一种远距离探测的激光雷达及其探测方法与流程

【技术领域】

本发明涉及激光雷达技术领域，特别是涉及一种远距离探测的激光雷达及其探测方法。

背景技术：

激光雷达可用于获取目标环境的二维或三维点云参数，在很多领域有着广泛的应用。选择激光雷达的探测光源，主要考虑三个参数，分别是发光面尺寸、光源发散角和光源功率。目前，激光雷达的探测光源主要有半导体激光器和固体激光器，其中，半导体激光器的发光面尺寸较大，光源发散角也大，光源功率不高，但成本便宜，主要用于近距离且低成本的探测应用领域。固体激光器的发光面尺寸较小，光源发散角也小，光源功率很高，成本也很高，主要应用于远距离且成本较高的探测应用领域，但模块整体尺寸过大，未能大批量推广应用。

除上述两种探测光源，业界还采用光纤作为光源发射部分。普遍通用的技术方案是将半导体激光器的光能量耦合进多模光纤，通过多模光纤实现光能量的均匀输出，解决了半导体激光器光能量不均匀的问题，但依然只能满足近距离测量的技术要求。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于单模光纤激光器的激光雷达，能够用于远距离探测，且存在尺寸小、高性价比特点。

本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种远距离探测的激光雷达，包括激光雷达主体1、光纤激光器2、单模光纤3、出射光斑变换器4、激光雷达主体内的光路组件5、接收探测器6和光路出入射组件9构成，具体的：

光纤激光器2固定在激光雷达主体1内表面，所述光纤激光器2通过单模光纤3将光能传输给出射光斑变换器4；

所述出射光斑变换器4用于将出射光斑变换成圆形光斑；

所述光路组件5用于耦合所述出射光斑变换器4、接收探测器6和所述光路出入射组件9，使得所述出射光斑变换器4的出射光经过所述光路组件5抵达光路出入射组件9；而从光路出入射组件9接收回来的光信号能经过所述光路组件5传输给所述接收探测器6。

优选的，单模光纤3为小弯曲半径光纤；其中，当进行光纤绕模时，在不损失光能量的同时，使用所述小弯曲半径光纤，以便占用激光雷达主体1中小的安装固定空间。

优选的，单模光纤3的纤芯半径为9±1um，光斑发散角为8±1度；其中，所述小弯曲半径具体为7.5mm～10mm。

优选的，出射光斑变换器4包括斜角光纤出射插针4-1和斜角光纤补偿棱镜4-2；其中，所述斜角光纤出射插针4-1是将单模光纤3的斜角端面，嵌入陶瓷材料或者半导体材料制作成斜角模具，从而得到所述光纤出射插针4-1；所述斜角光纤补偿棱镜4-2用于将斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑调整为圆形光斑。

优选的，将单模光纤3端面磨成斜角，所述斜角为斜8±1度，从而得到单模光纤3的斜角端面。

优选的，所述斜角光纤补偿棱镜4-2具体为，与斜角光纤出射插针4-1耦合的一端为斜角，另一端出光面为平角，起到将从斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑变换为圆形光斑的作用。

优选的，所述光路组件5包括出射光学透镜51、光路折叠反射镜52、光路折叠棱镜53和滤波片54和接收光学透镜55，具体的：

经过出射光斑变换器4变换之后的发散的圆形光斑，经过出射光学透镜51变成准直圆形光斑，光线经过出射光学透镜51后平行向前输出，经过光路折叠反射镜52之后，光线传输至光路折叠棱镜53，将光线反射至所述光路出入射组件9；

光线在从目标物体反射回来后，经由所述光路出入射组件9传输到所述滤波片54，并再经过接收光学透镜55聚焦后，被所述接收探测器6采集到。

优选的，所述光路折叠棱镜53和滤波片54粘接在一起；其中，光路折叠棱镜53大小根据光路折叠反射镜52反射出来的光斑大小设定，使得所述光路折叠棱镜53的反射面与所述光路折叠反射镜52反射出来的光斑大小相差小于预设距离。

优选的，所述光路出入射组件9包括旋转电机91、旋转反射镜92、补偿透镜93和弧形出光面94，具体的：

旋转反射镜92和补偿透镜93通过连接件固定在一起，再安装固定在旋转电机91上面，通过电机的控制，实现旋转反射镜92和补偿透镜93的同步旋转；所述旋转电机91的驱动电路与主控电路板8电气连接；

