一种高角分辨率激光雷达及探测方法
阅读说明：本技术 一种高角分辨率激光雷达及探测方法 (High-angular-resolution laser radar and detection method ) 是由 张祥伟 马群 龚昌妹 韩峰 于洵 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明为一种高角分辨率激光雷达及探测方法,其克服了现有技术中存在的雷达测量角分辨率受到限制的问题,可大大增加光源的发射频率,在进行探测时点云的分布密度得到显著提高,从而实现高角分辨率。本发明包括主控与数据解算系统,变焦激光发射系统、激光扫描系统和激光接收系统分别与主控与数据解算系统连接；变焦激光发射系统包括依次设置的高重频高功率光纤激光器、光纤分光器、光纤延时器、光纤合束器和光纤准直器；激光接收系统包括激光接收光学系统和光电探测器。激光扫描系统为二维MEMS微扫镜,采用非谐振的扫描方式。(The invention relates to a high angular resolution laser radar and a detection method, which overcome the problem that the angular resolution of radar measurement is limited in the prior art, can greatly increase the emission frequency of a light source, and obviously improve the distribution density of point cloud when detection is carried out, thereby realizing high angular resolution. The system comprises a main control and data calculation system, wherein a zooming laser emission system, a laser scanning system and a laser receiving system are respectively connected with the main control and data calculation system; the zooming laser emission system comprises a high repetition frequency high-power optical fiber laser, an optical fiber beam splitter, an optical fiber time delay device, an optical fiber beam combiner and an optical fiber collimator which are arranged in sequence; the laser receiving system comprises a laser receiving optical system and a photoelectric detector. The laser scanning system is a two-dimensional MEMS micro-scanning mirror and adopts a non-resonant scanning mode.)
技术领域：
本发明属于激光探测技术领域，涉及一种高角分辨率激光雷达及探测方法。
背景技术：
激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，由激光发射机、光学接收机和信息处理系统等组成。其工作原理是向目标发射激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态以及形状等参数。
激光雷达在进行远距离探测时，激光的光斑将随着距离的变远而变大，当所探测的物体小于光斑尺寸时，物体所在的位置就会出现偏差，这是因为雷达标定探测目标位置时，是以激光发射方向以及回波时间确定的，因此小目标出现在光斑里面的任何位置，所得到的方位都是相同的，这就带来了测量的误差，而且误差随着距离的增大而增大。
发明内容
：本发明的目的在于提供一种高角分辨率激光雷达及探测方法，其克服了现有技术中存在的雷达测量角分辨率受到限制的问题，可大大增加光源的发射频率，在进行探测时点云的分布密度得到显著提高，从而实现高角分辨率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高角分辨率激光雷达，其特征在于：包括主控与数据解算系统，变焦激光发射系统、激光扫描系统和激光接收系统分别与主控与数据解算系统连接；变焦激光发射系统包括依次设置的高重频高功率光纤激光器、光纤分光器、光纤延时器、光纤合束器和光纤准直器；激光接收系统包括激光接收光学系统和光电探测器。
激光扫描系统为二维MEMS微扫镜，采用非谐振的扫描方式。
高重频高功率脉冲光纤激光器为MOPA方式脉冲光纤激光器，种子源为窄线宽VCSEL，增益介质为掺杂的增益光纤；高重频高功率脉冲光纤激光器为可变脉冲激光器，输出峰值功率为1KW～8KW，平均功率为1W～20W，输出脉宽3ns～15ns，输出重复频率为100KHz～2MHz，输出脉冲能量8μJ～15μJ，发散角为0.5～2mrad。
光纤分光器为1*N分光器，分光的路数N与目标探测的精度与探测距离需求相关。
光纤延时器由N路光纤延时结构组成，每一路光纤延时的时间受到N以及脉冲激光器脉冲周期T大小的限制，每一路光纤延时的时间间隔为T/N。
光纤准直器准直后的光斑尺寸不大于2mm。
激光接收光学系统的焦点位于所述光电探测器表面；光电探测器为可将光波变为电流的半导体器件，光电探测器所用半导体材料与雷达发射激光波相关。
一种高角分辨率激光雷达的探测方法，其特征在于：包括以下步骤：
