本發(fā)明屬于激光雷達(dá)領(lǐng)域，具體涉及一種采用發(fā)射和接收光路復(fù)用結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)技術(shù)有著多年的研究歷史，最初應(yīng)用于國防、航空航天等領(lǐng)域。近年來隨著激光技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，激光雷達(dá)在地圖測繪、機(jī)器人空間定位、汽車無人駕駛等方面有著越來越多的應(yīng)用。

激光雷達(dá)技術(shù)在具體的技術(shù)方案上有相位測量法、脈沖測量法、三角測量法等，其中脈沖測量法由于測量距離遠(yuǎn)、測量精度高，受到了廣泛的關(guān)注。脈沖測量法的具體實(shí)現(xiàn)方式為：激光器發(fā)射激光，經(jīng)過準(zhǔn)直處理后照射在待測物體表面，有一部分激光在物體表面會被反射，并被探測器接收。根據(jù)測量發(fā)射激光和接收反射激光的時間差來計(jì)算待測物體與激光器之間的距離。

現(xiàn)有的激光雷達(dá)技術(shù)，發(fā)射激光和接收激光的光學(xué)系統(tǒng)是分離的，發(fā)射激光和接收激光采用完全不同的光路。發(fā)射激光一般由準(zhǔn)直透鏡進(jìn)行，準(zhǔn)直透鏡將激光器發(fā)射的發(fā)散角比較大的激光準(zhǔn)直成近似平行光后發(fā)射出去進(jìn)行測量；接收激光一般由望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的透鏡進(jìn)行，望遠(yuǎn)鏡將反射回來的激光進(jìn)行匯聚，并由探測器接收。

現(xiàn)有技術(shù)的問題在于：

在現(xiàn)有技術(shù)中，由于發(fā)射激光和接收激光采用不同的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，因此接收到的激光信號和發(fā)射的激光信號之間不可避免產(chǎn)生像差，影響激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量精度。同時，由于發(fā)射激光和接收激光采用獨(dú)立的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，占用的體積大，成本也比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題和缺陷的至少一個方面。

本發(fā)明的一個目的在于提供一種采用發(fā)射和接收光路復(fù)用結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)射激光和接收激光采用同一套光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，降低激光雷達(dá)系統(tǒng)的成本。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種采用發(fā)射和接收光路復(fù)用結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，發(fā)射激光和接收激光采用同一套光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)，減小接收到的激光信號和發(fā)射的激光信號之間的像差，由此提高激光雷達(dá)系統(tǒng)的測量精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種采用發(fā)射和接收光路復(fù)用結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括：

激光器，耦合器，發(fā)射和接收復(fù)用透鏡，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，探測器，控制處理單元和電源模塊。發(fā)射和接收復(fù)用透鏡與耦合器配合，將激光器發(fā)出的激光進(jìn)行準(zhǔn)直后向待測物體發(fā)射，同時將待測物體表面的反射激光進(jìn)行匯聚并耦合進(jìn)探測器中，系統(tǒng)中激光的發(fā)射和接收共用一套光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)?？刂铺幚韱卧鶕?jù)激光器發(fā)射激光和探測器接收到待測物體表面反射激光的時間差來測量待測物體的距離，根據(jù)測量時旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)的角度信息得出待測物體所處的方向。

本發(fā)明中的電源模塊為激光器、旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)、探測器、控制處理單元供電。

