一种小型化单光子探测灵敏度的面阵Gm-APD激光雷达装置的制作方法

本发明涉及一种小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置，属于激光技术领域。

背景技术：

无人驾驶是近年来异常火热的技术领域，车载无人驾驶的主要方案是激光雷达、微波雷达、可见光相机等，其中激光雷达是主流方案。在激光雷达方案中，初期是由google发展的线列线性apd机械旋转式扫描方案，该方案从1×16像元、1×32像元、1×64像元、1×128像元不断发展，随着市场需求不断增长，成本也不断降低，但该方案只能360°旋转扫描成像，因此帧频较低，通常5-10hz左右，数据刷新率不够，不足以支撑高速行驶避障需求。该方案为追求小型化和低功耗，光源采用半导体激光器，对应波长为850nm或905nm，大气穿透性不好，且光源功率不高，使得系统装置实际工作距离在150m左右，一旦出现雨雾天气，工作距离急剧下降，系统装置的天候适应性有待提升，限制了载荷平台的行驶速度。

随后出现了mems扫描技术方案，该系统只对车辆前视方向扫描成像，但该技术方案的光源波长和探测体制没有发生变化，成像距离和天候适应性没能发生显著改变，没能有效改变对载荷平台的速度适应性。综上，现有无人驾驶激光雷达技术只能适应中低速车载平台，无法满足高速运动平台(如高速行驶车辆、无人机、直升机等)使用需求。

技术实现要素：

本发明为了解决现有激光现有无人驾驶激光雷达成像距离和天候适应性不良以及无法满足高速运动平台使用需求的技术问题，提出了一种小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置，所采取的技术方案如下：

一种小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置，所述装置包括圆球吊舱、两轴伺服框架1、陀螺2、电机3、光栅码盘4、控制处理器5、信息处理器6、短波红外激光器7、gm-apd探测器8、接收光学系统9、光纤耦合器10、发射光学系统11、二次电源12以及上位机13；所述两轴伺服框架1、陀螺2、电机3、光栅码盘4、控制处理器5、信息处理器6、短波红外激光器7、gm-apd探测器8、接收光学系统9、光纤耦合器10、发射光学系统11、二次电源12设置在圆球吊舱内部；

所述两轴伺服框架1上设有陀螺2、电机3和光栅码盘4；所述陀螺2的信号输出端与所述控制处理器5的信号输入端相连；所述电机3的信号输入端与所述控制处理器5的信号输出端相连；所述光栅码盘4的信号输出端与所述控制处理器5的信号输入端相连；所述控制处理器5的信号交互端与所述信息处理器6的控制处理器控制信号交互端相连；所述信息处理器6的探测器控制信号交互端与所述gm-apd探测器8的控制信号交互端相连；所述信息处理器6的激光器控制信号交互端与所述短波红外激光器7的控制信号交互端相连；所述信息处理器6的数据交互端与所述上位机13的数据交互端相连；所述gm-apd探测器8的信号输出端与所述接收光学系统9的信号输入端相连；所述短波红外激光器7的信号输出端与所述光纤耦合器10的信号输入端相连；所述光纤耦合器10的信号输出端与所述发射光学系统11的信号输入端相连。

进一步地，所述圆球吊舱的直径为300mm；所述圆球吊舱的壳体上开有光学窗口。

进一步地，所述短波红外激光器7的波长为1.06μm或1.55μm。

进一步地，所述gm-apd探测器8采用ingaas材料的盖革模式apd阵列器件。

进一步地，所述gm-apd探测器8的像元数量为64×64。

本发明有益效果：

本发明提出的小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置是国内首台体积小型化阵列(64×64像元)gm-apd激光雷达系统装置，整套系统做到了核心部件国产化，不受国外禁运等约束。在激光雷达总体体积小型化设计条件约束下，反复优化整套系统各项参数，确定了系统体积小、工作距离远的最佳系统参数，具备装备到无人机、直升机、汽车等运动平台的能力。

本发明选用短波红外波长，提升了系统天候适应性；探测灵敏度高，具有单光子探测能力，增大了系统作用距离，在小型化低功耗条件下，可对≥1km目标进行三维成像，提高了载荷平台适用性；具有高精度的计时能力，能够输出高分辨三维距离像，为自动路径规划、目标识别、场景配准等提供可靠的三维立体空间点云数据；系统配有伺服稳定跟踪装置，具备高精度跟踪指向、稳像等方面性能。其中，有益效果具体为：

