Yüksek hassasiyetli lazer mesafe ölçümüne uygun optik sistem tasarımı

Özet: Lidar teknolojisinin gelişmesi ve mesafe ölçümü doğruluğuna olan talebin artmasıyla birlikte, ayarlanabilir ışın, küçük ölçüm noktası ve yüksek yankı verimliliği özelliklerine sahip olması gereken verici ve alıcı optik sistemler için yeni gereksinimler ortaya çıkmıştır. 1550 nm optik iletişim bandında çalışan entegre bir alıcı-verici optik sistemi tasarlayın. Verici ve alıcı modüller, alıcı görüş alanının kör alanını azaltmak ve yapının minyatürleştirilmesini kolaylaştırmak için optik yolun bir kısmını paylaşır. Farklı ölçüm mesafeleri ve farklı yüzey eğim açılarından kaynaklanan yankı enerjisi farklılıkları sorununu çözmek için, optik sistemin ışın genişletme bileşeni 2x~3,5x büyütmeye sahip sürekli ayarlanabilir bir yapı olarak tasarlanmıştır; renk sapması düzeltmesi için iki set çift çimentolu lens kullanılır. Spektral genişliğin sistem yayılma mesafesi üzerindeki etkisini azaltın. Tasarım optimizasyonundan sonra, sistemin kolimasyonundan sonra lazer sapma açısı 0,3 mrad'dan azdır ve çıkış noktası çapı 6,26 mm'den 10,20 mm'ye kadar sürekli olarak ayarlanabilir. 50 m içindeki ölçüm hedefleri için, ışınlama noktası çapı 20 mm'den azdır ve sapma açısı farklı yakınlaştırma konumlarındadır. ve nokta çapının tümü tasarım gereksinimlerini karşılar.

Anahtar kelimeler: optik tasarım; lazer mesafe ölçümü; entegre alıcı-verici sistemi; yakınlaştırma sistemi

giriiş

Dünyanın ilk lazer mesafe ölçeri 1960'larda Amerika Birleşik Devletleri'nde başarıyla geliştirildiğinden beri, lidar temassız ölçüm alanında giderek daha önemli hale geldi. LiDAR, tespit edilen hedefin yüzeyine aktif olarak lazer ışığı yayar ve yankı sinyallerini toplayarak hedefe olan mesafeyi ölçer. Geleneksel kızılötesi mesafe ölçümü, ultrasonik mesafe ölçümü, milimetre dalga mesafe ölçümü ve diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, lazer mesafe ölçümü daha uzun bir tespit mesafesine ve daha yüksek ölçüm doğruluğuna sahiptir. Son yıllarda, lidar hem askeri hem de sivil alanlarda hızla gelişti, uygulama talebi artmaya devam ediyor ve lazer mesafe ölçümü teknolojisinin avantajları da tam olarak kullanıldı. Havacılık, uydu uzaktan algılama ve enkaz tespiti gibi yüksek hassasiyetli teknolojiler düzeyinde, yüksek hassasiyetli lidar tespit teknolojisi çeşitli ülkelerin onu geliştirme çabalarının odak noktası haline geldi.

Lazer ve çip teknolojisinin ilerlemesiyle birlikte, lazer mesafe ölçümü uzun menzil, yüksek hassasiyet ve minyatürleştirme yönünde gelişmektedir ve bu da optik sistemler için daha yüksek gereksinimleri ortaya koymaktadır. Ek olarak, mesafe ölçümü doğruluğu milimetre seviyesinin altındaysa, koaksiyel olmama nedeniyle oluşan sistem hatasının dikkate alınması gerekir. Ancak, mevcut lidar optik sistemlerinin çoğunda, verici sistem ve alıcı sistem birbirinden bağımsız ve eksen dışı olan farklı optik yollar kullanır ve alıcı görüş alanında kör nokta vardır. Mesafe ölçümü doğruluğunu iyileştirmek ve sistemin minyatürleştirilmesini sağlamak için, entegre alıcı-verici ve alıcıya sahip kompakt bir lidar geliştirmek acildir.

Bu makale, alıcı-vericiyi ve alıcıyı birleştiren bir lazer mesafe ölçüm sistemi tasarlar. Lazer dalga boyu seçiminde 1550 nm'lik optik iletişim bandı kullanılır. Bu dalga boyu yalnızca daha iyi atmosferik geçirgenliğe sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda insan gözü güvenliği avantajına da sahiptir ve yoğun nüfuslu alanlarda kullanılabilir. vesilesiyle. Aynı zamanda, optik fiber arayüzünün düşük arka plan gürültüsü avantajından tam olarak yararlanırız ve lazer ışınının emisyon portu olarak tek modlu fiber kullanırız. Geleneksel sistemlerin koaksiyel olmayan yapısı nedeniyle alıcı alanda oluşan kör nokta sorununu etkili bir şekilde çözmek için, verici sistem ve alıcı sistem genişletilmiş bir ışın optik yolunu paylaşır. Son olarak, farklı mesafelerin ölçümüne uyum sağlamak ve sistemin ayarlanabilirliğini hesaba katmak için, genişletilmiş ışın optik yolu değişken bir büyütme yapısına dönüştürülür. Bu makalede tasarlanan ve optimize edilen optik sistem, sonraki mühendislik prototiplerinin geliştirilmesi için teorik ve deneysel bir temel sağlayacaktır.

