一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统的制作方法

本发明属于激光雷达领域，具体涉及一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统。

背景技术：

激光雷达技术有着多年的研究历史，最初应用于国防、航空航天等领域。近年来随着激光技术和信息处理技术的发展，激光雷达在地图测绘、机器人空间定位、汽车无人驾驶等方面有着越来越多的应用。

激光雷达技术在具体的技术方案上有相位测量法、脉冲测量法、三角测量法等，其中脉冲测量法由于测量距离远、测量精度高，受到了广泛的关注。脉冲测量法的具体实现方式为：激光器发射激光，经过准直处理后照射在待测物体表面，有一部分激光在物体表面会被反射，并被探测器接收。根据测量发射激光和接收反射激光的时间差来计算待测物体与激光器之间的距离。

现有的激光雷达技术，发射激光和接收激光的光学系统是分离的，发射激光和接收激光采用完全不同的光路。发射激光一般由准直透镜进行，准直透镜将激光器发射的发散角比较大的激光准直成近似平行光后发射出去进行测量；接收激光一般由望远镜结构的透镜进行，望远镜将反射回来的激光进行汇聚，并由探测器接收。

现有技术的问题在于：

在现有技术中，由于发射激光和接收激光采用不同的光学透镜结构，因此接收到的激光信号和发射的激光信号之间不可避免产生像差，影响激光雷达系统的测量精度。同时，由于发射激光和接收激光采用独立的光学透镜结构，占用的体积大，成本也比较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

本发明的一个目的在于提供一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统，发射激光和接收激光采用同一套光学透镜结构，降低激光雷达系统的成本。

本发明的另一个目的在于提供一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统，发射激光和接收激光采用同一套光学透镜结构，减小接收到的激光信号和发射的激光信号之间的像差，由此提高激光雷达系统的测量精度。

为实现上述目的，本发明提供一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统，包括：

激光器，耦合器，发射和接收复用透镜，旋转扫描机构，探测器，控制处理单元和电源模块。发射和接收复用透镜与耦合器配合，将激光器发出的激光进行准直后向待测物体发射，同时将待测物体表面的反射激光进行汇聚并耦合进探测器中，系统中激光的发射和接收共用一套光学透镜结构。控制处理单元根据激光器发射激光和探测器接收到待测物体表面反射激光的时间差来测量待测物体的距离，根据测量时旋转扫描机构的角度信息得出待测物体所处的方向。

本发明中的电源模块为激光器、旋转扫描机构、探测器、控制处理单元供电。

本发明中的探测器为光电转换器件，将激光信号转换为电信号。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述旋转扫描机构为电动旋转平台，发射和接收复用透镜固定在电动旋转平台上，电动旋转平台通过自身的旋转带动发射和接收复用透镜旋转。电动旋转平台自带角度传感器，旋转时将角度信息发送给控制处理单元，控制处理单元根据所获得的角度信息得出待测物体所处的方向。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述旋转扫描机构为激光振镜；激光器发出并通过发射和接收复用透镜后照射在激光振镜的镜面上，激光振镜通过自身镜面的周期性翻转，带动激光的发射角度发生周期性偏转。激光振镜自带角度传感器，旋转时将角度信息发送给控制处理单元，控制处理单元根据所获得的角度信息得出待测物体所处的方向。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述耦合器为光纤环形器。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述耦合器为半透半反镜。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述发射和接收复用透镜为平凸透镜。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述激光器发出的激光为脉冲激光。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述激光器发出的激光的波长为905纳米。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述探测器为雪崩光电二极管。

本发明与现有技术的区别在于：

本发明提出了发射和接收光路复用的概念，发射激光和接收激光采用同一套透镜结构，降低了激光雷达的成本，提高了测量精度。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

