激光雷达研制总结报告20251101-V1

技术总结报告1项目概述1.1项目背景小型无人机具有飞行高度低、移动速度快，以及反射截面小的特性，同时结合先进的伪装技术，往往难以被传统探测手段发现，使交战方式产生了巨大的变化。随着加工工艺和芯片集成技术的发展，无人机有进一步的体积小型化、行为智能化和侦查能力远程化的发展趋势。目前，尺寸不大于0.1平方米，具备引导和打击能力的微型无人机发展迅速，无疑也会对无人机探测技术提出了更高的挑战。激光雷达成像探测技术的兴起，一定程度上能够应对上述挑战。由于激光雷达采用的是准直性高、方向性好的激光光源，不受地杂波问题的影响，可以直观的获取目标的图像信息，尤其是微波雷达与激光雷达进行融合，形成多种探测手段的搭配，可以满足在未来复杂环境下对低空小型化无人机的远程探测需求。对无人机进行远程发现和摧毁，是反无人机作战领域追求的目标。随着无人机威胁的日益增大，以及复杂战场环境下的光电对抗加剧，用户需要作用距离更远、测量精度更高和抗干扰能力更强的无人机探测技术，有关方面提出了能够在5km以外的远距离上，发现尺寸不大于0.1平方米的无人机的应用需求。分析上述应用需求，怎样在广袤的空域中发现小尺寸、快速运动的无人机目标，并实现远距离的追踪和识别，是当前的应用痛点所在。传统机械扫描成像激光雷达成像帧频慢、很难有效发现5km远场处的快速运动无人机目标。基于阵列探测器的焦平面体制激光雷达，成像帧频快、成像范围大，尤其适合在远场大空域范围内捕捉快速运动目标，因此具备发展成为下一代无人机反侦查设备的潜力。提升焦平面成像激光雷达性能的关键，必须大幅提升阵列探测器的面阵尺寸、量子效率和响应动态范围等核心指标。目前，国内焦平面成像阵列探测核心器件技术发展迅速，初步建立了材料、芯片、器件、组件等技术链，但焦平面阵列探测器在像元数量、量子效率等方面，仍较国际先进水平存在差异，尤其是面阵探测器的研制往往与激光雷达整机系统应用脱节，因此，本项目以远距离小目标探测为抓手，通过解决任务书提出的典型的应用需求，进一步牵引探测器阵列规模、像元尺寸、组件尺寸、环境适应性等关键技术创新，开展先进焦平面探测器的研制，有效验证阵列探测器的性能，使激光雷达具备在5km的远场测程上，探测0.1平方米尺寸无人机目标的能力，进一步推动国内激光雷达技术全技术链的发展。在未来阶段，人们对微小目标的快速、高分辨力捕获需求更加强烈，也对更大面阵红外探测系统提出了更高的要求，因此，本项目还预先开展了焦平面芯片拼接技术的探索，基于1280×1024探测器核心模块，试制3K×3K拼接式大面阵探测器阵列，利用3K×3K大阵列探测器，可以进一步增大远场探测时激光雷达接收光学镜头的视场，从而能够增加对微小目标的快速捕获能力，同时还能保持较高的成像分辨力。1.2任务来源XXXX2研究目标和技术指标2.1任务书规定的研究目标研制一台基于焦平面探测器的激光雷达验证样机，针对0.1m2大小的、漫反射率大于等于0.6的特征目标，实现在5km距离上的高分辨率成像探测，相关结果用于验证探测器的性能指标。相关术语解释：焦平面成像激光雷达：基于阵列探测器的激光雷达验证样机，是面向远场弱目标探测的激光雷达阵列探测器研制及系统验证项目的组成部分，其作用是通过装机实测，验证探测器的成像指标。本项目研制的面阵探测器属于焦平面成像器件，故激光雷达验证样机采用焦平面成像激光雷达探测体制。2.2任务书规定的技术指标1).激光雷达验证样机的激光器波长：1550±50nm。2).激光雷达验证样机能探测到的目标面积：≤0.1m2。3).激光雷达验证样机最大成像距离：≥5公里。4).激光雷达验证样机成像分辨率好于0.3米。5).激光雷达验证样机探测视场：≥5°×5°6).激光雷达验证样机最大可探测速度：＞120公里/小时。7).激光雷达验证样机速度分辨力好于2厘米/秒。