Аннотация: С развитием технологии лидаров и увеличением требований к точности измерений возникли новые требования к оптическим системам передачи и приема, которые должны обладать характеристиками регулируемого луча, небольшой измерительной точкой и высокой эффективностью эха. Разработана интегрированная оптическая система передатчика и приемника, работающая в оптическом коммуникационном диапазоне 1550 нм. Модули передачи и приема делят часть оптического пути, чтобы уменьшить слепую зону поля зрения приемника и облегчить миниатюризацию конструкции. Для решения проблемы различий в энергии эха, вызванных различными расстояниями измерения и углами наклона поверхности, компонент расширения луча оптической системы спроектирован как структура с непрерывной регулировкой с увеличением от 2x до 3.5x; используются две пары двойных цементированных линз для коррекции хроматической аберрации. Уменьшить влияние спектральной ширины на расстояние распространения системы. После оптимизации дизайна угол расходимости лазера после коллимирования системы составляет менее 0.3 мрад, а диаметр выходной точки непрерывно регулируется от 6.26 мм до 10.20 мм. Для измерительных объектов в пределах 50 м диаметр пятна облучения составляет менее 20 мм, а угол расходимости на различных позициях зума и диаметр пятна полностью соответствуют требованиям дизайна.
Ключевые слова: оптический дизайн; лазерное измерение расстояния; интегрированная система передатчика и приемника; зум-система
Введение
С тех пор как в 1960-х годах в США был успешно разработан первый лазерный дальномер, лидары стали все более важными в области бесконтактных измерений. LiDAR активно излучает лазерный свет на поверхность обнаруживаемой цели и измеряет расстояние до цели, собирая эхо-сигналы. По сравнению с традиционными методами инфракрасного измерения расстояния, ультразвукового измерения расстояния, миллиметрового диапазона и другими методами, лазерное измерение расстояния имеет более длинное расстояние обнаружения и более высокую точность измерений. В последние годы лидары быстро развиваются как в военной, так и в гражданской сферах, спрос на применение продолжает расти, и преимущества технологии лазерного измерения расстояния также были полностью использованы. На уровне высокоточных технологий, таких как аэрокосмическая отрасль, спутниковое дистанционное зондирование и обнаружение обломков, высокотехнологичная технология обнаружения лидаров стала центром усилий различных стран по ее разработке.
С развитием лазерной и чиповой технологии лазерное измерение расстояния развивается в направлении дальности, высокой точности и миниатюризации, что также выдвигает более высокие требования к оптическим системам. Кроме того, если точность измерения расстояния ниже миллиметрового уровня, необходимо учитывать системную ошибку, вызванную некогерентностью. Однако в большинстве существующих оптических систем лидаров системы передачи и приема используют разные оптические пути, которые независимы друг от друга и не соосны, и существует слепая зона в поле зрения приемника. Для повышения точности измерения расстояния и обеспечения миниатюризации системы необходимо срочно разработать компактный лидар с интегрированным передатчиком и приемником.
В этой статье разрабатывается оптическая система лазерного измерения расстояния, которая интегрирует передатчик и приемник. В выборе длины волны лазера используется оптический коммуникационный диапазон 1550 нм. Эта длина волны не только обладает лучшей атмосферной проницаемостью, но и имеет преимущество безопасности для человеческого глаза и может использоваться в густонаселенных районах. В то же время мы в полной мере используем преимущество низкого фонового шума оптического волоконного интерфейса и используем одномодовое волокно в качестве выходного порта лазерного луча. Чтобы эффективно решить проблему слепых зон в поле приема, вызванную некогерентностью традиционных систем, система передачи и система приема делят расширенный оптический путь. Наконец, чтобы адаптироваться к измерению различных расстояний и учесть регулируемость системы, расширенный оптический путь сделан в виде структуры с переменным увеличением. Оптическая система, разработанная и оптимизированная в этой статье, предоставит теоретическую и экспериментальную основу для разработки последующих инженерных прототипов.
