技術(shù)總結(jié)報(bào)告1項(xiàng)目概述1.1項(xiàng)目背景小型無(wú)人機(jī)具有飛行高度低、移動(dòng)速度快，以及反射截面小的特性，同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的偽裝技術(shù)，往往難以被傳統(tǒng)探測(cè)手段發(fā)現(xiàn)，使交戰(zhàn)方式產(chǎn)生了巨大的變化。隨著加工工藝和芯片集成技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)有進(jìn)一步的體積小型化、行為智能化和偵查能力遠(yuǎn)程化的發(fā)展趨勢(shì)。目前，尺寸不大于0.1平方米，具備引導(dǎo)和打擊能力的微型無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，無(wú)疑也會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)提出了更高的挑戰(zhàn)。激光雷達(dá)成像探測(cè)技術(shù)的興起，一定程度上能夠應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。由于激光雷達(dá)采用的是準(zhǔn)直性高、方向性好的激光光源，不受地雜波問(wèn)題的影響，可以直觀的獲取目標(biāo)的圖像信息，尤其是微波雷達(dá)與激光雷達(dá)進(jìn)行融合，形成多種探測(cè)手段的搭配，可以滿足在未來(lái)復(fù)雜環(huán)境下對(duì)低空小型化無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程探測(cè)需求。對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)和摧毀，是反無(wú)人機(jī)作戰(zhàn)領(lǐng)域追求的目標(biāo)。隨著無(wú)人機(jī)威脅的日益增大，以及復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的光電對(duì)抗加劇，用戶需要作用距離更遠(yuǎn)、測(cè)量精度更高和抗干擾能力更強(qiáng)的無(wú)人機(jī)探測(cè)技術(shù)，有關(guān)方面提出了能夠在5km以外的遠(yuǎn)距離上，發(fā)現(xiàn)尺寸不大于0.1平方米的無(wú)人機(jī)的應(yīng)用需求。分析上述應(yīng)用需求，怎樣在廣袤的空域中發(fā)現(xiàn)小尺寸、快速運(yùn)動(dòng)的無(wú)人機(jī)目標(biāo)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的追蹤和識(shí)別，是當(dāng)前的應(yīng)用痛點(diǎn)所在。傳統(tǒng)機(jī)械掃描成像激光雷達(dá)成像幀頻慢、很難有效發(fā)現(xiàn)5km遠(yuǎn)場(chǎng)處的快速運(yùn)動(dòng)無(wú)人機(jī)目標(biāo)?；陉嚵刑綔y(cè)器的焦平面體制激光雷達(dá)，成像幀頻快、成像范圍大，尤其適合在遠(yuǎn)場(chǎng)大空域范圍內(nèi)捕捉快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，因此具備發(fā)展成為下一代無(wú)人機(jī)反偵查設(shè)備的潛力。提升焦平面成像激光雷達(dá)性能的關(guān)鍵，必須大幅提升陣列探測(cè)器的面陣尺寸、量子效率和響應(yīng)動(dòng)態(tài)范圍等核心指標(biāo)。目前，國(guó)內(nèi)焦平面成像陣列探測(cè)核心器件技術(shù)發(fā)展迅速，初步建立了材料、芯片、器件、組件等技術(shù)鏈，但焦平面陣列探測(cè)器在像元數(shù)量、量子效率等方面，仍較國(guó)際先進(jìn)水平存在差異，尤其是面陣探測(cè)器的研制往往與激光雷達(dá)整機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用脫節(jié)，因此，本項(xiàng)目以遠(yuǎn)距離小目標(biāo)探測(cè)為抓手，通過(guò)解決任務(wù)書提出的典型的應(yīng)用需求，進(jìn)一步牽引探測(cè)器陣列規(guī)模、像元尺寸、組件尺寸、環(huán)境適應(yīng)性等關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)展先進(jìn)焦平面探測(cè)器的研制，有效驗(yàn)證陣列探測(cè)器的性能，使激光雷達(dá)具備在5km的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)程上，探測(cè)0.1平方米尺寸無(wú)人機(jī)目標(biāo)的能力，進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)內(nèi)激光雷達(dá)技術(shù)全技術(shù)鏈的發(fā)展。在未來(lái)階段，人們對(duì)微小目標(biāo)的快速、高分辨力捕獲需求更加強(qiáng)烈，也對(duì)更大面陣紅外探測(cè)系統(tǒng)提出了更高的要求，因此，本項(xiàng)目還預(yù)先開(kāi)展了焦平面芯片拼接技術(shù)的探索，基于1280×1024探測(cè)器核心模塊，試制3K×3K拼接式大面陣探測(cè)器陣列，利用3K×3K大陣列探測(cè)器，可以進(jìn)一步增大遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)激光雷達(dá)接收光學(xué)鏡頭的視場(chǎng)，從而能夠增加對(duì)微小目標(biāo)的快速捕獲能力，同時(shí)還能保持較高的成像分辨力。1.2任務(wù)來(lái)源XXXX2研究目標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)2.1任務(wù)書規(guī)定的研究目標(biāo)研制一臺(tái)基于焦平面探測(cè)器的激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)，針對(duì)0.1m2大小的、漫反射率大于等于0.6的特征目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在5km距離上的高分辨率成像探測(cè)，相關(guān)結(jié)果用于驗(yàn)證探測(cè)器的性能指標(biāo)。相關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋：焦平面成像激光雷達(dá)：基于陣列探測(cè)器的激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)，是面向遠(yuǎn)場(chǎng)弱目標(biāo)探測(cè)的激光雷達(dá)陣列探測(cè)器研制及系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目的組成部分，其作用是通過(guò)裝機(jī)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證探測(cè)器的成像指標(biāo)。本項(xiàng)目研制的面陣探測(cè)器屬于焦平面成像器件，故激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)采用焦平面成像激光雷達(dá)探測(cè)體制。