采用主控与数据解算系统，高重频高功率脉冲光纤激光器发出的脉冲光经过1*N光纤分光器，平均分成N路脉冲光，每一路脉冲光连接一光纤延时器进行延时，延时后的光束沿光纤进入到N*1光纤合束器进行合束，合束后的脉冲光经过光纤准直器准直，然后入射到二维的扫描装置进行扫描，光束在空间中扫描时，反射的回波经过探测器接收，与初始信号进行比较后得到每一脉冲光的飞行时间，从而确定目标的距离，由于脉冲光的方位由二维扫描镜确定，而二维扫描镜的扫描方位是已知的，因此可以确定任一点云的位置坐标。
所述主控与数据解算系统控制MEMS微扫镜的扫描速度与扫描角度；
程序流程为：所述主控与数据解算系统存储有发射序列波形以及所述二维MEMS微镜的扫描波形；在进行扫描时，所述主控与数据解算系统一边让激光发射端按照固定频率发送脉冲序列，另一边通过通信给MEMS驱动板发送偏转数据指令来控制二维MEMS微镜进行准静态扫描。
所述主控与数据解算系统对点云数据进行处理，得到目标的空间三维分布轮廓；
程序流程为：首先所述主控与数据解算系统对获得的原始的目标点云数据进行点云滤波和点云配准处理，然后对目标点云数据进行网格剖分和网格拼接获得点云数据的三维重建图。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果是：
1、本发明通过光纤分光器对激光雷达的激光源发出的每一脉冲光平均分成多路脉冲激光，多路脉冲激光分别进入到多路光纤延时装置进行延时，延时后的多路激光束通过排序合成一路，此时合束的激光束包含多个脉冲，激光的发射频率得到大幅提高，在进行扫描时可以显著提高探测的点云密度，从而提高了雷达的探测角分辨率。
2、本发明没有机械部件，可靠性高。
附图说明：
图1为本发明雷达系统原理图；
图2为本发明雷达结构与光路原理图。
图中，101-变焦激光发射系统，102-激光扫描系统，103-激光接收系统，104-主控与数据解算系统，201-高重频高功率光纤激光器，202-光纤分光器，203-光纤延时器，204-光纤合束器，205-光纤准直器，206-二维MEMS微扫镜，207-计算机，208-光电探测器，209-激光接收光学系统，301-窄线宽VCSEL，302-增益光纤。
具体实施方式
：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为一种远距离高分辨率激光雷达及探测方法，其通过对雷达光源进行分光，并对每一路分光进行延时后合束，雷达光源的发射频率可以成倍的增加，从而增加了雷达扫描的点云密度，提高了雷达角分辨率。参见图1，包括主控与数据解算系统,104，变焦激光发射系统101、激光扫描系统102和激光接收系统103分别与主控与数据解算系统104连接。参见图2，变焦激光发射系统101包括依次设置的高重频高功率光纤激光器201、光纤分光器202、光纤延时器203、光纤合束器204和光纤准直器205。激光接收系统103包括激光接收光学系统209和光电探测器208。激光扫描系统102采用二维MEMS微扫镜206。
实施例：
图1示出了本发明结构原理图，具体的结构包括变焦激光发射系统101、激光扫描系统102、激光接收系统103以及主控与数据解算系统104。变焦激光发射系统101、激光扫描系统102和激光接收系统103分别与主控与数据解算系统104连接，
其中，如图2所示，变焦激光发射系统101包括依次设置的高重频高功率光纤激光器201、光纤分光器202、光纤延时器203、光纤合束器204和光纤准直器205。激光扫描系统102为二维MEMS微扫镜206，采用非谐振的扫描方式。激光接收系统103包括激光接收光学系统209和光电探测器208。高重频高功率脉冲光纤激光器201为MOPA方式脉冲光纤激光器，种子源为窄线宽VCSEL301，增益介质为掺杂的增益光纤302。高重频高功率脉冲光纤激光器201为可变脉冲激光器，输出峰值功率为1KW～8KW，平均功率为1W～20W，输出脉宽3ns～15ns，输出重复频率为100KHz～2MHz，输出脉冲能量8μJ～15μJ，发散角为0.5～2mrad。光纤分光器202为1*N分光器，分光的路数N与目标探测的精度与探测距离需求相关，理论上N越大，探测的精度越高，探测的距离越近。光纤延时器203由N路光纤延时结构组成，并且N路光纤延时结构的每一路延时时间不是任意的，每一路光纤延时的时间受到N以及脉冲激光器脉冲周期T大小的限制，要求每一路光纤延时的时间间隔为T/N。光纤合束器204可以将N路激光合成一束，光纤合束器204耦合光纤准直器205。光纤准直器205可对所述光纤合束器204的激光束进行扩束准直，光纤准直器205准直后的光斑尺寸不大于2mm。光纤准直器205出射的光束入射到二维扫描镜206。二维扫描镜206采用MEMS微扫镜，二维扫描镜206采用非谐振的扫描方式。激光接收系统103包括激光接收光学系统209和光电探测器208，激光接收光学系统209的焦点位于所述光电探测器208表面。光电探测器208为可将光波变为电流的半导体器件，光电探测器208所用的半导体材料与所设计的雷达发射激光波相关。
本发明高角分辨率激光雷达的探测方法包括以下步骤：
采用主控与数据解算系统104，高重频高功率脉冲光纤激光器201发出的脉冲光经过1*N光纤分光器202，平均分成N路脉冲光，每一路脉冲光连接一光纤延时器203进行延时，延时后的光束沿光纤进入到N*1光纤合束器204进行合束，合束后的脉冲光经过光纤准直器204准直，然后入射到二维的扫描装置进行扫描，光束在空间中扫描时，会受到目标的反射，反射的回波经过探测器接收，与初始信号进行比较后得到每一脉冲光的飞行时间，从而确定目标的距离，由于脉冲光的方位由二维扫描镜确定，而二维扫描镜的扫描方位是已知的，因此可以确定任一点云的位置坐标。
主控与数据解算系统104控制MEMS微扫镜206的扫描速度与扫描角度。其程序流程：所述主控与数据解算系统104存储有发射序列波形以及所述二维MEMS微镜206的扫描波形。在进行扫描时，所述主控与数据解算系统104一边让激光发射端按照固定频率发送脉冲序列，另一边通过通信给MEMS驱动板发送偏转数据指令来控制二维MEMS微镜206进行准静态扫描。
主控与数据解算系统104对点云数据进行处理，得到目标的空间三维分布轮廓。其程序流程：首先所述主控与数据解算系统104对获得的原始的目标点云数据进行点云滤波和点云配准处理，然后对目标点云数据进行网格剖分和网格拼接获得点云数据的三维重建图。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。