一种激光雷达测距的方法与装置与流程

[0001]
本发明涉及激光雷达测距领域，具体为一种激光雷达测距的方法。
[0002]
本发明涉及激光雷达测距领域，具体为一种激光雷达测距的装置。


背景技术：

[0003]
作为一种能够获取物体位置、形状的信息的传感器，激光雷达适用于地形地图测绘。常用于室内建模、道路及设施数据采集、矿山采空区测量，或搭载于飞行器上进行大范围的电力巡线、林业普查、水利勘测等等，应用广泛。目前，激光雷达测量技术应用呈现多样化态势，除了传统测绘，在无人驾驶、智能机器人等新兴行业展现了广阔的市场前景。
[0004]
市场上的激光雷达公司多数使用的是 飞行时间技术（tof）技术，即通过光发射和接收的时间差来计算飞行时间，由此确定探测距离。但这种雷达测距方式其存在的一些问题，主要体现在：首先，发射光学天线和接收光学天线到光探测器间的光路需要复杂的调整，实现不容易。其次，抗干扰能力差：一方面抗环境中背景光的干扰能力差，另一方面体不同激光雷达间的相互干扰也无法有效去除。这就大大限制了此技术的应用。因此，市场上迫切需要一种实现容易、能有效解决抗干扰问题且的激光雷达技术。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于提供一种激光雷达测距的方法与装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种激光雷达测距的方法，包括以下步骤：s1:脉冲光源利用发射光纤在第一准直镜的焦点处发射探测光；s2：在第一准直镜焦点的后面,利用第二准直镜准直通过第一准直镜焦点未能以导行波方式耦合进发射光纤的待测空间物体的散射光；s3:将第二准直镜准直后的待测空间物体的散射光利用光纤耦合器或光纤耦合镜耦合进接收光纤；s4:利用光电探测器对接收光纤的光信号进行光电转换；s5:利用飞行时间法进行距离测量。
[0007]
优选的，该方法还包括：在脉冲光源与发射光纤间的光路间利用第一光环行器将光源发出的脉冲光接入光纤延迟干涉仪输入端，利用第二光环行器将光纤延迟干涉仪一个输出端输出光信接入发射光纤。
[0008]
优选的，该方法还包括：接收光纤连接第二光环行器的一个端口，使得接收光纤中的光信号能导入延迟干涉仪；光电探测器为平衡探测器，分别通过第一光环行器的一个端口和光纤延迟干涉仪的一个输入臂与光纤延迟干涉仪的输入端相连。
[0009]
优选的，该方法还包括：延迟干涉仪光路中光脉冲的宽度，不大于延迟干涉仪的臂长差。
[0010]
优选的，该方法还包括：光源的波长为850纳米，探测器采用硅基cmos探测器。
[0011]
一种激光雷达测距的装置，该装置包括：脉冲光源、光纤、第一准直镜、第二准直镜、光纤准直器、光电探测器、距离测量处理单元；脉冲光源，用于产生探测光脉冲；光纤，作为连接光路用于实现光脉冲的发送和接收；第一准直镜，用于实现光脉冲的准直发射和用于接收外空间中待测物体散射的光信号；第二准直镜，用于准直通过第一准直镜焦点未能以导行波方式耦合进发射光纤的外空间待测物体的散射光；光纤准直器，用于将第二准直镜准直后的光耦合进接收光纤光路中；光电探测器，用于对接收的信号光进行光电转换；距离测量处理单元，用于利用飞行时间法实现距离测量。
[0012]
优选的，该装置还包括：第一光环行器、第二光环行器、延迟干涉仪以及平衡探测器；第一光环行器，用于将脉冲光源的光脉冲引入延迟干涉仪，同时实现平衡探测器中的一路光探测器与延迟干涉仪的光路连接；第二光环行器，用于实现发射光信号以及接收光信号与延迟干涉仪的光路连接；平衡探测器，用于对延迟干涉仪的接收光信号进行光电转换和平衡接收。