(1)本发明提出的面阵gm-apd激光雷达装置体积仅为直接为300mm体积球体大小，其中，所述探测器、激光器、收发光学系统、信息处理器、陀螺、码盘、电机、控制处理器、二次电源等部件的空间位置排布和对应的结构关系，实现了所述面阵gm-apd激光雷达装置体积上极大程度的小型化设计；

(2)本发明提出的面阵gm-apd激光雷达装置采用ingaas材料gm-apd阵列器件，在雪崩工作条件下，可达到单光子探测灵敏度；选用高重复频率短波红外激光器，具有穿透云雾能力；二者在参数优化下共同配合使用，能够达到较强的成像性能状态，满足实际高速运动平台(如高速行驶车辆、无人机、直升机等)应用需求；

(3)本发明提出的面阵gm-apd激光雷达装置为了实现稳像、稳定跟踪指向等控制鲁棒性，结合gm-apd激光雷达实际工作条件，选用光栅码盘、陀螺和伺服电机组成控制系统，利用码盘定位精度高、陀螺速度控制精度高等优点，通过控制算法实现系统稳定工作；

(4)本发明提出的面阵gm-apd激光雷达装置为实现航向、俯仰伺服控制功能，选用二维伺服摆动框架结构，通过控制伺服电机实现二维方向摆动；为减轻框架负载，激光器输出光耦合至光纤，将激光器移出伺服框架，只将发射光纤头通过光纤耦合器集成至发射光学系统，大大减轻了伺服框架负载，提高了系统控制灵活性；伺服框架只装载了收发光学系统、探测器和发射光纤头，使得伺服框架小型化。

附图说明

图1为小型化gm-apd激光雷达组成框图。

图2为机载激光雷达样机模装图。

图3为机载激光雷达样机爆炸图。

图4为室内成像实验结果,(a)场景三维距离像,(b)场景统计强度像。

图5为室外远距离目标成像实验结果图一。

图6为室外远距离目标成像实验结果图二。

(1，两轴伺服框架；2，陀螺；3，电机；4，光栅码盘；5，控制处理器；6，信息处理器；7，短波红外激光器；8，gm-apd探测器；9，接收光学系统；10，光纤耦合器；11，发射光学系统；12，二次电源；13，上位机；14，结构架；15，光学头罩)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置，如图1和图2所示，所述装置包括圆球吊舱、两轴伺服框架1、陀螺2、电机3、光栅码盘4、控制处理器5、信息处理器6、短波红外激光器7、gm-apd探测器8、接收光学系统9、光纤耦合器10、发射光学系统11、二次电源12以及上位机13；所述两轴伺服框架1、陀螺2、电机3、光栅码盘4、控制处理器5、信息处理器6、短波红外激光器7、gm-apd探测器8、接收光学系统9、光纤耦合器10、发射光学系统11、二次电源12设置在圆球吊舱内部；

所述两轴伺服框架1上设有陀螺2、电机3和光栅码盘4；所述陀螺2的信号输出端与所述控制处理器5的信号输入端相连；所述电机3的信号输入端与所述控制处理器5的信号输出端相连；所述光栅码盘4的信号输出端与所述控制处理器5的信号输入端相连；所述控制处理器5的信号交互端与所述信息处理器6的控制处理器控制信号交互端相连；所述信息处理器6的探测器控制信号交互端与所述gm-apd探测器8的控制信号交互端相连；所述信息处理器6的激光器控制信号交互端与所述短波红外激光器7的控制信号交互端相连；所述信息处理器6的数据交互端与所述上位机13的数据交互端相连；所述gm-apd探测器8的信号输出端与所述接收光学系统9的信号输入端相连；所述短波红外激光器7的信号输出端与所述光纤耦合器10的信号输入端相连；所述光纤耦合器10的信号输出端与所述发射光学系统11的信号输入端相连。

