一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法与流程

本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法。

背景技术：

激光雷达是以发射激光束探测目标位置等特征量的雷达系统。激光雷达在地球遥感方面应用广泛，在进行探测时需要接收距离10km-40km左右的激光回波信号，但10km-40km激光回波信号光强度有6个量级的范围。在低空的时候，每上升3km回波信号光强度约减少一个数量级；但在高空时，每上升10km回波信号光强度会减少一个数量级。为了提高探测的高度，通常增加激光器的发射功率或者提高探测器的灵敏度。但增加激光器的发射功率后，低空近距离的回波信号很强，容易造成接收系统饱和，甚至造成高灵敏度的探测器损失。

一般采用双通道结构设计和分时选道的方法进行测距，以防止光电探测器工作在饱和区。现有技术中采用双通道结构设计的激光雷达光学接收装置，其中,通过分光镜将接收光路分成近场和远场两个通道，这样通过分光将各通道的回波信号的功率进行分流，使得检测近场和远场的回波信号功率都能在光电检测器的饱和范围之内。

该光学接收装置运用了分光镜，当该装置装配完成后，该光学接收装置的分光比是固定的，这样不能满足自适应近距离和远距离的探测需求。

有鉴于此，现有技术有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法，从而解决了现有技术中激光雷达光学接收装置不能满足自适应近距离和远距离的探测需求的技术问题，简化了现有技术中双通道结构设计，采用了一个聚焦透镜和一个光电探测器，使得该装置具有光路简单、体积小的特性。

本发明的技术方案如下：

一种激光雷达光学接收装置，其中，包括依次连接设置的：

用于进行激光探测时，接收激光的回波信号的望远镜；用于对光信号准直的准直透镜；用于对背景光进行带通滤光的窄带滤光片；用于通过衰减传输光功率实现对光信号的控制的可变光衰减器；用于对光信号进行聚焦的聚焦透镜；用于根据光信号的光强度来输出对应的电信号的光电探测器；

所述望远镜出射的发散光通过所述准直透镜后聚集为平行出射光；平行出射光通过所述窄带滤光片后仅通过发射激光的窄波段范围的光信号；光信号通过所述可变光衰减器后光信号为平行出射光，光信号的光功率衰减为可变光衰减器加入电压值的函数；光信号通过所述聚焦透镜后，光信号由平行入射光聚集为聚焦出射光；所述光电探测器接收聚焦的光信号，并将光信号对应的电信号进行显示。

所述激光雷达光学接收装置，其中，在所述望远镜和所述准直透镜之间还包括用于限制视场范围的视场光阑。

所述激光雷达光学接收装置，其中，所述可变光衰减器由电压控制光信号的衰减量。

所述激光雷达光学接收装置，其中，所述视场光阑位于所述望远镜的焦点位置。

所述激光雷达光学接收装置，其中，所述视场光阑的孔径大小限定了光信号接收视场大小。

所述激光雷达光学接收装置，其中，所述光电探测器位于所述聚焦透镜的焦点位置。

所述激光雷达光学接收装置，其中，所述可变光衰减器为磁光VOA或液晶VOA。

一种激光雷达测距方法，其特征在于，该方法包括：

A、激光雷达发射器向目标发射激光信号；

B、在激光雷达光学接收装置的可变光衰减器上加入电压V，确定通过可变光衰减器光信号的衰减量；

C、用所述激光雷达光学接收装置接收激光回波信号；

D、根据接收激光信号的光强度、发射器发射的激光信号的光强度、目标距离及其他影响激光信号的光强度的参数，计算出目标到光学接收器间的距离。

所述激光雷达测距方法，其中，步骤B还包括：

根据探测回波信号的距离对可变光衰减器上加入的电压V进行调节。

所述激光雷达测距方法，其中，所述可变光衰减器由电压控制光信号的衰减量。

有益效果：本发明提出了一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法，该装置采用了一个聚焦透镜和一个光电探测器，简化了现有技术中双通道结构设计的激光雷达光学接收装置中采用两个聚焦透镜和两个光电探测器的结构，使得该装置具有光路简单、体积小的特性；通过可变光衰减器控制光信号的衰减量，能自适应近距离和远距离的探测需求，防止光电探测器工作在饱和区或者探测器损失；可变光衰减器中的电压值是连续可调的，因此分光比也是连续可调的，分光精度明显提高。