2.2任務(wù)書規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)1).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的激光器波長(zhǎng)：1550±50nm。2).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)能探測(cè)到的目標(biāo)面積：≤0.1m2。3).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)最大成像距離：≥5公里。4).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)成像分辨率好于0.3米。5).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)探測(cè)視場(chǎng)：≥5°×5°6).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)最大可探測(cè)速度：＞120公里/小時(shí)。7).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)速度分辨力好于2厘米/秒。相關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋：探測(cè)視場(chǎng)：按照目前國(guó)際上先進(jìn)焦平面激光雷達(dá)的探測(cè)體制和技術(shù)指標(biāo)，例如加拿大OBZERV公司的貨架產(chǎn)品ARCG-2400，其工作體制均為采取大于等于5°×5°的大視場(chǎng)用于大區(qū)域范圍的搜索探測(cè)，而對(duì)于5km遠(yuǎn)場(chǎng)的小目標(biāo)，則選用0.2°×0.2°以下的小視場(chǎng)用于對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤和確認(rèn)。本項(xiàng)目中，激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的探測(cè)視場(chǎng)，采用同樣的設(shè)計(jì)思路，接收鏡頭采用大變倍比變焦設(shè)計(jì)，激光雷達(dá)用于大空域搜索時(shí)的最大探測(cè)視場(chǎng)大于等于5°×5°，用于距離在5km以外的遠(yuǎn)場(chǎng)小目標(biāo)，則采用0.2°×0.2°的小視場(chǎng)識(shí)別目標(biāo)。最大可探測(cè)速度：針對(duì)視場(chǎng)中的動(dòng)目標(biāo)，激光雷達(dá)最大可探測(cè)速度指目標(biāo)在視場(chǎng)中的橫向移動(dòng)速度（橫向移動(dòng)方向指垂直于接收鏡頭光軸的任意方向）。激光雷達(dá)速度探測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)測(cè)試探測(cè)器的成像幀頻指標(biāo)，結(jié)合目標(biāo)圖像在焦平面上移動(dòng)的像元數(shù)，推算目標(biāo)橫向移動(dòng)速度，滿足任務(wù)書中關(guān)于利用成像幀頻測(cè)速的要求。未來(lái)可以通過(guò)雙目視覺(jué)的方式，可以進(jìn)一步獲得目標(biāo)在空間中的移動(dòng)速度。速度分辨力：是指在最大測(cè)程和最小探測(cè)視場(chǎng)條件下，激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)通過(guò)成像方式探測(cè)目標(biāo)時(shí)，單個(gè)像元對(duì)目標(biāo)橫向移動(dòng)距離的最小的分辨能力。2.3成果形式激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)一臺(tái)，及測(cè)試驗(yàn)收相關(guān)文檔。3任務(wù)完成情況3.1總體情況截止2025年10月31日，已經(jīng)完成激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的研制；已經(jīng)完成激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)指標(biāo)的測(cè)試大綱評(píng)審、測(cè)試檢驗(yàn)報(bào)告、工作總結(jié)報(bào)告、技術(shù)總結(jié)報(bào)告等全部文件資料的編寫、校對(duì)、審核和評(píng)價(jià)；已經(jīng)完成了第三方用戶試用并出具試用報(bào)告。3.2計(jì)劃進(jìn)度的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行情況表3.2-1激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)研制進(jìn)度執(zhí)行情況設(shè)計(jì)進(jìn)程安排完成情況工作階段開(kāi)展的活動(dòng)完成日期設(shè)計(jì)方案研究階段根據(jù)探測(cè)器指標(biāo)參數(shù)，完成樣機(jī)探測(cè)性能的數(shù)值模擬計(jì)算，完成樣機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案2023.4完成完成激光雷達(dá)初步設(shè)計(jì)方案2023.8完成完成激光雷達(dá)初步設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化2024.01完成設(shè)計(jì)方案的試制、改進(jìn)和優(yōu)化階段在初步設(shè)計(jì)方案設(shè)的基礎(chǔ)上，試制1km測(cè)程中期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)2024.3完成1km測(cè)程中期實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試2024.4完成根據(jù)中期樣機(jī)測(cè)試狀況，進(jìn)行激光雷達(dá)最終研制方案設(shè)計(jì)2024.6完成部件和器件設(shè)計(jì)按照最終研制方案，開(kāi)展激光器設(shè)計(jì)2024.8完成按照最終研制方案，開(kāi)展接收鏡頭設(shè)計(jì)2024.10完成1280×1024探測(cè)器結(jié)構(gòu)封裝設(shè)計(jì)2024.10完成1280×1024探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)2024.10完成激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2024.10完成部件和器件加工1280×1024探測(cè)器結(jié)構(gòu)封裝加工2025.8完成1280×1024探測(cè)器讀出電路加工2025.8完成激光器研制和測(cè)試2025.9完成接收鏡頭研制和測(cè)試2025.9完成激光雷達(dá)光機(jī)結(jié)構(gòu)加工2025.9完成系統(tǒng)調(diào)試及測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試及檢測(cè)實(shí)驗(yàn)2025.10完成驗(yàn)收材料任務(wù)書和驗(yàn)收要求的各類材料2025.10完成3.3第三方試用情況在武漢大學(xué)承擔(dān)的遙感影像精細(xì)化處理項(xiàng)目中，需要研究各類主動(dòng)/被動(dòng)探測(cè)手段獲取各類光學(xué)影像數(shù)據(jù)特征，故通過(guò)與本項(xiàng)目組開(kāi)展技術(shù)合作，武漢大學(xué)利用該激光雷達(dá)樣機(jī)開(kāi)展了激光主動(dòng)成像圖像分辨能力實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。