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          掃描振鏡在成像激光雷達中的技術研究

             激光雷達是雷達技術和激光技術相結合的產物。激光雷達發射激光對目標進行照射并接收其回波,由此獲得目標發射至發射點的距離、方位、徑向速度、目標表面反射率等信息。按照獲取目標信息的類型,激光雷達可分為激光測距雷達、激光測速雷達、激光測角跟蹤雷達和成像激光雷達等。成像激光雷達是一種主動式傳感技術。與可見光和紅外光波段的被動成像系統相比,成像激光雷達可以快速地提取目標物的三維空間坐標,獲得目標的方位、距離、形狀等三維立體信息。成像激光雷達在軍事上有廣泛的應用前景,可裝備于陸、海、空等機動平臺,執行目標識別、成像制導、戰場偵察等任務。根據成像的不同,成像激光雷達可分為非掃描成像激光雷達和掃描成像激光雷達。

                掃描成像激光雷達的掃描方式主要有機械掃描、聲光掃描、電光掃描和二元光學掃描等。機械掃描通過電機驅動鏡面轉動,利用幾何光學的原理實現光束的偏轉。機械掃描具有大場鏡和高掃描速率,而且不同的機械結果可以獲得不同的掃描圖樣,是目前掃描成像激光雷達中廣泛應用的掃描方式。掃描成像激光雷達由單點測距激光雷達發展而來,通過二維激光掃描振鏡改變光束指向在目標面上進行掃描,通過脈沖激光測距的方法逐個測量目標點的距離,得到目標區域點陣的三維圖像。掃描成像激光雷達的關鍵技術在于高功率和高光束質量的激光器、高性能二維掃描振鏡、高靈敏度接收器和圖像處理及目標識別算法。

                高性能二維掃描振鏡是掃描成像激光雷達硬件中的關鍵技術,其主要作用是將激光器發射出來的激光束進行有規律的偏移,形成對目標表面的掃描。掃描成像激光雷達對二維激光掃描振鏡的要求主要包括:大視場、高掃描速率、低能量衰減、均勻的掃描點分布、同步接受發送等。掃描振鏡擺角是成像激光雷達的重要參數,反映了激光雷達能夠探測的目標區域的大小。掃描速率決定了成像激光雷達獲得三維圖像的幀速,掃描速率越高,成像的實時性越好,這在軍事應用方面尤其重要。二維激光掃描振鏡要能同時完成發射光學系統和接收光學系統光軸的偏轉,以實現同步的發送和接收,實現距離測量。

                在掃描成像激光雷達中,為了獲得空間分布均勻的點陣,一般采用的方法為等時間間隔發射激光脈沖,機械掃描器的鏡面以線性規律轉動。對于振鏡掃描,當入射光的方向與轉軸垂直,且鏡面按照三角波規律轉動且入射光線與轉軸垂直時,在鏡面線位移很小的情況下,反射光線掃描點的分布是均勻的。在二維掃描中,由于光束反射的固有特性不能同時滿足兩個掃描器均勻掃描的條件,會造成掃描圖像的畸變。掃描成像激光雷達要對目標平面進行二維掃描,通常采用掃描振鏡完成,其中振鏡一般按照三角波或鋸齒波進行運動。

                掃描振鏡由掃描反射鏡、擺動電機、位置傳感器、驅動電路和伺服控制器等部分構成,是一種高精度的位置隨動控制系統。目前用于掃描成像激光雷達的振鏡為檢流計式振鏡,其外觀如圖1.1所示。 

          圖1.1 檢流計式振鏡

           

             檢流計式振鏡為閉環反饋系統,具有偏角大、精度高、速度快、體積小等優點。金海創科技經過多年的潛心研發,研制出了國際最先進的各種型號振鏡掃描系統。其中JD1403、SG7210具有較高的速度和定位精度,具體技術指標如下: 

           

               掃描電機參數

               

                            

          伺服驅動板參數

           


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