其中，所述补偿透镜93是光线出光面采用凸面，光线入光面采用凹面的凹凸柱面结构，其中，水平方向上补偿光路出入射组件9中弧形出光面94所引起的光斑发散效应，竖直方向上作为平行玻璃板，保证了光路正常传输。

第二方面，本发明还提供了一种远距离探测的激光雷达的探测方法，使用第一方面所述的远距离探测的激光雷达，所述激光雷达还包括信号接收电路板7和主控电路板8；所述光纤激光器2和信号接收电路板7分别与所述主控电路板8电气相连；所述信号接收电路板7用于解析接收探测器6中的光信号，并将解析结果发送给所述主控电路板8；所述主控电路板8还用于根据获取到的解析结果控制光纤激光器2的工作功率，方法包括：

主控电路板8控制光纤激光器2按照预设的起始状态进入工作；

主控电路板8控制旋转电机91，带动旋转反射镜92和补偿透镜93转动，并实时获取，经过接收探测器6和信号接收电路板7传递过来的解析结果；

根据所述解析结果，调整光纤激光器2的工作功率，以及控制所述旋转电机91完成目标对象的探测过程。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明加入光斑变换系统，将椭圆形光斑变换成圆形光斑，易于实现空间各方向的均匀探测。

在本发明优选方式中，采用基于单模光纤的光纤激光器作为激光雷达的探测光源，发光面尺寸小(例如纤芯9um)，光源发散角小(例如数值孔径约为0.14)，光源功率高，光源部分尺寸较小，可实现远距离目标探测，且空间分辨率高，整体模块尺寸较小。

本发明的激光雷达采用发射和接收光学系统共光轴的光学设计，在进行空间旋转探测的时候，仅需要旋转扫描反射镜，系统的动平衡更易实现，转动也更稳定。

本发明优选方案中的出射窗口采用圆筒形状，对整体光斑起到发散作用，会增大光学系统的发散角；本发明采用了补偿透镜，对出射光口的光发散进行反向补偿，压缩了光斑的发散角。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的基于单模光纤激光器的激光雷达原理示意图；

图2为本发明实施例提供的出射光斑变换器示意图；

图3是本发明实施例提供的一种远距离探测的激光雷达探测方法流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种光路出入射组件圆柱筒结构示意图；

图5为本发明实施例提供的变换前后的光斑形状对比示意图；

图6为本发明实施例提供的光纤激光器和滤波片的传输光波长带宽对比示意图；

其中：

1：激光雷达主体；2：光纤激光器；3：单模光纤；4：出射光斑变换器；5：光路组件；6：接收探测器；7：光信号接收电路板；8：主控电路板；9：光路出入射组件；4-1：斜角光纤出射插针；4-2：斜角光纤补偿棱镜；51：出射光学透镜；52：光路折叠反射镜；53：光路折叠棱镜；54：滤波片；55：接收光学透镜；91：旋转电机；92：旋转反射镜；93：补偿透镜；94：弧形出光面。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种远距离探测的激光雷达，如图1所示，包括激光雷达主体1、光纤激光器2、单模光纤3、出射光斑变换器4、激光雷达主体内的光路组件5、接收探测器6和光路出入射组件9构成，具体的：

光纤激光器2固定在激光雷达主体1内表面，所述光纤激光器2通过单模光纤3将光能传输给出射光斑变换器4；

所述出射光斑变换器4用于将出射光斑变换成圆形光斑；

所述光路组件5用于耦合所述出射光斑变换器4、接收探测器6和所述光路出入射组件9，使得所述出射光斑变换器4的出射光经过所述光路组件5抵达光路出入射组件9；而从光路出入射组件9接收回来的光信号能经过所述光路组件5传输给所述接收探测器6。

本发明实施例光纤激光器的出光口是带斜度的光纤头，出射光斑为椭圆形光斑，进行全角度扫描测量时，各方向的探测分辨率存在不一致性；本发明专利加入光斑变换系统，将椭圆形光斑变换成圆形光斑，易于实现空间各方向的均匀探测。