相关术语解释：探测视场：按照目前国际上先进焦平面激光雷达的探测体制和技术指标，例如加拿大OBZERV公司的货架产品ARCG-2400，其工作体制均为采取大于等于5°×5°的大视场用于大区域范围的搜索探测，而对于5km远场的小目标，则选用0.2°×0.2°以下的小视场用于对目标的识别、跟踪和确认。本项目中，激光雷达验证样机的探测视场，采用同样的设计思路，接收镜头采用大变倍比变焦设计，激光雷达用于大空域搜索时的最大探测视场大于等于5°×5°，用于距离在5km以外的远场小目标，则采用0.2°×0.2°的小视场识别目标。最大可探测速度：针对视场中的动目标，激光雷达最大可探测速度指目标在视场中的横向移动速度（横向移动方向指垂直于接收镜头光轴的任意方向）。激光雷达速度探测功能的实现，主要通过测试探测器的成像帧频指标，结合目标图像在焦平面上移动的像元数，推算目标横向移动速度，满足任务书中关于利用成像帧频测速的要求。未来可以通过双目视觉的方式，可以进一步获得目标在空间中的移动速度。速度分辨力：是指在最大测程和最小探测视场条件下，激光雷达验证样机通过成像方式探测目标时，单个像元对目标横向移动距离的最小的分辨能力。2.3成果形式激光雷达验证样机一台，及测试验收相关文档。3任务完成情况3.1总体情况截止2025年10月31日，已经完成激光雷达验证样机的研制；已经完成激光雷达验证样机指标的测试大纲评审、测试检验报告、工作总结报告、技术总结报告等全部文件资料的编写、校对、审核和评价；已经完成了第三方用户试用并出具试用报告。3.2计划进度的节点执行情况表3.2-1激光雷达验证样机研制进度执行情况设计进程安排完成情况工作阶段开展的活动完成日期设计方案研究阶段根据探测器指标参数，完成样机探测性能的数值模拟计算，完成样机的参数设计方案2023.4完成完成激光雷达初步设计方案2023.8完成完成激光雷达初步设计方案的优化2024.01完成设计方案的试制、改进和优化阶段在初步设计方案设的基础上，试制1km测程中期实验验证样机2024.3完成1km测程中期实验验证样机的实验测试2024.4完成根据中期样机测试状况，进行激光雷达最终研制方案设计2024.6完成部件和器件设计按照最终研制方案，开展激光器设计2024.8完成按照最终研制方案，开展接收镜头设计2024.10完成1280×1024探测器结构封装设计2024.10完成1280×1024探测器读出电路设计2024.10完成激光雷达光机结构设计2024.10完成部件和器件加工1280×1024探测器结构封装加工2025.8完成1280×1024探测器读出电路加工2025.8完成激光器研制和测试2025.9完成接收镜头研制和测试2025.9完成激光雷达光机结构加工2025.9完成系统调试及测试系统联调测试及检测实验2025.10完成验收材料任务书和验收要求的各类材料2025.10完成3.3第三方试用情况在武汉大学承担的遥感影像精细化处理项目中，需要研究各类主动/被动探测手段获取各类光学影像数据特征，故通过与本项目组开展技术合作，武汉大学利用该激光雷达样机开展了激光主动成像图像分辨能力实测实验。详见“激光雷达样机试用报告”4激光雷达验证样机系统简介4.1样机设计原则和技术方案激光雷达验证样机的主要作用是通过装机实测，验证探测器的成像指标，其设计原则围绕该任务展开。本项目研制的面阵探测器属于焦平面成像器件，针对1280×1024探测器核心模块开展验证工作。技术方案的重点围绕接收镜头和照明激光光源的设计原则开展。根据项目中期节点的工程验证结果，以及项目承研单位的工程经验，激光雷达的最终技术方案采用大孔径、大变倍比变焦镜头与连续光纤激光器组合的方式，形成一套激光雷达验证样机，最终实现对焦平面探测器的有效验证。