激光雷达滤光片

激光雷达滤光片

以下滤光片数据由Alluxa提供  

由青岛普瑞兰特光电设备有限公司翻译整理

图1.显示来自空中激光高度计的单个和多个返回信号之间的差异的图表。

图片来源：Alluxa

激光雷达（LIDAR，Light Detection and Ranging）是一种用途广泛的主动遥感技术，广泛应用于地球和大气科学、自动驾驶汽车、城市规划等领域。滤光片是激光雷达传感器最重要的组成元件之一，它在隔离目标信号的同时，也防止阳光和其他外来光到达探测器。从激光高度计到拉曼激光雷达系统，各种各样的应用和传感器类型，都具有不同的回波信号强度，对激光雷达滤光片也有不同要求。因此，激光雷达滤光片的设计必须考虑到具体的应用和传感器类型，以便最大限度地提高信噪比。

激光雷达

激光高度计和其它激光雷达传感器穿过环境扫描脉冲激光，并通过计算传感器在发射和接收信号时的精确位置和方向来确定反射信号的返回时间。要实现这一点，激光雷达系统需要5个基本组件：激光器、机械或软件扫描系统、接收器或光电探测器、GPS元件和高精度时钟。空中激光雷达系统还需要一个惯性测量单元（IMU）来确定方位。

如果一个激光雷达脉冲只遇到一个物体，如裸地，将返回一个相应的信号。然而，由于光束在发射时通常是展开的，因此在信号到达地面之前，可能会遇到多个物体，例如树枝和灌木，从而产生多个反射信号。根据相关软件，激光雷达系统要么将这些返回记录为离散点，要么将数据显示为波形，将每个返回显示成时间函数（图1）。其结果是一个数据点云，可用于创建高分辨率数字高程模型（DEM）或标示周围环境的三维图像。

激光雷达滤光片

尽管可以使用各种不同的滤波技术隔离返回信号，但大多数激光雷达系统使用了薄膜干涉滤光片，因为它们非常耐用，不需要维护或校准。这是一个重要的考虑因素，因为许多激光雷达传感器安装在卫星、飞机、无人机、自主车辆和其他平台上，这些平台要求传感器在恶劣的环境条件下工作，尽量不需要维护。

由于激光雷达回波信号的精确性，大多数激光雷达滤光片都是超窄带薄膜干涉滤光片。这些滤光片必须能够在超窄带宽上实现高透过，以隔离返回信号，并在大波长范围内实现深度带外截止，以衰减阳光和其他外来光（图3）。然而，有许多不同类型的激光雷达系统，每种系统都要求应用特定的滤光片，以最大限度地提高信噪比。例如，激光高度计通常要求超窄带干涉滤光片在半带宽处的最大值（FHWM）小于1.5nm，同时激光波长达到90%以上的透过，并在约300-1300 nm的范围中实现大于OD6（-60dB或0.0001%的透过）的带外截止。另一方面，拉曼激光雷达滤光片光谱必须具有非常陡峭的边缘，当将拉曼信号传输到检测器的时候，较强的可变后向散射信号被截止，截止深度达到OD8（-80dB或0.000001%透过）。有关不同应用对特定激光雷达干涉滤光片要求的详细信息，请阅读我们最近的白皮书。

图3.窄带激光雷达干干涉滤光片。

激光雷达系统还要求滤光片的薄膜涂层必须尽可能均匀。当均匀性不佳时，薄膜层厚度在滤光片的整个表面上变化，导致滤光片光谱在透明孔径上的位置相关波长偏移。如果一个均匀性不佳的滤光片被集成到激光雷达系统中，大量的激光雷达回波信号最终会被滤光片截止而无法到达探测器。均匀性良好的的薄膜涂层将确保目标信号不会被滤光片截止（图4）。

图4.直径为72 mm的均匀性控制良好的激光雷达干涉滤光片，其中心波长在净孔径上的变化小于0.035%。

此外，激光雷达滤光片的设计还必须考虑传感器平台和环境条件。空中和地面激光雷达系统的工作温度范围为-40°C至+105°C，而卫星激光雷达的工作范围取决于卫星的轨道和热控制系统。因此，在极端温度下工作的系统中集成的任何干涉滤光片都应经过专业设计，最小化温度对相关波长偏移的影响（图5）。

图5.设计用于宽温度范围工作的激光雷达干涉滤光片。

Alluxa超窄带激光雷达干涉滤光片

Alluxa是超窄带干涉滤光片世界级领导者，为激光雷达滤光片提供最大量的选择。创新的SIRRUS等离子体沉积工艺使我们能够设计和制造均匀性控制良好和热稳定性良好的激光雷达滤光片，这些滤光片具有大于90%的透过率、亚纳米级带宽、陡峭的边缘和宽范围的带外截止。

点击查看激光雷达滤光片详情