摘要: 隨著激光雷達技術的發展和測距精度需求的提高，對發射和接收光學係統提出了新的要求，需具有光束可調節、測量光斑小、回波效率高等特性。設計一種工作於(yu) 1550nm光通信波段的收發一體(ti) 光學係統，發射與(yu) 接收模塊共用部分光路，以減小接收視野盲區，同時有利於(yu) 結構小型化。為(wei) 解決(jue) 不同測量距離、不同表麵傾(qing) 角造成的回波能量差異問題，將光學係統的擴束組件設計成放大倍率為(wei) 2x～3.5x的連續可調結構；使用兩(liang) 組雙膠合透鏡進行色差校正，以降低光譜寬度對係統傳(chuan) 播距離的影響。經設計優(you) 化，係統準直後的激光發散角小於(yu) 0.3mrad，出射光斑直徑在6.26mm～10.20mm連續可調，對於(yu) 50m內(nei) 的測量目標，照射光斑直徑均小於(yu) 20mm，且在不同變焦位置發散角和光斑直徑均滿足設計要求。

關(guan) 鍵詞: 光學設計；激光測距；收發一體(ti) 係統；變焦係統

引言

自20世紀60年代，世界上第一台激光測距儀(yi) 由美國研製成功後，激光雷達在非接觸測量領域顯得越來越重要。激光雷達主動發射激光，照射到被探測目標表麵，通過收集回波信號測量目標的距離。相比於(yu) 傳(chuan) 統的紅外測距、超聲測距、毫米波測距等方法，激光測距的探測距離更遠，測量精度更高。近年來，激光雷達在軍(jun) 民領域均發展迅速，應用需求持續增加，激光測距技術的優(you) 越性也得到充分地發揮。在高精尖技術層麵，如航空航天、衛星遙感、碎片探測領域，高精度的激光雷達探測技術已經成為(wei) 各國爭(zheng) 先研製的焦點。

隨著激光器和芯片技術的進步，激光測距朝著測程遠、精度高、小型化的方向發展，因此對光學係統也提出更高的要求。此外，若測距精度在毫米級以下，則需要考慮非同軸帶來的係統誤差。然而，現有的絕大部分激光雷達光學係統，發射係統和接收係統使用不同的光路，相互獨立且不同軸，存在接收視野盲區。為(wei) 了提高測距精度，同時保證係統的小型化，亟待研製收發一體(ti) 式的緊湊型激光雷達。

本文設計一款收發一體(ti) 的激光測距光學係統，在激光波長選擇上使用1550nm的光通信波段，該波長不僅(jin) 擁有更好的大氣透過率，還具備人眼安全的優(you) 勢，可應用於(yu) 人口密集的場合。同時，充分利用光纖接口的低背景噪聲優(you) 勢，使用單模光纖作為(wei) 激光束的發射端口。為(wei) 有效解決(jue) 傳(chuan) 統係統非共軸帶來的接收視野盲區問題，發射係統與(yu) 接收係統共用擴束光路。最後為(wei) 適應不同距離的測量，兼顧係統的可調節能力，將擴束光路做成變倍結構。本文設計、優(you) 化的光學係統，將為(wei) 後續工程樣機的研製提供理論和實驗基礎。

1.收發一體(ti) 激光測距的工作原理

收發一體(ti) 激光測距係統的工作原理如圖1所示，其中光學部分由準直模塊、分束器、擴束模塊和聚焦模塊4部分構成（圖中透鏡均為(wei) 模型示意）。激光信號從(cong) 光纖端口出射，首先被準直模塊整形成平行光束，然後透過分束鏡（beam splitter, BS），經擴束模塊放大光束口徑，最終照射到待測目標表麵。激光束在待測表麵發生漫反射後，部分回波信號重新被光學係統收集，從(cong) 而被雪崩光電二極管（avanlanche photodiode，APD）接收放大。為(wei) 計算激光從(cong) 發射到收集的時間間隔，係統設置了參考反射鏡，可比較兩(liang) 束脈衝(chong) 光在收集時刻的差異，間接計算到待測目標的相對距離。

圖1.收發一體(ti) 激光雷達構成示意圖

從(cong) 光路上看，準直模塊最先參與(yu) 激光整形，直接影響後續光束的傳(chuan) 播效果；擴束模塊同時參與(yu) 發射與(yu) 接收，是收發一體(ti) 係統設計的重點。因此， 準直模塊和擴束模塊的設計質量將直接影響到係統收發效率和測量精度。

2.係統設計的理論模型

由於(yu) 係統準直模塊和擴束模塊的設計過程較為(wei) 複雜，涉及激光整形和連續變焦原理，需要分別建立理論模型，以指導光學係統設計。

2.1 準直模塊設計

經光纖出射的激光束具有高斯光束的性質，在傳(chuan) 輸過程中其曲率中心與(yu) 曲率半徑不斷改變，但振幅和強度在橫截麵內(nei) 始終保持高斯分布特性。因此在對高斯光束做整形時，不能簡單使用幾何光學來模擬計算，需要考慮其束腰、發散角、瑞利範圍等物理光學傳(chuan) 播參數。

準直光學係統原理圖如圖2所示。激光束從(cong) 光纖端麵出射，初始束腰半徑為(wei) ω0，發散角為(wei) θ，與(yu) 整形透鏡距離為(wei) l。經透鏡整形後，光束依然有著高斯光束的性質，新光束的束腰半徑為(wei) ω′0，其光斑半徑ω′(z)是傳(chuan) 播距離z的函數。

圖2.準直光學係統原理圖

圖4.準直光學係統光路圖

圖6.優(you) 化後的變倍擴束係統結構圖

圖9.整體(ti) 光路結構圖

5.結論

本文設計了一款適用於(yu) 高精度測距的光學係統，不僅(jin) 實現了收發一體(ti) ，還使用了連續變倍結構，具備光束可調節的優(you) 勢。僅(jin) 使用11片透鏡，降低了加工成本，采用模塊化設計方法，將光路分解為(wei) 準直模塊、擴束模塊和聚焦模塊，然後對各模塊進行原理分析，並分別設計優(you) 化。最終得到的光學係統，從(cong) 發射來看，各變倍組態下整形後的出射光束的遠場發散角小於(yu) 0.3 mrad，出射光斑直徑在6.26 mm～10.20 mm連續可調，對於(yu) 50 m內(nei) 的測量目標，係統照射光斑直徑均小於(yu) 20 mm；從(cong) 接收來看，各組態對1°視場內(nei) 的回波接收效率均高於(yu) 90%。該光學係統最大的特點在於(yu) 共軸收發，從(cong) 結構上消除了發射端和接收端的非同軸誤差，有利於(yu) 測距精度的提升，可為(wei) 收發一體(ti) 的激光雷達係統設計提供參考。