4.2激光雷达验证样机组成激光雷达验证样机的单元结构主要由光学单元、光电探测单元和控制单元组成，其原理和单元结构框图如REF_Ref56018566\h图2-1所示：图2-1激光雷达验证样机原理框图激光雷达验证样机各单元的组成模块见表2-1：表2-SEQ表\*ARABIC1激光雷达验证样机设备组成序号名称模块数量备注光学单元激光器1激光发射镜头1变焦接收镜头1光电探测单元面阵探测器1时序电路模块（封装于面阵探测器中）1图像采集电路模块（封装于面阵探测器中）1控制单元控制计算机及软件1其中，光学单元包括激光器、激光发射镜头和变焦接收镜头。激光器发射高能激光，提供主动照明功能，提高面阵探测器成像的信噪比。激光发射镜头用于发射光束发散角的控制，控制照明光斑的覆盖范围。变焦接收镜头具备大变倍比的焦距调节能力，用于对于激光回波信号的收集和光学调理，使不同物距的像都能投影到系统的焦平面上。光电探测单元包括面阵探测器、时序电路模块（封装于面阵探测器中）和图像采集电路模块（封装于面阵探测器中），作用是将接收镜头收到的光信号转换为电信号，并对之二值化后读出，最终在终端机上记录目标图像的信息。控制单元为人机交互界面，用于控制系统的工作流程和数据采集。4.2激光雷达验证样机主要功能4.2.1激光主动照明功能采用1550nm波长激光器，具备对远场目标的照明能力，在夜间及太阳光照度不足的条件下，为面阵探测器成像探测补光。4.2.2成像探测功能激光雷达验证样机采用焦平面成像激光雷达探测体制，具备在1550nm激光主动照明条件下，对视场内目标进行成像探测的功能，满足本阶段任务书的要求。现阶段采用的是单目接收镜头，实现任务书指标要求的成像探测功能。在未来的工作中，可以进一步通过多目视觉成像探测的方式，使激光雷达具备同步获取目标图像和距离信息的能力。4.2.3速度探测功能针对视场中的动目标，具备对其横向移动速度的探测能力。横向移动方向指垂直于接收镜头光轴的任意方向。本项目研制的面阵探测器，主要应用于采用焦平面成像体制的激光雷达，激光雷达主要利用探测器的成像帧频及目标在焦平面上移动的距离，实现对目标运动速度的探测能力。故在本项目中，激光雷达速度探测功能的实现，主要通过探测器的成像帧频指，获得目标横向移动速度。基于焦平面探测器的激光雷达，同样可以实现空间运动速度的测量，未来将通过双目视觉的方式，激光雷达可以进一步获得目标在空间中的移动速度。4.3激光雷达验证样机设计指标要求激光雷达验证样机响应任务书的指标要求：1).激光雷达验证样机的激光器波长：1550±50nm。2).激光雷达验证样机能探测到的目标面积：≤0.1m2。3).激光雷达验证样机最大成像距离：≥5公里。4).激光雷达验证样机成像分辨率好于0.3米。5).激光雷达验证样机探测视场：≥5°×5°6).激光雷达验证样机最大可探测速度：＞120公里/小时。7).激光雷达验证样机速度分辨力好于2厘米/秒。5详细技术方案实施情况5.1激光雷达验证样机参数仿真利用激光雷达公式，结合任务书要求的指标参数，确定激光雷达验证样机的主要参数。令θ为照明光束的平面发散角，R为照明距离，o为照明光源位置，照明光束横截面是直径为ϕ的圆形平面S，见图3.1。图5.1-1照明光束示意当R远大于ϕ时，有S=πPs其中，ε为激光发射单元的光学透过率，μ为大气消光系数，τ=exp−图5.1-2接收视场示意则识别目标面积SA为：SA目标上获得的激光照明功率PA为：PA假设目标发生朗伯反射，反射率为ρ；接收系统的光学透过率为τ，则面阵探测器接收到的反射光功率P为：PD式4中，激光雷达系统参数包括发射系统光学透过率ε、接收系统光学透过率τ，接收望远镜直径D，以及激光发射角θ和接收望远镜视场角Ω。又PD=EdSP=4式（5）即为给定参数的面阵探测器和激光雷达光学系统，为使反射率为ρ的朗伯体成像所需要的最小激光发射功率。对于本项目涉及的激光主动成像实验平台而言，成像探测器工作于累积模式，式（5）表示的是激光的平均功率。