附图说明

图1为本发明中激光雷达光学接收装置的光路结构示意图。

图2为本发明中激光雷达测距方法的流程图。

图3为本发明中激光雷达测距接收装置的光路结构具体实施例的示意图。

图1符号说明：21望远镜；22视场光阑；23准直透镜；24窄带滤光片；25可变光衰减器；26聚焦透镜；27光电探测器。

具体实施方式

本发明提供了一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

当进行激光雷达测距应用时，将激光发射器发射的激光束对准进行探测的目标，激光束探测到有障碍物时进行反射，激光雷达中的光学接收装置接收该回波信号并得出回波信号光强度，根据回波距离与回波信号光强度、发射激光强度和其它相关参数的关系得出障碍物的距离，这样，即实现了激光雷达的测距。

通过激光雷达测距的实施例，对本发明的激光雷达光学接收装置的应用进行详细的说明。

如图1所示，为本发明的一种激光雷达光学接收装置，该装置包括：依次设置在同一光路上的望远镜21、视场光阑22、准直透镜23、窄带滤光片24、可变光衰减器25、聚焦透镜26和光电探测器27。望远镜21出射的光信号从左至右依次通过视场光阑22、准直透镜23、窄带滤光片24、可变光衰减器25、聚焦透镜26、光电探测器27。

用于进行激光探测时接收激光的回波信号的望远镜21，是由两个凹面反射镜和一个凸面反射镜构成的反射望远镜，光信号进入该望远镜时照射到凹面反射镜上，经过凹面反射镜和凸面反射镜的两次反射，光信号在望远镜的焦点处进行汇聚。

如图1所示，在望远镜21的出射光信号侧放置一个视场光阑22，该视场光阑22位于望远镜21焦点位置，用于限制光信号的视场范围。所述视场光阑22的孔径大小限定了光信号接收视场大小。通过望远镜聚焦出射的光信号，在经过视场光阑时，只有在视场光阑孔径范围内的光信号才可以通过，而超过视场光阑孔径边缘的光信号被阻挡，实际即是阻挡大视角的光信号进入该光学接收装置。激光有方向性好的特点，激光发射后发散角非常小，激光射出20km光斑直径只有20-30cm，因此，激光的回波信号的光斑直径也很小，在接收该回波信号时只需小的光信号接收视场，通过加入一定孔径大小的视场光阑来控制光信号接收视场的大小，从而也避免了大量的背景光被接收。

如图1所示，在视场光阑出光右侧放置一个准直透镜23，视场光阑22位于准直透镜23的焦点处，通过该准直透镜23后对光信号准直，即将发散入射光聚集为平行出射光。准直透镜23即为普通的凸透镜。

如图1所示，准直后的光信号入射到窄带滤光片24上，该窄带滤光片24对背景光进行带通滤光。激光雷达接收的回波信号除了发射激光波段的回波信号外，还包括外界其它光信号，需去除探测信号波段外的背景光。窄带滤光片允许特定波段的光信号通过，而偏离这个波段以外的光信号被阻止。因此，可以选择发射激光的窄波段范围的窄带滤光片，光信号通过该窄带滤光片后可以仅通过发射激光的窄波段范围的光信号，能够在该光学接收装置中去除干扰的背景光。滤光片一般是塑料或玻璃片再加入特殊染料而成。

如图1所示，在窄带滤光片24右侧放置一个可变光衰减器25。可变光衰减器25通过衰减传输光功率实现对光信号的控制，可以由电压控制光信号的衰减量。光信号通过所述可变光衰减器后光信号为平行出射光。发光功率＝光强*接收光信号的范围(角度)。在该装置中可变光衰减器接收光信号的角度范围是恒定的，因此，可以直接通过衰减传输的光强实现对光信号的控制。可变光衰减器(Variable optical attenuator)可为磁光VOA、液晶VOA、高光电系数材料VOA等。

在测距时，如果通过窄带滤光片24后的光信号的光强度为I₀，当可变光衰减器上加电压V，光信号的光功率衰减为可变光衰减器加入电压值的函数，出射光信号的光强度是电压V的函数，该出射光信号的光强度为I′＝I₀(V)。

当目标处于近场时，光信号的回波信号光强度很强，可能会造成光电探测器27工作在饱和区或者探测器损失，因此，有必要通过该可变光衰减器25减小光电探测器27接收到的回波信号光强度。当近场测距时，通过窄带滤光片24后的光信号的光强度为I_0近场，可变光衰减器25中加入电压V后，光信号的光强度为I'_近场＝I_0近场(V)，且满足I'_近场＜I_0近场，可根据需要调节衰变量，即可根据需要加入不同的电压值。如图3所示，I_0近场表示测距的目标较近时，通过窄带滤光片24后的光信号的光强度为I_0近场，I_0近场(V)代表通过衰减器的作用，是电压的函数；I’的光强度应小于探测器允许的辅入最大光强，大于探测器的阈值光强，才能保证能正常工作。

