一种收发同轴激光雷达系统的制作方法

1.本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种收发同轴激光雷达系统。


背景技术：

2.激光雷达是一种利用激光完成三维探测的遥感技术。其中距离的探测通常使用时间飞行法（time of flight，tof），即利用脉冲激光，通过记录发射脉冲和接收脉冲的时间差，来计算物体的纵向距离。至于探测光束在二维平面上的探测，目前常见的方法通常利用机械旋转、旋转多面反射棱镜、或mems振镜扫描的方法，这些方案中均会用到机械旋转部件，不仅抗震性不高，而且寿命较短。
3.由于没有机械旋转部件，基于数字微镜阵列（digital micro-mirror device，dmd）的激光雷达受到了广泛关注。dmd由一系列微米尺寸的铝镜周期排布组成，每个微镜都可以独立地沿其对角线旋转
±
12
°
。其中旋转+12
°
称为“开态”，旋转-12
°
称为“关态”。对dmd输入控制信号，dmd中相应的微镜旋转至开态，其他微镜旋转至关态，这些微镜对dmd的入射光进行不同方向的偏转，完成对入射光的调制。基于dmd的激光雷达通常如图1所示：收发系统分置，dmd放置于发射系统，通过开启dmd上不同的微镜使得发射光形成二维激光扫描阵列对不同子视场进行扫描；接收系统通过接收镜头将目标物体的反射光进行接收并会聚到探测器感光面上进行收集并处理。然而，由于收发系统离轴放置，收发视场无法做到严格对准，探测过程中会存在盲区，如图2所示，发射视场和接收视场无法交叠的阴影部分即为探测盲区。