在本发明实施例中，采用基于单模光纤的光纤激光器作为激光雷达的探测光源，发光面尺寸小(纤芯9±1um)，光源发散角小(数值孔径约为0.14)，光源功率高，光源部分尺寸较小，可实现远距离目标探测，且空间分辨率高，整体模块尺寸较小，因此，集合本发明实施例存在一种优选实现方案，单模光纤3为小弯曲半径光纤；其中，当进行光纤绕模时，在不损失光能量的同时，使用所述小弯曲半径光纤，以便占用激光雷达主体1中小的安装固定空间。例如，单模光纤3的纤芯半径为9um，数值孔径约为0.14，光斑发散角为8度；其中，所述小弯曲半径具体为弯曲半径为7.5mm～10mm的单模光纤。

本发明实施例中，考虑到光信号反射问题，优选的光纤激光器的出光口是带斜度的光纤头，然而，这样的技术操作会产生出射光斑为椭圆形光斑，进行全角度扫描测量时，各方向的探测分辨率存在不一致性。因此，结合本发明实施例还给与了一种可选方案，改善探测分辨率不一致性问题。具体的，如图2所示，出射光斑变换器4包括斜角光纤出射插针4-1和斜角光纤补偿棱镜4-2；其中，所述斜角光纤出射插针4-1是将单模光纤3的斜角端面，嵌入陶瓷材料或者半导体材料制作成斜角模具，从而得到所述光纤出射插针4-1；所述斜角光纤补偿棱镜4-2用于将斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑调整为圆形光斑。其中斜角端面的制作过程为，将单模光纤3端面磨成斜角，所述斜角为斜8±1度，从而得到单模光纤3的斜角端面。

其中，所述斜角光纤补偿棱镜4-2具体为与斜角光纤出射插针4-1耦合的一端为斜角，另一端出光面为平角，起到将从斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑变换为圆形光斑的作用；可选的，所述斜角光纤补偿棱镜4-2的制作材料可以是玻璃材料或者其他具有较高透光率的半导体材料。

在本发明实施例，如图1所示，对所述光路组件5给予了一种可行的实现方案包括出射光学透镜51、光路折叠反射镜52、光路折叠棱镜53和滤波片54和接收光学透镜55，具体的：

经过出射光斑变换器4变换之后的发散的圆形光斑，经过出射光学透镜51变成准直圆形光斑，光线经过出射光学透镜51后平行向前输出，经过光路折叠反射镜52之后，光线传输至光路折叠棱镜53，将光线反射至所述光路出入射组件9；

光线在从目标物体反射回来后，经由所述光路出入射组件9传输到所述滤波片54，并再经过接收光学透镜55聚焦后，被所述接收探测器6采集到。

本领域技术人员可知悉，因为选择的设置出光口的方向的不同，其中的光路折叠反射镜52便可能不是必要，例如将出射光斑变换器4的出光口直接设置成水平发射到光路折叠棱镜53上的形式，因此，基于图1所示的示例性光路结构，在适应性调整之后得到的衍生方案也属于本发明的保护范围。

在本发明实施例中，光路折叠棱镜53和滤波片54粘接在一起。其中，采用了光路折叠棱镜53和滤波片54组合即作为光纤激光器2的出光通道中的构成组件，也作为接收探测器6收光通道中的构成组件，因此，会带来部分接收光被所述折叠棱镜53阻挡的问题，因此，在本发明实施中，考虑到出光侧的纤芯半径为9±1um，相应的数值孔径为0.14，因此，所述光路折叠棱镜53可以做的尽可能的小，而对于目标对象反射回来的探测光(即上述的接收光)，则利用补偿透镜93和弧形出光面94的组合，使得反射回来的探测光在经过滤波片54时的有效光面积得以放大，从而减小由光路折叠棱镜53造成的目标对象反射回来的探测光损耗问题。

基于上述的分析，如图1所示，本发明实施例还提供了一种光路出入射组件9的实现方式，包括旋转电机91、旋转反射镜92、补偿透镜93和弧形出光面94，具体的：

旋转反射镜92和补偿透镜93通过连接件固定在一起，再安装固定在旋转电机91上面，通过电机的控制，实现旋转反射镜92和补偿透镜93的同步旋转；所述旋转电机91的驱动电路与主控电路板8电气连接；

其中，所述补偿透镜93是光线出光面采用凸面，光线入光面采用凹面的凹凸柱面结构，其中，水平方向上补偿光路出入射组件9中弧形出光面94所引起的光斑发散效应，竖直方向上作为平行玻璃板，保证了光路正常传输。