本發(fā)明中的探測器為光電轉(zhuǎn)換器件，將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)為電動旋轉(zhuǎn)平臺，發(fā)射和接收復(fù)用透鏡固定在電動旋轉(zhuǎn)平臺上，電動旋轉(zhuǎn)平臺通過自身的旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)射和接收復(fù)用透鏡旋轉(zhuǎn)。電動旋轉(zhuǎn)平臺自帶角度傳感器，旋轉(zhuǎn)時將角度信息發(fā)送給控制處理單元，控制處理單元根據(jù)所獲得的角度信息得出待測物體所處的方向。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)為激光振鏡；激光器發(fā)出并通過發(fā)射和接收復(fù)用透鏡后照射在激光振鏡的鏡面上，激光振鏡通過自身鏡面的周期性翻轉(zhuǎn)，帶動激光的發(fā)射角度發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)。激光振鏡自帶角度傳感器，旋轉(zhuǎn)時將角度信息發(fā)送給控制處理單元，控制處理單元根據(jù)所獲得的角度信息得出待測物體所處的方向。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述耦合器為光纖環(huán)形器。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述耦合器為半透半反鏡。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述發(fā)射和接收復(fù)用透鏡為平凸透鏡。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述激光器發(fā)出的激光為脈沖激光。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述激光器發(fā)出的激光的波長為905納米。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)例性的實(shí)施例，所述探測器為雪崩光電二極管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于：

本發(fā)明提出了發(fā)射和接收光路復(fù)用的概念，發(fā)射激光和接收激光采用同一套透鏡結(jié)構(gòu)，降低了激光雷達(dá)的成本，提高了測量精度。

通過下文中參照附圖對本發(fā)明所作的描述，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，并可幫助對本發(fā)明有全面的理解。

附圖說明

圖1顯示本發(fā)明中的一種實(shí)例性的實(shí)施例的總體示意圖。

圖2顯示本發(fā)明中的另一種實(shí)例性的實(shí)施例的總體示意圖。

圖3顯示本發(fā)明中的另一種實(shí)例性的實(shí)施例的光纖環(huán)形器示意圖。

圖4顯示本發(fā)明中的另一種實(shí)例性的實(shí)施例的半透半反鏡示意圖。

圖5顯示本發(fā)明中的另一種實(shí)例性的實(shí)施例的平凸透鏡示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標(biāo)號指示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發(fā)明實(shí)施方式的說明旨在對本發(fā)明的總體發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行解釋，而不應(yīng)當(dāng)理解為對本發(fā)明的一種限制。

另外，在下面的詳細(xì)描述中，為便于解釋，闡述了許多具體的細(xì)節(jié)以提供對本披露的實(shí)施例的全面理解。然而明顯的，一個或多個實(shí)施例在沒有具體細(xì)節(jié)的情況下也可以被實(shí)施。在其它情況下，公知的結(jié)構(gòu)和裝置以圖示的方式體現(xiàn)以簡化附圖。

根據(jù)本發(fā)明的一個總體技術(shù)構(gòu)思，提供，包括一種采用發(fā)射和接收光路復(fù)用結(jié)構(gòu)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，包括：

激光器102，耦合器103，發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)105，探測器109，控制處理單元101。發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104與耦合器103配合，將激光器102發(fā)出的激光進(jìn)行準(zhǔn)直后向待測物體107發(fā)射測量激光106，同時將待測物體107表面的反射激光108進(jìn)行匯聚并耦合進(jìn)探測器109中，探測器109將測得的信號發(fā)送到控制處理單元101，系統(tǒng)中激光的發(fā)射和接收共用一套光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。控制處理單元101根據(jù)激光器102發(fā)射測量激光106和探測器109接收到待測物體107表面反射激光108的時間差來測量待測物體107的距離，根據(jù)測量時旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)105的角度信息得出待測物體107所處的方向。

本發(fā)明中的激光雷達(dá)系統(tǒng)還包括電源模塊，電源模塊為激光器102、旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)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(fā)明的實(shí)例性的實(shí)施例及相應(yīng)的附圖中，為了使表述簡潔，對電源模塊不作進(jìn)一步闡述。

