一种拼接式面阵激光探测器的制作方法

本发明属于激光探测器技术领域，尤其涉及一种拼接式面阵激光探测器。

背景技术：

激光探测器主要有条纹管、光电管、iccd/icmos(增强型ccd/cmos)、apd等，为保证探测性能，主动激光探测系统所使用的激光探测元件目前一般为apd，其是一种具有较高内部增益的半导体光电转换器件，具有量子响应度高、响应速度快、线性响应特性好等特点，在可见光波段和近红外波段的量子效率可达90％以上，增益在10～100倍，新型apd材料的最大增益可达200倍，有很好的微弱信号探测能力。

按照apd的工作区间，可将其分为：geiger-modeapd(gmapd，反向偏压超过击穿电压)和线性模式apd(lmapd，偏压低于击穿电压)两种。

线性模式apd特点：1)光子探测率高，可达90％以上；2)有较小的通道串扰效应；3)具有多目标探测能力；4)可获取回波信号的强度信息；5)相比于gm-apd，lm-apd对遮蔽目标有更好的探测能力。缺点：1)灵敏度低于gm-apd；2)读出电路的复杂度大于gm-apd(需对输入信号进行放大、滤波、高速采样、阈值比较、存储等操作)。(其信号测量包括强度和时间测量两部分)

对于主动激光波段为1570nm短波红外激光，所选用探测器一般为具有高量子效率和较低噪声水平的ingaaslmapd阵列器件(铟镓砷材质的线性模式apd)，而由于雪崩结、集成前放和模拟处理功能的roic(readoutintegratedcirut，读出电路)电路工艺非常复杂，导致国内在1570nm段阵列化ingaasapd焦平面探测器的研究工作处于起步阶段，国内公开发布的阵列apd探测系统像素数量较低(一般都是单向线阵排布，比如2×1、4×1等)。

由于受到相关器件和半导体光电探测器生产工艺的限制，及国外对高灵敏度探测器的技术封锁，国内的大部分还处于理论和实验验证的阶段，器件的大部分关键技术、核心工艺和国外相比有较大的差距。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种拼接式面阵激光探测器，等效实现了面阵激光apd探测器焦平面组件，达到了可直接输出面阵图像的效果，包括面阵三维距离图像和面阵反射强度图像，具备维度更多、精确度更高的信息量。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种拼接式面阵激光探测器，包括：光学成像系统、光纤阵列apd成像探测模块、固体激光器和综合图像板；其中，所述光纤阵列apd成像探测模块包括微镜光纤模组、adc单元模块、激光apd预处理模块和隔离adc；adc单元模块通过隔离adc与固体激光器相连接；固体激光器发出的激光经准直照射到目标表面上后，被目标表面反射回来的激光传输到所述光学成像系统中，经过光学成像系统的光依次经过微镜光纤模组和激光apd预处理模块后输出数字信号激光阵列图像数据给综合图像板。

上述拼接式面阵激光探测器中，所述微镜光纤模组包括入射聚焦耦合镜阵列、分置式阵列型光纤传像束和出射聚焦耦合镜组；其中，所述入射聚焦耦合镜阵列通过所述分置式阵列型光纤传像束和出射聚焦耦合镜组相连接。

上述拼接式面阵激光探测器中，所述激光apd预处理模块包括多个apd激光探测单元、多个前放电路模块、多个adc电路、多个tdc电路和供电/监控/阵列信号配准电路；其中，每个apd激光探测单元的一端与相对应的出射聚焦耦合镜组中的每个出射聚焦耦合镜相连接；每个apd激光探测单元的另一端与相对应的前放电路模块相连接；每个前放电路模块与相对应的adc电路相连接；每个adc电路与相对应的tdc电路相连接；每个tdc电路与供电/监控/阵列信号配准电路相连接。

