多波束三維成像激光雷達(dá)高精度收發(fā)匹配方法研究*

潘 超，李涼海，曹海翊，趙一鳴，劉宇哲

（1 北京遙測(cè)技術(shù)研究所 北京 100076 2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部 北京 100094）

引 言

三維成像激光雷達(dá)技術(shù)為空間地理信息獲取、目標(biāo)立體探測(cè)提供了新的技術(shù)途徑。隨著激光分束技術(shù)、陣列收發(fā)技術(shù)、陣列單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，以及激光器與探測(cè)器等組件的不斷成熟，三維成像激光雷達(dá)技術(shù)逐漸從早期單點(diǎn)掃描體制向線陣推掃體制、大規(guī)模陣列成像體制不斷演進(jìn)。以多波束并行收發(fā)、單光子陣列探測(cè)為特征的新一代三維成像激光雷達(dá)探測(cè)靈敏度越來(lái)越高，成像幀頻越來(lái)越快。同時(shí)，新體制也使得雷達(dá)系統(tǒng)的體積、重量、功耗進(jìn)一步減小，可靠性和實(shí)用性有效提升[1-4]。

三維成像激光雷達(dá)由于發(fā)射激光波束發(fā)散角小，接收視場(chǎng)角小，需要調(diào)節(jié)收發(fā)光軸匹配，使激光的遠(yuǎn)場(chǎng)足印位于接收視場(chǎng)中心，以保證目標(biāo)的散射信號(hào)可以最大效率地被接收處理[5-8]。激光發(fā)散角過(guò)大會(huì)造成照射在目標(biāo)上的光斑變大，不僅影響分辨率，而且由于地形起伏與坡度帶來(lái)的回波脈沖展寬效應(yīng)更為嚴(yán)重，更加惡化距離測(cè)量精度[9]；系統(tǒng)接收視場(chǎng)決定著背景光噪聲強(qiáng)度，對(duì)于光子計(jì)數(shù)雷達(dá)，其探測(cè)靈敏度達(dá)到光子量級(jí)，對(duì)背景光干擾更加敏感，需極致壓低背景噪聲，從而有效提取目標(biāo)光子，因此接收視場(chǎng)需進(jìn)一步降低[10]；同時(shí)，在工程應(yīng)用中，由于不同材料有不同的線漲系數(shù)，環(huán)境溫度變化會(huì)造成收發(fā)光軸的微弱變化，造成收發(fā)光軸失配，影響接收效率。因此，工程上將光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)的激光發(fā)散角設(shè)計(jì)為百微弧度以下，考慮到空間雜散光控制與環(huán)境適應(yīng)性，接收視場(chǎng)為發(fā)射視場(chǎng)的2～4 倍[10]。由NASA 設(shè)計(jì)的機(jī)載光子計(jì)數(shù)雷達(dá)MABEL 的發(fā)散角為100 μrad，接收視場(chǎng)角為210 μrad[11]，ICESat-2 衛(wèi)星主載荷 ATLAS 光子計(jì)數(shù)雷達(dá)的發(fā)散角僅有 20 μrad，接收視場(chǎng)角為83 μrad[12,13]，隨著激光三維成像雷達(dá)向多波束發(fā)射、單光子探測(cè)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的收發(fā)匹配裕量越來(lái)越小，匹配難度越來(lái)越高[14]。

本文涉及的多波束單光子陣列三維成像激光雷達(dá)，不僅需要單個(gè)波束的精確匹配，還需考慮波束之間的排布關(guān)系與波束間串?dāng)_，這對(duì)波束收發(fā)匹配提出了更高要求。本文聚焦激光雷達(dá)多波束收發(fā)匹配難題，設(shè)計(jì)了基于衍射分束激光發(fā)射與光纖陣列接收的收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，提出了一種多波束激光雷達(dá)收發(fā)波束匹配方法，并對(duì)該方法的收發(fā)匹配誤差源以及溫度對(duì)其影響進(jìn)行了詳細(xì)分析仿真。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，本文的匹配方法可實(shí)現(xiàn)64 波束優(yōu)于10 μrad 的匹配誤差，在工作溫度范圍內(nèi)總的收發(fā)失配優(yōu)于20.78 μrad，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)25.5 μrad 的收發(fā)匹配裕量，系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度有較好的適應(yīng)性，具有良好的工程應(yīng)用前景。