詳見(jiàn)“激光雷達(dá)樣機(jī)試用報(bào)告”4激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介4.1樣機(jī)設(shè)計(jì)原則和技術(shù)方案激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的主要作用是通過(guò)裝機(jī)實(shí)測(cè)，驗(yàn)證探測(cè)器的成像指標(biāo)，其設(shè)計(jì)原則圍繞該任務(wù)展開(kāi)。本項(xiàng)目研制的面陣探測(cè)器屬于焦平面成像器件，針對(duì)1280×1024探測(cè)器核心模塊開(kāi)展驗(yàn)證工作。技術(shù)方案的重點(diǎn)圍繞接收鏡頭和照明激光光源的設(shè)計(jì)原則開(kāi)展。根據(jù)項(xiàng)目中期節(jié)點(diǎn)的工程驗(yàn)證結(jié)果，以及項(xiàng)目承研單位的工程經(jīng)驗(yàn)，激光雷達(dá)的最終技術(shù)方案采用大孔徑、大變倍比變焦鏡頭與連續(xù)光纖激光器組合的方式，形成一套激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)焦平面探測(cè)器的有效驗(yàn)證。4.2激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)組成激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的單元結(jié)構(gòu)主要由光學(xué)單元、光電探測(cè)單元和控制單元組成，其原理和單元結(jié)構(gòu)框圖如REF_Ref56018566\h圖2-1所示：圖2-1激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)原理框圖激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)各單元的組成模塊見(jiàn)表2-1：表2-SEQ表\*ARABIC1激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)備組成序號(hào)名稱模塊數(shù)量備注光學(xué)單元激光器1激光發(fā)射鏡頭1變焦接收鏡頭1光電探測(cè)單元面陣探測(cè)器1時(shí)序電路模塊（封裝于面陣探測(cè)器中）1圖像采集電路模塊（封裝于面陣探測(cè)器中）1控制單元控制計(jì)算機(jī)及軟件1其中，光學(xué)單元包括激光器、激光發(fā)射鏡頭和變焦接收鏡頭。激光器發(fā)射高能激光，提供主動(dòng)照明功能，提高面陣探測(cè)器成像的信噪比。激光發(fā)射鏡頭用于發(fā)射光束發(fā)散角的控制，控制照明光斑的覆蓋范圍。變焦接收鏡頭具備大變倍比的焦距調(diào)節(jié)能力，用于對(duì)于激光回波信號(hào)的收集和光學(xué)調(diào)理，使不同物距的像都能投影到系統(tǒng)的焦平面上。光電探測(cè)單元包括面陣探測(cè)器、時(shí)序電路模塊（封裝于面陣探測(cè)器中）和圖像采集電路模塊（封裝于面陣探測(cè)器中），作用是將接收鏡頭收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并對(duì)之二值化后讀出，最終在終端機(jī)上記錄目標(biāo)圖像的信息?？刂茊卧獮槿藱C(jī)交互界面，用于控制系統(tǒng)的工作流程和數(shù)據(jù)采集。4.2激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)主要功能4.2.1激光主動(dòng)照明功能采用1550nm波長(zhǎng)激光器，具備對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)目標(biāo)的照明能力，在夜間及太陽(yáng)光照度不足的條件下，為面陣探測(cè)器成像探測(cè)補(bǔ)光。4.2.2成像探測(cè)功能激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)采用焦平面成像激光雷達(dá)探測(cè)體制，具備在1550nm激光主動(dòng)照明條件下，對(duì)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)進(jìn)行成像探測(cè)的功能，滿足本階段任務(wù)書的要求?，F(xiàn)階段采用的是單目接收鏡頭，實(shí)現(xiàn)任務(wù)書指標(biāo)要求的成像探測(cè)功能。在未來(lái)的工作中，可以進(jìn)一步通過(guò)多目視覺(jué)成像探測(cè)的方式，使激光雷達(dá)具備同步獲取目標(biāo)圖像和距離信息的能力。4.2.3速度探測(cè)功能針對(duì)視場(chǎng)中的動(dòng)目標(biāo)，具備對(duì)其橫向移動(dòng)速度的探測(cè)能力。橫向移動(dòng)方向指垂直于接收鏡頭光軸的任意方向。本項(xiàng)目研制的面陣探測(cè)器，主要應(yīng)用于采用焦平面成像體制的激光雷達(dá)，激光雷達(dá)主要利用探測(cè)器的成像幀頻及目標(biāo)在焦平面上移動(dòng)的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的探測(cè)能力。故在本項(xiàng)目中，激光雷達(dá)速度探測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)探測(cè)器的成像幀頻指，獲得目標(biāo)橫向移動(dòng)速度?；诮蛊矫嫣綔y(cè)器的激光雷達(dá)，同樣可以實(shí)現(xiàn)空間運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量，未來(lái)將通過(guò)雙目視覺(jué)的方式，激光雷達(dá)可以進(jìn)一步獲得目標(biāo)在空間中的移動(dòng)速度。4.3激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)響應(yīng)任務(wù)書的指標(biāo)要求：1).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的激光器波長(zhǎng)：1550±50nm。2).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)能探測(cè)到的目標(biāo)面積：≤0.1m2。3).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)最大成像距離：≥5公里。4).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)成像分辨率好于0.3米。5).