上述拼接式面阵激光探测器中，所述adc单元模块包括apd前置接收模块、高速adc采样模块、tdc计数模块、电源模块、监控模块和主控板；其中，电源模块分别与apd前置接收模块、高速adc采样模块、tdc计数模块、监控模块和主控板相连接，电源模块分别给apd前置接收模块、adc采样模块、tdc计数模块、监控模块和主控板供电；主控板控制固体激光器发射激光，激光准直后射向目标表面，主控板记录固体激光器的发射时间和电压；apd前置接收模块调制apd激光探测单元的接收激光时间与预设时间相匹配，apd前置接收模块调制apd激光探测单元的电压与预设电压相匹配；高速adc采样模块调制前放电路模块的接收激光时间与预设时间相匹配，高速adc采样模块调制前放电路模块的电压与预设电压相匹配；tdc计数模块调制tdc电路的接收激光时间与预设时间相匹配，tdc计数模块调制tdc电路的电压与预设电压相匹配；监控模块监控主控板的供电和电平输入输出是否正常，监控主控板的温度是否在预设温度范围内。

上述拼接式面阵激光探测器中，所述微镜光纤模组还包括：调整机构、光纤密排固定结构和调整螺钉；其中，所述分置式阵列型光纤传像束通过光纤密排固定结构固定；所述光纤密排固定结构是中心开方形孔的方形结构；所述调整机构为中心开设有方孔和周向侧壁设置有螺纹孔的圆柱形结构；调整螺钉设置于螺纹孔内；光纤密排固定结构安装于调整机构的方孔内；调整螺钉通过调整机构的螺纹孔顶在光纤密排固定结构上，通过调整螺钉调整入射聚焦耦合镜阵列的位置，使得光学成像系统的成像面聚焦在入射聚焦耦合镜阵列上。

上述拼接式面阵激光探测器中，预设温度范围为-40℃-70℃。

上述拼接式面阵激光探测器中，入射聚焦耦合镜阵列的横截面为正方形，正方形的边长为2mm。

上述拼接式面阵激光探测器中，入射聚焦耦合镜阵列中相邻入射聚焦耦合镜的距离为0.5mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过微透镜阵列、耦合分置式阵列型光纤传像束、多个apd激光探测器单元及配套多个adc单元模块的结合，等效实现了面阵激光apd探测器焦平面组件，达到了可直接输出面阵图像的效果，包括面阵三维距离图像和面阵反射强度图像，具备维度更多、精确度更高的信息量。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明实施例提供的拼接式面阵激光探测器的结构框图；

图2是本发明实施例提供的微镜光纤模组的示意图；

图3是本发明实施例提供的光学成像系统与入射聚焦耦合镜阵列耦合接口示意图；

图4是本发明实施例提供的入射聚焦耦合镜阵列的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是本发明实施例提供的拼接式面阵激光探测器的结构框图。如图1所示，该拼接式面阵激光探测器包括：光学成像系统1、光纤阵列apd成像探测模块2、固体激光器3和综合图像板7；其中，

所述光纤阵列apd成像探测模块2包括微镜光纤模组21、adc单元模块22、激光apd预处理模块23和隔离adc24；adc单元模块22通过隔离adc24与固体激光器3相连接；固体激光器3发出的激光经准直照射到目标表面上后，被目标表面反射回来的激光传输到所述光学成像系统1中，经过光学成像系统1的光依次经过微镜光纤模组21和激光apd预处理模块23后输出数字信号激光阵列图像数据给综合图像板7。

如图1所示，所述微镜光纤模组21包括入射聚焦耦合镜阵列211、分置式阵列型光纤传像束212和出射聚焦耦合镜组213；其中，

所述入射聚焦耦合镜阵列211通过所述分置式阵列型光纤传像束212和出射聚焦耦合镜组213相连接。

如图1所示，述激光apd预处理模块23包括多个apd激光探测单元231、多个前放电路模块232、多个adc电路233、多个tdc电路234和供电/监控/阵列信号配准电路235；其中，

