无人机飞行激光雷达采集系统光学镜片分析
无人机搭载激光雷达（LiDAR）通过发射激光脉冲并接收反射信号，计算目标物体的距离和三维信息，广泛应用于地形测绘、林业调查、电力巡检、城市建模等领域；无人机（UAV）搭载LiDAR系统具有灵活、高效、低成本等优势，但受限于载荷体积和功耗，其光学系统需在轻量化、高透光率、抗环境干扰等方面进行优化。光学镜片作为激光发射与接收的核心组件，直接影响系统的测距精度、点云密度和信噪比。
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一、无人机激光雷达光学系统组成
无人机LiDAR的光学系统主要包括激光发射模块、接收�？楹蜕杈底椋婕暗墓庋Ь灯嘈腿缦�：
1.激光发射�？楣庋Ь灯�
准直透镜（Collimating Lens）：将激光二极管（LD）或光纤输出的发散激光束调整为平行光，提高测距能力，要求高透光率（>95%）、低波前畸变、抗激光损伤（如1064nm/1550nm波段镀膜）。
扩束镜（Beam Expander）：增大激光束直径，减少远距离传输时的发散角，提升测程，要求消色差设计（适用于多波长LiDAR）、轻量化（常用熔融石英或光学塑料）。
（光学透镜）
（无人机成像透镜）
2.激光接收模块光学镜片
接收物镜（Objective Lens）：用于收集目标反射的激光回波，聚焦到探测器（如APD或SPAD），要求大通光孔径（提升信噪比）、高透过率（近红外波段优化）、低畸变。
窄带滤光片：抑制环境光（如太阳光）干扰，仅允许LiDAR激光波长（如905nm/1550nm）通过，具有高截止深度（OD4~OD6）、窄带宽（±5nm）、角度稳定性（避免入射角影响透过率）。
分光镜：适用于多波长LiDAR分离不同波长的激光，用于多光谱探测或校准。
（无人机扫描振镜和光学滤光片）
3.扫描镜组光学镜片
1. 振镜或旋转棱镜：高速偏转激光束，实现大范围扫描（如MEMS微振镜用于轻量化无人机LiDAR），需满足高反射率（>98%）、低惯量（提升扫描频率）、抗振动。
2. 保护窗口：选择高硬度材质如蓝宝石玻璃进行增透镀膜用于减少表面反射损失，防止灰尘、雨水损坏内部光学元件。
（光学棱镜）
二、光学镜片关键性能指标
1. 透过率与镀膜：激光LiDAR常用波长905nm（低成本）和1550nm（人眼安全），光学镀膜要求需满足抗反射（AR）镀膜、高激光损伤阈值（尤其高功率LiDAR）。
2. 热稳定性：无人机作业环境温度变化大，镜片需低热膨胀系数（如熔融石英）。
3. 轻量化：选用光学塑料（如PMMA）或碳纤维镜筒可降低无人机载荷。
4. 环境适应性：防尘、防雾（疏水镀膜）、抗紫外线（长期户外使用）。
（无人机光学元件加工）
优化方向与挑战
1. 多光谱LiDAR的镜片兼容性：需支持可见光+近红外等多波段探测（如植被分析）。
2. 小型化与集成化：采用自由曲面光学设计，减少镜片数量，提升光路效率。
3. 抗干扰能力提升：优化窄带滤光片，抑制背景光噪声（如阳光、其他LiDAR干扰）。
4. 低成本方案：非球面塑料透镜替代部分玻璃透镜，降低量产成本。
无人机激光雷达的光学镜片设计直接影响系统的测距精度、稳定性和环境适应性，未来发展趋势将迈向更高的加工技术，更高透过率镀膜技术（如超宽带AR镀膜）、更轻量化材料（如硅基光学）、更智能自适应光学（动态调整焦距以补偿无人机振动）可能是下一代的发展目标，通过优化光学镜片，无人机LiDAR系统在测绘、自动驾驶、农业监测等领域将发挥更大作用。