技术实现要素：

4.本发明实施例的目的在于提供一种收发同轴激光雷达系统，旨在解决现有收发系统离轴放置，收发视场无法做到严格对准，探测过程中会存在盲区的问题。
5.本发明实施例是这样实现的，一种收发同轴激光雷达系统，所述收发同轴激光雷达系统包括反射棱镜、镜头、数字微镜器件、设置于所述反射棱镜一侧的激光器、设置在所述反射棱镜与镜头之间的光环形器以及设置于所述光环形器一侧的探测器；所述数字微镜器件设置在所述反射棱镜一侧且远离所述光环形器；所述光环形器包括第一端口、第二端口以及第三端口；所述激光器，用于发射脉冲激光以使所述脉冲激光经所述反射棱镜照射在所述数字微镜器件上，使所述数字微镜器件的出射光由所述光环行器的第一端口进入，第二端口出射，并由所述镜头出射；所述镜头，用于将目标物体的反射光进行收集，并将所述目标物体的反射光从所述光环行器的第二端口入射，第三端口出射，入射到所述探测器中进行探测处理。
6.本发明实施例的另一目的在于一种收发同轴激光雷达系统，所述收发同轴激光雷达系统包括反射棱镜、镜头、设置在所述反射棱镜与镜头之间的光环形器、设置于所述光环形器一侧的激光器以及设置于所述镜头一侧且远离所述光环形器的探测器；所述光环形器
包括第一端口、第二端口以及第三端口；所述激光器，用于发射脉冲激光以使出射光从所述光环行器的第一端口进入，第二端口出射至所述反射棱镜上，以使目标物体的反射光从所述光环行器的第二端口入射，第三端口出射；所述镜头，用于收集目标物体的反射光，并入射到所述探测器中进行探测处理。
7.本发明实施例提供的收发同轴激光雷达系统，通过共用同一个收发镜头，收发视场重合，无需进行收发视场对准，不存在盲区的问题；并且通过在反射棱镜与镜头之间设置光环形器，减少了收发同轴过程中的光损失，提高了信噪比，另外，本发明所用器件简单，大大降低了成本和系统复杂度，具有多种应用场景。
附图说明
8.图1为现有技术提供的利用dmd进行视场扫描的激光雷达设置的示意图；图2为现有技术提供的离轴放置收发系统会使探测存在盲区的示意图；图3为现有技术提供的利用分束棱镜实现收发同轴的示意图；图4为本技术实施例提供的一种收发同轴激光雷达系统的结构示意图；图5为本技术实施例提供的另一种收发同轴激光雷达系统的结构示意图；图6为本技术实施例提供的法拉第旋转效应示意图；图7为本技术实施例提供的光环行器示意图；图8为本技术实施例提供的基于法拉第旋转效应的光环行器结构示意图；图9为本技术实施例提供的应用于激光雷达系统的光环行器光路示意图；图10为本技术实施例提供的应用于激光雷达系统的光环行器的另一种光路示意图。
具体实施方式
9.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。
10.面对探测盲区时，可以利用分束棱镜使得收发系统同轴放置，如图3所示，其中实线表示发射光，虚线表示接收光。在这种设置下，发射光和接收光都会分别经过分束棱镜，使得出射的发射光功率降低一半，接收光功率再降低一半，整个系统降低了75%的效率，实用性不高。
11.图4为本发明实施例提供的一种收发同轴激光雷达系统的结构示意图，所述收发同轴激光雷达系统包括2反射棱镜、5镜头、3数字微镜器件、设置于所述2反射棱镜一侧的1激光器、设置在所述2反射棱镜与5镜头之间的4光环形器以及设置于所述4光环形器一侧的6探测器；所述3数字微镜器件设置在所述2反射棱镜一侧且远离所述4光环形器；所述4光环形器包括端口1、端口2以及端口3；所述1激光器，用于发射脉冲激光以使所述脉冲激光经所述2反射棱镜照射在所述3数字微镜器件上，使所述3数字微镜器件的出射光由所述4光环行器的端口1进入，端口2出射，并由所述5镜头出射；
所述5镜头，用于将目标物体的反射光进行收集，并将所述目标物体的反射光从所述4光环行器的端口2入射，端口3出射，入射到所述6探测器中进行探测处理。
12.可选地，在一些实施例中，1激光器为脉冲激光器，用于发射脉冲激光，可包含准直镜或扩束镜，对激光进行准直或扩束。2tir（全内反射total internal reflection，tir）棱镜用于将3dmd（数字微镜器件）的入射光与出射光分离。3dmd开启不同的微镜，进行发射子视场的选择。4光环行器用于将发射光与接收光进行分离，从不同端口输出。5镜头用于将dmd出射的激光发射出去，同时对待测目标反射的目标光进行接收，可为单透镜或镜头组。6探测器用于接收目标光，可为光电二极管、光电倍增管或雪崩光电二极管等；同时可包含单透镜、镜头组、光纤光锥、聚光器等集光器件对目标光进行会聚。
13.具体地，1激光器、2tir棱镜、3dmd与5镜头构成发射系统，通过开启dmd上不同的微镜使得发射光形成二维激光扫描阵列对不同子视场进行扫描。5镜头与6探测器构成接收系统，对目标光进行收集和探测。4光环形器用于使得发射系统与接收系统同轴，由于收发系统共用同一个镜头，因此收发视场完全相同。另外，4光环行器基于法拉第旋光器、1/2波片和偏振分束棱镜，用于使得发射激光从端口1进入，端口2输出；接收光由端口2进入，从端口3输出。其中4光环行器的具体结构与1激光器抖动偏振方向有关。
14.在一些实施例中，该收发同轴激光雷达系统的探测过程如图1所示，其中实线表示发射光，虚线表示接收光：1激光器发射的激光经2tir棱镜照射在3dmd上，3dmd的出射光由4光环形器的端口1进入、端口2出射，并由5镜头出射，形成二维激光扫描阵列对不同子视场进行扫描。由于光路的可逆性，5镜头将目标物体的反射光进行收集，从4光环行器的端口2入射，并从端口3出射，入射到5探测器中进行探测及处理。
15.本技术实施例提供的收发同轴激光雷达系统，包括激光器、tir棱镜、dmd、光环形器、镜头和探测器。其中激光器、tir棱镜、dmd与镜头构成发射系统，通过开启dmd上不同的微镜使得发射光形成二维激光扫描阵列对不同子视场进行扫描；镜头与探测器构成接收系统，对目标光进行收集和探测；利用光环形器使得收发系统在没有光损失的前提下共用同一个镜头，收发视场完全相同，即收发同轴。