附图说明

图1显示本发明中的一种实例性的实施例的总体示意图。

图2显示本发明中的另一种实例性的实施例的总体示意图。

图3显示本发明中的另一种实例性的实施例的光纤环形器示意图。

图4显示本发明中的另一种实例性的实施例的半透半反镜示意图。

图5显示本发明中的另一种实例性的实施例的平凸透镜示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露的实施例的全面理解。然而明显的，一个或多个实施例在没有具体细节的情况下也可以被实施。在其它情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，提供，包括一种采用发射和接收光路复用结构的激光雷达系统，包括：

激光器102，耦合器103，发射和接收复用透镜104，旋转扫描机105，探测器109，控制处理单元101。发射和接收复用透镜104与耦合器103配合，将激光器102发出的激光进行准直后向待测物体107发射测量激光106，同时将待测物体107表面的反射激光108进行汇聚并耦合进探测器109中，探测器109将测得的信号发送到控制处理单元101，系统中激光的发射和接收共用一套光学透镜结构。控制处理单元101根据激光器102发射测量激光106和探测器109接收到待测物体107表面反射激光108的时间差来测量待测物体107的距离，根据测量时旋转扫描机构105的角度信息得出待测物体107所处的方向。

本发明中的激光雷达系统还包括电源模块，电源模块为激光器102、旋转扫描机构105、探测器109和控制处理单元101供电。电源模块及其供电方式，作为一种公知常识，在本发明的实例性的实施例及相应的附图中，为了使表述简洁，对电源模块不作进一步阐述。

本发明中的探测器109为光电转换器件，将激光信号转换为电信号。在本发明的一个实例性的实施例中，探测器109为雪崩光电二极管。雪崩光电二极管为一种常用的光电探测器，可探测微弱光信号。作为本实例性的实施例的一个优选方案，雪崩光电二极管为加拿大埃赛力达公司的C30737型雪崩光电二极管。

在本发明的一个实例性的实施例中，如图1所示，旋转扫描机构105为激光振镜。激光振镜为一种常用的光学器件，也称为高速扫描振镜，常见的用途有激光打标机的扫描探头。激光振镜的基本工作原理是，激光振镜的驱动信号电路提供正反偏置电压，即可带动激光振镜的镜面发生偏转，偏转的角度与偏置电压的大小成正比。若对激光振镜提供周期性驱动信号，则激光振镜的镜面会发生周期性偏转，带动照射在镜面的激光发生周期性偏转。在本发明的一个实例性的实施例中，激光振镜采用西安励德微系统科技有限公司所产的LM1100型号一维激光振镜，本领域的普通技术人员应理解，其它厂家生产的激光振镜也可应用于本发明。

激光器102发出测量激光106并通过发射和接收复用透镜104后照射在激光振镜的镜面上，激光振镜通过自身镜面的周期性翻转，带动激光的发射角度发生周期性偏转。激光振镜自带角度传感器，旋转时将角度信息发送给控制处理单元101，控制处理单元101根据所获得的角度信息得出待测物体107所处的方向。

在本发明的一个实例性的实施例中，如图2所示，旋转扫描机构105为电动旋转平台，激光器102、耦合器103、发射和接收复用透镜104、探测器109和控制处理单元101固定在电动旋转平台上，电动旋转平台通过自身的旋转带动激光器102发出的测量激光106旋转，并由旋转的发射和接收复用透镜104将反射激光108接收。电动旋转平台自带角度传感器，旋转时将角度信息发送给控制处理单元101，控制处理单元101根据所获得的角度信息得出待测物体107所处的方向。

在本发明的一个实例性的实施例中，耦合器103为光纤环形器。光纤环形器为光通信中一种常用的光学器件，其工作方式如图2和图3所示，测量激光106从光纤环形器的入射端口201进入，经光纤环形器后，从出射端口202发出；反射激光108从出射端口202返回，经光纤环形器后，由返回端口203发出并被探测器109接收。由于光纤环形器的使用，使得测量激光106和反射激光108都通过端口202传输，为发射和接收复用透镜104同时发射测量激光106和接收反射激光108提供了条件。本领域的普通技术人员应了解，由于本实例性的实施例中，耦合器为光纤环形器，而光纤环形器为一种光纤器件，其端口都使用光纤进行连接，因此为达到好的实施效果，激光器102应该通过光纤输出激光，探测器109应该通过光纤输入激光。在激光技术领域中，带光纤输出的激光器和带光纤输入的探测器为常见的光电器件。作为一种优选方案，本实施例中的发射和接收复用透镜104也通过光纤与耦合器103的出射端口202连接。