当目标处于远场时，光信号的回波信号光强度较弱，不需对光强进行衰减，此时衰减量可调节为0。当远场测距时，通过窄带滤光片24后的光信号的光强度为I_0远场，可变光衰减器25的衰减量为0，光信号的光强度为I′_远场＝I_0远场。

距离对回波信号光强度的影响很大，I_0远场＜＜I_0近场，如果不增加可变光衰减器25可能会造成光电探测器27失灵，增加可变光衰减器27后，可使得I'_远场、I'_近场的值相近，都能落入光电探测器的探测范围之内。

激光雷达光学接收装置的分光比γ与可变光衰减器25上加入的电压的关系为：

式1中激光雷达光学接收装置的分光比γ为可变光衰减器25上加入的电压V的函数，加入的电压是连续可调的，因此，分光比也是连续可调的，分光精度明显提高。

当回波信号经过可变光衰减器25后，通过可对光信号进行聚焦的聚焦透镜26，将光信号聚焦到光电探测器27上，所述光电探测器27位于聚焦透镜26的焦点位置。光信号通过所述聚焦透镜后，光信号由平行入射光聚集为聚焦出射光。该聚焦透镜即为普通的凸透镜。

光电探测器27接收聚焦的光信号，并将光信号对应的电信号进行显示。该光电探测器27用于根据光信号的光强度来输出对应的电信号，供后续电路使用。光电探测器27位于所述聚焦透镜26的焦点位置。将电信号转化为对等的光信号的光强度，根据该探测的光信号的光强度与发射器发射的激光信号的光强度与目标距离及其他影响光信号的光强度的参数的关系，可以计算出目标到光学接收器间的距离。这些参数包括：激光束特性、光学系统效率、光信号的衰变量等。

基于上述所述为一种激光雷达光学接收装置，提供了一种基于上述实话例所述激光雷达光学接收装置的激光雷达测距方法，本发明实施例还提供了一种激光雷达测距方法，进一步的进行解释说明，如图2所示，为本发明的激光雷达测距方法的流程图，该方法包括如下步骤：

S100、激光雷达发射器向目标发射激光信号。

激光雷达测距实际是通过激光碰到障碍物后进行反射，根据激光信号的光强度的损失来确定目标的距离。因此，进行测距时，应该将激光雷达发射器对准目标并发射激光信号。

S200、在激光雷达光学接收装置的可变光衰减器上加入电压V，确定通过可变光衰减器光信号的衰减量。

如果发射器的发射功率很大，当目标为低空物体时，则导致回波信号很强，光电探测器容易达到饱和甚至造成高灵敏度的探测器的损失。可变光衰减器由电压控制光信号的衰减量。当光学接收装置中的可变光衰减器上加入电压时，可以衰减接收的回波光信号的光功率，使得接收的光功率处于光电探测器的探测范围内；当目标处于高空物体时，回波光信号的会衰减，此时不用给可变光衰减器上加入电压，光电探测器接收的回波光信号的光功率是实际的光功率，使得接收的回波光信号的光功率仍然处于光电探测器的探测范围内。对可变光衰减器上加入的电压V可以根据探测回波信号的距离进行调节。

S300、用所述激光雷达光学接收装置接收激光回波信号。

激光雷达光学接收装置用于接收回波光信号，并通过光学接收装置中的光学器件对光信号进行优化并输出。该激光雷达光学接收装置的结构，具体如上所述。

S400、根据接收激光信号的光强度、发射器发射的激光信号的光强度、目标距离及其他影响激光信号的光强度的参数，计算出目标到光学接收器间的距离。

目标到光学接收器间的距离的计算不仅与激光信号的光强度相关，还与激光束特性、光学系统效率、光信号的衰变量等。距离与这些参数间具有确定的关系，当各个参数确定时，可以计算出位置的目标与光学接收器间的距离。

综上所述，本发明公开的一种激光雷达光学接收装置及激光雷达测距方法，该装置具有光路简单、稳定性好的特征；且该光学接收装置采用可变光衰减器控制光信号的衰减量，能自适应近距离和远距离的探测需求，防止光电探测器工作在饱和区或者探测器损失；可变光衰减器中的电压值是连续可调的，因此分光比也是连续可调的，分光精度明显提高。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。