1 多波束單光子三維成像激光雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的多波束單光子陣列三維成像激光雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)原理框圖如圖1 所示，系統(tǒng)采用收發(fā)異置的結(jié)構(gòu)形式，光纖激光器、擴(kuò)束鏡、衍射分光器DOE 組成發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器出射激光脈沖的擴(kuò)束與衍射分光，產(chǎn)生16×4 傾斜排布的64 束光束，單波束發(fā)散角為50 μrad，光束間隔角為333 μrad，出射光束陣列兩重復(fù)方向X 和Y 的夾角為14°。接收望遠(yuǎn)鏡、光纖陣列、雙遠(yuǎn)心鏡頭與濾光片、單光子探測(cè)器組成接收光學(xué)系統(tǒng)，用于分視場(chǎng)接收每個(gè)光斑的目標(biāo)散射光信號(hào)，并完成窄帶濾光與光電轉(zhuǎn)換。接收望遠(yuǎn)鏡有效口徑100 mm，X 方向瞬時(shí)視場(chǎng)為0.3°，Y 方向瞬時(shí)視場(chǎng)為0.07°，單波束接收視場(chǎng)角設(shè)計(jì)值為144 μrad。在接收望遠(yuǎn)鏡焦面通過(guò)陣列光纖實(shí)現(xiàn)焦面耦合分視場(chǎng)接收，望遠(yuǎn)鏡焦面處光纖排布方式與激光遠(yuǎn)場(chǎng)足印一致，光纖陣列另一端分為4 束4×4 的光纖束，每束光纖通過(guò)雙遠(yuǎn)心鏡頭、窄帶濾光片，縮束與背景光濾除后耦合至單光子探測(cè)器對(duì)應(yīng)像元。單光子探測(cè)器選用4 個(gè)4×4 蓋革模式的銦鎵砷（InGaAs）陣列單光子探測(cè)器實(shí)現(xiàn)激光回波光子信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換。

圖1 多波束單光子陣列三維成像激光雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of multi-beam 3D imaging LiDAR transceiver

2 多波束收發(fā)匹配方法與誤差分析

2.1 多波束收發(fā)匹配理論基礎(chǔ)

多波束激光雷達(dá)系統(tǒng)中，對(duì)于任意單個(gè)波束，擴(kuò)束后發(fā)散角為θT，對(duì)應(yīng)的接收視場(chǎng)角為θR。如果波束嚴(yán)格匹配，則激光在遠(yuǎn)場(chǎng)光斑中心與接收視場(chǎng)中心重合[15]，如果波束失配，則激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑部分或完全偏離出接收視場(chǎng)。工程中，一般設(shè)計(jì)θR為2～4 倍θT，此時(shí)，收發(fā)光軸在的偏移量條件下，發(fā)散角仍在接收視場(chǎng)范圍內(nèi)，激光發(fā)射能量的后向散射回波可被望遠(yuǎn)鏡完全接收，當(dāng)偏移角超出此范圍，則會(huì)造成收發(fā)光軸部分失配與完全失配，損失回波能量，降低探測(cè)信噪比，造成激光雷達(dá)作用距離急劇下降甚至失效[16]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，收發(fā)匹配精度需滿足：

收發(fā)匹配原理如圖2 所示。對(duì)于多波束激光陣列成像系統(tǒng)，任一波束的匹配不僅與當(dāng)前波束的發(fā)散角和視場(chǎng)角相關(guān)，還與波束間夾角相關(guān)。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)原理，本系統(tǒng)發(fā)射波束的發(fā)散角由發(fā)射光纖參數(shù)、激光擴(kuò)束系統(tǒng)參數(shù)決定，發(fā)射波束夾角由DOE 設(shè)計(jì)與加工精度決定。接收視場(chǎng)角由接收望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)、接收光纖芯徑?jīng)Q定，相鄰視場(chǎng)夾角由接收望遠(yuǎn)鏡焦距與相鄰光纖間距決定。設(shè)激光波長(zhǎng)為λ，發(fā)射光纖芯徑為rT，發(fā)射擴(kuò)束鏡焦距為fT，DOE 刻蝕周期為T，接收光纖芯徑為rR，接收望遠(yuǎn)鏡焦距為fR，接收光纖陣列間距為dR，則單波束激光發(fā)散角為：