其中，所述圆球吊舱的直径为300mm；所述圆球吊舱的壳体上开有光学窗口，所述光学窗口上设有光学头罩15。所述面阵gm-apd激光雷达装置全部集成在所述圆球吊舱内部，所述短波红外激光器7设置在两轴伺服框架1的背板侧壁上；所述四个陀螺2分别均设置在两轴伺服框架1的框架架体结构上，并分别设置在短波红外激光器7上下左右四个方向上；所述结构架14设置在所述短波红外激光器7的前方侧壁上，并且位于所述四个陀螺2围成空间的中心位置；所述结构架14为矩形框架，所述框架四壁上均设有码盘固定孔；所述两轴伺服框架1上设有码盘安装孔；所述码盘通过码盘固定孔固定在结构架14上，并且通过所述码盘安装孔安装在所述两轴伺服框架1上；所述电机3采用伺服电机；所述电机3通过底座安装在结构架上；所述gm-apd探测器8、接收光学系统9和发射光学系统11集成为一体，并且其后端嵌在结构架14的框架内。

所述面阵gm-apd激光雷达装置的功耗约100w，可满足直升机、无人机、装甲车等运动平台辅助导航等需求。

所述两轴伺服框架1的负载为探测器、收发光学系统和光纤耦合器，所述探测器、收发光学系统和光纤耦合器重量轻、体积小，能够使两轴伺服框架1具有灵活工作，具有良好的动态性能。光源采用光纤耦合分离技术，将光纤头与光纤耦合器10结合在一起，将激光器移出伺服框架，降低框架负载。

信息处理器6是激光雷达系统内的核心数据处理部位，它控制激光器、探测器和控制处理器；信息处理器6接收到探测器数据后，对数据流进行并行处理，重构出激光三维点云距离像，并传送到上位机实时显示。控制处理器5是跟踪系统的核心部件，它控制陀螺、电机和光栅码盘，实时获取电机转动位置、框架转动速度等信息，按照跟踪控制算法，实时控制电机，保持伺服框架稳定工作，实现高精度激光指向。

所述短波红外激光器7的波长为1.06μm或1.55μm，所述短波红外激光器7能够穿透云雾能力强，使得系统装置的天候适应性大幅度提升。

所述gm-apd探测器8采用ingaas材料的盖革模式apd阵列器件。并且，所述gm-apd探测器8所述gm-apd探测器8的像元数量为64×64。

本实施例中，通过对gm-apd探测器8的材料和像元数量有效提高了光电探测灵敏度，使gm-apd探测器8的计时精度提高高达0.8ns，距离分辨率可达0.12m，整个探测功耗降低到小于10w，并且在高压雪崩偏置下，具有单光子探测灵敏度，有效提高了系统装置的工作距离，可提高至km量级，满足高速运动平台，如高速车辆、无人机、直升机等，自动辅助驾驶需求。

利用本发明所述激光成像雷达装置，完成了室内外成像实验。图4是室内人物成像结果，能够清晰分辨人物与室内走廊背景，走廊的文件柜、门框等物体清晰可见，由距离像能分辨这些物体的前后顺序，及与系统装置之间的距离；统计强度像反映了不同目标对1064nm激光的反射率，人物穿上衣和裤子的颜色不同，反射强度也不一样，该类信息能够鉴别目标的表面材质固有特性。图像信噪比较高，噪声小，容易完成复杂目标分割，体现了三维距离像在目标识别、跟踪等方面的优势。

图5和图6给出了外场远距离目标成像实验结果，成像距离从800m-1500m，与现有无人驾驶激光雷达相比，成像距离大幅度提升，能到公里级，大大拓展了运动平台的感知范围。在图5和图6中，不同距离的建筑物，在图像中用不同颜色标注出来，通过算法能够感知目标的距离位置，可及时作出避障等功能决策，保障运动平台正确导航，降低了飞行事故率。

本发明提出的小型化单光子探测灵敏度的面阵gm-apd激光雷达装置是国内首台体积小型化阵列(64×64像元)gm-apd激光雷达系统装置，整套系统做到了核心部件国产化，不受国外禁运等约束。在激光雷达总体体积小型化设计条件约束下，反复优化整套系统各项参数，确定了系统体积小、工作距离远的最佳系统参数，具备装备到无人机、直升机、汽车等运动平台的能力。

本发明选用短波红外波长，提升了系统天候适应性；探测灵敏度高，具有单光子探测能力，增大了系统作用距离，在小型化低功耗条件下，可对≥1km目标进行三维成像，提高了载荷平台适用性；具有高精度的计时能力，能够输出高分辨三维距离像，为自动路径规划、目标识别、场景配准等提供可靠的三维立体空间点云数据；系统配有伺服稳定跟踪装置，具备高精度跟踪指向、稳像等方面性能。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。