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MEMS激光雷达收发合置光学天线系统建模

范琳琳  
【摘要】:本文主要研究内容是在激光三维成像雷达的背景下,解决其固态化难题:将MEMS微镜置于折反射全景光学系统内部,MEMS微镜螺旋线全景扫描,旋转实现360度水平视场,旋转圈数实现20度以上垂直视场。基于以上的情况,对MEMS激光雷达光学天线进行系统建模设计,用以满足全景成像的要求。本文主要研究内容为激光雷达系统的光学天线部分,主要从以下几个方面进行说明:(1)介绍了两种激光雷达光学天线收发方式:收发合置光学天线和收发分置光学天线。并且对两种系统的优缺点进行了对比分析,最终确定采用收发合置的方式。对光学扫描技术进行了对比分析,最终确定MEMS微镜扫描方式低成本、小型化、精度高,满足激光雷达全景成像系统要求。(2)本文对单视点约束的全景系统和非单视点约束的全景系统的区别进行了一个总体的分析,其中主要包括单视点水平折反射全景成像系统和非单视点水平折反射全景成像系统的结构设计工作原理及在此系统的约束条件下水平折反射面面型的结构设计,即水平反射场景无畸变的反射镜面型设计。(3)MEMS激光雷达收发合置光学天线的系统建模及仿真。首先,我们设计了适用于该系统的偏振光隔离开关,并有效隔离了通过光隔离开关发送和接收的信号。其次提出一种分离变量映射方法,建立光源发光能量和目标平面照度分布之间的变量对应关系,采用微带表面三维构型方法,计算曲面上的点坐标和法向量,进而生成三维自由曲面,并使用Zernike多项式对自由曲面进行优化设计。最后使用Zemax进行自由曲面光学设计仿真,设计的折反射光学系统可以实现光束水平出射,配合MEMS螺旋线扫描,实现360°周视全景成像。通过观察点列图和计算发散角,发现符合设计指标要求。(4)MEMS振镜的驱动方式以及扫描轨迹建模。进行了MEMS的特性检测的实验,通过控制MEMS振镜的驱动电压,可以控制MEMS振镜的旋转角度。进而得到想要的扫描曲线。对MEMS扫描轨迹进行研究和实验,最后选择螺旋扫描曲线。此外,研究了将螺旋扫描参数与MEMS微镜的共振频率匹配的问题,并对系统进行了建模。


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