圖2 激光雷達(dá)波束收發(fā)匹配原理Fig.2 Principle of lidar transceiver alignment

本系統(tǒng)發(fā)射光纖芯徑設(shè)計(jì)為30 μm，發(fā)射擴(kuò)束鏡焦距為600 mm，DOE 刻蝕周期為3.195 mm，接收光纖芯徑為60 μm，接收望遠(yuǎn)鏡焦距為417 mm，接收光纖陣列間距為138.9 μm。由式（2）～式（5）可計(jì)算得到，系統(tǒng)單波束發(fā)散角為50 μrad，單波束視場(chǎng)角為144 μrad，發(fā)射相鄰波束夾角與接收視場(chǎng)夾角相等為333 μrad。由式（1）計(jì)算可知，系統(tǒng)收發(fā)匹配精度需優(yōu)于25.5 μrad。

2.2 多波束收發(fā)匹配方法

在工程中，發(fā)射光纖與激光擴(kuò)束鏡焦面的位移和偏轉(zhuǎn)角，DOE 加工精度，接收光纖的排布精度及其與接收望遠(yuǎn)鏡焦面的位移和偏轉(zhuǎn)角度等都會(huì)影響收發(fā)匹配，因此，需要研究一系列的收發(fā)匹配方法與裝調(diào)手段。為解決上述問(wèn)題，采用長(zhǎng)焦平行光管模擬無(wú)窮遠(yuǎn)的激光發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)光斑和望遠(yuǎn)鏡頭遠(yuǎn)場(chǎng)接收視場(chǎng)，通過(guò)放置在平行光管焦面處的光斑分析儀對(duì)光斑成像，通過(guò)高精度六維調(diào)整機(jī)構(gòu)（PI）進(jìn)行高精度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射系統(tǒng)指標(biāo)、接收系統(tǒng)指標(biāo)以及多通道陣列收發(fā)光軸匹配。

本文激光雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射采用DOE 分束方式，接收采用陣列光纖的方式接收，收發(fā)匹配調(diào)節(jié)時(shí)，激光光源經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡頭和DOE 后，射入平行光管，平行光管焦平面處光斑分析儀（CCD）上顯示的陣列光斑即為發(fā)射系統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑，通過(guò)光斑分析儀可以測(cè)量發(fā)射單波束發(fā)散角和光束間隔角數(shù)值；同時(shí)可以在接收望遠(yuǎn)鏡頭焦平面的光纖陣列末端引入射入同一波長(zhǎng)激光，由接收光學(xué)系統(tǒng)入瞳處發(fā)出，射入平行光管，由光路可逆原理可知，平行光管焦面處形成的光斑為接收望遠(yuǎn)鏡頭的接收視場(chǎng)，通過(guò)光斑分析儀可以測(cè)量接收光學(xué)系統(tǒng)單波束接收視場(chǎng)角和視場(chǎng)間隔角[17-19]。通過(guò)調(diào)整望遠(yuǎn)鏡焦面處光纖陣列的方向確保接收視場(chǎng)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)方向平行，同時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)擴(kuò)束鏡的角度確保發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)光斑落在遠(yuǎn)場(chǎng)視場(chǎng)中心，通過(guò)高精度六維調(diào)整機(jī)構(gòu)微調(diào)望遠(yuǎn)鏡像面處光纖的方位和俯仰方向?qū)崿F(xiàn)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)腳點(diǎn)的移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)射遠(yuǎn)場(chǎng)陣列腳點(diǎn)與接收遠(yuǎn)場(chǎng)陣列腳點(diǎn)匹配。收發(fā)光軸匹配裝調(diào)測(cè)試系統(tǒng)原理如圖3 所示。

圖3 收發(fā)光軸匹配裝調(diào)測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.3 The installation and adjustment system of LiDAR alignment

