一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统的制作方法

本实用新型属于激光三维探测技术领域，具体涉及一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统。

背景技术：

基于激光照明的主动式激光三维探测具有突出的优点，已经开始在包括无人汽车驾驶等诸多领域得到广泛应用。主动式激光三维探测系统一般包括激光发射系统和激光回波接收系统，为了保证激光发射系统和激光回波接收系统二者之间的视场吻合，激光发射系统和激光回波接收系统可以采用同轴配置或异轴配置。同轴配置的系统中发射视场和接收视场始终重合，因此其工作视场主要取决于发射激光的扫描范围。但是因为同轴配置的系统在光路上需要同时考虑发射和接收光路的拼接，一般光路较为复杂，此外发射激光的杂光背反射（或散射）在一定程度上也干扰目标回波信号的可靠探测。与此不同，异轴配置的激光三维探测系统，发射光路和接收光路各自独立，自身光路结构相对简单，而且发射光路中散射杂光对接收系统的干扰基本可以忽略，因此在某些应用中有其优点。但是异轴配置的激光三维探测接收视场和发射视场各自独立，在系统工作时两者视场的良好配准是保证系统正常工作的前提。

当一个异轴配置的激光三维探测系统用于较大视场范围的三维探测时，所涉及到的接收视场就会很大。如汽车无人驾驶系统所需要的激光雷达中，需探测的范围若包括从0.2米到200米的距离，则对应的张角就非常大，接近90度的探测视场。此时发射系统一般可以采用大角度的扫描振镜来覆盖目标视场，或者将激光束变换后直接采用大张角的激光照明覆盖目标视场。但是接收系统的视场往往很难采用同步的扫描振镜，一般需要特殊的结构设计。

对于一个接收光学系统，当接收面的尺寸确定后，光学系统的焦距越大，对应的视场就越小。反之，光学系统的焦距越小，对应的视场就越大。另一方面，从光学回波信号接收能力上看，透镜的口径越大，则接收能力越强，反之，透镜的口径越小，则接收能力越弱。大口径的光学透镜，其焦距很难做得很小，因此限制了其接收视场。小口径的光学系统，焦距较小，接收视场可以做得较大，但信号接收能力较弱。

对于类似如汽车无人驾驶系统中所用的激光三维探测，受限于可用的激光发射功率，远距离目标的激光回波信号明显较近距离目标的激光回波信号小，因此需要接收信号能力强的较大口径光学透镜，而此时由于远距离目标的张角实际较小，大口径光学透镜也确实能够覆盖相应的视场；而对于近距离目标，当所用激光照射强度相同时，激光回波信号较强，可以用较小口径的光学透镜接收，此时对应的接收视场大，正好对应近距离目标的大张角视场。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对异轴配置的大视场激光三维探测系统中的接收光学系统在没有扫描光学振镜时如何保证覆盖很大的光学接收视场问题，提出一种新的接收光学视场拼接装置的技术方案。本实用新型可以充分利用不同焦距透镜在接收信号能力的差异和接收光学视场上的差别，并考虑不同距离目标回波散射信号的强度特征，利用所实用新型的光学视场拼接技术设计一种既能覆盖整个大视场扫描范围，又能使收集的不同距离回波信号强度比较均衡的光学接收系统。该光学视场拼接技术能够广泛应用于异轴配置的大视场激光三维测量系统。

所述的一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统，其特征在于包括多个透镜组成的透镜组和多个子光纤束组成的光纤合束器，所述的透镜组中大口径的长焦距透镜对应远距目标的小视场，负责接收远距目标的激光回波信号，小直径的短焦距透镜对应近距目标的大视场，负责接收近距离目标的回波信号，所述的光纤合束器中的各个子光纤束输入端分别设置于透镜组的各个透镜的焦平面附近，收集激光回波信号，所述的光纤合束器的输出端将收集的激光回波信号传输到后续的单个光电探测器，由光电探测器转换成电信号。

所述的一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统，其特征在于所述的透镜组包含3个以上透镜，且所用透镜的口径和焦距各不相同，各个透镜的焦距为3毫米～100毫米，口径与焦距的选择原则为：透镜的焦距越大口径越大，对应的测距距离越大，视场角越小；透镜的焦距越小口径越小，对应的测距距离越小，视场角越大。

所述的一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统，其特征在于所述的光纤合束器包含多个的入射子光纤束和一个总的单一输出光纤束，所述的入射子光纤束的数量在3个以上。