每个apd激光探测单元231的一端与相对应的出射聚焦耦合镜组213中的每个出射聚焦耦合镜相连接；每个apd激光探测单元231的另一端与相对应的前放电路模块232相连接；每个前放电路模块232与相对应的adc电路233相连接；每个adc电路233与相对应的tdc电路234相连接；每个tdc电路234与供电/监控/阵列信号配准电路235相连接。

如图1所示，所述adc单元模块22包括apd前置接收模块221、高速adc采样模块222、tdc计数模块223、电源模块224、监控模块225和主控板226；其中，电源模块224分别与apd前置接收模块221、高速adc采样模块222、tdc计数模块223、监控模块225和主控板226相连接，电源模块224分别给apd前置接收模块221、adc采样模块222、tdc计数模块223、监控模块225和主控板226供电；主控板226控制固体激光器3发射激光，激光准直后射向目标表面，主控板226记录固体激光器3的发射时间和电压；apd前置接收模块221调制apd激光探测单元231的接收激光时间与预设时间相匹配，apd前置接收模块221调制apd激光探测单元231的电压与预设电压相匹配；高速adc采样模块222调制前放电路模块232的接收激光时间与预设时间相匹配，高速adc采样模块222调制前放电路模块232的电压与预设电压相匹配；tdc计数模块223调制tdc电路234的接收激光时间与预设时间相匹配，tdc计数模块223调制tdc电路234的电压与预设电压相匹配；监控模块225监控主控板226的供电和电平输入输出是否正常，监控主控板226的温度是否在预设温度范围-40℃-70℃内。

如图2所示，微镜光纤模组21还包括：调整机构9、光纤密排固定结构10和调整螺钉12；其中，所述分置式阵列型光纤传像束212通过光纤密排固定结构10固定；所述光纤密排固定结构10是中心开方形孔的方形结构；所述调整机构9为中心开设有方孔和周向侧壁设置有螺纹孔的圆柱形结构；调整螺钉12设置于螺纹孔内；分置式阵列型光纤传像束212安装于调整机构9的方孔内；调整螺钉12通过调整机构9的螺纹孔顶在光纤密排固定结构10上，通过调整螺钉12调整入射聚焦耦合镜阵列211的位置，使得光学成像系统1的成像面聚焦在入射聚焦耦合镜阵列211上。

具体的，本发明所用波段为1570nm主动激光，激光准直输出到目标表面上后，反射回来到所述激光探测器前端的光学成像镜组1中，按光束传输序列进入到光学成像镜组1、并以成像形式入射到耦合分置式阵列型光纤传像束(微镜光纤模组)21，形成顺次耦合关系，在分别通过入射聚焦耦合镜211、16线光纤传像束(4×4)212，出射聚焦耦合镜213后，输出到多个模块agc(autogaincontrol，自动增益控制)、tdc(timedigitalconvert，时数转换)、apd输出信号整体封装而成的4×4激光apd预处理模块(阵列激光探测采集电路)23。16单元(4×4)接收激光脉冲tof(timeoffly)距离信号和目标反射的二维强度信号，直接输出数字信号激光阵列图像数据给“综合图像板”qsfp+(quadsmallform-factorpluggable，四通道小型可插拔)7和pc机(个人电脑)8网口；

激光探测器通过激光器控制接口和隔离adc24，实现与激光器3的串联通信和主波探测控制，获取tdc信号；

激光apd预处理模块(4×4)23，即阵列激光探测采集电路，由16路apd激光探测单元231，前放电路模块、agc增益调控电路232，adc电路233，tdc电路234，供电/监控/阵列信号配准电路235等组成，通过大容量主控芯片226(fpga或soc)进行程控和并行预处理。再通过qsfp+，将经过预处理后的4×4像元激光三维阵列图像信号实时地传输给外界的“综合图像板”7，同时，“综合图像板”7通过rs422-z接口传输或控制激光器开机、关机、待机、电流-功率、电压反馈、温度、光闸、ld(laserdiode激光二极管)开关、重频等信号；

