激光雷达接收光学系统结构研究

时间：2024-08-31

张鸿佳，石澎，王丽荣，钟明桂，庄晓科，曹秀锋

1.中山火炬职业技术学院，广东中山 528436 2.中山市博顿光电科技有限公司，广东中山 528436 3.广东弘景光电科技股份有限公司，广东中山 528436

0 引言

激光雷达作为信息化社会中信息获取、传输和控制的主要手段，已逐步向集成化、成像化、多功能化、智能化、实时化方向发展[1]。激光雷达的基本原理与传统的毫米波雷达相同，但激光雷达的工作波段比毫米波雷达短，而且具有较高的单色性，因此相较于传统雷达，激光雷达具有灵敏度高、信息量大、全天候工作等优点，使其受到越来越广泛的关注。

激光雷达一般由激光光源、扫描系统、光学天线、接收系统、光电转换系统等部分组成[2]。其成像的基本原理是激光光源发射的光束通过光学系统进行准直扩束后，经过扫描控制部分实现对周围目标的扫描，准直激光经物体反射后，与大气散射的信号一起进入接收系统，经滤波处理后由光电倍增管将光信号转换为电信号，最后由信号处理系统进行相应的处理，从而得到探测目标的形状、速度等信息[3]。

接收光学系统作为雷达的关键核心技术，系统的成像质量的好坏，直接影响后续的信号处理，故需要根据接收视场、接收器尺寸等，设计满足要求的接收装置。

1 接收光学系统概述

接收光学系统主要采用以下三种形式：折射式、反射式、折反射式[4]。其中，折射式接收光学系统，易满足大视场的需求，但是由于受到光学玻璃的光学特性的限制，难以同时实现大视场、大口径、长焦距的要求。折反射式接收光学系统，可以同时实现以上要求，但体积一般较大，不能满足激光雷达小型化的需要。为了同时实现大视场、大口径、长焦距、小型化，人们将越来越多的精力投入反射式光学系统的研究。传统的共轴反射式光学系统存在较大的中心遮拦，为了去除中心遮拦的影响，提高光能利用率，在设计过程中将反射镜偏离光轴，形成离轴光学系统。离轴反射式光学系统相较于典型的共轴反射式系统，具有更多的可变参量，有利于轴外像差的校正，进而提升了轴外视场的成像质量，扩大接收光学系统的视场，同时满足大口径、结构紧凑的要求[5-7]。

对于离轴三反光学系统，3个反射镜仅在离轴方向进行偏离，有利于光学系统的检测、加工、装配；若3个反射镜均有离轴且存在一定的倾斜角度，虽然增加了可变参量，有利于像差的校正，但对加工、装配的精度要求高。因此，为了保证系统的加工、装配的简易性，在选择初始结构时，更加倾向于仅具有离轴的结构。

仅离轴的三反光学系统一般有两种情况：光阑离轴和视场离轴。光阑离轴的离轴三反结构图如图1所示。由于其光阑设置在光学系统的第一个面，光学系统的入瞳与光阑重合，且经光学系统后会形成一个实出瞳，实现瞳窗衔接，有利于消除红外光学系统的杂散光，但在设计过程中，要设置相应的变量，以保证其实出瞳的位置，导致校正系统像差的变量减少，增大了像差校正难度。

图1 光阑离轴的离轴三反结构图

M型离轴三反系统的结构如图2所示。光阑位于次反射镜上，为视场离轴一种结构形式，主镜和三镜关于光阑对称，有利于像散等像差的校正，是目前主要采用的离轴三反的结构形式。

图2 M型离轴三反光学系统结构图

结构紧凑型离轴三反系统的结构如图3所示。在该结构设计过程中需要使用变量去控制光学系统的长度，故校正像差的变量减少，其成像质量相比M型结构较差。在M型结构中使用常用的非球面即可得到良好的成像质量，而

图3 结构紧凑型离轴三反结构图

在结构紧凑型的光学系统中，需要利用自由曲面的非旋转对称的特殊性，以校正离轴光学系统的像差，提升光学系统的成像质量[8-10]。

2 离轴反射式光学系统设计关键技术

2.1 视场设置

由于离轴反射式光学系统的反射镜具有离轴和倾斜，系统的视场不再具有旋转对称性，故需设置垂轴、离轴两个方向的视场，即在使用Zemax建模时需使用X、Y两个方向进行模拟。如离轴反射光学系统的视场为(-2°-2°,9°-11°)，在进行视场设置时，在对称方向可设置(0,9)、(1.4,9)、(2,9)，在离轴方向设置(0,9)、(0,10.4)、(0,11)6个视场。

2.2 优化过程的光线控制

结合图2可知，由于反射镜不透光，可能发生遮拦现象，故在设计过程中需编写合适的优化操作数对光线进行控制，使得主镜入射光束的上边缘光线不被次镜的下边缘遮拦，三镜入射的下边缘光线不被次镜的上边缘遮挡，主镜和三镜也不发生交叠。为此，可使用RAGY、RAGZ读取光线在个反射镜的坐标值，同时结合DIFF、DIVI、PROD等数学操作数，控制光线的路径。