面阵激光雷达成像系统的构成

在本书第1 章分析的基础上，我们采用直接测距体制，分别使用APD 阵列芯片和光纤阵列耦合APDs 两种方式作为核心阵列探测器研制两套5×5 APD 面阵激光雷达成像仪，分别称为APD 阵列激光雷达和光纤阵列激光雷达。基于APD 阵列芯片研制面阵激光雷达，因其探测器和处理电路集成度更高将会比光纤阵列激光雷达紧凑小巧。对于研制基于光纤阵列的面阵激光雷达，原因主要有：

①目前国内不能研制APD 阵列探测器，国外大面阵APD 探测器属于禁运产品，然而光纤阵列成本低，像素具有扩展性，利于实现更大的阵列。在这种情况下，通过光纤阵列代替APD 阵列芯片不失为一种好的替代方式。

②回波光信号通过光纤阵列再耦合进入APD，有利于消除部分环境光噪声干扰。利用光纤的柔韧性，接收透镜和光纤阵列耦合的APDs 可根据需要灵活布局，而单个APD阵列只能固定布局在接收透镜后端。

③根据光路可逆原理，可以很方便地从接收光学系统的每一个光纤输出端发射激光到探测目标调试激光雷达光路，通过这种调试可以为小型化的APD 阵列激光雷达研制提供参考依据和经验，为此开展了两套APD 面阵激光雷达的研制工作。

这两套面阵激光雷达成像仪除光纤阵列激光雷达的接收光学系统需要增加光纤阵列外，其他部分的组成基本相同，其组成框图如图2-1 所示。该面阵激光雷达成像仪由POS子系统、主控制子系统和面阵激光雷达(包括发射子系统、接收子系统和时间间隔测量子系统)三大部分组成。位置姿态测量子系统由GPS 接收机和姿态测量模块组成；主控制子系统由微控制器、计时器和存储器组成；面阵激光雷达子系统由脉冲激光发射模块、准直透镜、分光片、高速光电探测模块、接收透镜、滤波片、APD 阵列探测模块(或者光纤阵列探测模块)和多通道高精度时间间隔测量模块组成(Zhou et al.，2015)。

图2-1　面阵激光雷达成像仪组成框图(www.xing528.com)

面阵激光雷达成像系统的一般工作原理为：

①当微控制器收到GPS 接收机产生的秒脉冲(Pulse Per Second，PPS)信号后，触发计时器开始计时。

②微控制器读取GPS 接收机的位置信息和协调世界时(Universal Time Coordinated，UTC)并保存在存储器中，接着控制姿态测量模块工作，读取其输出的姿态信息并加上时间同步标签保存到存储器。

③微控制器控制外围驱动电路输出TTL 电平，触发脉冲激光发射模块发射激光，发射出的激光经过准直透镜准直后通过分光片产生两路激光信号。反射的小部分激光通过全反镜进入高速PIN 光电探测模块产生开始信号和激光发射时刻的监视信号，并分别输入到多通道高精度时间间隔测量模块的START 端和微控制器的中断口；透射的大部分激光经扩束发射透镜照射目标，随后目标反射回来的激光经接收透镜聚焦，然后通过滤波片会聚到APD 阵列探测模块产生N2路停止信号，这些停止信号分别输入多通道高精度时间间隔测量模块的N2个STOP 端，多路高精度计时得到的N2路时间数据通过USB 接口传输到微控制器，再由激光测距公式转化为代表一个矩形区域的N2个距离值，加上时间同步标签后保存到存储器中。

④重复步骤②和步骤③的工作，直到获取整个成像区域的原始三维信息。

⑤待遥感平台降落地面经数据后处理，生成精确的三维图像。