摘要: 隨著激光雷達技術的發展和測距精度需求的提高，對發射和接收光學系統提出了新的要求，需具有光束可調節、測量光斑小、回波效率高等特性。設計一種工作于1550nm光通信波段的收發一體光學系統，發射與接收模塊共用部分光路，以減小接收視野盲區，同時有利于結構小型化。為解決不同測量距離、不同表面傾角造成的回波能量差異問題，將光學系統的擴束組件設計成放大倍率為2x～3.5x的連續可調結構；使用兩組雙膠合透鏡進行色差校正，以降低光譜寬度對系統傳播距離的影響。經設計優化，系統準直后的激光發散角小于0.3mrad，出射光斑直徑在6.26mm～10.20mm連續可調，對于50m內的測量目標，照射光斑直徑均小于20mm，且在不同變焦位置發散角和光斑直徑均滿足設計要求。
關鍵詞: 光學設計；激光測距；收發一體系統；變焦系統
引言
自20世紀60年代，世界上第一臺激光測距儀由美國研制成功后，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面，通過收集回波信號測量目標的距離。相比于傳統的紅外測距、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，激光雷達在軍民領域均發展迅速，應用需求持續增加，激光測距技術的優越性也得到充分地發揮。在高精尖技術層面，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各國爭先研制的焦點。
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，因此對光學系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系統誤差。然而，現有的絕大部分激光雷達光學系統，發射系統和接收系統使用不同的光路，相互獨立且不同軸，存在接收視野盲區。為了提高測距精度，同時保證系統的小型化，亟待研制收發一體式的緊湊型激光雷達。
本文設計一款收發一體的激光測距光學系統，在激光波長選擇上使用1550nm的光通信波段，該波長不僅擁有更好的大氣透過率，還具備人眼安全的優勢，可應用于人口密集的場合。同時，充分利用光纖接口的低背景噪聲優勢，使用單模光纖作為激光束的發射端口。為有效解決傳統系統非共軸帶來的接收視野盲區問題，發射系統與接收系統共用擴束光路。最后為適應不同距離的測量，兼顧系統的可調節能力，將擴束光路做成變倍結構。本文設計、優化的光學系統，將為后續工程樣機的研制提供理論和實驗基礎。
1.收發一體激光測距的工作原理
收發一體激光測距系統的工作原理如圖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（圖中透鏡均為模型示意）。激光信號從光纖端口出射，首先被準直模塊整形成平行光束，然后透過分束鏡（beam splitter, BS），經擴束模塊放大光束口徑，最終照射到待測目標表面。激光束在待測表面發生漫反射后，部分回波信號重新被光學系統收集，從而被雪崩光電二極管（avanlanche photodiode，APD）接收放大。為計算激光從發射到收集的時間間隔，系統設置了參考反射鏡，可比較兩束脈沖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.收發一體激光雷達構成示意圖
從光路上看，準直模塊最先參與激光整形，直接影響后續光束的傳播效果；擴束模塊同時參與發射與接收，是收發一體系統設計的重點。因此， 準直模塊和擴束模塊的設計質量將直接影響到系統收發效率和測量精度。
2.系統設計的理論模型
由于系統準直模塊和擴束模塊的設計過程較為復雜，涉及激光整形和連續變焦原理，需要分別建立理論模型，以指導光學系統設計。
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，在傳輸過程中其曲率中心與曲率半徑不斷改變，但振幅和強度在橫截面內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、瑞利范圍等物理光學傳播參數。
準直光學系統原理圖如圖2所示。激光束從光纖端面出射，初始束腰半徑為ω0，發散角為θ，與整形透鏡距離為l。經透鏡整形后，光束依然有著高斯光束的性質，新光束的束腰半徑為ω′0，其光斑半徑ω′(z)是傳播距離z的函數。
圖2.準直光學系統原理圖
圖4.準直光學系統光路圖
圖6.優化后的變倍擴束系統結構圖
圖9.整體光路結構圖
5.結論
本文設計了一款適用于高精度測距的光學系統，不僅實現了收發一體，還使用了連續變倍結構，具備光束可調節的優勢。僅使用11片透鏡，降低了加工成本，采用模塊化設計方法，將光路分解為準直模塊、擴束模塊和聚焦模塊，然后對各模塊進行原理分析，并分別設計優化。最終得到的光學系統，從發射來看，各變倍組態下整形后的出射光束的遠場發散角小于0.3 mrad，出射光斑直徑在6.26 mm～10.20 mm連續可調，對于50 m內的測量目標，系統照射光斑直徑均小于20 mm；從接收來看，各組態對1°視場內的回波接收效率均高于90%。該光學系統最大的特點在于共軸收發，從結構上消除了發射端和接收端的非同軸誤差，有利于測距精度的提升，可為收發一體的激光雷達系統設計提供參考。
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