采用脉冲激光器照明时，假设激光脉冲占空比为a，激光峰值功率Pc，电源调制效率η，则P=Pcaη，故Pc其中，电源调制效率η取决于调制电压的质量和调制频率。影响激光雷达性能的主要参数包括：激光发射能量、发散角，以及接收光学天线的口径。式6阐明了激光功率和面阵探测器参数、光学系统参数，以及成像距离和视场之间的关系。当激光雷达光学系统参数和面阵探测器等参数确定后，根据式6，可以计算并设计激光雷达的激光发射功率及接收望远镜口径等系统参数。根据工程经验，激光雷达的发射系统光学透过率ε=0.85，接收系统光学透过率τ=0.75；接收望远镜直径D是变量；近地表大气消光系数μ=0.01km-1@1550nm，测试所用的标准漫反射板的漫反射率ρ取0.6。为使激光雷达系统能够对不同的距离和不同大小的目标成清晰的图像，激光雷达的光学发射和接收单元均是可变焦设计。仿真计算过程中考虑5km处的远场极限指标，激光发射角θ取为0.25度，接收望远镜视场角取为0.2度。作为式6中的关键参数，项目中期节点研制的待验证的探测器，其有效区域面积Sg约是20mm×15mm。光电阴极平均照度灵敏阈值Ed约为0.5x10-6在已知探测器参数的条件下，激光发射能量和接收光学镜头口径指标，是影响激光雷达探测能力的主要变量，也是系统设计主要考虑的因素。考虑到5km超远距离处的0.3mx0.3m的超小目标成像要求，增大激光雷达光源照明功率势在必行，同时需要尽一切可能优化光学效率。结合项目中期节点的工程验证经验，激光器选则1550nm波长的连续输出光纤激光器，其输出功率能够达到50W。在确定了激光发射能量的基础上，通过6式的计算，得到光学接收镜头的直径需达到200mm。故激光雷达验证样机的激光发射能量取为50W，接收镜头的口径选择为200mm。5.2验证样机整体结构设计考虑到验证样机要运输到不同地点开展验证实验，发射、接收与后继光学单元均固定在铝合金框架内，这种框架光学机械结构保证了发射光路和接收光路的相对稳定性，同时也便于拆卸和运输。验证样机整体置于三维扫描云台上，云台的定位精度±0.1°，重复精度±0.1°。激光雷达验证样机的3D模装图见图？？。图？？激光雷达验证样机三维结构示意图激光雷达验证样机关键单元模块包括主动照明用的激光器、发射光学准直器、光学接收镜头和面阵探测器电路。其中，激光器工作于1550nm波长，激光照明功率可调；采用收发光路离轴设计；发射光学准直器能够改变发射光束发散角，便于调节照明光束覆盖范围；光学接收镜头采用大变倍比变焦设计，其最小接收视场0.2度，最大接收视场5度。各个关键单元模块的研制，详见5.3节。5.3验证样机单元模块研制5.3.1激光光源模块激光光源模块首先要求选择对于成像激光雷达性能最优的发射波长。激光器工作时发射激光的中心波长，需要综合考虑面阵探测器的最佳响应范围、大气窗口、光纤低损耗窗口、光纤放大器的增益介质等因素，使其对于激光雷达样机验证系统的成像能力达到最优。其设计原则如下：第一，为了减小激光能量在大气中的衰减，激光的中心波长应选在大气的透过窗口。大气的透过窗口如图所示，在1.1μm、1.5μm和2.1μm等波长大气的透过率出现峰值。第二，为了减小激光能量在光纤中的损耗，激光的中心波长应选在光纤的低损耗窗口。光纤的低损耗窗口有3个，如图所示，分别是0.8～0.9μm、1.31μm和1.55μm等。大气的吸收窗口光纤的低损耗窗口第三，在近红外波段（0.8～2.5μm）光纤放大器增益介质的增益曲线与人眼最大允许曝光量（MaximumPermissibleExposure，MPE）曲线如图所示。从图中可以看出，1）光纤激光器的增益介质分别在3个波段，分别是1.06μm（掺镱激光器）、1.55μm（掺铒或掺铒-镱激光器）和2.1μm（掺铥或掺钬激光器）。2）与其它波段相比1.55μm附近MPE达到最大值，约为10近红外波段大气透过率、激光增益介质和人眼最大曝光量综合考虑以上因素，选择中心波长为1.55μm的光纤激光器。