结合本发明实施例，还存在一种优选的实现方案，所述激光雷达还包括信号接收电路板(7)和主控电路板(8)；所述光纤激光器(2)和信号接收电路板(7)分别与所述主控电路板(8)电气相连；所述信号接收电路板(7)用于解析接收探测器(6)中的光信号，并将解析结果发送给所述主控电路板(8)；所述主控电路板(8)还用于根据获取到的解析结果控制光纤激光器(2)的工作功率。

实施例2：

本发明实施例还提供了一种远距离探测的激光雷达的探测方法，使用实施例1所述的远距离探测的激光雷达，如图3所示，方法包括：

在步骤201中，主控电路板8控制光纤激光器2按照预设的起始状态进入工作。

在步骤202中，主控电路板8控制旋转电机91，带动旋转反射镜92和补偿透镜93转动，并实时获取，经过接收探测器6和信号接收电路板7传递过来的解析结果。

在步骤203中，根据所述解析结果，调整光纤激光器2的工作功率，以及控制所述旋转电机91完成目标对象的探测过程。

本发明实施例通过加入光斑变换系统，将椭圆形光斑变换成圆形光斑，易于实现空间各方向的均匀探测。使得探测方法执行过程所采集到的数据，更易于计算机的分析和处理，提高了方法实现的效率。

由于本发明实施例的核心改进点在于对探测光信号的改善，因此，具体的探测方法实现细节可以借鉴相关现有技术实现，在此不多赘述。但是作为本领域技术人员可知悉，由于本发明实施例1所提出的结构改进，其可以相应的带来最终探测方法实现的效率和精确度的提高是可以进一步通过后续实施例3中所展开描述的原理机制推导得到。

实施例3：

本发明实施例将进一步从实现原理层面，结合实施例1中所涉及的特定技术方案组合，阐述本发明实施例的实现机制。

如图1所示，为本发明基于单模光纤激光器的激光雷达原理示意图，光纤激光器2通过导热胶水固定在激光雷达主体1内表面，因为光纤激光器在高频扫描工作时，会散发出较大的热量，需要通过导热胶水固定在外壳表面，在进行固定的同时，也可以将热量传输到外壳表面。为提高安装稳定性，光纤激光器2也需要通过螺钉固定加固在激光雷达主体1内表面上。光纤激光器2通过单模光纤3输出光能量，为减小整体模块的尺寸，单模光纤3优选小弯曲半径光纤，当进行光纤绕模时，在不损失光能量的同时，也可以使用更小的光纤绕模半径，可以安装固定在更小尺寸的激光雷达模块里面。单模光纤的纤芯半径约为9um，相对于半导体激光器的发光面积220um×10um，减小了两个数量级；数值孔径约为0.14，光斑发散角约为8度，相对于半导体激光器的发散角30度×10度，减小了一个数量级。因此，采用单模光纤作为光源发射部分，可以降低出射光斑的发散角，极大地提升激光雷达的空间分辨率。

出射光斑变换器4主要包括两部分，如图2所示，分别是斜角光纤出射插针4-1和斜角光纤补偿棱镜4-2。出射端面如果是平面，则在光纤平面存在菲涅尔反射，部分光功率会反射回光纤激光器主机，并对激光激发产生干扰，使得输出光功率产生波动。为解决此问题，需要将光纤端面磨成斜角端面，一般采用斜8度，则光纤端面返回光不会影响激光激发。但光纤端面的角度会使得出射光斑变成椭圆形，如图5所示。在使用激光雷达进行实际扫描测量时，不同方向的空间分辨率存在不一致性，会影响测试结果。本发明推出的出射光斑变换器4，首先将斜角端面光纤制作成斜角光纤出射插针4-1，再根据光斑椭圆度，经过理论计算，设计对应的斜角光纤补偿棱镜4-2，可以将出射光斑变换成圆形光斑，如图5所示。

