無人機飛行激光雷達采集系統(tǒng)光學鏡片分析

無人機搭載激光雷達（LiDAR）通過發(fā)射激光脈沖并接收反射信號，計算目標物體的距離和三維信息，廣泛應用于地形測繪、林業(yè)調(diào)查、電力巡檢、城市建模等領(lǐng)域；無人機（UAV）搭載LiDAR系統(tǒng)具有靈活、高效、低成本等優(yōu)勢，但受限于載荷體積和功耗，其光學系統(tǒng)需在輕量化、高透光率、抗環(huán)境干擾等方面進行優(yōu)化。光學鏡片作為激光發(fā)射與接收的核心組件，直接影響系統(tǒng)的測距精度、點云密度和信噪比。  

（圖源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

一、無人機激光雷達光學系統(tǒng)組成  

無人機LiDAR的光學系統(tǒng)主要包括激光發(fā)射模塊、接收模塊和掃描鏡組，涉及的光學鏡片類型如下：  

1.激光發(fā)射模塊光學鏡片  

準直透鏡（Collimating Lens）：將激光二極管（LD）或光纖輸出的發(fā)散激光束調(diào)整為平行光，提高測距能力，要求高透光率（>95%）、低波前畸變、抗激光損傷（如1064nm/1550nm波段鍍膜）。  

擴束鏡（Beam Expander）：增大激光束直徑，減少遠距離傳輸時的發(fā)散角，提升測程，要求消色差設(shè)計（適用于多波長LiDAR）、輕量化（常用熔融石英或光學塑料）。 

（光學透鏡）

（無人機成像透鏡）

2.激光接收模塊光學鏡片  

接收物鏡（Objective Lens）：用于收集目標反射的激光回波，聚焦到探測器（如APD或SPAD），要求大通光孔徑（提升信噪比）、高透過率（近紅外波段優(yōu)化）、低畸變。  

窄帶濾光片：抑制環(huán)境光（如太陽光）干擾，僅允許LiDAR激光波長（如905nm/1550nm）通過，具有高截止深度（OD4~OD6）、窄帶寬（±5nm）、角度穩(wěn)定性（避免入射角影響透過率）。  

分光鏡：適用于多波長LiDAR分離不同波長的激光，用于多光譜探測或校準。  

（無人機掃描振鏡和光學濾光片）

3.掃描鏡組光學鏡片  

1. 振鏡或旋轉(zhuǎn)棱鏡：高速偏轉(zhuǎn)激光束，實現(xiàn)大范圍掃描（如MEMS微振鏡用于輕量化無人機LiDAR），需滿足高反射率（>98%）、低慣量（提升掃描頻率）、抗振動。  

2. 保護窗口：選擇高硬度材質(zhì)如藍寶石玻璃進行增透鍍膜用于減少表面反射損失，防止灰塵、雨水損壞內(nèi)部光學元件。  

（光學棱鏡）

二、光學鏡片關(guān)鍵性能指標  

1. 透過率與鍍膜：激光LiDAR常用波長905nm（低成本）和1550nm（人眼安全），光學鍍膜要求需滿足抗反射（AR）鍍膜、高激光損傷閾值（尤其高功率LiDAR）。

2. 熱穩(wěn)定性：無人機作業(yè)環(huán)境溫度變化大，鏡片需低熱膨脹系數(shù)（如熔融石英）。

3. 輕量化：選用光學塑料（如PMMA）或碳纖維鏡筒可降低無人機載荷。

4. 環(huán)境適應性：防塵、防霧（疏水鍍膜）、抗紫外線（長期戶外使用）。

（無人機光學元件加工）

優(yōu)化方向與挑戰(zhàn)  

1. 多光譜LiDAR的鏡片兼容性：需支持可見光+近紅外等多波段探測（如植被分析）。

2. 小型化與集成化：采用自由曲面光學設(shè)計，減少鏡片數(shù)量，提升光路效率。

3. 抗干擾能力提升：優(yōu)化窄帶濾光片，抑制背景光噪聲（如陽光、其他LiDAR干擾）。

4. 低成本方案：非球面塑料透鏡替代部分玻璃透鏡，降低量產(chǎn)成本。

無人機激光雷達的光學鏡片設(shè)計直接影響系統(tǒng)的測距精度、穩(wěn)定性和環(huán)境適應性，未來發(fā)展趨勢將邁向更高的加工技術(shù)，更高透過率鍍膜技術(shù)（如超寬帶AR鍍膜）、更輕量化材料（如硅基光學）、更智能自適應光學（動態(tài)調(diào)整焦距以補償無人機振動）可能是下一代的發(fā)展目標，通過優(yōu)化光學鏡片，無人機LiDAR系統(tǒng)在測繪、自動駕駛、農(nóng)業(yè)監(jiān)測等領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大作用。