在本发明的一个实例性的实施例中，耦合器103为半透半反镜。半透半反镜为一种常用的光学器件，在本实施例中的具体工作方式为图2和图4所示。半透半反镜在一边镜面镀有一层反射膜，入射激光照射在镜面上，一半激光沿原方向传输，另一半激光被反射回来。在本实施例中，测量激光106照射在半透半反镜上，一半激光透过镜面向待测物体107发射，在待测物体107表面反射回来的反射激光108照射在半透半反镜上，一半激光会被反射，反射激光被探测器109接收。由于半透半反镜的使用，使得测量激光106和反射激光108都通过端口202传输，为发射和接收复用透镜104同时发射测量激光106和接收反射激光108提供了条件。

光纤环形器和半透半反镜的区别在于，光纤环形器本身耦合效率较高，但光纤环形器的输入和输出端口都是光纤连接的，与之连接的激光器也需要光纤输出，而激光器发射端面和光纤之间的耦合效率较低，因此光纤环形器一般用于光纤系统。

在本发明的一个实例性的实施例中，如图5所示，发射和接收复用透镜104为平凸透镜。发射和接收复用透镜104将耦合器103出射端口202发出的测量激光106进行准直，并将反射回来的反射激光108汇聚进耦合器103的出射端口202中。本领域的普通技术人员应了解，当耦合器103的出射端口202处于平凸透镜的第一焦平面上时，出射端口202发出的发散的测量激光106会被准直成平行光；作为一种优选方案，耦合器103的出射端口202还处于平凸透镜的主光轴上。由光传输的可逆性可知，测量激光106在待测物体107表面会发生反射，一部分反射激光108沿原传输路径返回，经过平凸透镜后，会被汇聚进耦合器103的出射端口202。平凸透镜为一种常用的准直和汇聚光学元件，在光纤通信中，平凸透镜一般有光纤输入端口。

在本发明的一个实例性的实施例中，激光器102发出激光为脉冲激光。由脉冲探测法的原理，控制处理单元101根据激光器102发射测量激光106和探测器109接收到反射激光108的时间差来计算待测物体107的距离。激光雷达对距离的测量精度与脉冲宽度有关，一般来说，脉冲宽度越宽，测量精度越低。同时，由于激光雷达的测量距离与脉冲宽度也有关系，由于脉冲宽度越宽，激光能量越大，则测量距离越大。因此，一般脉冲宽度要综合考虑。作为本实例性的实施例的一种优选方案，脉冲激光的脉冲宽度为10纳秒。本领域的普通技术人员应该知道，脉冲宽度为10纳秒不应成为本实施例的一种限制。

在本实例性的实施例中，激光器102是周期性发射脉冲激光的，其周期根据待测物体或者激光雷达的测量距离决定，周期应该大于激光在测量距离内传播一个来回所需要的时间。作为一种示例性的说明，当待测物体106的距离为150米时，自激光器102发射激光，激光到达待测物体106的表面后，反射激光107被探测器接收的时间约为1微秒，则激光器102发射脉冲激光的周期要大于1微妙。作为本实例性的实施例的一种优选方案，选定激光器102发射脉冲激光的周期为2微秒，即每2微秒发射一次脉冲宽度为10纳秒的激光。本领域的普通技术人员应该知道，激光器102的周期为2微秒只是一种示例性说明，不应成为本实施例的一种限制。

在本发明的一个实例性的实施例中，激光器102发射的激光的波长为905纳米。激光器102的波长选择，要综合考虑人眼安全和在空气中的损耗，根据本领域的一般经验，波长905纳米的激光对人眼伤害较小且在空气中传输损耗低。

本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明的实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

虽然阐述本发明的构思的一些实施例已经被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。