构
Fig.1Control principle of PZT FSM
PZT快速倾斜镜伺服系统的执行机构包括平面反射镜、PZT平台以及PZT驱动器。通过对器件参数和实验测试采集数据拟合可以得到PZT快速倾斜镜运动的数学模型。如果认为X轴和Y轴是相互独立的，不考虑两轴间的耦合影响，则X轴和Y轴的运动可等效为二阶振荡环节[7]。利用频响分析仪测出PZT快速倾斜镜表面的方位角和俯仰角的频率特性曲线，经过曲线拟合得出开环传递函数：
G F(s)=
ω2
n
s2+2ξωn s+ω2
n
(4)式中：谐振频率ωn=2πf n=9240rad/s；阻尼因子ξ=0.7。2复合式扫描激光雷达设计实例
复合式扫描系统拥有粗精两级扫描装置，粗扫描系统由振镜电机实现，而精扫描系统由快速倾斜镜实现，具体设计实例如下。
2.1复合式扫描发射子系统
该系统光源采用1550nm的DFB高重频半导体激光器作为种子光源，这类激光器与F-P腔激
光
文史哲马辰昊等：一种激光雷达复合式扫描方法及试验3271
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器相比具有动态单纵模窄线宽、波长稳定性好两大优点，并且它的EA 电吸收调制具有外形尺寸小、啁啾效应弱和驱动电压低等优点[8]。两者可以被集成在一起形成电吸收型调制激光器。但是DFB 激光器的输出功率无法满足激光雷达的功率需求，所以该系统采用两级EDFA 放大的方式实现其高频率与高功率的信号输出，最大输出功率为2W 。
复合式扫描光学发射天线需要保持让准直后的激光束的光斑面积远远小于目标面积。由于采用
PZT 快速倾斜镜进行精扫描，为区分出相邻两个扫描光点，需要使激光束的发散角小于PZT 快速倾斜镜单步偏转角度的2倍。所采用的光纤内径为62.5μm ，准直系统光学结构如图2所示，出射光为发散角为
0.1mrad 的准平行光，前透镜组由三片透镜组成，后透镜组由两片透镜组成，出瞳直径为40mm ，工作在
0~3000m 处最大光斑直径为30.648mm 。
图2ZEMAX 仿真的发射光学系统结构图
Fig.2Transmitting optical system structure simulated by ZEMAX
该光学系统性能评价如图3所示，图3(a)为衍射能量圈，80%以上的能量主要集中在光斑中心；图3(b)为该光学系统1km 远处光斑足迹图，区域I 为光源物面高度为0时的光斑足迹，区域II 和区域III 为光源y 方向上物面高度为±0.035mm 时的光斑足迹、区域IV 和区域V 为光源物面高度为±0.05mm 时的光斑足迹，能量主要集中在直径100mm 的光斑内，其性能符合复合式扫描光学发射天线的使用要求。
(a)衍射能量图
(a)Diffraction encircled energy
(b)足迹图(b)Footprint diagram 图3发射光学系统性能评价
Fig.3Performance evaluation of transmitting optical system
2.2复合式扫描接收子系统
复合式扫描光学接收天线采用卡塞格林望远结构，探测器选用光敏面直径为3.75mm 的APD 雪崩二极管，在设计过程中，光学系统的光阑和主镜重合，所以根据系统的技术指标可设系统的入瞳直径D =150mm ，由经验得α=30%，为减小系统的体积，缩短筒长，因此主镜和次镜之间的距离d 不能过大，选取主镜的相对孔径D =1，则系统主镜
的焦距f 1′为：
f 1′=-1×D =-2×150=-300mm
(5)次镜的放大率β为：
β=f ′f 1′=750-300
=-2.5(6)
确定了α、β后，主镜与次镜的顶点曲率半径r 1、
r 2，以及它们之间的距离d 可由下式确定：
r 1=2×f ′=2×f 1′=2×(-300)=-600mm
(7)r 2=αβr 1(β+1)=0.3×(-2.5)×(-600)(-2.5+1)
=-300mm (8)
过氧化氢酶活性测定d =f ′(1-α)β=f 1′(1-α)=-300×(1-0.3)=-210mm (9)RC 系统为特殊的两镜反射系统，即RC 系统消除了球差S I 和彗差S II (S I =S II =0)，由此可分别计算出主镜与次镜的偏心率
e 1和e 2，如下式：
e 2
1=1+
2α(1-α)β
3
=1+2×0.3(1-0.3)×(-2.5)2=1.137143(10)e 2
2=2β1-α+(1+β)(1-β)(1+β)3
=
2×(-2.5)1-0.3
+(1-2.5)
×
(1+2.5)(1+(-2.5))3
=7.560847
(11)
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第11期
其光学设计效果如图4所示，优化后光学系统视场角为5.009mrad，符合复合式扫描光学接收天线的使用要求。
图4ZEMAX仿真的接收光学系统结构图
Fig.4Receiving optical system structure diagram simulated by ZEMAX
2.3复合式扫描系统
复合式扫描系统工作示意图如图5所示，由光纤发出的光束经准直后入射到PZT快速倾斜镜的镜面上，PZT扫描主要用来实现精扫描，由于PZT分辨率为0.23μrad，重复精度为1.6μrad，所以为了确保定位精度不受分辨率影响，该系统设定步进角度为50μrad，由反射原理可知激光光束将被偏转0.1mrad，即每个区域进行33×33个点的扫描，形成一个由33×33个点组成的水平方向和竖直方向均为3.3mrad的正方形PZT扫描视场，接收系统的接收视场为5.009mrad，PZT扫描视场小于接收视场，均可被接收天线所接收。通过对振镜的X驱动器和Y 驱动器进行控制，使X反射镜和Y反射镜每次偏转1.65mrad，对应的PZT扫描视场与接收视场将被偏转3.3mrad，控制振镜逐行扫描形成一个60×30的振镜扫描区域，