激光器选用了1550nm波长光纤振荡器结合掺铒光纤放大器的技术方案，具备较低的大气衰减率和良好的安全性。激光器的设计围绕着保证50W以上功率连续输出的稳定性而进行，采取的关键技术包括：a)高功率掺铒光纤振荡器该高功率掺铒光纤振荡器设计采用了典型的F-P腔结构，即由掺铒双包层光纤和一对光纤光栅（前后腔镜）共同构成，结合双包层多模包层泵浦技术。通过高功率半导体激光器（泵浦源）对掺铒光纤振荡器进行前向泵浦，实现了功率约7W、波长为1550nm的连续光纤激光输出。通过优化掺铒双包层光纤的使用长度、光纤光栅参数、泵浦耦合方式，以及光纤端面处理技术等，有效提高了光纤振荡器的转换效率和功率稳定性。其光路图如下所示。b)高功率掺铒光纤放大器该高功率光纤激光器采用了主振荡功率放大技术方案，即掺铒光纤振荡器结合掺铒光纤放大器进行功率放大的措施，将掺铒光纤振荡器输出的信号光耦合进入掺铒光纤放大器里面，其中掺铒光纤放大器由掺铒双包层光纤和高功率半导体激光器（泵浦源）等共同构成，同样结合了双包层多模包层泵浦技术。通过26V驱动的高功率半导体激光器对掺铒双包层光纤进行泵浦，实现1550nm信号激光的连续高效放大。通过优化掺铒双包层光纤的使用长度、信号光注入功率大小、泵浦耦合方式，以及光纤端面处理技术等，有效提高了光纤放大器的转换效率和功率稳定性，使得输出功率可在1至100W范围内稳定调节。其光路图如下所示。c)实时控制与信号处理下位机基于STM32F103RCT6微控制器，构建了高速数据采集与信号处理平台。通过DA模拟量输入实现功率线性可调，EN与PWM控制信号保证激光启停与调制的灵活性。所有外部控制信号均采用光耦隔离，提高了激光器系统抗干扰能力。内置闭环反馈控制算法，能够实时地监测电流、电压与功率等参数，最终实现激光器的安全与稳定运行。d)光学组件与耦合工艺关键光学器件，如泵浦合束器、光隔离器、光纤准直器、输出光纤接口等均采用了高功率等级设计，并经过高温回流焊接与光学胶固化工艺，确保端面损耗小于0.2dB。输出光纤采用低损耗、大模场面积光纤，进一步提升了光束质量，光束质量因子M2值能够保持在1.3以下。5.3.2发射光路模块激光发射光路模块的设计，围绕着实现大功率红外激光的变焦照明功能进行，经发射光路模块后的出光角度在0.2°～5°可调。图3.5给出了发射光路模块的基本结构图。图5.3-3激光发射光路模块结构示意图5.3.3光学接收模块光学接收模块主要围绕200mm口径大变倍比变焦镜头设计开展。a)组成及功能变焦光学镜头主要由光学系统、光机结构、滤光片机构几部分组成。主要功能是通过凸轮结构来实现短焦和长焦的切换。参见如下组成示意图：安装接口变倍手轮滤光片摄像机接口安装接口变倍手轮滤光片摄像机接口图1红外变焦镜头组成示意图b)镜头指标参数要求(1)透射波长：1550nm±30nm；(2)镜头口径：200mm；(3)接收视场（全角）：0.2度至5度变倍；(4)待测目标信息：在5km距离，能分辨0.3米×0.3米尺寸的目标；(5)探测器像元规模：1280×1024@15μm；CCD物理尺寸：19.2mm×15.36mm。c)光学设计方案为满足视场需求，结合探测器实际尺寸规格，经过计算可得：短焦光学系统的焦距：f′=15.36/2/tg（5/2）=175.9mm根据焦距和视场成反比的关系，在设计时短焦光学系统的焦距必须小于175.9mm，取短焦焦距为170mm。长焦光学系统的焦距：f′=15.36/2/tg（0.2/2）=2488mm，取长焦焦距为2600mm。由此，光学系统的设计参数为：表SEQ表\*ARABIC1变焦光学系统设计参数短焦长焦工作波段1550nm±30nm焦距170mm2600mm入瞳直径20200F数8.5713视场6.46°×5.6°0.322°×0.191°探测器面元规格1280×1024@15μmd)光学玻璃材料选择变倍系统由多个不同正负光焦度的组元组合构成。