本發(fā)明中的探測器109為光電轉(zhuǎn)換器件，將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號。在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，探測器109為雪崩光電二極管。雪崩光電二極管為一種常用的光電探測器，可探測微弱光信號。作為本實(shí)例性的實(shí)施例的一個優(yōu)選方案，雪崩光電二極管為加拿大埃賽力達(dá)公司的C30737型雪崩光電二極管。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，如圖1所示，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)105為激光振鏡。激光振鏡為一種常用的光學(xué)器件，也稱為高速掃描振鏡，常見的用途有激光打標(biāo)機(jī)的掃描探頭。激光振鏡的基本工作原理是，激光振鏡的驅(qū)動信號電路提供正反偏置電壓，即可帶動激光振鏡的鏡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度與偏置電壓的大小成正比。若對激光振鏡提供周期性驅(qū)動信號，則激光振鏡的鏡面會發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)，帶動照射在鏡面的激光發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)。在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，激光振鏡采用西安勵德微系統(tǒng)科技有限公司所產(chǎn)的LM1100型號一維激光振鏡，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解，其它廠家生產(chǎn)的激光振鏡也可應(yīng)用于本發(fā)明。

激光器102發(fā)出測量激光106并通過發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104后照射在激光振鏡的鏡面上，激光振鏡通過自身鏡面的周期性翻轉(zhuǎn)，帶動激光的發(fā)射角度發(fā)生周期性偏轉(zhuǎn)。激光振鏡自帶角度傳感器，旋轉(zhuǎn)時將角度信息發(fā)送給控制處理單元101，控制處理單元101根據(jù)所獲得的角度信息得出待測物體107所處的方向。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)105為電動旋轉(zhuǎn)平臺，激光器102、耦合器103、發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104、探測器109和控制處理單元101固定在電動旋轉(zhuǎn)平臺上，電動旋轉(zhuǎn)平臺通過自身的旋轉(zhuǎn)帶動激光器102發(fā)出的測量激光106旋轉(zhuǎn)，并由旋轉(zhuǎn)的發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104將反射激光108接收。電動旋轉(zhuǎn)平臺自帶角度傳感器，旋轉(zhuǎn)時將角度信息發(fā)送給控制處理單元101，控制處理單元101根據(jù)所獲得的角度信息得出待測物體107所處的方向。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，耦合器103為光纖環(huán)形器。光纖環(huán)形器為光通信中一種常用的光學(xué)器件，其工作方式如圖2和圖3所示，測量激光106從光纖環(huán)形器的入射端口201進(jìn)入，經(jīng)光纖環(huán)形器后，從出射端口202發(fā)出；反射激光108從出射端口202返回，經(jīng)光纖環(huán)形器后，由返回端口203發(fā)出并被探測器109接收。由于光纖環(huán)形器的使用，使得測量激光106和反射激光108都通過端口202傳輸，為發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104同時發(fā)射測量激光106和接收反射激光108提供了條件。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)了解，由于本實(shí)例性的實(shí)施例中，耦合器為光纖環(huán)形器，而光纖環(huán)形器為一種光纖器件，其端口都使用光纖進(jìn)行連接，因此為達(dá)到好的實(shí)施效果，激光器102應(yīng)該通過光纖輸出激光，探測器109應(yīng)該通過光纖輸入激光。在激光技術(shù)領(lǐng)域中，帶光纖輸出的激光器和帶光纖輸入的探測器為常見的光電器件。作為一種優(yōu)選方案，本實(shí)施例中的發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104也通過光纖與耦合器103的出射端口202連接。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)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(xué)器件，在本實(shí)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，入射激光照射在鏡面上，一半激光沿原方向傳輸，另一半激光被反射回來。在本實(shí)施例中，測量激光106照射在半透半反鏡上，一半激光透過鏡面向待測物體107發(fā)射，在待測物體107表面反射回來的反射激光108照射在半透半反鏡上，一半激光會被反射，反射激光被探測器109接收。由于半透半反鏡的使用，使得測量激光106和反射激光108都通過端口202傳輸，為發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104同時發(fā)射測量激光106和接收反射激光108提供了條件。

