一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統的製作方法

2023-11-04 08:02:57 1

本發明屬於雷射雷達領域，具體涉及一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統。

背景技術：

雷射雷達技術有著多年的研究歷史，最初應用於國防、航空航天等領域。近年來隨著雷射技術和信息處理技術的發展，雷射雷達在地圖測繪、機器人空間定位、汽車無人駕駛等方面有著越來越多的應用。

雷射雷達技術在具體的技術方案上有相位測量法、脈衝測量法、三角測量法等，其中脈衝測量法由於測量距離遠、測量精度高，受到了廣泛的關注。脈衝測量法的具體實現方式為：雷射器發射雷射，經過準直處理後照射在待測物體表面，有一部分雷射在物體表面會被反射，並被探測器接收。根據測量發射雷射和接收反射雷射的時間差來計算待測物體與雷射器之間的距離。

現有的雷射雷達技術，發射雷射和接收雷射的光學系統是分離的，發射雷射和接收雷射採用完全不同的光路。發射雷射一般由準直透鏡進行，準直透鏡將雷射器發射的發散角比較大的雷射準直成近似平行光後發射出去進行測量；接收雷射一般由望遠鏡結構的透鏡進行，望遠鏡將反射回來的雷射進行匯聚，並由探測器接收。

現有技術的問題在於：

在現有技術中，由於發射雷射和接收雷射採用不同的光學透鏡結構，因此接收到的雷射信號和發射的雷射信號之間不可避免產生像差，影響雷射雷達系統的測量精度。同時，由於發射雷射和接收雷射採用獨立的光學透鏡結構，佔用的體積大，成本也比較高。

技術實現要素：

本發明的目的在於解決現有技術存在的上述問題和缺陷的至少一個方面。

本發明的一個目的在於提供一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統，發射雷射和接收雷射採用同一套光學透鏡結構，降低雷射雷達系統的成本。

本發明的另一個目的在於提供一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統，發射雷射和接收雷射採用同一套光學透鏡結構，減小接收到的雷射信號和發射的雷射信號之間的像差，由此提高雷射雷達系統的測量精度。

為實現上述目的，本發明提供一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統，包括：

雷射器，耦合器，發射和接收復用透鏡，旋轉掃描機構，探測器，控制處理單元和電源模塊。發射和接收復用透鏡與耦合器配合，將雷射器發出的雷射進行準直後向待測物體發射，同時將待測物體表面的反射雷射進行匯聚並耦合進探測器中，系統中雷射的發射和接收共用一套光學透鏡結構。控制處理單元根據雷射器發射雷射和探測器接收到待測物體表面反射雷射的時間差來測量待測物體的距離，根據測量時旋轉掃描機構的角度信息得出待測物體所處的方向。

本發明中的電源模塊為雷射器、旋轉掃描機構、探測器、控制處理單元供電。

本發明中的探測器為光電轉換器件，將雷射信號轉換為電信號。

根據本發明的一個實例性的實施例，所述旋轉掃描機構為電動旋轉平臺，發射和接收復用透鏡固定在電動旋轉平臺上，電動旋轉平臺通過自身的旋轉帶動發射和接收復用透鏡旋轉。電動旋轉平臺自帶角度傳感器，旋轉時將角度信息發送給控制處理單元，控制處理單元根據所獲得的角度信息得出待測物體所處的方向。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述旋轉掃描機構為雷射振鏡；雷射器發出並通過發射和接收復用透鏡後照射在雷射振鏡的鏡面上，雷射振鏡通過自身鏡面的周期性翻轉，帶動雷射的發射角度發生周期性偏轉。雷射振鏡自帶角度傳感器，旋轉時將角度信息發送給控制處理單元，控制處理單元根據所獲得的角度信息得出待測物體所處的方向。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述耦合器為光纖環形器。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述耦合器為半透半反鏡。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述發射和接收復用透鏡為平凸透鏡。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述雷射器發出的雷射為脈衝雷射。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述雷射器發出的雷射的波長為905納米。

根據本發明的另一個實例性的實施例，所述探測器為雪崩光電二極體。

本發明與現有技術的區別在於：

本發明提出了發射和接收光路復用的概念，發射雷射和接收雷射採用同一套透鏡結構，降低了雷射雷達的成本，提高了測量精度。

通過下文中參照附圖對本發明所作的描述，本發明的其他目的和優點將顯而易見，並可幫助對本發明有全面的理解。

附圖說明

圖1顯示本發明中的一種實例性的實施例的總體示意圖。

圖2顯示本發明中的另一種實例性的實施例的總體示意圖。

圖3顯示本發明中的另一種實例性的實施例的光纖環形器示意圖。

圖4顯示本發明中的另一種實例性的實施例的半透半反鏡示意圖。

圖5顯示本發明中的另一種實例性的實施例的平凸透鏡示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號指示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發明實施方式的說明旨在對本發明的總體發明構思進行解釋，而不應當理解為對本發明的一種限制。

