摘要: 随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高，对发射和接收光学系统提出了新的要求，需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550nm光通信波段的收发一体光学系统，发射与接收模块共用部分光路，以减小接收视野盲区，同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题，将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2x～3.5x的连续可调结构；使用两组双胶合透镜进行色差校正，以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化，系统准直后的激光发散角小于0.3mrad，出射光斑直径在6.26mm～10.20mm连续可调，对于50m内的测量目标，照射光斑直径均小于20mm，且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。

关键词: 光学设计；激光测距；收发一体系统；变焦系统

引言

自20世纪60年代，世界上第一台激光测距仪由美国研制成功后，激光雷达在非接触测量领域显得越来越重要。激光雷达主动发射激光，照射到被探测目标表面，通过收集回波信号测量目标的距离。相比于传统的红外测距、超声测距、毫米波测距等方法，激光测距的探测距离更远，测量精度更高。近年来，激光雷达在军民领域均发展迅速，应用需求持续增加，激光测距技术的优越性也得到充分地发挥。在高精尖技术层面，如航空航天、卫星遥感、碎片探测领域，高精度的激光雷达探测技术已经成为各国争先研制的焦点。

随着激光器和芯片技术的进步，激光测距朝着测程远、精度高、小型化的方向发展，因此对光学系统也提出更高的要求。此外，若测距精度在毫米级以下，则需要考虑非同轴带来的系统误差。然而，现有的绝大部分激光雷达光学系统，发射系统和接收系统使用不同的光路，相互独立且不同轴，存在接收视野盲区。为了提高测距精度，同时保证系统的小型化，亟待研制收发一体式的紧凑型激光雷达。

本文设计一款收发一体的激光测距光学系统，在激光波长选择上使用1550nm的光通信波段，该波长不仅拥有更好的大气透过率，还具备人眼安全的优势，可应用于人口密集的场合。同时，充分利用光纤接口的低背景噪声优势，使用单模光纤作为激光束的发射端口。为有效解决传统系统非共轴带来的接收视野盲区问题，发射系统与接收系统共用扩束光路。最后为适应不同距离的测量，兼顾系统的可调节能力，将扩束光路做成变倍结构。本文设计、优化的光学系统，将为后续工程样机的研制提供理论和实验基础。

1.收发一体激光测距的工作原理

收发一体激光测距系统的工作原理如图1所示，其中光学部分由准直模块、分束器、扩束模块和聚焦模块4部分构成（图中透镜均为模型示意）。激光信号从光纤端口出射，首先被准直模块整形成平行光束，然后透过分束镜（beam splitter, BS），经扩束模块放大光束口径，最终照射到待测目标表面。激光束在待测表面发生漫反射后，部分回波信号重新被光学系统收集，从而被雪崩光电二极管（avanlanche photodiode，APD）接收放大。为计算激光从发射到收集的时间间隔，系统设置了参考反射镜，可比较两束脉冲光在收集时刻的差异，间接计算到待测目标的相对距离。

图1.收发一体激光雷达构成示意图

从光路上看，准直模块最先参与激光整形，直接影响后续光束的传播效果；扩束模块同时参与发射与接收，是收发一体系统设计的重点。因此， 准直模块和扩束模块的设计质量将直接影响到系统收发效率和测量精度。

2.系统设计的理论模型

由于系统准直模块和扩束模块的设计过程较为复杂，涉及激光整形和连续变焦原理，需要分别建立理论模型，以指导光学系统设计。

2.1 准直模块设计

经光纤出射的激光束具有高斯光束的性质，在传输过程中其曲率中心与曲率半径不断改变，但振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性。因此在对高斯光束做整形时，不能简单使用几何光学来模拟计算，需要考虑其束腰、发散角、瑞利范围等物理光学传播参数。

准直光学系统原理图如图2所示。激光束从光纤端面出射，初始束腰半径为ω0，发散角为θ，与整形透镜距离为l。经透镜整形后，光束依然有着高斯光束的性质，新光束的束腰半径为ω′0，其光斑半径ω′(z)是传播距离z的函数。

图2.准直光学系统原理图

图4.准直光学系统光路图

图6.优化后的变倍扩束系统结构图

图9.整体光路结构图

5.结论

本文设计了一款适用于高精度测距的光学系统，不仅实现了收发一体，还使用了连续变倍结构，具备光束可调节的优势。仅使用11片透镜，降低了加工成本，采用模块化设计方法，将光路分解为准直模块、扩束模块和聚焦模块，然后对各模块进行原理分析，并分别设计优化。最终得到的光学系统，从发射来看，各变倍组态下整形后的出射光束的远场发散角小于0.3 mrad，出射光斑直径在6.26 mm～10.20 mm连续可调，对于50 m内的测量目标，系统照射光斑直径均小于20 mm；从接收来看，各组态对1°视场内的回波接收效率均高于90%。该光学系统最大的特点在于共轴收发，从结构上消除了发射端和接收端的非同轴误差，有利于测距精度的提升，可为收发一体的激光雷达系统设计提供参考。