Résumé : Avec le développement de la technologie lidar et la demande croissante d'exactitude de mesure, de nouvelles exigences ont été formulées pour les systèmes optiques de transmission et de réception, qui doivent avoir les caractéristiques d'un faisceau ajustable, d'un petit point de mesure et d'une haute efficacité d'écho. Concevoir un système optique de transceiver intégré qui fonctionne dans la bande de communication optique de 1550 nm. Les modules de transmission et de réception partagent une partie du chemin optique pour réduire la zone morte du champ de vision de réception et faciliter la miniaturisation de la structure. Afin de résoudre le problème des différences d'énergie d'écho causées par différentes distances de mesure et différents angles d'inclinaison de surface, le composant d'expansion de faisceau du système optique est conçu comme une structure à ajustement continu avec un grossissement de 2x à 3,5x ; deux ensembles de lentilles doublement cimentées sont utilisés pour la correction des aberrations chromatiques. Réduire l'impact de la largeur spectrale sur la distance de propagation du système. Après optimisation de la conception, l'angle de divergence du laser après collimation du système est inférieur à 0,3 mrad, et le diamètre du point de sortie est continuellement ajustable de 6,26 mm à 10,20 mm. Pour les cibles de mesure dans un rayon de 50 m, le diamètre du point d'irradiation est inférieur à 20 mm, et l'angle de divergence est à différentes positions de zoom. et le diamètre du point répondent tous aux exigences de conception.
Mots-clés : conception optique ; télémétrie laser ; système de transceiver intégré ; système de zoom
Introduction
Depuis le développement réussi du premier télémètre laser au monde aux États-Unis dans les années 1960, le lidar est devenu de plus en plus important dans le domaine de la mesure sans contact. Le LiDAR émet activement de la lumière laser sur la surface de la cible détectée et mesure la distance à la cible en collectant des signaux d'écho. Comparé aux méthodes traditionnelles de télémétrie infrarouge, de télémétrie ultrasonique, de télémétrie par ondes millimétriques et autres, la télémétrie laser a une distance de détection plus longue et une précision de mesure plus élevée. Ces dernières années, le lidar s'est développé rapidement tant dans les domaines militaire que civil, la demande d'application continue d'augmenter, et les avantages de la technologie de télémétrie laser ont également été pleinement exploités. Au niveau des technologies de haute précision, telles que l'aérospatiale, la télédétection par satellite et la détection de débris, la technologie de détection lidar de haute précision est devenue l'objectif des efforts de développement de divers pays.
Avec l'avancement de la technologie laser et des puces, la télémétrie laser se développe dans la direction de la longue portée, de la haute précision et de la miniaturisation, ce qui pose également des exigences plus élevées pour les systèmes optiques. De plus, si la précision de mesure est inférieure au niveau du millimètre, l'erreur du système causée par la non-coaxialité doit être prise en compte. Cependant, dans la plupart des systèmes optiques lidar existants, le système de transmission et le système de réception utilisent des chemins optiques différents, qui sont indépendants les uns des autres et décentrés, et il existe un angle mort dans le champ de vision de réception. Afin d'améliorer la précision de mesure et d'assurer la miniaturisation du système, il est urgent de développer un lidar compact avec un transceiver et un récepteur intégrés.
Cet article conçoit un système optique de télémétrie laser qui intègre le transceiver et le récepteur. La bande de communication optique de 1550 nm est utilisée dans la sélection de la longueur d'onde laser. Cette longueur d'onde a non seulement une meilleure transmissivité atmosphérique, mais présente également l'avantage de la sécurité pour l'œil humain et peut être utilisée dans des zones densément peuplées. En même temps, nous tirons pleinement parti de l'avantage du faible bruit de fond de l'interface en fibre optique et utilisons une fibre monomode comme port d'émission du faisceau laser. Afin de résoudre efficacement le problème des angles morts dans le champ de réception causés par la nature non coaxiale des systèmes traditionnels, le système de transmission et le système de réception partagent un chemin optique à faisceau élargi. Enfin, afin de s'adapter à la mesure de différentes distances et de prendre en compte l'ajustabilité du système, le chemin optique à faisceau élargi est conçu comme une structure à grossissement variable. Le système optique conçu et optimisé dans cet article fournira une base théorique et expérimentale pour le développement de prototypes d'ingénierie ultérieurs.