另外，在下面的詳細描述中，為便於解釋，闡述了許多具體的細節以提供對本披露的實施例的全面理解。然而明顯的，一個或多個實施例在沒有具體細節的情況下也可以被實施。在其它情況下，公知的結構和裝置以圖示的方式體現以簡化附圖。

根據本發明的一個總體技術構思，提供，包括一種採用發射和接收光路復用結構的雷射雷達系統，包括：

雷射器102，耦合器103，發射和接收復用透鏡104，旋轉掃描機105，探測器109，控制處理單元101。發射和接收復用透鏡104與耦合器103配合，將雷射器102發出的雷射進行準直後向待測物體107發射測量雷射106，同時將待測物體107表面的反射雷射108進行匯聚並耦合進探測器109中，探測器109將測得的信號發送到控制處理單元101，系統中雷射的發射和接收共用一套光學透鏡結構。控制處理單元101根據雷射器102發射測量雷射106和探測器109接收到待測物體107表面反射雷射108的時間差來測量待測物體107的距離，根據測量時旋轉掃描機構105的角度信息得出待測物體107所處的方向。

本發明中的雷射雷達系統還包括電源模塊，電源模塊為雷射器102、旋轉掃描機構105、探測器109和控制處理單元101供電。電源模塊及其供電方式，作為一種公知常識，在本發明的實例性的實施例及相應的附圖中，為了使表述簡潔，對電源模塊不作進一步闡述。

本發明中的探測器109為光電轉換器件，將雷射信號轉換為電信號。在本發明的一個實例性的實施例中，探測器109為雪崩光電二極體。雪崩光電二極體為一種常用的光電探測器，可探測微弱光信號。作為本實例性的實施例的一個優選方案，雪崩光電二極體為加拿大埃賽力達公司的C30737型雪崩光電二極體。

在本發明的一個實例性的實施例中，如圖1所示，旋轉掃描機構105為雷射振鏡。雷射振鏡為一種常用的光學器件，也稱為高速掃描振鏡，常見的用途有雷射打標機的掃描探頭。雷射振鏡的基本工作原理是，雷射振鏡的驅動信號電路提供正反偏置電壓，即可帶動雷射振鏡的鏡面發生偏轉，偏轉的角度與偏置電壓的大小成正比。若對雷射振鏡提供周期性驅動信號，則雷射振鏡的鏡面會發生周期性偏轉，帶動照射在鏡面的雷射發生周期性偏轉。在本發明的一個實例性的實施例中，雷射振鏡採用西安勵德微系統科技有限公司所產的LM1100型號一維雷射振鏡，本領域的普通技術人員應理解，其它廠家生產的雷射振鏡也可應用於本發明。

雷射器102發出測量雷射106並通過發射和接收復用透鏡104後照射在雷射振鏡的鏡面上，雷射振鏡通過自身鏡面的周期性翻轉，帶動雷射的發射角度發生周期性偏轉。雷射振鏡自帶角度傳感器，旋轉時將角度信息發送給控制處理單元101，控制處理單元101根據所獲得的角度信息得出待測物體107所處的方向。

在本發明的一個實例性的實施例中，如圖2所示，旋轉掃描機構105為電動旋轉平臺，雷射器102、耦合器103、發射和接收復用透鏡104、探測器109和控制處理單元101固定在電動旋轉平臺上，電動旋轉平臺通過自身的旋轉帶動雷射器102發出的測量雷射106旋轉，並由旋轉的發射和接收復用透鏡104將反射雷射108接收。電動旋轉平臺自帶角度傳感器，旋轉時將角度信息發送給控制處理單元101，控制處理單元101根據所獲得的角度信息得出待測物體107所處的方向。

在本發明的一個實例性的實施例中，耦合器103為光纖環形器。光纖環形器為光通信中一種常用的光學器件，其工作方式如圖2和圖3所示，測量雷射106從光纖環形器的入射埠201進入，經光纖環形器後，從出射埠202發出；反射雷射108從出射埠202返回，經光纖環形器後，由返回埠203發出並被探測器109接收。由於光纖環形器的使用，使得測量雷射106和反射雷射108都通過埠202傳輸，為發射和接收復用透鏡104同時發射測量雷射106和接收反射雷射108提供了條件。本領域的普通技術人員應了解，由於本實例性的實施例中，耦合器為光纖環形器，而光纖環形器為一種光纖器件，其埠都使用光纖進行連接，因此為達到好的實施效果，雷射器102應該通過光纖輸出雷射，探測器109應該通過光纖輸入雷射。在雷射技術領域中，帶光纖輸出的雷射器和帶光纖輸入的探測器為常見的光電器件。作為一種優選方案，本實施例中的發射和接收復用透鏡104也通過光纖與耦合器103的出射埠202連接。