各组元在材料选用上遵循如下原则：色散系数较大的材料(如H-ZK3、H-ZPK5等)在正组元中一般作为负透镜，在负组元中作为正透镜；色散系数较小的材料(如H-ZF6、H-ZF52等)在正组元中一般作为正透镜，在负组元中作为负透镜；色散系统中等的材料(如H-KF6、H-ZK6等)主要用于单色像差的校正，可用于系统像差微调。表2红外光学玻璃材料特性表材料折射率（n）阿贝数（v）透过率（1550nm）H-ZF61.71627.70.996H-ZK201.597540.997H-ZPK51.57768.60.999H-ZF521.79923.880.996H-ZLAF55D1.80142.830.999H-ZK31.57161.350.996H-KF61.49952.250.999H-ZK61.59458.680.998e)光路仿真设计光学系统在短焦、长焦端的光路设计如图所示。仿真结果显示，光学系统总长度为800mm，后工作距为100mm，F数为8～13。（a）短焦光学系统图（b）长焦光学系统图图2不同焦距状态下光学系统示意图f)光学系统像质评价（1）MTF仿真分析结果调制传递函数（MTF）是一种衡量光学系统成像质量的指标，可以评估光学系统在不同空间频率下传递图像对比度的能力。光学系统在短焦和长焦端的传递函数曲线如图所示。在探测器空间截止频率35lp/mm处，短焦距状态下的轴上视场MTF值均接近衍射极限，其他视场的MTF值也都达到0.24以上。长焦距状态下的轴上视场MTF值均接近衍射极限，实现了最佳成像质量。短焦MTF曲线图长焦MTF曲线图图3不同焦距状态下光学系统MTF曲线图（2）点列图仿真结果点列图也是评估光学系统成像质量的指标之一，能直观呈现像面上弥散斑的分布情况，还能反映能量的集中度。光学系统在短焦和长焦端的点列图如图4所示。结果表明，短焦光学系统边缘视场艾里斑的均方根半径分别为3.8μm、5.6μm、7.4μm，长焦光学系统的均方根半径分别为5.0μm、6.2μm、7.3μm，都小于探测器像元，能量集中度特性较好，满足探测器的使用要求。短焦光学系统点列图长焦光线系统点列图图4不同焦距状态下光学系统点列图（3）场曲畸变图畸变为理想像高与实际主光线高度的比值。在变倍的过程中,畸变会随着视场的增大而增大。由场曲畸变图可知，短焦状态下光学系统最大畸变小于0.5％，长焦状态下光学系统最大畸变小于0.3％。均属于很小的畸变量。短焦光学系统场曲畸变图长焦光学系统场曲畸变图（4）圈入能量分析光学系统的主要作用是采集被测目标的辐射能，然后将其传输到探测器靶面上。光学系统实质上被视为一种能量收集器。目标点和接收点之间是一一对应的关系。当接收点接收到的能量值不小于探测器所设置的最低值时，说明光学系统的成像质量良好。同时，接收到的能量密度越高，光学系统对信号的响应能力越强，成像对比度更理想。光学系统几何圈入能量的分布情况如图所示，短焦和长焦80%以上的能量都集中在相对应的艾里斑半径内。结果表明能量汇聚程度均较高，所有视场的衍射能量都非常接近衍射极限，探测器像元接收到的能量相对集中，满足系统的设计要求。短焦状态下几何圈入能量长焦状态下几何圈入能量g)镜头机械结构设计变倍镜头由前固定组模块、变倍组、补偿组、后固定组模块、凸轮机构、滤光片模块、相机转接口、主机安装固定接口等组成。工作方式为手动旋转凸轮，通过凸轮机构的旋转移动转化为变倍组模块和补偿组模块的轴向前后移动。固定组决定了镜头的基础焦距，变倍组通过改变镜片之间的间距来调整焦距的变化范围，补偿组则确保了短焦和长焦时的像面位置稳定且像质一致。通过调整这几个组件的相对位置，实现调焦的需求，从而达到变焦的目的。如下图所示。图10变焦镜头模型图h)镜头接口设计与阵列探测器接口：为C口转接螺纹；与激光雷达主机对接接口：镜头的底部设置有底座安装板，如下图所示，基板起到支撑整个设备的作用，与激光雷达主机用4个M8螺钉连接，安装螺钉间距为332mm×200mm。接口面为精加工面。图16底部安装板i)变焦镜头实物5.3.4面阵探测器机械封装设计面阵探测器封装设计围绕InGaAs成像芯片进行。封装结构设计需实现良好的电磁兼容性、导热散热和防尘性能。为此机壳主体结构，采用一整块铝合金，通过CNC铣削出“H”型框架,再加上顶盖、底盖实现机壳设计。