光纖環(huán)形器和半透半反鏡的區(qū)別在于，光纖環(huán)形器本身耦合效率較高，但光纖環(huán)形器的輸入和輸出端口都是光纖連接的，與之連接的激光器也需要光纖輸出，而激光器發(fā)射端面和光纖之間的耦合效率較低，因此光纖環(huán)形器一般用于光纖系統(tǒng)。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，如圖5所示，發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104為平凸透鏡。發(fā)射和接收復(fù)用透鏡104將耦合器103出射端口202發(fā)出的測量激光106進(jìn)行準(zhǔn)直，并將反射回來的反射激光108匯聚進(jìn)耦合器103的出射端口202中。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)了解，當(dāng)耦合器103的出射端口202處于平凸透鏡的第一焦平面上時，出射端口202發(fā)出的發(fā)散的測量激光106會被準(zhǔn)直成平行光；作為一種優(yōu)選方案，耦合器103的出射端口202還處于平凸透鏡的主光軸上。由光傳輸?shù)目赡嫘钥芍?，測量激光106在待測物體107表面會發(fā)生反射，一部分反射激光108沿原傳輸路徑返回，經(jīng)過平凸透鏡后，會被匯聚進(jìn)耦合器103的出射端口202。平凸透鏡為一種常用的準(zhǔn)直和匯聚光學(xué)元件，在光纖通信中，平凸透鏡一般有光纖輸入端口。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，激光器102發(fā)出激光為脈沖激光。由脈沖探測法的原理，控制處理單元101根據(jù)激光器102發(fā)射測量激光106和探測器109接收到反射激光108的時間差來計(jì)算待測物體107的距離。激光雷達(dá)對距離的測量精度與脈沖寬度有關(guān)，一般來說，脈沖寬度越寬，測量精度越低。同時，由于激光雷達(dá)的測量距離與脈沖寬度也有關(guān)系，由于脈沖寬度越寬，激光能量越大，則測量距離越大。因此，一般脈沖寬度要綜合考慮。作為本實(shí)例性的實(shí)施例的一種優(yōu)選方案，脈沖激光的脈沖寬度為10納秒。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道，脈沖寬度為10納秒不應(yīng)成為本實(shí)施例的一種限制。

在本實(shí)例性的實(shí)施例中，激光器102是周期性發(fā)射脈沖激光的，其周期根據(jù)待測物體或者激光雷達(dá)的測量距離決定，周期應(yīng)該大于激光在測量距離內(nèi)傳播一個來回所需要的時間。作為一種示例性的說明，當(dāng)待測物體106的距離為150米時，自激光器102發(fā)射激光，激光到達(dá)待測物體106的表面后，反射激光107被探測器接收的時間約為1微秒，則激光器102發(fā)射脈沖激光的周期要大于1微妙。作為本實(shí)例性的實(shí)施例的一種優(yōu)選方案，選定激光器102發(fā)射脈沖激光的周期為2微秒，即每2微秒發(fā)射一次脈沖寬度為10納秒的激光。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該知道，激光器102的周期為2微秒只是一種示例性說明，不應(yīng)成為本實(shí)施例的一種限制。

在本發(fā)明的一個實(shí)例性的實(shí)施例中，激光器102發(fā)射的激光的波長為905納米。激光器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(jù)本領(lǐng)域的一般經(jīng)驗(yàn)，波長905納米的激光對人眼傷害較小且在空氣中傳輸損耗低。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，上面所描述的實(shí)施例都是示例性的，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對其進(jìn)行改進(jìn)，各種實(shí)施例中所描述的結(jié)構(gòu)在不發(fā)生結(jié)構(gòu)或者原理方面的沖突的情況下可以進(jìn)行自由組合。

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

雖然闡述本發(fā)明的構(gòu)思的一些實(shí)施例已經(jīng)被顯示和說明，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解，在不背離本發(fā)明構(gòu)思的原則和精神的情況下，可對這些實(shí)施例做出改變，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求和它們的等同物限定。