[0013]
优选的，该装置光源的波长为850纳米，探测器采用硅基cmos探测器，第一准直镜及第二准直镜都为凸透镜。
[0014]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的激光雷达测距的方法与装置采用收发合置光学天线结构简单且抗干外界干扰能力强。
附图说明
[0015]
图1为本发明的整体流程图；图2为本发明实施方式图；图中：1、脉冲光源；2、第一光环行器；3、延迟干涉仪；4、第二光环行器；5、光纤；6、第一准直凸透镜；7、第二准直凸透镜；8、光纤准直器；9、光电平衡探测器；10距离测量处理单元。
具体实施方式
[0016]
下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
[0017]
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种激光雷达测距的方法和装置。
[0018]
本发明的目的是通过如下技术措施来达到：首先，脉冲光源利用发射光纤在第一准直镜的焦点处发射探测光；光纤作为光路连接器件，连接从光源开始的光路中各个部件，根据在光路中的位置和
作用不同分别被称做发射光纤、接收光纤以及连接光纤。从发射光纤中发出的光脉冲根据光纤的数值孔径不同有较大的发散角度，这个发散角不经过准直镜的准直就不能满足激光雷达测距时对发散角的要求。准直镜可以由透镜或透镜组组成也可以由反射镜或反射镜组来组成，例如:卡萨格林望远镜、伽利略望远镜以及单个凸透镜。以单个凸透镜为例，将发射光纤的端部放在凸透镜的焦点处，这样从光纤中发出的光就可以由透镜准直发出。
[0019]
其次，在第一准直镜焦点的后面,利用第二准直镜准直通过第一准直镜焦点未能以导行波方式耦合进发射光纤的待测空间物体的散射光；由上所述，从发射光纤端面以一定发射角发射的探测光，在第一准直镜上将形成一定直径大小的光斑，探测光被第一准直镜准直后射向待探测空间中的目标物体。在这里，第一准直镜充当激光雷达的发射光学天线，准直的作用是提高发射光学天线的增益。由于探测物体距离远大于第一准直镜的口径大小，因此可以认为从探测物体散射到第一准直镜镜面的光是相互平行的且其方向与准直后的发射光的方向一致。第一准直镜对发射光源来说是发射光学天线，对于待测物体的反射光来说，起到光学接收天线的作用。从接收光学天线的角度来说，较大的接收天线的口径对应较大的接收光学天线的接收增益。在第一准直镜口径面上，当待测物体散射光照射在发射的探测光在第一准直镜上形成的光斑以内区域时，根据光路的可逆性原理，这部分光由第一准直镜汇聚在焦点并被耦合进发射光纤中；当待测物体散射光照射在探测光在第一准直镜上形成的光斑以外区域时，这部分光同样由第一准直镜汇聚在焦点，但这部分光的入射角不再符合发射光纤数值孔径对入射角的要求，因此这部分光不能耦合进发射光纤进行导行波方式传输，而是会穿过光纤儿继续传输。通常为了取得较大的接收天线增益，第一准直镜的口径面积要比探测光在第一准直镜上形成的光斑的口径大的多，因此大多数待测目标物体的散射光都不能被耦合进发射光纤中，而是在发射光纤端面的第一准直镜的焦点处穿过发射光纤。第二准直镜的作用是收集并准直上述这些没有被耦合进发射光纤的待测物体散射光。第二准直镜可以是一个凸透镜，也可以由一组透镜或反射镜组成。
[0020]
再次，将第二准直镜准直后的待测空间物体的散射光利用光纤准直器耦合进接收光纤；前述第二准直镜能实现对目标光的准直，准直的目的是为了进一步将这些光耦合进接收光纤的光路中。将准直光耦合进光纤的常见器件是由尾纤与自聚焦透镜组成的光纤准直器或由透镜与光纤组成的光纤准直器。