图5.3-8机械封装设计外形图图中的一体化结构设计，可以使得相机具有以下优点：定位刚性与稳定性：消除装配误差，减少了多个零件装配时累积的公差，使关键光学部件的定位更精准；一体化结构能更好地抵抗外力冲击和扭力，防止机身变形，能有效提升相机稳定性。卓越的散热性能：整个金属机身成为一个巨大的均热板和散热器。图像传感器产生的热量能通过导热材料直接传导至整个外壳，散热面积最大化，有效避免过热。提升防护等级：零件接合处的缝隙是灰尘和水分侵入的主要通道。一体化设计大幅减少了外壳接缝，更容易实现高等级的防尘防滴溅性能。轻量化潜力：通过结构性优化（如内部拓扑优化），可以在高应力区域保留材料，在低应力区域掏空，实现“按需分配材料”，从而在同等强度下可能比多零件组合结构更轻。电磁屏蔽：一体化设计使得机壳缝隙减少，具有完整、理想的回流路径，整体屏蔽性能更优。选用的InGaAs探测器需制冷制-10°C以下，来降低暗电流，提升信噪比，考虑到该型探测器内置一级TEC制冷，为保证探测器内TEC制冷能降温至-10°C以下，需对探测器进行二级TEC制冷，因此，将二级TEC的冷端通过导热硅脂紧贴探测器底部，热端紧贴机壳。机壳承载在探测器制冷用TEC的散热以及其他电路板的热辐射，为保证TEC的稳定降温和较低机壳内温度，保持各电路的稳定工作，机壳需具有高效的散热，为此，机壳整体采用铝合金加工，机壳四周采用翅片设计，增加导热面积，如下图所示。图5.3-9机壳散热鳍片图5.3.5面阵探测器读出电路设计a）设计指标探测器：1280×1024，像元间距15μm，InGaAs焦平面阵列。光谱响应：0.9μm-1.7μm。帧频：全分辨率下≥100fps。制冷方式：集成TEC，制冷至-10°C±0.1°C。供电电压：DC12V。数据接口：USB3.0。b)电路架构设计相机主要由电源模块电路、SENSOR驱动电路、TEC驱动电路、ADC测温电路、DAC设温电路、8通道ADC电路、FPGA电路、USB3.0电路组成，其原理框图如图？？所示。图1相机原理框图样机结构中，核心组件结构为：InGaAsFPA探测器→模拟前端→ADC→FPGA→接口输出。支撑系统结构为：时钟电路、电源管理电路、TEC制冷控制、通信接口。根据硬件功能、交互关系和相机尺寸，将相机硬件分化4块电路板，如下图所示，包括相机硬件由SENSOR接口板、SENSOR驱动板、主控板、二级TEC驱动板。图5.3-10电路板堆叠图c)信号采集电路实现（1）SENSOR接口板SENSOR接口板主要完成探测器的安装固定，对输入至电源管脚的线路进行滤波，电路原理图如下所示。图2SENSOR接口板原理图和PCB图。（2）SENSOR数据转换板SENSOR数据转换板主要探测器图像模拟数据的数模转换，电压驱动等，对输入至电源管脚的线路进行滤波，其电路原理图如下所示。图16数据转换板电路原理图本方案InGaAs探测器具有8通道模拟输出，最高22Mhz输出，选用AD9257BCPZ-65，AD9257是一款八通道ADC，其核心优势在于高速度、高精度和出色的动态性能，特别适用于需要同时采集八个相关信号的应用。（3）FPGA电路FPGA模块选用市面上成熟的FPGA核心板，ZYNQ核心板板载资源丰富，模块搭载了一颗XILINX可编程SOC芯片XC7Z035-FFG676-2I，该芯片集成了ARMCortex-A9双核CPU以及可编程逻辑单元，同时搭载了4片镁光（Micron）DDR3L内存。