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)探測(cè)視場(chǎng)：≥5°×5°6).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)最大可探測(cè)速度：＞120公里/小時(shí)。7).激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)速度分辨力好于2厘米/秒。5詳細(xì)技術(shù)方案實(shí)施情況5.1激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)參數(shù)仿真利用激光雷達(dá)公式，結(jié)合任務(wù)書要求的指標(biāo)參數(shù)，確定激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的主要參數(shù)。令θ為照明光束的平面發(fā)散角，R為照明距離，o為照明光源位置，照明光束橫截面是直徑為?的圓形平面S，見(jiàn)圖3.1。圖5.1-1照明光束示意當(dāng)R遠(yuǎn)大于?時(shí)，有S=πPs其中，ε為激光發(fā)射單元的光學(xué)透過(guò)率，μ為大氣消光系數(shù)，τ=exp?圖5.1-2接收視場(chǎng)示意則識(shí)別目標(biāo)面積SA為：SA目標(biāo)上獲得的激光照明功率PA為：PA假設(shè)目標(biāo)發(fā)生朗伯反射，反射率為ρ；接收系統(tǒng)的光學(xué)透過(guò)率為τ，則面陣探測(cè)器接收到的反射光功率P為：PD式4中，激光雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)包括發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率ε、接收系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率τ，接收望遠(yuǎn)鏡直徑D，以及激光發(fā)射角θ和接收望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角Ω。又PD=EdSP=4式（5）即為給定參數(shù)的面陣探測(cè)器和激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，為使反射率為ρ的朗伯體成像所需要的最小激光發(fā)射功率。對(duì)于本項(xiàng)目涉及的激光主動(dòng)成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而言，成像探測(cè)器工作于累積模式，式（5）表示的是激光的平均功率。采用脈沖激光器照明時(shí)，假設(shè)激光脈沖占空比為a，激光峰值功率Pc，電源調(diào)制效率η，則P=Pcaη，故Pc其中，電源調(diào)制效率η取決于調(diào)制電壓的質(zhì)量和調(diào)制頻率。影響激光雷達(dá)性能的主要參數(shù)包括：激光發(fā)射能量、發(fā)散角，以及接收光學(xué)天線的口徑。式6闡明了激光功率和面陣探測(cè)器參數(shù)、光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，以及成像距離和視場(chǎng)之間的關(guān)系。當(dāng)激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和面陣探測(cè)器等參數(shù)確定后，根據(jù)式6，可以計(jì)算并設(shè)計(jì)激光雷達(dá)的激光發(fā)射功率及接收望遠(yuǎn)鏡口徑等系統(tǒng)參數(shù)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率ε=0.85，接收系統(tǒng)光學(xué)透過(guò)率τ=0.75；接收望遠(yuǎn)鏡直徑D是變量；近地表大氣消光系數(shù)μ=0.01km-1@1550nm，測(cè)試所用的標(biāo)準(zhǔn)漫反射板的漫反射率ρ取0.6。為使激光雷達(dá)系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌木嚯x和不同大小的目標(biāo)成清晰的圖像，激光雷達(dá)的光學(xué)發(fā)射和接收單元均是可變焦設(shè)計(jì)。仿真計(jì)算過(guò)程中考慮5km處的遠(yuǎn)場(chǎng)極限指標(biāo)，激光發(fā)射角θ取為0.25度，接收望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)角取為0.2度。作為式6中的關(guān)鍵參數(shù)，項(xiàng)目中期節(jié)點(diǎn)研制的待驗(yàn)證的探測(cè)器，其有效區(qū)域面積Sg約是20mm×15mm。光電陰極平均照度靈敏閾值Ed約為0.5x10-6在已知探測(cè)器參數(shù)的條件下，激光發(fā)射能量和接收光學(xué)鏡頭口徑指標(biāo)，是影響激光雷達(dá)探測(cè)能力的主要變量，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮的因素。考慮到5km超遠(yuǎn)距離處的0.3mx0.3m的超小目標(biāo)成像要求，增大激光雷達(dá)光源照明功率勢(shì)在必行，同時(shí)需要盡一切可能優(yōu)化光學(xué)效率。結(jié)合項(xiàng)目中期節(jié)點(diǎn)的工程驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，激光器選則1550nm波長(zhǎng)的連續(xù)輸出光纖激光器，其輸出功率能夠達(dá)到50W。在確定了激光發(fā)射能量的基礎(chǔ)上，通過(guò)6式的計(jì)算，得到光學(xué)接收鏡頭的直徑需達(dá)到200mm。故激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的激光發(fā)射能量取為50W，接收鏡頭的口徑選擇為200mm。5.2驗(yàn)證樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮到驗(yàn)證樣機(jī)要運(yùn)輸?shù)讲煌攸c(diǎn)開(kāi)展驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，發(fā)射、接收與后繼光學(xué)單元均固定在鋁合金框架內(nèi)，這種框架光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了發(fā)射光路和接收光路的相對(duì)穩(wěn)定性，同時(shí)也便于拆卸和運(yùn)輸。驗(yàn)證樣機(jī)整體置于三維掃描云臺(tái)上，云臺(tái)的定位精度±0.1°，重復(fù)精度±0.1°。激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的3D模裝圖見(jiàn)圖？？。圖？？激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)關(guān)鍵單元模塊包括主動(dòng)照明用的激光器、發(fā)射光學(xué)準(zhǔn)直器、光學(xué)接收鏡頭和面陣探測(cè)器電路。