16.此外，这种收发同轴关联成像还可以应用于其他激光雷达系统，如基于机械旋转、旋转多面反射棱镜、或mems振镜扫描的激光雷达。图5展示了本发明实施例提供的另一种收发同轴激光雷达系统的结构示意图，即基于旋转多面反射棱镜的激光雷达系统。
17.在一些实施例中，所述收发同轴激光雷达系统包括旋转多面反射棱镜、接收镜头、设置在所述旋转多面反射棱镜与接收镜头之间的光环形器、设置于所述光环形器一侧的激光器以及设置于所述接收镜头一侧且远离所述光环形器的探测器；所述光环形器包括端口1、端口2以及端口3；所述激光器，用于发射脉冲激光以使出射光从所述光环行器的端口1进入，端口2出射至所述旋转多面反射棱镜上，以使目标物体的反射光从所述光环行器的端口2入射，端口3出射；所述接收镜头，用于收集目标物体的反射光，并入射到所述探测器中进行探测处理。
18.可选地，在一些实施例中，激光器发射准直光，由光环行器的端口1进入，端口2出射；待测的目标光由端口2进入，端口3出射，由接收镜头进行收集，由探测器进行探测。收发
模块固定不动，由电机带动棱镜旋转，将发射激光反射出去、接收光反射进接收系统，从而实现在空间中的扫描探测。
19.本技术实施例提供的收发同轴激光雷达系统共用同一个收发镜头，收发视场重合，无需进行收发视场对准，不存在盲区的问题；并且利用光环行器，减少了收发同轴过程中的光损失，提高了信噪比；还简单的器件降低了成本和系统复杂度，具有多种应用场景。
20.本技术实施例还针对激光雷达系统提出了多种光环行器结构设计，利用简单的器件对成本控制了成本。
21.如图6所示，当p1方向的线偏振光穿过介质时，若在介质中加一平行于光的传播方向的磁场，则出射光的偏振方向p2将发生旋转，这种磁致旋光现象是1845年由法拉第首先发现的，故称为法拉第旋转效应，振动面转过的角度θ称为法拉第效应旋光角，该系统称为法拉第旋光器，如图6(a)所示。法拉第旋转效应的一个很重要的性质是，当光的传播方向反转时，法拉第旋转的左右方向互换。在图6(b)所示的光路中，当p2偏振方向的光反向入射介质时，出射光的偏振方向在p2的基础上反向旋转了θ角，偏振方向为p3。这种性质也可以表述为，无论光的入射方向是什么，法拉第旋光器都会将光的偏振方向以同一方向旋转θ角。
22.根据法拉第旋转效应可以制作光环形器，即光由端口1输入时，能够从端口2输出；由端口2输入时，能够由端口3输出，如图7所示。光环形器有多种可能的结构，其中一种如图8所示：当偏振方向水平的光由端口1进入，透射经过偏振分束棱镜后进入法拉第旋光器，将偏振方向以逆时针旋转45
°
出射，再经过1/2波片对光的偏振方向顺时针旋转45
°
，以水平偏振从端口2出射。当水平偏振光从端口2入射后，经1/2波片后偏振方向逆时针旋转45
°
，经法拉第旋光器后再次逆时针旋转45
°
，以垂直偏振从法拉第旋光器输出，由偏振分束棱镜反射，从端口3输出。
23.在一些实施例中，在激光雷达光路中，发射光为激光，常为线偏振光；接收光为待测目标的漫反射光，通常为非偏振光。基于这种特性，可以将图8所示的光路应用于激光雷达中，如图9所示。对于水平偏振的发射光，从端口1进入，能够透射经过偏振分束棱镜1，再先后经法拉第旋光器对光的偏振逆时针旋转45
°
、1/2波片1顺时针旋转45
°
后，经偏振分束棱镜2后透射出射，从端口2出射。对于非偏振的接收光，由端口2进入后，其垂直偏振方向的分量经偏振分束棱镜2反射，并由1/2波片2旋转90
°
以水平偏振透射经过偏振分束棱镜3，从端口3出射；接收光中的水平偏振方向的分量经过1/2波片1后，偏振方向逆时针旋转45
°
，并由法拉第旋光器再次逆时针旋转45
°
，先后经偏振分束棱镜1和偏振分束棱镜3的反射，同样由端口3出射。由此完成了应用于激光雷达系统的光环型器结构。
24.如图9所示的光环行器光路只是利用法拉第旋光器的一种设置。同样的，在一些实施例中，基于法拉第旋光器和偏振分束棱镜的其他多种光路也可以用于收发同轴激光雷达系统，图10给出了其中的一种例子。对于垂直偏振的发射光，从端口1进入，能够反射经过偏振分束棱镜1，再先后经法拉第旋光器对光的偏振顺时针旋转45
°
、1/2波片1顺时针旋转45
°
后，经偏振分束棱镜2的透射后从端口2出射。对于非偏振的接收光，由端口2进入后，其垂直方向的分量经偏振分束棱镜2反射，经过偏振分束棱镜1，从端口3出射；接收光中的水平偏振方向的分量经过1/2波片1后，偏振方向逆时针旋转45
°
，并由法拉第旋光器顺时针旋转45
°
，经偏振分束棱镜1的透射，由端口3出射。由此完成了应用于激光雷达系统的光环型器结构。
25.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
26.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
27.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0028]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还应理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等在文本中在一些本技术实施例中用来描述各种元素，但是这些元素不应该受到这些术语的限制。这些术语只是用来将一个元素与另一元素区分开。例如，第一表格可以被命名为第二表格，并且类似地，第二表格可以被命名为第一表格，而不背离各种所描述的实施例的范围。第一表格和第二表格都是表格，但是它们不是同一表格。
[0029]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0030]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0031]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
[0032]
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。