針對(duì)4×4 陣列光纖通過(guò)雙遠(yuǎn)心鏡頭耦合到4×4 陣列探測(cè)器相應(yīng)像元的匹配問(wèn)題，讓每一束4×4 光纖束對(duì)應(yīng)的4 個(gè)角點(diǎn)位置的光纖可斷開(kāi)，通過(guò)外接激光器可實(shí)現(xiàn)單根獨(dú)立點(diǎn)亮。4×4 陣列光纖與雙遠(yuǎn)心鏡頭耦合時(shí)，通過(guò)向接收望遠(yuǎn)鏡入射平行光，調(diào)節(jié)陣列光纖4×4 端與雙遠(yuǎn)心鏡頭的相對(duì)位置和夾角，使得光斑分析儀上測(cè)得的4×4 光斑與設(shè)計(jì)值一致。陣列光纖與雙遠(yuǎn)心鏡頭光軸匹配測(cè)試系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖4 陣列光纖與雙遠(yuǎn)心鏡頭光軸匹配測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.4 The installation and adjustment system of double telecentric lens

調(diào)節(jié)雙遠(yuǎn)心鏡頭與4×4 陣列探測(cè)器的相應(yīng)像元耦合時(shí)，斷開(kāi)4×4 光纖束的4 個(gè)角的光纖，分別向每束光纖耦合激光信號(hào)，利用PI 高精度調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整雙遠(yuǎn)心鏡頭，使探測(cè)器對(duì)應(yīng)像元光子計(jì)數(shù)率最高且相鄰像元無(wú)串?dāng)_，完成像元耦合裝調(diào)。雙遠(yuǎn)心鏡頭光軸與陣列探測(cè)器像元匹配測(cè)試系統(tǒng)原理如圖5 所示。

圖5 雙遠(yuǎn)心鏡頭光軸與陣列探測(cè)器像元匹配測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.5 The installation and adjustment system of detector array

2.3 多波束收發(fā)匹配誤差分析

影響系統(tǒng)收發(fā)匹配精度的主要因素為系統(tǒng)的加工誤差、裝調(diào)引入誤差、系統(tǒng)緊固誤差以及環(huán)境溫度變化引入的收發(fā)匹配誤差。系統(tǒng)加工誤差中，決定系統(tǒng)發(fā)散角與視場(chǎng)角的加工誤差大部分可由上述裝調(diào)消除，決定波束夾角的DOE 加工誤差、光纖排布誤差無(wú)法通過(guò)裝調(diào)消除，設(shè)為δ1。裝調(diào)誤差主要由光斑圖像的測(cè)量誤差與裝調(diào)調(diào)整機(jī)構(gòu)的調(diào)整精度帶來(lái)，設(shè)為δ2。裝調(diào)完成后緊固系統(tǒng)帶來(lái)的位移變化也對(duì)匹配精度有一定影響，其誤差設(shè)為δ3。而由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)線脹系數(shù)不同，環(huán)境溫度變化將會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)形變，從而引起收發(fā)光軸變化帶來(lái)收發(fā)匹配誤差，設(shè)為δ4。由誤差傳遞公式，系統(tǒng)總收發(fā)匹配誤差如式（6）所示。

本文所設(shè)計(jì)的DOE 周期為3.195 mm，刻蝕精度優(yōu)于0.1 μm，對(duì)光束點(diǎn)陣的角間隔基本無(wú)影響，因此，DOE 加工誤差對(duì)系統(tǒng)光軸的影響可忽略。由光纖陣列檢測(cè)結(jié)果得到光纖陣列相對(duì)位置加工誤差為2 μm，望遠(yuǎn)鏡焦距為417 mm，即由于元件加工引入誤差為4.8 μrad。

在光軸匹配過(guò)程中，監(jiān)測(cè)焦面處光斑圖像的光斑分析儀選用美國(guó)Spiricon 公司的SP920s，該款光斑分析儀有效像元尺寸為4.4 μm，由于分析軟件是根據(jù)像元數(shù)量來(lái)衡量光斑大小，裝調(diào)的平行光管焦距為2 m，可計(jì)算出CCD 光斑分析儀測(cè)量誤差會(huì)引入2.2 μrad 的光軸匹配誤差。高精度六維調(diào)整架選用德國(guó)PI 公司H-811.I2 型位移臺(tái)，根據(jù)幾何光學(xué)原理，沿X軸、Y軸、Z軸的位移變化不會(huì)對(duì)收發(fā)匹配角度產(chǎn)生影響，只有繞X軸、Y軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)變化會(huì)產(chǎn)生裝調(diào)誤差，H-811.I2 型位移臺(tái)的最小旋轉(zhuǎn)步距為2.5 μrad，可計(jì)算出由于調(diào)整臺(tái)旋轉(zhuǎn)精度會(huì)引入4.33 μrad 的光軸匹配誤差，則由裝調(diào)引入的誤差為4.86 μrad。