1. Entegre alıcı-verici ve lazer mesafe ölçüm cihazının çalışma prensibi

Entegre alıcı-verici lazer mesafe ölçüm sisteminin çalışma prensibi Şekil 1'de gösterilmiştir. Optik kısım dört parçadan oluşur: bir kolimasyon modülü, bir ışın bölücü, bir ışın genişletme modülü ve bir odaklama modülü (şekildeki lenslerin hepsi model çizimleridir). Lazer sinyali optik fiber portundan yayılır ve önce kolimasyon modülü tarafından paralel bir ışına dönüştürülür, ardından ışın bölücüden (BS) geçer, ışın çapını ışın genişletici modülü aracılığıyla yükseltir ve son olarak ölçülecek hedef yüzeyi ışınlar. Lazer ışını ölçülecek yüzeyde dağınık olarak yansıtıldıktan sonra, yankı sinyalinin bir kısmı tekrar optik sistem tarafından toplanır ve çığ fotodiyotu (APD) tarafından alınır ve yükseltilir. Lazer emisyonundan toplamaya kadar geçen zaman aralığını hesaplamak için sistem, iki darbeli ışık arasındaki toplama süresi farkını karşılaştırabilen ve ölçülecek hedefe olan bağıl mesafeyi dolaylı olarak hesaplayabilen bir referans aynası ile donatılmıştır.

Şekil 1. Entegre alıcı-verici lazer radarının şematik diyagramı

Optik yol perspektifinden bakıldığında, kolimasyon modülü lazer şekillendirmeye katılan ilk modüldür ve bu da sonraki ışınların yayılma etkisini doğrudan etkiler; ışın genişletme modülü hem iletme hem de alma işlemine katılır ve bu da entegre alıcı-verici sisteminin tasarımının odak noktasıdır. Bu nedenle, kolimasyon modülünün ve ışın genişletme modülünün tasarım kalitesi, sistem alıcı-verici verimliliğini ve ölçüm doğruluğunu doğrudan etkileyecektir.

2. Sistem tasarımının teorik modeli

Sistemin kolimasyon modülü ve ışın genişletme modülünün tasarım süreci nispeten karmaşık olduğundan ve lazer şekillendirme ve sürekli yakınlaştırma prensiplerini içerdiğinden, optik sistemin tasarımına rehberlik etmek için teorik modellerin ayrı ayrı oluşturulması gerekmektedir.

2.1 Hizalama modülü tasarımı

Optik fiberden yayılan lazer ışını, bir Gauss ışınının özelliklerine sahiptir. İletim süreci boyunca, eğrilik merkezi ve eğrilik yarıçapı sürekli değişir, ancak genlik ve yoğunluk her zaman kesit içinde Gauss dağılım özelliklerini korur. Bu nedenle, bir Gauss ışınını şekillendirirken, hesaplamaları simüle etmek için basitçe geometrik optik kullanamayız. Işın belini, diverjans açısını, Rayleigh aralığını ve diğer fiziksel optik yayılma parametrelerini dikkate almamız gerekir.

Kolimasyon optik sisteminin şematik diyagramı Şekil 2'de gösterilmiştir. Lazer ışını, ω0'lık bir başlangıç ​​ışın bel yarıçapı, θ'lik bir diverjans açısı ve şekillendirici mercekten l'lik bir mesafe ile fiber uç yüzeyinden yayılır. Mercek tarafından şekillendirildikten sonra, ışın hala bir Gauss ışınının özelliklerine sahiptir. Yeni ışının ışın bel yarıçapı ω′0'dır ve nokta yarıçapı ω′(z), yayılma mesafesi z'nin bir fonksiyonudur.

Şekil 2. Kolimasyon optik sisteminin şematik diyagramı

Şekil 3. Kolimasyon optik sisteminin optik yol diyagramı

Şekil 4. Optimize edilmiş değişken büyütmeli ışın genişletme sistemi yapı diyagramı

Şekil 5. Genel optik yol yapısı diyagramı

3 Sonuç

Bu makale, yalnızca alıcı-vericiyi ve alıcıyı entegre etmekle kalmayıp aynı zamanda ayarlanabilir ışın avantajına sahip sürekli bir yakınlaştırma yapısı kullanan, yüksek hassasiyetli menzil ölçümü için uygun bir optik sistem tasarlamaktadır. İşleme maliyetlerini azaltan yalnızca 11 lens kullanılmıştır. Optik yolu bir kolimasyon modülüne, bir ışın genişletme modülüne ve bir odaklama modülüne ayırmak için modüler bir tasarım yöntemi kullanılmıştır. Daha sonra her modülün prensipleri analiz edilmiş, tasarlanmış ve sırasıyla optimize edilmiştir. Son optik sistemin emisyon açısından, her değişken büyütme yapılandırması altında şekillendirilmiş giden ışının uzak alan sapma açısı 0,3 mrad'dan azdır ve giden nokta çapı 6,26 mm ile 10,20 mm arasında sürekli olarak ayarlanabilir. 50 m içindeki ölçümler için Hedefin ve sistem aydınlatma noktasının çapı 20 mm'den azdır; alım açısından, 1° görüş alanındaki her yapılandırmanın yankı alım verimliliği %90'dan yüksektir. Bu optik sistemin en büyük özelliği, verici ve alıcı arasındaki koaksiyel olmayan hatayı yapısal olarak ortadan kaldıran koaksiyel alıcı-vericidir; bu, mesafe ölçüm doğruluğunu iyileştirmede faydalıdır ve alıcı-verici ile verici-alıcıyı birleştiren bir lazer radar sisteminin tasarımı için referans sağlayabilir.