其中，激光器工作于1550nm波長(zhǎng)，激光照明功率可調(diào)；采用收發(fā)光路離軸設(shè)計(jì)；發(fā)射光學(xué)準(zhǔn)直器能夠改變發(fā)射光束發(fā)散角，便于調(diào)節(jié)照明光束覆蓋范圍；光學(xué)接收鏡頭采用大變倍比變焦設(shè)計(jì)，其最小接收視場(chǎng)0.2度，最大接收視場(chǎng)5度。各個(gè)關(guān)鍵單元模塊的研制，詳見(jiàn)5.3節(jié)。5.3驗(yàn)證樣機(jī)單元模塊研制5.3.1激光光源模塊激光光源模塊首先要求選擇對(duì)于成像激光雷達(dá)性能最優(yōu)的發(fā)射波長(zhǎng)。激光器工作時(shí)發(fā)射激光的中心波長(zhǎng)，需要綜合考慮面陣探測(cè)器的最佳響應(yīng)范圍、大氣窗口、光纖低損耗窗口、光纖放大器的增益介質(zhì)等因素，使其對(duì)于激光雷達(dá)樣機(jī)驗(yàn)證系統(tǒng)的成像能力達(dá)到最優(yōu)。其設(shè)計(jì)原則如下：第一，為了減小激光能量在大氣中的衰減，激光的中心波長(zhǎng)應(yīng)選在大氣的透過(guò)窗口。大氣的透過(guò)窗口如圖所示，在1.1μm、1.5μm和2.1μm等波長(zhǎng)大氣的透過(guò)率出現(xiàn)峰值。第二，為了減小激光能量在光纖中的損耗，激光的中心波長(zhǎng)應(yīng)選在光纖的低損耗窗口。光纖的低損耗窗口有3個(gè)，如圖所示，分別是0.8～0.9μm、1.31μm和1.55μm等。大氣的吸收窗口光纖的低損耗窗口第三，在近紅外波段（0.8～2.5μm）光纖放大器增益介質(zhì)的增益曲線與人眼最大允許曝光量（MaximumPermissibleExposure，MPE）曲線如圖所示。從圖中可以看出，1）光纖激光器的增益介質(zhì)分別在3個(gè)波段，分別是1.06μm（摻鐿激光器）、1.55μm（摻鉺或摻鉺-鐿激光器）和2.1μm（摻銩或摻鈥激光器）。2）與其它波段相比1.55μm附近MPE達(dá)到最大值，約為10近紅外波段大氣透過(guò)率、激光增益介質(zhì)和人眼最大曝光量綜合考慮以上因素，選擇中心波長(zhǎng)為1.55μm的光纖激光器。激光器選用了1550nm波長(zhǎng)光纖振蕩器結(jié)合摻鉺光纖放大器的技術(shù)方案，具備較低的大氣衰減率和良好的安全性。激光器的設(shè)計(jì)圍繞著保證50W以上功率連續(xù)輸出的穩(wěn)定性而進(jìn)行，采取的關(guān)鍵技術(shù)包括：a)高功率摻鉺光纖振蕩器該高功率摻鉺光纖振蕩器設(shè)計(jì)采用了典型的F-P腔結(jié)構(gòu)，即由摻鉺雙包層光纖和一對(duì)光纖光柵（前后腔鏡）共同構(gòu)成，結(jié)合雙包層多模包層泵浦技術(shù)。通過(guò)高功率半導(dǎo)體激光器（泵浦源）對(duì)摻鉺光纖振蕩器進(jìn)行前向泵浦，實(shí)現(xiàn)了功率約7W、波長(zhǎng)為1550nm的連續(xù)光纖激光輸出。通過(guò)優(yōu)化摻鉺雙包層光纖的使用長(zhǎng)度、光纖光柵參數(shù)、泵浦耦合方式，以及光纖端面處理技術(shù)等，有效提高了光纖振蕩器的轉(zhuǎn)換效率和功率穩(wěn)定性。其光路圖如下所示。b)高功率摻鉺光纖放大器該高功率光纖激光器采用了主振蕩功率放大技術(shù)方案，即摻鉺光纖振蕩器結(jié)合摻鉺光纖放大器進(jìn)行功率放大的措施，將摻鉺光纖振蕩器輸出的信號(hào)光耦合進(jìn)入摻鉺光纖放大器里面，其中摻鉺光纖放大器由摻鉺雙包層光纖和高功率半導(dǎo)體激光器（泵浦源）等共同構(gòu)成，同樣結(jié)合了雙包層多模包層泵浦技術(shù)。通過(guò)26V驅(qū)動(dòng)的高功率半導(dǎo)體激光器對(duì)摻鉺雙包層光纖進(jìn)行泵浦，實(shí)現(xiàn)1550nm信號(hào)激光的連續(xù)高效放大。通過(guò)優(yōu)化摻鉺雙包層光纖的使用長(zhǎng)度、信號(hào)光注入功率大小、泵浦耦合方式，以及光纖端面處理技術(shù)等，有效提高了光纖放大器的轉(zhuǎn)換效率和功率穩(wěn)定性，使得輸出功率可在1至100W范圍內(nèi)穩(wěn)定調(diào)節(jié)。其光路圖如下所示。c)實(shí)時(shí)控制與信號(hào)處理下位機(jī)基于STM32F103RCT6微控制器，構(gòu)建了高速數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理平臺(tái)。通過(guò)DA模擬量輸入實(shí)現(xiàn)功率線性可調(diào)，EN與PWM控制信號(hào)保證激光啟停與調(diào)制的靈活性。所有外部控制信號(hào)均采用光耦隔離，提高了激光器系統(tǒng)抗干擾能力。內(nèi)置閉環(huán)反饋控制算法，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)電流、電壓與功率等參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)激光器的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。d)光學(xué)組件與耦合工藝關(guān)鍵光學(xué)器件，如泵浦合束器、光隔離器、光纖準(zhǔn)直器、輸出光纖接口等均采用了高功率等級(jí)設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)高溫回流焊接與光學(xué)膠固化工藝，確保端面損耗小于0.2dB。輸出光纖采用低損耗、大模場(chǎng)面積光纖，進(jìn)一步提升了光束質(zhì)量，光束質(zhì)量因子M2值能夠保持在1.3以下。5.3.2發(fā)射光路模塊激光發(fā)射光路模塊的設(shè)計(jì)，圍繞著實(shí)現(xiàn)大功率紅外激光的變焦照明功能進(jìn)行，經(jīng)發(fā)射光路模塊后的出光角度在0.2°～5°可調(diào)。圖3.5給出了發(fā)射光路模塊的基本結(jié)構(gòu)圖。圖5.3-3激光發(fā)射光路模塊結(jié)構(gòu)示意圖5.3.3光學(xué)接收模塊光學(xué)接收模塊主要圍繞200mm口徑大變倍比變焦鏡頭設(shè)計(jì)開(kāi)展。a)組成及功能變焦光學(xué)鏡頭主要由光學(xué)系統(tǒng)、光機(jī)結(jié)構(gòu)、濾光片機(jī)構(gòu)幾部分組成。主要功能是通過(guò)凸輪結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)短焦和長(zhǎng)焦的切換。參見(jiàn)如下組成示意圖：安裝接口變倍手輪濾光片攝像機(jī)接口安裝接口變倍手輪濾光片攝像機(jī)接口圖1紅外變焦鏡頭組成示意圖b)鏡頭指標(biāo)參數(shù)要求(1)透射波長(zhǎng)：1550nm±30nm；(2)鏡頭口徑：200mm；(3)接收視場(chǎng)（全角）：0.2度至5度變倍；(4)待測(cè)目標(biāo)信息：在5km距離，能分辨0.3米×0.3米尺寸的目標(biāo)；(5)探測(cè)器像元規(guī)模：1280×1024@15μm；CCD物理尺寸：19.2mm×15.36mm。c)光學(xué)設(shè)計(jì)方案為滿足視場(chǎng)需求，結(jié)合探測(cè)器實(shí)際尺寸規(guī)格，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：短焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距：f′=15.36/2/tg（5/2）=175.9mm根據(jù)焦距和視場(chǎng)成反比的關(guān)系，在設(shè)計(jì)時(shí)短焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距必須小于175.9mm，取短焦焦距為170mm。