所述的一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统，其特征在于所述的光纤合束器的输出端与光电探测器直接耦合或者经过光学透镜耦合，所用的光电探测器数量为一个。

本实用新型主要用于解决当前异轴配置大视场三维激光测量中的视场匹配技术难题，并具有结构简单、可靠，视场覆盖范围大，所覆盖视场中回波信号强度较为均衡的特点。由于本实用新型所述的技术中接收光学系统没有采用诸如振镜等运动件，系统可靠性增强，且接收视场和发射视场可以保证完全对准，对系统的稳定正常工作有很大帮助。基于上述原因，按照本实用新型所述系统，可以在大视场激光扫描照射下，有效获得不同工作距离上各个视场的三维激光图像。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

一种用于异轴配置大视场激光三维探测的视场拼接系统包括大视场的激光回波接收光学系统。大视场的激光回波接收光学系统由多个透镜组成的透镜组4和多个子光纤束组成的光纤合束器5构成。透镜组4包含3个以上透镜，且所用透镜的口径和焦距各不相同，各个透镜的焦距为3毫米～100毫米。透镜组4中透镜的口径与焦距的选择原则为：透镜的焦距越大口径越大，对应的测距距离越大，视场角越小；透镜的焦距越小口径越小，对应的测距距离越小，视场角越大。透镜组4中大口径的长焦距透镜对应远距目标的小视场，负责接收远距目标的激光回波信号，小直径的短焦距透镜对应近距目标的大视场，负责接收近距离目标的回波信号。光纤合束器5包含多个的入射子光纤束和一个总的单一输出光纤束，所述的入射子光纤束的数量在3个以上。光纤合束器5中的各个子光纤束输入端分别设置于透镜组4的各个透镜的焦平面附近，收集激光回波信号。光纤合束器5的输出端将收集的激光回波信号传输到后续的单个光电探测器6，由光电探测器6转换成电信号。

如图1所示，一个脉冲激光器1，经过光学扫描振镜2，向待测目标区域发射脉冲激光；所发射的脉冲激光经由待测目标3反射（或散射）后其中一部分进入到接收光学系统中。接收光学系统包含透镜组4，它由一组焦距不同的光学透镜组成，分别标示为透镜401、透镜402和透镜403，透镜组4中的各个透镜所接收的激光回波信号输入到光纤合束器5的各个子光纤束501、502、503的输入端，并由光纤合束器5的单一输出端输出耦合到光电探测器6，光电探测器6将激光回波光信号转换成电信号，由后续信号处理系统处理。

上述的脉冲激光器1是一种具有较高峰值功率固体激光器，包括半导体激光器和光纤激光器。

上述的扫描振镜2是一种可实现光学偏转的机械系统，包括电机驱动和压电陶瓷控制的光学扫描系统。

上述的透镜组4是由多个常规的光学透镜组成，其安装角度不同，能够相互衔接并覆盖整个光学接收视场。

上述的光纤合束器5为一种特殊结构的光纤束，一端为一个总的光纤束，另一端为包括多个子光纤束的多分枝结构。

上述的光电探测器6是一种具有较快响应速度的光电转换探测器，包括光电二极管、雪崩光电二极管、盖革模式运行的雪崩光电二极管、多光子探测器等器件。

本实用新型主要用于解决当前异轴配置大视场三维激光测量中的视场匹配技术难题，并具有结构简单、可靠，视场覆盖范围大，所覆盖视场中回波信号强度较为均衡的特点。由于本实用新型所述的技术中接收光学系统没有采用诸如振镜等运动件，系统可靠性增强，且接收视场和发射视场可以保证完全对准，对系统的稳定正常工作有很大帮助。基于上述原因，按照本实用新型所述系统，可以在大视场激光扫描照射下，有效获得不同工作距离上各个视场的三维激光图像。

作为一个示例，表1列出了测距距离范围与透镜参数,其中假设设备高度为6m，系统需要的最远测距距离L1_max为229.13m，每个透镜对应的视场角为Θi和最大/最小角度为Θi_max/Θi_min，则按如下公式计算（fi为透镜i焦距；Li_max/Li_min为透镜i的测距最远/最近距离；h为设备高度；i=1,2,3）：

Θi=114.65/fi，

Θ1—max=90-arctan（h/L1_max），

Θi—max-Θi—min=Θi，

Θi+1—max=Θi—min。

表1：大视场激光测距示例（设备高度6m，系统最远测距距离229.13m）

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。