1. Principe de fonctionnement du transceiver intégré et de la télémétrie laser
Le principe de fonctionnement du système de télémétrie laser à transceiver intégré est illustré à la Figure 1. La partie optique se compose de quatre parties : un module de collimation, un séparateur de faisceau, un module d'expansion de faisceau et un module de mise au point (les lentilles dans la figure sont toutes des illustrations de modèle). Le signal laser est émis depuis le port de fibre optique et est d'abord façonné en un faisceau parallèle par le module de collimation, puis passe à travers le séparateur de faisceau (BS), amplifie le diamètre du faisceau via le module d'expansion de faisceau, et enfin irradie la surface cible à mesurer. Après que le faisceau laser soit diffusément réfléchi sur la surface à mesurer, une partie du signal d'écho est à nouveau collectée par le système optique et est reçue et amplifiée par la photodiode à avalanche (APD). Afin de calculer l'intervalle de temps entre l'émission du laser et la collecte, le système est équipé d'un miroir de référence, qui peut comparer la différence de temps de collecte entre les deux lumières pulsées et calculer indirectement la distance relative à la cible à mesurer.
Figure 1. Schéma du radar laser à transceiver intégré
Du point de vue du chemin optique, le module de collimation est le premier à participer à la mise en forme du laser, ce qui affecte directement l'effet de propagation des faisceaux suivants ; le module d'expansion de faisceau participe à la fois à la transmission et à la réception, ce qui est le point central de la conception du système de transceiver intégré. Par conséquent, la qualité de conception du module de collimation et du module d'expansion de faisceau affectera directement l'efficacité de transmission et de réception du système et la précision de mesure.
2. Modèle théorique de conception du système
Étant donné que le processus de conception du module de collimation et du module d'expansion de faisceau du système est relativement complexe et implique les principes de mise en forme laser et de zoom continu, des modèles théoriques doivent être établis séparément pour guider la conception du système optique.
2.1 Conception du module d'alignement
Le faisceau laser émis par la fibre optique a les propriétés d'un faisceau gaussien. Au cours du processus de transmission, son centre de courbure et son rayon de courbure changent continuellement, mais l'amplitude et l'intensité maintiennent toujours les caractéristiques de distribution gaussienne dans la section transversale. Par conséquent, lors de la mise en forme d'un faisceau gaussien, nous ne pouvons pas simplement utiliser l'optique géométrique pour simuler des calculs. Nous devons prendre en compte son collimation, son angle de divergence, sa portée de Rayleigh et d'autres paramètres de propagation optique physique.
Le schéma du système optique de collimation est illustré à la Figure 2. Le faisceau laser est émis depuis la face de la fibre, avec un rayon de faisceau initial de ω0, un angle de divergence de θ, et une distance l par rapport à la lentille de mise en forme. Après avoir été façonné par la lentille, le faisceau conserve les propriétés d'un faisceau gaussien. Le rayon de faisceau du nouveau faisceau est ω′0, et son rayon de point ω′(z) est une fonction de la distance de propagation z.
Figure 2. Schéma du système optique de collimation
Figure 3. Schéma du chemin optique du système optique de collimation
Figure 4. Schéma de structure du système d'expansion de faisceau à grossissement variable optimisé
Figure 5. Schéma de structure du chemin optique global
3 Conclusion
Cet article conçoit un système optique adapté à la télémétrie de haute précision, qui intègre non seulement le transceiver et le récepteur, mais utilise également une structure de zoom continu, ce qui présente l'avantage d'un faisceau ajustable. Seules 11 lentilles sont utilisées, ce qui réduit les coûts de traitement. Une méthode de conception modulaire est utilisée pour décomposer le chemin optique en un module de collimation, un module d'expansion de faisceau et un module de mise au point. Ensuite, les principes de chaque module sont analysés, conçus et optimisés respectivement. Du point de vue du point d'émission du système optique final, l'angle de divergence en champ lointain du faisceau sortant façonné sous chaque configuration de grossissement variable est inférieur à 0,3 mrad, et le diamètre du point sortant est continuellement ajustable de 6,26 mm à 10,20 mm. Pour les mesures dans un rayon de 50 m, le diamètre de la cible et du point d'illumination du système est inférieur à 20 mm ; du point de vue de la réception, l'efficacité de réception des échos de chaque configuration dans le champ de vision de 1° est supérieure à 90 %. La plus grande caractéristique de ce système optique est le transceiver coaxial, qui élimine structurellement l'erreur de non-coaxialité entre l'émetteur et le récepteur, ce qui est bénéfique pour améliorer la précision de mesure et peut fournir une référence pour la conception d'un système de radar laser qui intègre le transceiver et le récepteur.