本文選題：激光雷達(dá) + 擴(kuò)束準(zhǔn)直　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：近年來,隨著無人機(jī)、無人車等環(huán)境感知技術(shù)的發(fā)展,激光3D圖像傳感技術(shù)得到了各國學(xué)者高度關(guān)注,其高分辨率和高精度是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文根據(jù)激光3D圖像傳感器實(shí)際需求,提出并設(shè)計(jì)了一種新型收發(fā)合置光學(xué)系統(tǒng),以偏振光學(xué)隔離開關(guān)為核心,將發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)共口徑;引入f-?掃描光學(xué)系統(tǒng),解決了接收系統(tǒng)效率較低的問題;利用ZEMAX軟件對發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,最終加工完成收發(fā)合置光學(xué)系統(tǒng),并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。論文主要從以下幾個(gè)方面展開:首先,結(jié)合收發(fā)分置和收發(fā)合置系統(tǒng)的不同特點(diǎn),分析了兩種系統(tǒng)存在的優(yōu)勢和不足,從提高系統(tǒng)共軸度、降低背景噪聲角度出發(fā),提出了本文收發(fā)合置系統(tǒng)設(shè)計(jì);研究了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和透鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束技術(shù),推導(dǎo)了高斯光束的基本特性和透鏡變換的基本原理;結(jié)合課題設(shè)計(jì)要求,應(yīng)用高斯光束透鏡變換理論,使用ZEMAX軟件設(shè)計(jì)了一級擴(kuò)束(預(yù)擴(kuò)束)和二級擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng),分析研究了兩個(gè)系統(tǒng)點(diǎn)列圖、像差等,最終實(shí)現(xiàn)了10mm光斑直徑準(zhǔn)直輸出;其次,基于激光成像雷達(dá)直接探測基本理論,分析了激光雷達(dá)系統(tǒng)探測過程中,系統(tǒng)回波功率計(jì)算方法以及背景光噪聲對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響;研究了傳統(tǒng)光隔離開關(guān)的設(shè)計(jì)原理與方法,指出了中心孔洞造成回波信號功率損失的弊端;從薄膜偏振分束棱鏡原理出發(fā),有效利用1/2、1/4波片不同偏振特性,設(shè)計(jì)了一種基于偏振隔離原理的光學(xué)隔離開關(guān)。同時(shí),完成了光學(xué)隔離開關(guān)系統(tǒng)搭建,并就如何降低光隔離系統(tǒng)信噪比進(jìn)行了研究;針對接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦回波信號特性,分析了APD探測器與接收視場的關(guān)系,設(shè)計(jì)了一套接收光學(xué)系統(tǒng),符合本文設(shè)計(jì)要求;最后,完成了激光3D圖像傳感器收發(fā)合置光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),分析了本文設(shè)計(jì)的合置收發(fā)系統(tǒng)在激光成像雷達(dá)領(lǐng)域的優(yōu)勢,對整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了裝調(diào)和實(shí)驗(yàn)。完成了偏振隔離系統(tǒng)測試和不同目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn),在均勻材質(zhì)和復(fù)雜目標(biāo)成像方面得到了很好的探測結(jié)果。測試結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)符合技術(shù)指標(biāo)要求,雜散光隔離效果較好,近地目標(biāo)探測精度較高。
[Abstract]:In recent years, with the development of environment sensing technology, such as unmanned aerial vehicle and unmanned vehicle, laser 3D image sensing technology has been paid great attention by scholars all over the world. Its high resolution and high precision are the basis of its wide application. According to the actual demand of laser 3D image sensor, a new transceiver and receiver optical system is proposed and designed in this paper. The problem of low efficiency of receiving system is solved by scanning optical system, and the transmitter and receiver optical system is designed and optimized by ZEMAX software. Finally, the optical system of transceiver and receiver is finished and verified by experiment. Firstly, combining the different characteristics of the transceiver and transceiver system, the advantages and disadvantages of the two systems are analyzed. From the angle of increasing the coaxiality of the system and reducing the background noise, the paper analyzes the advantages and disadvantages of the two systems in order to improve the coaxiality of the system and reduce the background noise. In this paper, the design of the transceiver and transceiver system is presented, the emission optical system and collimation beam expansion technology are studied, the basic characteristics of Gao Si beam and the basic principle of lens transformation are deduced. Based on the theory of Gao Si beam lens transformation and ZEMAX software, the first and second order beam expanding optical systems are designed. The point diagram and aberration of the two systems are analyzed and studied. Finally, the collimation output of 10mm spot diameter is realized. Based on the basic theory of direct detection of laser imaging radar, the calculation method of system echo power and the influence of background light noise on the imaging quality of laser radar system are analyzed. This paper studies the design principle and method of traditional optical isolator, points out the disadvantage of the power loss of echo signal caused by central hole, and, based on the principle of thin-film polarization beam splitting prism, effectively utilizes the different polarization characteristics of 1 / 2 / 1 / 4 wave plate. An optical isolation switch based on polarization isolation principle is designed. At the same time, the optical isolation switch system is built, and how to reduce the SNR of the optical isolation system is studied, and the relationship between the APD detector and the receiving field of view is analyzed according to the characteristics of the focused echo signal of the receiving optical system. A set of receiving optical system is designed, which meets the design requirements of this paper. Finally, the design of laser 3D image sensor transceiver combined optical system is completed, and the advantages of the combined transceiver system in the field of laser imaging radar are analyzed. The installation and experiment of the whole experimental device are carried out. Polarization isolation system test and different target imaging experiments are completed, and good detection results are obtained in the aspect of uniform material and complex target imaging. The test results show that the optical system designed in this paper meets the technical requirements, the stray light isolation effect is better, and the detection accuracy of near-Earth target is higher.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN958.98;TP212

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1977665