長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)的焦距：f′=15.36/2/tg（0.2/2）=2488mm，取長(zhǎng)焦焦距為2600mm。由此，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：表SEQ表\*ARABIC1變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)短焦長(zhǎng)焦工作波段1550nm±30nm焦距170mm2600mm入瞳直徑20200F數(shù)8.5713視場(chǎng)6.46°×5.6°0.322°×0.191°探測(cè)器面元規(guī)格1280×1024@15μmd)光學(xué)玻璃材料選擇變倍系統(tǒng)由多個(gè)不同正負(fù)光焦度的組元組合構(gòu)成。各組元在材料選用上遵循如下原則：色散系數(shù)較大的材料(如H-ZK3、H-ZPK5等)在正組元中一般作為負(fù)透鏡，在負(fù)組元中作為正透鏡；色散系數(shù)較小的材料(如H-ZF6、H-ZF52等)在正組元中一般作為正透鏡，在負(fù)組元中作為負(fù)透鏡；色散系統(tǒng)中等的材料(如H-KF6、H-ZK6等)主要用于單色像差的校正，可用于系統(tǒng)像差微調(diào)。表2紅外光學(xué)玻璃材料特性表材料折射率（n）阿貝數(shù)（v）透過(guò)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)光路仿真設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)在短焦、長(zhǎng)焦端的光路設(shè)計(jì)如圖所示。仿真結(jié)果顯示，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)度為800mm，后工作距為100mm，F(xiàn)數(shù)為8～13。（a）短焦光學(xué)系統(tǒng)圖（b）長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)圖圖2不同焦距狀態(tài)下光學(xué)系統(tǒng)示意圖f)光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)（1）MTF仿真分析結(jié)果調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）是一種衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的指標(biāo)，可以評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)在不同空間頻率下傳遞圖像對(duì)比度的能力。光學(xué)系統(tǒng)在短焦和長(zhǎng)焦端的傳遞函數(shù)曲線如圖所示。在探測(cè)器空間截止頻率35lp/mm處，短焦距狀態(tài)下的軸上視場(chǎng)MTF值均接近衍射極限，其他視場(chǎng)的MTF值也都達(dá)到0.24以上。長(zhǎng)焦距狀態(tài)下的軸上視場(chǎng)MTF值均接近衍射極限，實(shí)現(xiàn)了最佳成像質(zhì)量。短焦MTF曲線圖長(zhǎng)焦MTF曲線圖圖3不同焦距狀態(tài)下光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線圖（2）點(diǎn)列圖仿真結(jié)果點(diǎn)列圖也是評(píng)估光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的指標(biāo)之一，能直觀呈現(xiàn)像面上彌散斑的分布情況，還能反映能量的集中度。光學(xué)系統(tǒng)在短焦和長(zhǎng)焦端的點(diǎn)列圖如圖4所示。結(jié)果表明，短焦光學(xué)系統(tǒng)邊緣視場(chǎng)艾里斑的均方根半徑分別為3.8μm、5.6μm、7.4μm，長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)的均方根半徑分別為5.0μm、6.2μm、7.3μm，都小于探測(cè)器像元，能量集中度特性較好，滿足探測(cè)器的使用要求。短焦光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖長(zhǎng)焦光線系統(tǒng)點(diǎn)列圖圖4不同焦距狀態(tài)下光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖（3）場(chǎng)曲畸變圖畸變?yōu)槔硐胂窀吲c實(shí)際主光線高度的比值。在變倍的過(guò)程中,畸變會(huì)隨著視場(chǎng)的增大而增大。由場(chǎng)曲畸變圖可知，短焦?fàn)顟B(tài)下光學(xué)系統(tǒng)最大畸變小于0.5％，長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下光學(xué)系統(tǒng)最大畸變小于0.3％。均屬于很小的畸變量。短焦光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲畸變圖長(zhǎng)焦光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲畸變圖（4）圈入能量分析光學(xué)系統(tǒng)的主要作用是采集被測(cè)目標(biāo)的輻射能，然后將其傳輸?shù)教綔y(cè)器靶面上。光學(xué)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上被視為一種能量收集器。目標(biāo)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)接收點(diǎn)接收到的能量值不小于探測(cè)器所設(shè)置的最低值時(shí)，說(shuō)明光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好。同時(shí)，接收到的能量密度越高，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的響應(yīng)能力越強(qiáng)，成像對(duì)比度更理想。光學(xué)系統(tǒng)幾何圈入能量的分布情況如圖所示，短焦和長(zhǎng)焦80%以上的能量都集中在相對(duì)應(yīng)的艾里斑半徑內(nèi)。結(jié)果表明能量匯聚程度均較高，所有視場(chǎng)的衍射能量都非常接近衍射極限，探測(cè)器像元接收到的能量相對(duì)集中，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。短焦?fàn)顟B(tài)下幾何圈入能量長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)下幾何圈入能量g)鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變倍鏡頭由前固定組模塊、變倍組、補(bǔ)償組、后固定組模塊、凸輪機(jī)構(gòu)、濾光片模塊、相機(jī)轉(zhuǎn)接口、主機(jī)安裝固定接口等組成。