在本發明的一個實例性的實施例中，耦合器103為半透半反鏡。半透半反鏡為一種常用的光學器件，在本實施例中的具體工作方式為圖2和圖4所示。半透半反鏡在一邊鏡面鍍有一層反射膜，入射雷射照射在鏡面上，一半雷射沿原方向傳輸，另一半雷射被反射回來。在本實施例中，測量雷射106照射在半透半反鏡上，一半雷射透過鏡面向待測物體107發射，在待測物體107表面反射回來的反射雷射108照射在半透半反鏡上，一半雷射會被反射，反射雷射被探測器109接收。由於半透半反鏡的使用，使得測量雷射106和反射雷射108都通過埠202傳輸，為發射和接收復用透鏡104同時發射測量雷射106和接收反射雷射108提供了條件。

光纖環形器和半透半反鏡的區別在於，光纖環形器本身耦合效率較高，但光纖環形器的輸入和輸出埠都是光纖連接的，與之連接的雷射器也需要光纖輸出，而雷射器發射端面和光纖之間的耦合效率較低，因此光纖環形器一般用於光纖系統。

在本發明的一個實例性的實施例中，如圖5所示，發射和接收復用透鏡104為平凸透鏡。發射和接收復用透鏡104將耦合器103出射埠202發出的測量雷射106進行準直，並將反射回來的反射雷射108匯聚進耦合器103的出射埠202中。本領域的普通技術人員應了解，當耦合器103的出射埠202處於平凸透鏡的第一焦平面上時，出射埠202發出的發散的測量雷射106會被準直成平行光；作為一種優選方案，耦合器103的出射埠202還處於平凸透鏡的主光軸上。由光傳輸的可逆性可知，測量雷射106在待測物體107表面會發生反射，一部分反射雷射108沿原傳輸路徑返回，經過平凸透鏡後，會被匯聚進耦合器103的出射埠202。平凸透鏡為一種常用的準直和匯聚光學元件，在光纖通信中，平凸透鏡一般有光纖輸入埠。

在本發明的一個實例性的實施例中，雷射器102發出雷射為脈衝雷射。由脈衝探測法的原理，控制處理單元101根據雷射器102發射測量雷射106和探測器109接收到反射雷射108的時間差來計算待測物體107的距離。雷射雷達對距離的測量精度與脈衝寬度有關，一般來說，脈衝寬度越寬，測量精度越低。同時，由於雷射雷達的測量距離與脈衝寬度也有關係，由於脈衝寬度越寬，雷射能量越大，則測量距離越大。因此，一般脈衝寬度要綜合考慮。作為本實例性的實施例的一種優選方案，脈衝雷射的脈衝寬度為10納秒。本領域的普通技術人員應該知道，脈衝寬度為10納秒不應成為本實施例的一種限制。

在本實例性的實施例中，雷射器102是周期性發射脈衝雷射的，其周期根據待測物體或者雷射雷達的測量距離決定，周期應該大於雷射在測量距離內傳播一個來回所需要的時間。作為一種示例性的說明，當待測物體106的距離為150米時，自雷射器102發射雷射，雷射到達待測物體106的表面後，反射雷射107被探測器接收的時間約為1微秒，則雷射器102發射脈衝雷射的周期要大於1微妙。作為本實例性的實施例的一種優選方案，選定雷射器102發射脈衝雷射的周期為2微秒，即每2微秒發射一次脈衝寬度為10納秒的雷射。本領域的普通技術人員應該知道，雷射器102的周期為2微秒只是一種示例性說明，不應成為本實施例的一種限制。

在本發明的一個實例性的實施例中，雷射器102發射的雷射的波長為905納米。雷射器102的波長選擇，要綜合考慮人眼安全和在空氣中的損耗，根據本領域的一般經驗，波長905納米的雷射對人眼傷害較小且在空氣中傳輸損耗低。

本領域的技術人員可以理解，上面所描述的實施例都是示例性的，並且本領域的技術人員可以對其進行改進，各種實施例中所描述的結構在不發生結構或者原理方面的衝突的情況下可以進行自由組合。

雖然結合附圖對本發明進行了說明，但是附圖中公開的實施例旨在對本發明的實施方式進行示例性說明，而不能理解為對本發明的一種限制。

雖然闡述本發明的構思的一些實施例已經被顯示和說明，本領域普通技術人員將理解，在不背離本發明構思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本發明的範圍以權利要求和它們的等同物限定。