2片与ZYNQ的PS内存接口相连；另外2片与FPGA的PL连接，用户可通过MIG访问PL部分的内存。PS端2片内存组成32bit数据接口，内存大小1GB，内存数据主频高达1066MHZ，数据带宽可达1066MHz*32bit。PL端2片内存组成32bit数据接口，内存大小1GB，内存数据主频高达1600MHZ，数据带宽可达1600MHz*32bit。可以满足各种应用的需求。整个核心板的外形尺寸为70mm*60mm，非常小巧，适用于本相机开发。图17FPGA模块资源图（4）TEC驱动电路TEC驱动电路采用MAX1978作为驱动芯片，MAX1978是一个集成了功率输出级、控制逻辑和保护电路于一体的全功能温控系统芯片，能提供高达±3A的双向输出电流，通过外部高精度负温度系数热敏电阻来精确监测被控物体（如InGaAs探测器）的温度，并与之构成一个闭环控制系统，可通过数模转换器灵活设置温控点，电路如下图所示。图13MAX1978电路原理图（5）电路底层软件与固件开发通过FPGA完成SENSOR时序、ADC、USB等驱动，同时将采集的SENSOR模拟、数字信号，按SENSOR时序形成图像数据，完成图像校正、降噪、增强后输出。5.3.6激光雷达软件模块软件是雷达正常工作的保障，软件主要完成系统的操作控制、数据通讯、信息处理与算法、测量结果传输及显示等功能。软件设计原则是采用分布式功能模块化结构，以软件设计工程中的性能准则、可靠性准则、成本准则、维护准则、最终用户准则为基本准则，保障软件的性能、可靠性、成本以及维护性等要求。同时，在保证系统功能及可靠性同时，尽量采用软件来代替系统硬件功能。软件总体模块设计框图如图所示。软件总体模块框图（1）系统控制软件作为设备的控制程序入口和人机交互接口，用于引导和控制激光雷达探测的整个过程，负责接收用户的输入指令并下发命令给下位机执行机构，接收下位机上传的数据和反馈信号。主要组件包括系统时序、状态监控、存储与通讯和主控板软件（2）数据接收数据接收模块主要接收采集单元接口传输的信号数据，将数据按照设定时间累加后，继续传输给后一级进行数据反演。（3）数据反演主要包括图像重构、图像去噪、目标图像轮廓和质心提取等模块。（4）数据存储原始数据和数据反演的结果，经数据存储模块，存储在设定好的路径中。（5）人机交互人机交互用于进行参数输入、命令控制和结果显示。上位机采用QT环境开发，界面设计如下，可显示帧率、温度及设置增益等。图5.3-12上位机显示图5.3.6激光雷达验证样机的组装和调试整个系统安装联调完成后，激光雷达验证样机实物照片如图：图3-1激光雷达验证样机外观照片6关键技术突破情况（1）激光器关键技术：高功率掺铒光纤振荡器和高功率掺铒光纤放大器技术（2）接收镜头关键技术：红外镜头大变倍比变焦技术和同步补偿像面位置技术（3）探测器读出电路关键技术：探测器高精度温控技术和高帧频数据读取技术。7技术指标的验证情况（1）第三方测试检测记录目标靶板面积（最小可探测目标）和激光器波长两项指标经第三方测试，并出具CNAS认证报告。（2）第三方监督检测测试（实验）结果记录如下（签字盖章页见附件？？）:a)最大成像距离测试按照测试检验大纲中场景四的要求设置测试场景，将三块相同的靶板固定在同一背景板上（见图1左图），固定于无人机挂架上（见图1右图）。激光雷达位于5km之外的建筑室内，利用测距仪测量激光雷达到靶板之间的距离，重复测量三次，并记录在表1中。图1靶板及无人机挂载外景图2测试实验现场照片利用激光雷达验证样机开展实测实验，实验现场照片如图2：图2测试实验现场照片利用激光雷达验证样机拍摄并保存目标靶板的图像。由于每张图像中都包含有三个相同的靶板，故测试过程属于同时测量多个相同的对象，目的是通过同时测量多组数据，降低测量误差。激光雷达验证样机获得的靶