工作方式為手動(dòng)旋轉(zhuǎn)凸輪，通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)移動(dòng)轉(zhuǎn)化為變倍組模塊和補(bǔ)償組模塊的軸向前后移動(dòng)。固定組決定了鏡頭的基礎(chǔ)焦距，變倍組通過(guò)改變鏡片之間的間距來(lái)調(diào)整焦距的變化范圍，補(bǔ)償組則確保了短焦和長(zhǎng)焦時(shí)的像面位置穩(wěn)定且像質(zhì)一致。通過(guò)調(diào)整這幾個(gè)組件的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的需求，從而達(dá)到變焦的目的。如下圖所示。圖10變焦鏡頭模型圖h)鏡頭接口設(shè)計(jì)與陣列探測(cè)器接口：為C口轉(zhuǎn)接螺紋；與激光雷達(dá)主機(jī)對(duì)接接口：鏡頭的底部設(shè)置有底座安裝板，如下圖所示，基板起到支撐整個(gè)設(shè)備的作用，與激光雷達(dá)主機(jī)用4個(gè)M8螺釘連接，安裝螺釘間距為332mm×200mm。接口面為精加工面。圖16底部安裝板i)變焦鏡頭實(shí)物5.3.4面陣探測(cè)器機(jī)械封裝設(shè)計(jì)面陣探測(cè)器封裝設(shè)計(jì)圍繞InGaAs成像芯片進(jìn)行。封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)良好的電磁兼容性、導(dǎo)熱散熱和防塵性能。為此機(jī)殼主體結(jié)構(gòu)，采用一整塊鋁合金，通過(guò)CNC銑削出“H”型框架,再加上頂蓋、底蓋實(shí)現(xiàn)機(jī)殼設(shè)計(jì)。

圖5.3-8機(jī)械封裝設(shè)計(jì)外形圖圖中的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以使得相機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：定位剛性與穩(wěn)定性：消除裝配誤差，減少了多個(gè)零件裝配時(shí)累積的公差，使關(guān)鍵光學(xué)部件的定位更精準(zhǔn)；一體化結(jié)構(gòu)能更好地抵抗外力沖擊和扭力，防止機(jī)身變形，能有效提升相機(jī)穩(wěn)定性。卓越的散熱性能：整個(gè)金屬機(jī)身成為一個(gè)巨大的均熱板和散熱器。圖像傳感器產(chǎn)生的熱量能通過(guò)導(dǎo)熱材料直接傳導(dǎo)至整個(gè)外殼，散熱面積最大化，有效避免過(guò)熱。提升防護(hù)等級(jí)：零件接合處的縫隙是灰塵和水分侵入的主要通道。一體化設(shè)計(jì)大幅減少了外殼接縫，更容易實(shí)現(xiàn)高等級(jí)的防塵防滴濺性能。輕量化潛力：通過(guò)結(jié)構(gòu)性優(yōu)化（如內(nèi)部拓?fù)鋬?yōu)化），可以在高應(yīng)力區(qū)域保留材料，在低應(yīng)力區(qū)域掏空，實(shí)現(xiàn)“按需分配材料”，從而在同等強(qiáng)度下可能比多零件組合結(jié)構(gòu)更輕。電磁屏蔽：一體化設(shè)計(jì)使得機(jī)殼縫隙減少，具有完整、理想的回流路徑，整體屏蔽性能更優(yōu)。選用的InGaAs探測(cè)器需制冷制-10°C以下，來(lái)降低暗電流，提升信噪比，考慮到該型探測(cè)器內(nèi)置一級(jí)TEC制冷，為保證探測(cè)器內(nèi)TEC制冷能降溫至-10°C以下，需對(duì)探測(cè)器進(jìn)行二級(jí)TEC制冷，因此，將二級(jí)TEC的冷端通過(guò)導(dǎo)熱硅脂緊貼探測(cè)器底部，熱端緊貼機(jī)殼。機(jī)殼承載在探測(cè)器制冷用TEC的散熱以及其他電路板的熱輻射，為保證TEC的穩(wěn)定降溫和較低機(jī)殼內(nèi)溫度，保持各電路的穩(wěn)定工作，機(jī)殼需具有高效的散熱，為此，機(jī)殼整體采用鋁合金加工，機(jī)殼四周采用翅片設(shè)計(jì)，增加導(dǎo)熱面積，如下圖所示。圖5.3-9機(jī)殼散熱鰭片圖5.3.5面陣探測(cè)器讀出電路設(shè)計(jì)a）設(shè)計(jì)指標(biāo)探測(cè)器：1280×1024，像元間距15μm，InGaAs焦平面陣列。光譜響應(yīng)：0.9μm-1.7μm。幀頻：全分辨率下≥100fps。制冷方式：集成TEC，制冷至-10°C±0.1°C。供電電壓：DC12V。數(shù)據(jù)接口：USB3.0。b)電路架構(gòu)設(shè)計(jì)相機(jī)主要由電源模塊電路、SENSOR驅(qū)動(dòng)電路、TEC驅(qū)動(dòng)電路、ADC測(cè)溫電路、DAC設(shè)溫電路、8通道ADC電路、FPGA電路、USB3.0電路組成，其原理框圖如圖？？所示。圖1相機(jī)原理框圖樣機(jī)結(jié)構(gòu)中，核心組件結(jié)構(gòu)為：InGaAsFPA探測(cè)器→模擬前端→ADC→FPGA→接口輸出。支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：時(shí)鐘電路、電源管理電路、TEC制冷控制、通信接口。根據(jù)硬件功能、交互關(guān)系和相機(jī)尺寸，將相機(jī)硬件分化4塊電路板，如下圖所示，包括相機(jī)硬件由SENSOR接口板、SENSOR驅(qū)動(dòng)板、主控板、二級(jí)TEC驅(qū)動(dòng)板。圖5.3-10電路板堆疊圖c)信號(hào)采集電路實(shí)現(xiàn)（1）SENSOR接口板SENSOR接口板主要完成探測(cè)器的安裝固定，對(duì)輸入至電源管腳的線路進(jìn)行濾波，電路原理圖如下所示。圖2SENSOR接口板原理圖和PCB圖。（2）SENSOR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板SENSOR數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板主要探測(cè)器圖像模擬數(shù)據(jù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換，電壓驅(qū)動(dòng)等，對(duì)輸入至電源管腳的線路進(jìn)行濾波，其電路原理圖如下所示。圖16數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板電路原理圖本方案InGaAs探測(cè)器具有8通道模擬輸出，最高22Mhz輸出，選用AD9257BCPZ-65，AD9257是一款八通道ADC，其核心優(yōu)勢(shì)在于高速度、高精度和出色的動(dòng)態(tài)性能，特別適用于需要同時(shí)采集八個(gè)相關(guān)信號(hào)的應(yīng)用。（3）FPGA電路FPGA模塊選用市面上成熟的FPGA核心板，ZYNQ核心板板載資源豐富，模塊搭載了一顆XILINX可編程SOC芯片XC7Z035-FFG676-2I，該芯片集成了ARMCortex-A9雙核CPU以及可編程邏輯單元，同時(shí)搭載了4片鎂光（Micron）DDR3L內(nèi)存。2片與ZYNQ的PS內(nèi)存接口相連；另外2片與FPGA的PL連接，用戶可通過(guò)MIG訪問(wèn)PL部分的內(nèi)存。PS端2片內(nèi)存組成32bit數(shù)據(jù)接口，內(nèi)存大小1GB，內(nèi)存數(shù)據(jù)主頻高達(dá)1066MHZ，數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)1066MHz*32bit。