1. Принцип работы интегрированного передатчика и лазерного измерения расстояния
Принцип работы интегрированной системы лазерного измерения расстояния с передатчиком показан на рисунке 1. Оптическая часть состоит из четырех частей: модуля коллимирования, делителя луча, модуля расширения луча и модуля фокусировки (линзы на рисунке являются иллюстрациями модели). Лазерный сигнал излучается из порта оптоволокна и сначала формируется в параллельный луч с помощью модуля коллимирования, затем проходит через делитель луча (BS), увеличивает диаметр луча через модуль расширения луча и, наконец, облучает поверхность цели, которую необходимо измерить. После того как лазерный луч диффузно отражается от поверхности, часть эхо-сигнала снова собирается оптической системой и принимается и усиливается аваланшным фотодиодом (APD). Чтобы рассчитать временной интервал от излучения лазера до сбора, система оснащена эталонным зеркалом, которое может сравнивать разницу во времени сбора между двумя импульсными светами и косвенно вычислять относительное расстояние до измеряемой цели.
Рисунок 1. Схематическая диаграмма интегрированного лазерного радара
С точки зрения оптического пути модуль коллимирования первым участвует в формировании лазера, что напрямую влияет на эффект распространения последующих лучей; модуль расширения луча участвует как в передаче, так и в приеме, что является фокусом дизайна интегрированной системы передатчика и приемника. Поэтому качество дизайна модуля коллимирования и модуля расширения луча напрямую повлияет на эффективность передачи и приема системы и точность измерений.
2. Теоретическая модель проектирования системы
Поскольку процесс проектирования модуля коллимирования системы и модуля расширения луча относительно сложен и включает принципы формирования лазера и непрерывного зума, необходимо отдельно установить теоретические модели для руководства проектированием оптической системы.
2.1 Проектирование модуля выравнивания
Лазерный луч, излучаемый через оптоволокно, обладает свойствами гауссовского луча. В процессе передачи его центр кривизны и радиус кривизны постоянно меняются, но амплитуда и интенсивность всегда сохраняют характеристики гауссовского распределения в поперечном сечении. Поэтому при формировании гауссовского луча мы не можем просто использовать геометрическую оптику для симуляции расчетов. Нам необходимо учитывать его фокусировку, угол расходимости, радиус Релея и другие физические параметры оптического распространения.
Схематическая диаграмма коллиматорной оптической системы показана на рисунке 2. Лазерный луч излучается из торца волокна с начальным радиусом фокусировки ω0, углом расходимости θ и расстоянием l от формирующей линзы. После формирования линзой луч все еще имеет свойства гауссовского луча. Радиус фокусировки нового луча составляет ω′0, а его радиус пятна ω′(z) является функцией расстояния распространения z.
Рисунок 2. Схематическая диаграмма коллиматорной оптической системы
Рисунок 3. Диаграмма оптического пути коллиматорной оптической системы
Рисунок 4. Диаграмма структуры оптимизированной системы расширения луча с переменным увеличением
Рисунок 5. Общая диаграмма структуры оптического пути
3. Заключение
В этой статье разрабатывается оптическая система, подходящая для высокоточного измерения расстояния, которая не только интегрирует передатчик и приемник, но и использует структуру непрерывного зума, что имеет преимущество регулируемого луча. Используется всего 11 линз, что снижает затраты на обработку. Применяется модульный метод проектирования, который разбивает оптический путь на модуль коллимирования, модуль расширения луча и модуль фокусировки. Затем принципы каждого модуля анализируются, проектируются и оптимизируются соответственно. С точки зрения точки излучения финальной оптической системы угол расходимости формируемого выходного луча при каждой конфигурации переменного увеличения составляет менее 0.3 мрад, а диаметр выходной точки непрерывно регулируется от 6.26 мм до 10.20 мм. Для измерений в пределах 50 м диаметр цели и пятно освещения системы составляет менее 20 мм; с точки зрения приема эффективность приема эха каждой конфигурации в поле зрения 1° составляет более 90%. Главной особенностью этой оптической системы является соосный передатчик и приемник, который структурно устраняет некогерентную ошибку между передатчиком и приемником, что способствует повышению точности измерения расстояния и может служить ориентиром для проектирования системы лазерного радара, интегрирующей передатчик и приемник.