经出射光斑变换器4变换之后的圆形光斑，经过出射光学透镜51，发散的圆形光斑转变成准直圆形光斑，并平行向前输出。经过光路折叠反射镜52之后，光线传输至光路折叠棱镜53，将光线反射至补偿透镜93。所述光路折叠棱镜53和滤波片54粘接在一起。本发明提出的激光雷达采用发射和接收光学系统共轴的光学设计，要求发射光束的中心轴和接收光束的中心轴重合，因此，光路折叠棱镜53的中心需和滤波片54的中心位置重合。滤波片54和接收光学透镜55需要通过外加连接件(此处略)固定在一起，外加连接件的加工精度需达到较高精度，保证二者的中心光轴重合，实现共光轴的光学设计。

本发明采用圆筒形状的光路出入射组件9，属于旋转对称的光学元件，可实现环360度的扫描探测，如图1所示。光路出入射组件9的弧形出光面94需增镀光学增透膜，提高光能量的透过率。在本发明实施例中，除了可以采用如图1所示的局部区域设置弧形出光面94以外，还可以将整个光路出入射组件9外壳利用玻璃或者透光性的硅材料，制作成如图4所示的圆筒形状的光路出入射组件9(其中，光路出入射组件9的其它组件包括旋转反射镜92和补偿透镜93则设置在图4所示的空腔内)，其同样会改变光路结构，其效果近似于凹柱透镜，因此，光路出入射组件9会对出射光斑产生发散的影响，需要进行逆向补偿，即在光路中加入凸柱透镜进行补偿。补偿透镜93采用的是凹凸柱面设计，z轴方向补偿光路出入射组件9所引起的光斑发散效应(即弧形出光面94在z轴方向上的发散)，x轴方向相当于在光路中加入了平行玻璃板，不会影响光路传输的效果(即弧形出光面94在y轴方向上无发散效果)。采用凹凸柱面的设计，是因为补偿透镜93也需要进行扫描探测，以便360度全角度范围对光路出入射组件9的发散效应进行逆补偿。凹凸柱面的设计有利于在进行粘接固定的时候，判定柱面透镜的方向，对发散方向进行有效补偿。经过补偿之后的光束，再经旋转反射镜92反射，经过光路出入射组件9，向外传输至探测目标18。旋转反射镜92和补偿透镜93通过连接件(此处略)固定在一起，再安装固定在旋转电机91上面，通过电机的控制，实现旋转反射镜92和补偿透镜93的同步旋转。此处，所有的旋转元件都必须完成动平衡设计，才能保证旋转探测的稳定性。

经过探测目标11反射回的光信号再依次经过光路出入射组件9、旋转反射镜92和补偿透镜93，传输至滤波片54。和传统的激光雷达不一样的地方，本发明实施例提出的滤波片54，安装在接收光学透镜55的前面，传统技术方案基本都将滤波片安装在接收光学透镜55之后、接收探测器14之前。此种滤波片设计，有以下几点优势：(1)滤波片仅需支持小角度范围以内的光线入射角，便于镀膜工艺设计和实现，同时有效将大角度散射的杂散光排除在外，提高接收部分的信噪比。(2)便于将滤波片设计成中间过渡元件，实现发射光学系统和接收光学系统的共光轴设计。本发明的技术方案基于单模光纤激光器，输出光波长波段很窄，半高宽带宽基本都小于2nm，而且通过温度控制，排除了外界环境温度变化对波长漂移的影响，因此，可以将滤波片54的半高宽带宽设计的很窄，只需要比输出波长带宽宽2～3nm，就可以满足要求，如图6所示，虚线代表光纤激光器输出波长的传输带宽，虚线代表滤波片54的传输带宽。更窄的滤波片传输带宽，更有利于排除干扰波长的烦扰，提高接收系统的信噪比，可以让激光雷达更能使用户外应用环境的应用场景。

接收光学透镜55将返回信号光聚焦到接收探测器14里面，为减小系统像差且提高光功率的接收效率，接收光学透镜55采用非球面光学透镜，可以实现近似衍射极限的聚焦效果，将更多的光能量聚焦到探测器表面接收，并将光信号转换成电信号。信号接收电路板15将所接收的电信号进行滤波及放大等处理，并将处理结果发送至信号分析电路板16，结合光纤激光器2返回的光发送信息(此处略)，计算出目标和探测点之间的距离信息。所获得的距离信息传输给主控电路板17，结合旋转电机91所返回的角度信息(此处略)，分析计算出对应的角度和距离信息。通过360度的精细角度扫描测量，可以将系列小角度的空间信息汇总在一起，即得到探测目标的空间点云数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。