PL端2片內(nèi)存組成32bit數(shù)據(jù)接口，內(nèi)存大小1GB，內(nèi)存數(shù)據(jù)主頻高達(dá)1600MHZ，數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)1600MHz*32bit?？梢詽M足各種應(yīng)用的需求。整個(gè)核心板的外形尺寸為70mm*60mm，非常小巧，適用于本相機(jī)開(kāi)發(fā)。圖17FPGA模塊資源圖（4）TEC驅(qū)動(dòng)電路TEC驅(qū)動(dòng)電路采用MAX1978作為驅(qū)動(dòng)芯片，MAX1978是一個(gè)集成了功率輸出級(jí)、控制邏輯和保護(hù)電路于一體的全功能溫控系統(tǒng)芯片，能提供高達(dá)±3A的雙向輸出電流，通過(guò)外部高精度負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻來(lái)精確監(jiān)測(cè)被控物體（如InGaAs探測(cè)器）的溫度，并與之構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，可通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器靈活設(shè)置溫控點(diǎn)，電路如下圖所示。圖13MAX1978電路原理圖（5）電路底層軟件與固件開(kāi)發(fā)通過(guò)FPGA完成SENSOR時(shí)序、ADC、USB等驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將采集的SENSOR模擬、數(shù)字信號(hào)，按SENSOR時(shí)序形成圖像數(shù)據(jù)，完成圖像校正、降噪、增強(qiáng)后輸出。5.3.6激光雷達(dá)軟件模塊軟件是雷達(dá)正常工作的保障，軟件主要完成系統(tǒng)的操作控制、數(shù)據(jù)通訊、信息處理與算法、測(cè)量結(jié)果傳輸及顯示等功能。軟件設(shè)計(jì)原則是采用分布式功能模塊化結(jié)構(gòu)，以軟件設(shè)計(jì)工程中的性能準(zhǔn)則、可靠性準(zhǔn)則、成本準(zhǔn)則、維護(hù)準(zhǔn)則、最終用戶準(zhǔn)則為基本準(zhǔn)則，保障軟件的性能、可靠性、成本以及維護(hù)性等要求。同時(shí)，在保證系統(tǒng)功能及可靠性同時(shí)，盡量采用軟件來(lái)代替系統(tǒng)硬件功能。軟件總體模塊設(shè)計(jì)框圖如圖所示。軟件總體模塊框圖（1）系統(tǒng)控制軟件作為設(shè)備的控制程序入口和人機(jī)交互接口，用于引導(dǎo)和控制激光雷達(dá)探測(cè)的整個(gè)過(guò)程，負(fù)責(zé)接收用戶的輸入指令并下發(fā)命令給下位機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)和反饋信號(hào)。主要組件包括系統(tǒng)時(shí)序、狀態(tài)監(jiān)控、存儲(chǔ)與通訊和主控板軟件（2）數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)接收模塊主要接收采集單元接口傳輸?shù)男盘?hào)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按照設(shè)定時(shí)間累加后，繼續(xù)傳輸給后一級(jí)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演。（3）數(shù)據(jù)反演主要包括圖像重構(gòu)、圖像去噪、目標(biāo)圖像輪廓和質(zhì)心提取等模塊。（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)反演的結(jié)果，經(jīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)在設(shè)定好的路徑中。（5）人機(jī)交互人機(jī)交互用于進(jìn)行參數(shù)輸入、命令控制和結(jié)果顯示。上位機(jī)采用QT環(huán)境開(kāi)發(fā)，界面設(shè)計(jì)如下，可顯示幀率、溫度及設(shè)置增益等。圖5.3-12上位機(jī)顯示圖5.3.6激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)的組裝和調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)安裝聯(lián)調(diào)完成后，激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)實(shí)物照片如圖：圖3-1激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)外觀照片6關(guān)鍵技術(shù)突破情況（1）激光器關(guān)鍵技術(shù)：高功率摻鉺光纖振蕩器和高功率摻鉺光纖放大器技術(shù)（2）接收鏡頭關(guān)鍵技術(shù)：紅外鏡頭大變倍比變焦技術(shù)和同步補(bǔ)償像面位置技術(shù)（3）探測(cè)器讀出電路關(guān)鍵技術(shù)：探測(cè)器高精度溫控技術(shù)和高幀頻數(shù)據(jù)讀取技術(shù)。7技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)證情況（1）第三方測(cè)試檢測(cè)記錄目標(biāo)靶板面積（最小可探測(cè)目標(biāo)）和激光器波長(zhǎng)兩項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)第三方測(cè)試，并出具CNAS認(rèn)證報(bào)告。（2）第三方監(jiān)督檢測(cè)測(cè)試（實(shí)驗(yàn)）結(jié)果記錄如下（簽字蓋章頁(yè)見(jiàn)附件？？）:a)最大成像距離測(cè)試按照測(cè)試檢驗(yàn)大綱中場(chǎng)景四的要求設(shè)置測(cè)試場(chǎng)景，將三塊相同的靶板固定在同一背景板上（見(jiàn)圖1左圖），固定于無(wú)人機(jī)掛架上（見(jiàn)圖1右圖）。激光雷達(dá)位于5km之外的建筑室內(nèi)，利用測(cè)距儀測(cè)量激光雷達(dá)到靶板之間的距離，重復(fù)測(cè)量三次，并記錄在表1中。圖1靶板及無(wú)人機(jī)掛載外景圖2測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片利用激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)開(kāi)展實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2：圖2測(cè)試實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片利用激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)拍攝并保存目標(biāo)靶板的圖像。由于每張圖像中都包含有三個(gè)相同的靶板，故測(cè)試過(guò)程屬于同時(shí)測(cè)量多個(gè)相同的對(duì)象，目的是通過(guò)同時(shí)測(cè)量多組數(shù)據(jù)，降低測(cè)量誤差。激光雷達(dá)驗(yàn)證樣機(jī)獲得的靶