高转速扫描激光雷达中探测器偏离焦平面的应用

作     者：周昊 毛庆洲 胡雪晴 魏伊可 张旭 ZHOU Hao;MAO Qingzhou;HU Xueqing;WEI Yike;ZHANG Xu

作者机构：武汉大学遥感信息工程学院湖北武汉430079 

出 版 物：《光学精密工程》 (Optics and Precision Engineering)

年 卷 期：2023年第31卷第21期

页      面：3077-3087页

核心收录：

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 081001[工学-通信与信息系统] 0803[工学-光学工程] 081002[工学-信号与信息处理] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(No.41971413,No.U1934215) 中央高校自主科研项目资助项目(No.2042022dx0001,No.2042023kf0221) 

主　　题：激光雷达 动态范围 脱靶 离焦 

摘      要：为了提高激光雷达测距的动态范围,解决高转速扫描激光雷达测量远距离目标时的脱靶问题,提出了探测器偏离焦平面的方法。对远距离回波脱靶现象、探测器在焦平面径向和轴向上偏离的作用原理、回波光斑在焦平面附近的空间能量分布进行研究。根据目标距离、激光扫描线转速、焦距和离焦量,分析回波光斑中心相对于光轴的径向偏离角和径向偏离量。当不同距离回波的像平面、光学系统焦平面和探测器靶面之间的相对位置变化时,分析了回波光斑尺寸在探测器靶面的变化规律。考虑激光高斯光束的能量分布、光学系统孔径光阑、衍射和离焦的影响,分析了回波光斑在探测器平面的能量分布以及探测器靶面的收光率。最后,通过数值仿真和实际测试验证了探测器在偏离焦平面后对不同距离回波的收光率的变化规律。实验结果表明:在75 Hz四棱塔镜扫描方式下,通过调节径向偏离能测到的最远目标距离从约800 m提高至约1300 m;通过调节轴向偏离,保证远距离回波收光率基本不变的情况下,5 m目标的收光率可降低约70%。该方法基本解决了远距离回波脱靶问题,提高了测距动态范围。