通过视场拼接形成一个由1980×990个点组成的激光雷达扫描视场。
图5复合式扫描系统工作示意图
Fig.5Working diagram of composite scanning system
PZT的调整范围为±0.825mrad，首先需要让PZT的基准零度与零度接收系统共轴，然后调整激光发射系统与PZT的基准零度共轴，实现三者共轴，PZT被安装在卡塞格林系统次镜后面，进而使发射光轴与接收光轴两者平行输出，误差小于10s。
振镜扫描主要用来实现粗扫描，由PZT镜面反射的激光束通过振镜后被有规律的偏转。系统采用逐行扫描的方式，从上至下以“z”字型的方式进行逐行扫描。PZT工作频率为3500Hz，激光器与探测器的重频达到40MHz即可，设定扫描振镜的扫描频率为3.214Hz，每帧扫描区域为60×30，每帧可测量1800个区域，其方位角α为与俯仰角β分别为：
α=2Nn xθ=±99mrad(12)
β=2Mn yθ=±49.5mrad(13)式中：θ为PZT快速倾斜镜的步进角度；n x为X方向的步数；n y为Y方向的步数；M为振镜X方向的扫描区域数；N为振镜Y方向的扫描区域数。
激光雷达工作原理框图如图6所示。DFB激光发射模块接收到由FPGA发出的数字信号后发射出经过调制的高频激光光波，经过两级EDFA系统放大后由发射光学系统准直后入射到PZT的振镜面上，通过FPGA对PZT驱动模块的控制，使得激光束按要求偏转，再通过控制振镜模块改变方向后射向被测目标。反射光经振镜模块偏转后通过接收光学系统会聚由APD接收，滤除振镜的镜面漫反射光和滤光片的反射光带来的信号干扰，经过信号处理电路处理后得到距离信息。由ARM将这些距离信息与提供给PZT模块和振镜模块的信号相结合就可得到目标区各点的三维位置信息，最后将相关信息发送到上位机上，由上位机对采集到的数据进行处理得到三维激光雷达图像。
图6激光雷达工作原理框图
Fig.6Working principle diagram of the laser
radar
马辰昊等：一种激光雷达复合式扫描方法及试验3273
红外与激光工程第44卷
激光雷达测距系统采用激光脉冲法对目标进行测距，脉冲测距是通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差来计算出被测距离[9]。测量时间的方法是在确定的时间起止点之间用时钟脉冲填充计数。通过控制触发器得到一个由主波脉冲和回波脉冲确定的脉宽为t 的定时脉冲[10]。对该定时脉冲插入频率为f =1/△T 的时钟脉冲用来对定时脉冲的脉宽进行计数，若计数值为N ，则脉宽持续时间为：
t =N △T=N
f
(14)
得出目标距离：
S =ct =Nc =KN (15)
低压成型机
式中：K =c 2f
，表示一个计数脉冲所对应的被测距离。
K 值的大小决定了测量的精度，即：△K =c △T 。
利用Cyclone V FPGA 的高速IO 锁相环倍频和
SER/DES 功能得到2.5GHz 高频脉冲用来作为计数脉冲，△T ≤0.2ns ，测距分辨率△K ≤0.06m 。
3实验结果及分析
利用所研制完成的激光雷达系统样机进行了大量的系统实验，对其主要性能进行了测试。将激光雷达样机对准对面约为55m 远处的教学楼一角，进行定距离成像。图7(a)为对面教学楼照片，图中黑框内为系统探测区域，图7(b)为激光雷达所测得的被测区
图7激光雷达所测区域三维图像
Fig.7Three -dimensional diagram of laser radar measurement area
域三维点云图像，图7(c)为经过数据处理后目标区域的三维图像，可见前后两面墙间距离约为2.7m 。
经现场利用高精度测量尺测得两面墙间距离为2.643m ，利用激光雷达系统对目标区域的两面墙体间距离进行多次测量，测量误差如图8所示。
20次测量的误差最大值为0.159m ，均方根误差为0.104m 。
图8激光雷达系统对固定目标测距误差
Fig.8Range error of laser radar system for fixed target
利用激光雷达样机对距离为100m 远处尺寸为
0.9982m ×0.9994m 的方形标准目标进行定距离多次成像。由所成三维图像信息得出被测目标长和高的测量误差如图9所示。
图9激光雷达系统对方形标准目标测距误差
Fig.9Range error of laser radar system for square standard target
对应方位角均方根误差为9.8μrad ，俯仰角均方根误差为9.6μrad 。
4结论
文中提出了一种将PZT 与振镜相结合的两级复合式激光扫描方法，分别对复合式扫描的发射系统、接收系统以及控制系统进行综合分析与论述。通过理论分析、模型仿真与野外验证性试验证明了该方法的可行性，通过原理性验证试验，该复合式扫描激
光雷达角分辨率达到0.1mrad ，
测距精度为
0.159
m公共设施服务半径
。可见，该复合式扫描方法具有较高的工程应用价值。
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