本文裝調(diào)完成后采用膠合方法，可以避免反復(fù)地修切墊片，極大地縮短了裝調(diào)周期，降低了裝調(diào)難度。但由于膠層厚度的不均勻性，導(dǎo)致膠層固化收縮時(shí)產(chǎn)生角度誤差，本系統(tǒng)采用雙組份環(huán)氧膠，該膠具有操作時(shí)間長(zhǎng)，固化周期短，固化收縮率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光學(xué)元件固定。在實(shí)際裝調(diào)中，利用塞規(guī)測(cè)得膠合件最大邊緣縫隙與最小邊緣縫隙之差為0.025 mm，即膠層厚度差為0.025 mm，本環(huán)氧膠的固化收縮率約為1 %，膠合件直徑為42 mm，則計(jì)算得出由于膠層的固化收縮引入的系統(tǒng)誤差為5.95 μrad。

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與裝調(diào)溫度均為20 ℃，當(dāng)使用環(huán)境溫度變化時(shí)，由于光學(xué)元件及光機(jī)結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮效應(yīng)，會(huì)帶來(lái)收發(fā)光軸失配，對(duì)收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行有限元仿真分析，圖6 為收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)在±3 ℃溫差下的位移云圖。

圖6 光機(jī)結(jié)構(gòu)溫度形變仿真Fig.6 System radiative thermal model

利用SigFit 軟件對(duì)光纖陣列端面進(jìn)行多項(xiàng)式面型擬合計(jì)算，得到光纖陣列端面剛體位移見(jiàn)表1。

表1 收發(fā)光纖陣列端面位移變化Table 1 Distortion of fiber array

由上述熱仿真可得，當(dāng)環(huán)境溫度變化±3 ℃時(shí)，收發(fā)光軸變化±18.7 μrad。

綜合以上分析，由式（6）計(jì)算可得，系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)總的收發(fā)失配為20.78 μrad，滿足本系統(tǒng)所需收發(fā)匹配精度要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)上述收發(fā)匹配原理、方法與精度分配，系統(tǒng)的光學(xué)裝調(diào)及收發(fā)光軸匹配共分為六個(gè)步驟，具體步驟如下：

第一步：利用高精度電子測(cè)高尺與修磨墊片的方式，完成擴(kuò)束鏡頭、接收望遠(yuǎn)鏡鏡頭、4 個(gè)雙遠(yuǎn)心鏡頭的光學(xué)鏡片與結(jié)構(gòu)裝配，確保鏡頭每片鏡片滿足裝調(diào)公差。

第二步：將光纖激光器輸出光纖固定于高精度六維調(diào)整機(jī)構(gòu)（PI）上，將經(jīng)擴(kuò)束、DOE 分光后的激光射入平行光管，并在平行光管焦面處放置光斑分析儀，通過(guò)PI 調(diào)整發(fā)射光纖與激光擴(kuò)束鏡入瞳處的位置，調(diào)節(jié)光斑分析儀上光斑直徑、相鄰光斑間距與設(shè)計(jì)值一致，通過(guò)頂絲與膠結(jié)固定發(fā)射光纖，完成光纖激光器與擴(kuò)束鏡頭、DOE 間裝調(diào)。

第三步：將16×4 端光纖陣列置于PI 上，同時(shí)通過(guò)光纖從望遠(yuǎn)鏡焦面反照激光，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡后進(jìn)入平行光管，并在平行光管焦面處放置光斑分析儀，通過(guò)PI 調(diào)整16×4 端光纖陣列的位置、俯仰角度與橫滾角度，調(diào)節(jié)光斑分析儀上光斑直徑、相鄰光斑間距與設(shè)計(jì)值一致。完成望遠(yuǎn)鏡與陣列光纖16×4 端裝調(diào)。

第四步：發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)向平行光管發(fā)射激光，收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)大剛度一體化連接件保證相對(duì)位置不發(fā)生變換，通過(guò)修磨墊片的方式將發(fā)射形成的光斑與接收系統(tǒng)形成的光斑調(diào)整至光斑分析儀整體視場(chǎng)內(nèi)，通過(guò)PI 微調(diào)望遠(yuǎn)鏡像面處光纖的方位和俯仰方向?qū)崿F(xiàn)望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)腳點(diǎn)的移動(dòng)，使發(fā)射光斑與接收光斑對(duì)應(yīng)位置一一匹配，兩個(gè)光斑中心距即為收發(fā)匹配誤差，膠結(jié)固化相應(yīng)結(jié)構(gòu)完成裝調(diào)。