[0021]
最后，利用光电探测器对接收光纤接收光信号进行光电转换，对于光电转换后的信号利用飞行时间法进行距离测量。
[0022]
飞行时间法简称为tof,是激光雷达测距的常用方法，本发明由光纤来接收并将其接收到的光信号传递给光电探测器，对于光电转换后的信号利用飞行时间法进行距离测量。
[0023]
以上技术措施由图1所示。
[0024]
优选地，还包括如下步骤：首先，在脉冲光源与发射光纤的光路间利用第一光环行器将光源发出的脉冲光接入光纤延迟干涉仪输入端，利用第二光环行器将光纤延迟干涉仪一个输出端输出光信接入发射光纤。
[0025]
这里的第一、第二光环行器的作用是接入延迟干涉仪，并使得发送的光脉冲和接收光纤接收到的光信号能分别从不同的方向通过延迟干涉仪，光环行器可以选用三端口的。延迟干涉仪也称为延迟线干涉仪通常应用在光通信领域，用于实现光dpsk调制信号的解调，这里选用的延迟干涉仪与用于光dpsk调制技术中的延迟干涉仪原理相同。对于发送光脉冲信号来说，光脉冲信号经过第一光环行器进入延迟仪，一个光脉冲信号分别经过延迟干涉仪的两个不等臂长的干涉臂而形成两个光脉冲信号，分别先后从延迟干涉仪的一个输出端口输出，利用连接光纤连接延迟干涉仪的此输出端口和第二光环行器的相应端口，使前述光脉冲信号通过第二光环行器进入发射光纤。
[0026]
其次，接收光纤连接第二光环行器的一个端口，使得接收光纤中的光信号能导入延迟干涉仪；光电探测器为平衡探测器，分别通过第一光环行器的一个端口和直通臂与光纤延迟干涉仪的输入端相连。
[0027]
对于接收光纤接收到的散射光信号来说，此信号通过接收光纤输入到第二光环行器的另一个端口，光信号通过第二光环行器从延迟干涉仪的输出端口接入到延迟干涉仪，实现光纤接收到的光信号能从另一个方向通过延迟干涉仪。
[0028]
再次，延迟干涉仪光路中光脉冲的宽度，不大于延迟干涉仪的臂长差。当延迟干涉仪光路中光脉冲的宽度不大于延迟干涉仪的臂长差时，只有通过延迟干涉仪后同时输出的两个光脉冲信号能实现干涉，这样测距信号的干扰比较小，便于方案实现；最后，光源的波长为850纳米，探测器采用硅基cmos探测器。
[0029]
本发明中采用延迟干涉仪和平衡接收等技术手段，能有效减少环境光的干扰，这使得应用850nm波段的光源成为可能。850 nm光源有下述优势：具有更低的大气水汽吸收，比其它流行的激光雷达工作波长（如1550 nm）要低几个数量级；硅基cmos探测器在850 nm处灵敏度高。
[0030]
综合利用上述的技术措施，本发明由图2所示的实施例装置来实现。
[0031]
图2所示装置其基本工作过程为：脉冲光源发出的光脉冲信号通过第一光环行器进入延迟干涉仪中，在延迟干涉仪的长短干涉臂中形成两个光脉冲，这两个光脉冲通过延迟干涉仪后由与延迟干涉仪输出端相连的光纤在第一准直凸透镜的焦点处发射，第一准直凸透镜对光纤中发出的光信号进行准直，然后将光信号发射进待测空间，遇到待测目标后散射，目标散射的先后两个光脉冲信号通过第一准直凸透镜、第二准直凸透镜、光纤准直器后进入接收光纤中，接收光纤与第二光环行器的端口相连，使得接收到的散射信号通过第二光环行器进入延迟干涉仪，此散射光信号分别经过干涉仪的长臂、短臂后同时从延迟干涉仪的输入端输出，其后分别经过第一光环行器和直连臂进入光电平衡探测器，在光电平衡探测器中进行光电转换并作减法运算形成测距信号，测距信号被送入距离测量处理单元后利用飞行时间法进行距离测量处理。