入射聚焦耦合镜211、阵列型光纤传像束212、激光apd预处理模块23等均为16路通道(4×4)，按一对一的对应关系进行耦合传输距离像和回波强度像，完成光学成像镜组焦面上的目标像往16路apd阵列231等效的fpa上成像过程的转换，实现16个单元线性apd探测器等效于4×4面阵型线性apd焦平面阵列的三维成像。

距离信号的产生与采样，在主控板226中，按下电源加电开关，启动激光器3，按下激光发射开关时，主控模块向激光器发送“发射激光”的信号。激光器输出的激光准直后射向被探测目标，同时接收电路中的高速adc采样模块222采集到主波并经过整形送高精度计数模块223，启动16路距离计数器。

由目标反射回来的激光波束经过接收光学系统会聚到探测器4×4阵列apd探测单元231，阵列apd输出的回波信号经放大整形后送信息处理器，启动距离采样与强度采样。信息处理器在完成距离采样与强度采样后，将距离信息与强度信息通过光模块或千兆网口送至上位机，完成一个激光探测周期。

16个apd组成的4×4面阵探测器只是一个实例，本发明的激光面阵探测器规格不局限于4×4像元的面阵激光探测器，可通过几十个apd、甚至几万个apd单元结合相应的微透镜阵列、密排光纤和adc、tdc、agc等电路模块进行拼接，实现更大面阵的激光探测焦平面组件。

入射聚焦耦合镜阵列211通过光纤密排固定结构10固定。所述光纤密排固定结构10是中心开方形孔的方形结构。入射聚焦耦合镜阵列211与光纤密排固定结构10固定成为一个整体。所述调整机构是中心有方孔，周向有螺纹孔的圆柱形结构，光纤密排固定结构10安装于调整机构9的中心方孔内，并且留有一定的间隙余量。调整螺钉12通过调整机构9的周向螺纹孔顶在光纤密排固定结构10上，通过调整螺钉12调整密排光纤阵列末端的入射聚焦耦合镜阵列211的位置，使得光学成像镜组的成像面聚焦在入射聚焦耦合镜阵列211上。

图3是本发明实施例提供的光学成像系统与入射聚焦耦合镜阵列耦合接口示意图；图4是本发明实施例提供的入射聚焦耦合镜阵列的示意图。入射聚焦耦合镜阵列211的横截面为正方形，正方形的边长为2mm。入射聚焦耦合镜阵列211中相邻入射聚焦耦合镜的距离为0.5mm。

本发明通过微透镜阵列、耦合分置式阵列型光纤传像束、多个apd激光探测器单元及配套多个adc单元模块的结合，等效实现了面阵激光apd探测器焦平面组件，达到了可直接输出面阵图像的效果，包括面阵三维距离图像和面阵反射强度图像，具备维度更多、精确度更高的信息量；本发明将roic电路模块进行后置和后端板上集成，有利于实现高速大带宽adc、高动态agc、高时间分辨率tdc等功能器件的板间隔离，相比于将adc、tdc集成在一个小型化roic电路中、容易引入噪声和干扰的方式，本发明各路内部的高速模拟信号间干扰为0，这将有利于提升系统的探测信噪比和作用距离；本发明通过前放电路模块、agc增益调控电路、tdc电路、adc电路、供电/监控/阵列信号配准电路，可以分立元件实现高速ad转换、回波波形复现和高精度的时间采集，获得更优的测距精度和三维成像质量，有助于激光雷达系统的性能提升；本发明不局限于16个apd组成的4×4面阵探测器，可通过几十、甚至几万个apd单元进行拼接，实现更大面阵的激光探测焦平面组件，在扩大成像分辨率的同时，有效降低像元之间的串扰和干涉。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。