第五步：將雙遠(yuǎn)心鏡頭置于調(diào)試工裝上，陣列光纖4×4 端通過(guò)固定工裝固定于PI，將光斑分析儀置于雙遠(yuǎn)心鏡頭像方焦平面處，通過(guò)PI 調(diào)整，使光斑分析儀上測(cè)得的4×4 陣列信號(hào)與設(shè)計(jì)值一致，通過(guò)膠結(jié)固定雙遠(yuǎn)心鏡頭與陣列光纖，完成雙遠(yuǎn)心鏡頭與光纖陣列裝調(diào)。

第六步：斷開(kāi)陣列光纖4×4 端4 個(gè)角的光纖，向單根光纖輸入激光，通過(guò)往雙遠(yuǎn)心鏡頭光纖陣列端入射激光，由高速示波器統(tǒng)計(jì)光子脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)PI 調(diào)節(jié)雙遠(yuǎn)心鏡頭位置與角度，使得對(duì)應(yīng)像元計(jì)數(shù)率最大，相鄰?fù)ǖ琅c無(wú)光時(shí)暗噪聲統(tǒng)計(jì)值一致，判斷其完全對(duì)準(zhǔn)。膠結(jié)固定后完成雙遠(yuǎn)心鏡頭與單光子探測(cè)器裝調(diào)。

上述過(guò)程得到主要結(jié)果如圖7～圖10 所示，激光收發(fā)匹配裝調(diào)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 激光收發(fā)匹配裝調(diào)結(jié)果Table 2 Results of divergence angle and beam angle

圖7 波束發(fā)散角與間隔角測(cè)試結(jié)果Fig.7 Testing results of divergence angle and beam angle

圖8 望遠(yuǎn)鏡波束接收視場(chǎng)與視場(chǎng)間隔角測(cè)試結(jié)果Fig.8 Testing result of telescope FOV and FOV included angle

圖9 雙遠(yuǎn)心鏡頭光斑分布測(cè)試結(jié)果圖Fig.9 Results of the light-spots distribution and size of double telecentric lens

圖10 收發(fā)匹配裝調(diào)結(jié)果Fig.10 Results of LiDAR alignment

考慮到本系統(tǒng)為64 波束二維傾斜陣列，本文列出了有代表性的四個(gè)角的波束匹配誤差測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表3。

表3 激光收發(fā)匹配誤差Table 3 Dis-alignments of divergence angle and beam angle alignment

由上述測(cè)試結(jié)果可知，第一行1、16 波束誤差較小，分別為2.3 μrad、3.7 μrad，第四行49、64 波束收發(fā)匹配誤差相對(duì)較大，分別為7.8 μrad、6.0 μrad，其余波束誤差都在7 μrad 以內(nèi)，主要原因?yàn)檠b調(diào)過(guò)程中以第一行光束為基準(zhǔn)，后續(xù)各行光束由于加工誤差等積累，造成誤差逐漸增加，但都在誤差分配的10 μrad 以內(nèi)，滿足系統(tǒng)使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種多波束激光雷達(dá)收發(fā)波束匹配方法，系統(tǒng)分析了多波束收發(fā)匹配過(guò)程中的誤差來(lái)源以及與系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了64 波束二維傾斜陣列光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了收發(fā)匹配。同時(shí)，本文仿真分析了環(huán)境溫度變化時(shí)，由于光學(xué)元件及光機(jī)結(jié)構(gòu)的熱脹冷縮效應(yīng)帶來(lái)的收發(fā)光軸失配問(wèn)題。仿真與測(cè)試結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了64 波束優(yōu)于10 μrad 的裝調(diào)誤差，系統(tǒng)在20±3 ℃的溫度范圍內(nèi)，收發(fā)失配為18.7 μrad，在工作溫度范圍內(nèi)總的收發(fā)失配為20.78 μrad，滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)25.5 μrad 的收發(fā)匹配裕量，本方法具有良好的工程可行性與應(yīng)用前景。