摘要: 隨著激光雷達技術的發(fā)展和測距精度需求的提高，對發(fā)射和接收光學系統提出了新的要求，需具有光束可調節(jié)、測量光斑小、回波效率高等特性。設計一種工作于1550nm光通信波段的收發(fā)一體光學系統，發(fā)射與接收模塊共用部分光路，以減小接收視野盲區(qū)，同時有利于結構小型化。為解決不同測量距離、不同表面傾角造成的回波能量差異問題，將光學系統的擴束組件設計成放大倍率為2x～3.5x的連續(xù)可調結構；使用兩組雙膠合透鏡進行色差校正，以降低光譜寬度對系統傳播距離的影響。經設計優(yōu)化，系統準直后的激光發(fā)散角小于0.3mrad，出射光斑直徑在6.26mm～10.20mm連續(xù)可調，對于50m內的測量目標，照射光斑直徑均小于20mm，且在不同變焦位置發(fā)散角和光斑直徑均滿足設計要求。

關鍵詞: 光學設計；激光測距；收發(fā)一體系統；變焦系統

引言

自20世紀60年代，世界上第一臺激光測距儀由美國研制成功后，激光雷達在非接觸測量領域顯得越來越重要。激光雷達主動發(fā)射激光，照射到被探測目標表面，通過收集回波信號測量目標的距離。相比于傳統的紅外測距、超聲測距、毫米波測距等方法，激光測距的探測距離更遠，測量精度更高。近年來，激光雷達在軍民領域均發(fā)展迅速，應用需求持續(xù)增加，激光測距技術的優(yōu)越性也得到充分地發(fā)揮。在高精尖技術層面，如航空航天、衛(wèi)星遙感、碎片探測領域，高精度的激光雷達探測技術已經成為各國爭先研制的焦點。

隨著激光器和芯片技術的進步，激光測距朝著測程遠、精度高、小型化的方向發(fā)展，因此對光學系統也提出更高的要求。此外，若測距精度在毫米級以下，則需要考慮非同軸帶來的系統誤差。然而，現有的絕大部分激光雷達光學系統，發(fā)射系統和接收系統使用不同的光路，相互獨立且不同軸，存在接收視野盲區(qū)。為了提高測距精度，同時保證系統的小型化，亟待研制收發(fā)一體式的緊湊型激光雷達。

本文設計一款收發(fā)一體的激光測距光學系統，在激光波長選擇上使用1550nm的光通信波段，該波長不僅擁有更好的大氣透過率，還具備人眼安全的優(yōu)勢，可應用于人口密集的場合。同時，充分利用光纖接口的低背景噪聲優(yōu)勢，使用單模光纖作為激光束的發(fā)射端口。為有效解決傳統系統非共軸帶來的接收視野盲區(qū)問題，發(fā)射系統與接收系統共用擴束光路。最后為適應不同距離的測量，兼顧系統的可調節(jié)能力，將擴束光路做成變倍結構。本文設計、優(yōu)化的光學系統，將為后續(xù)工程樣機的研制提供理論和實驗基礎。

1.收發(fā)一體激光測距的工作原理

收發(fā)一體激光測距系統的工作原理如圖1所示，其中光學部分由準直模塊、分束器、擴束模塊和聚焦模塊4部分構成（圖中透鏡均為模型示意）。激光信號從光纖端口出射，首先被準直模塊整形成平行光束，然后透過分束鏡（beam splitter, BS），經擴束模塊放大光束口徑，最終照射到待測目標表面。激光束在待測表面發(fā)生漫反射后，部分回波信號重新被光學系統收集，從而被雪崩光電二極管（avanlanche photodiode，APD）接收放大。為計算激光從發(fā)射到收集的時間間隔，系統設置了參考反射鏡，可比較兩束脈沖光在收集時刻的差異，間接計算到待測目標的相對距離。

圖1.收發(fā)一體激光雷達構成示意圖

從光路上看，準直模塊最先參與激光整形，直接影響后續(xù)光束的傳播效果；擴束模塊同時參與發(fā)射與接收，是收發(fā)一體系統設計的重點。因此， 準直模塊和擴束模塊的設計質量將直接影響到系統收發(fā)效率和測量精度。

2.系統設計的理論模型

由于系統準直模塊和擴束模塊的設計過程較為復雜，涉及激光整形和連續(xù)變焦原理，需要分別建立理論模型，以指導光學系統設計。

2.1 準直模塊設計

經光纖出射的激光束具有高斯光束的性質，在傳輸過程中其曲率中心與曲率半徑不斷改變，但振幅和強度在橫截面內始終保持高斯分布特性。因此在對高斯光束做整形時，不能簡單使用幾何光學來模擬計算，需要考慮其束腰、發(fā)散角、瑞利范圍等物理光學傳播參數。

準直光學系統原理圖如圖2所示。激光束從光纖端面出射，初始束腰半徑為ω0，發(fā)散角為θ，與整形透鏡距離為l。經透鏡整形后，光束依然有著高斯光束的性質，新光束的束腰半徑為ω′0，其光斑半徑ω′(z)是傳播距離z的函數。

圖2.準直光學系統原理圖

圖4.準直光學系統光路圖

圖6.優(yōu)化后的變倍擴束系統結構圖

圖9.整體光路結構圖

5.結論

本文設計了一款適用于高精度測距的光學系統，不僅實現了收發(fā)一體，還使用了連續(xù)變倍結構，具備光束可調節(jié)的優(yōu)勢。僅使用11片透鏡，降低了加工成本，采用模塊化設計方法，將光路分解為準直模塊、擴束模塊和聚焦模塊，然后對各模塊進行原理分析，并分別設計優(yōu)化。最終得到的光學系統，從發(fā)射來看，各變倍組態(tài)下整形后的出射光束的遠場發(fā)散角小于0.3 mrad，出射光斑直徑在6.26 mm～10.20 mm連續(xù)可調，對于50 m內的測量目標，系統照射光斑直徑均小于20 mm；從接收來看，各組態(tài)對1°視場內的回波接收效率均高于90%。該光學系統最大的特點在于共軸收發(fā)，從結構上消除了發(fā)射端和接收端的非同軸誤差，有利于測距精度的提升，可為收發(fā)一體的激光雷達系統設計提供參考。