CN106154281A - 一种光纤激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤激光雷达系统，包括：激光器、探测器、光开关、测量探头组、接收装置、旋转扫描机构和控制处理单元，系统利用光开关进行光路选择，在不同的时刻将激光器发射的激光与测量探头组中不同的测量探头导通，利用旋转扫描机构带动测量探头中发射的激光进行旋转扫描，接收装置接收待测物体表面的反射激光并经过探测器进行光电转换后送入控制处理单元，控制处理单元根据发射激光和接收反射激光的时间差来测量待测物体的距离。本发明通过光开关使一个激光器对多个测量探头提供激光，实现多线测量，降低了成本；本发明通过光纤在测量探头组和光开关间传输激光，使得测量探头组可以独立出来，便于安装。

Description

一种光纤激光雷达系统

技术领域

本发明属于激光雷达测距领域，具体涉及一种光纤激光雷达系统。

背景技术

激光雷达技术有着多年研究历史，在导航、定位、测绘等领域有着广泛的应用。

激光雷达有多种技术方案，以目前广泛采用的脉冲探测法为例，在点对点的测量过程中，激光器发射激光，经过准直处理后照射在待测物体表面，有一部分激光在物体表面会被反射，并被探测器接收。根据测量发射激光和接收反射激光的时间差来计算待测物体与激光器之间的距离。

激光雷达在点对点测量的基础上，发展出二维和三维测距应用，为达到好的测量效果，需要足够多的点对点测量数据，目前业界采用的一种可行的技术方案为，增加发射端激光器和接收端探测器的个数，即采用多线测量，它们一般采用的技术方案如下：

如图1所示，信号控制及信息处理器101控制激光器阵列102中的激光器依次发射激光，激光器阵列102中的激光器发射的激光经过发射透镜103准直后，照射在待测物体104的表面上。在待测物体104表面有一部分激光会发生发射，反射激光被接收透镜107汇聚后，被探测器阵列106中的探测器依次接收。在任一时刻，只有一对激光器和探测器同时工作。探测器阵列106中的探测器将接收到的信号进行光电转换，并将采集到的信息输入信号控制及信息处理器101。信号控制及信息处理器101根据发射激光和接收反射激光的时间差计算得出待测物体104的距离。信号控制及信息处理器101同时控制旋转扫描装置105进行旋转，利用激光器阵列102以及发射透镜103发射的激光对待测物体进行旋转扫描，同时将扫描所得的反射激光送入接收透镜107以及探测器阵列106。

现有的激光雷达采用数量众多的激光器组成激光器阵列来进行测量，同时还需要与之匹配的同样数量的探测器组成探测器阵列。一个典型的应用方案，现有的汽车无人驾驶应用中使用的激光雷达，为达到高的分辨率和测量精度，采用64线技术即同时使用64个激光器和64个探测器，现有技术的问题在于：

1)成本很高：由于半导体制造成本以及技术壁垒等多方面因素，激光器和探测器的价格都比较高，现有技术采用数量众多的激光器和探测器来进行测量，导致系统硬件成本很高。

2)系统体积大：大量激光器和探测器的使用，会导致激光雷达系统的体积庞大。

3)不方便使用：占用空间大，不具有隐蔽性，同时在安装固定上都有很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。

本发明的一个目的在于提供一种光纤激光雷达系统，采用光路选择和复用技术，只使用一对激光器和探测器，就可以实现对待测物体以多线技术进行测量，极大的降低了成本，同时使得体积大大减小。

本发明的另一个目的在于提供一种光纤激光雷达系统，采用光纤进行系统内部激光信号的传输，利用光纤器件制备测量探头进行激光的发射和接收。由于光纤体积小，柔韧性好，对所传输激光的衰减小，因此可以利用光纤将测量探头与系统的激光器、探测器等有源部分在空间上分离。分离后的测量探头，由于体积微小，非常具有隐蔽性，便于安装。

为实现上述目的，本发明提供一种光纤激光雷达系统，包括：

激光器，发射激光；探测器，探测反射回来的激光，并将探测到的信号输入控制处理单元；光开关，进行激光光路选择和复用；接收装置，接收反射回来的激光；耦合器一，将激光器发射的激光耦合进光开关的输入端；耦合器二，将接收装置接收到的反射光耦合进探测器中；测量探头组，包含多个测量探头，对光开关中传输过来的发射激光进行准直并向待测物体进行照射；光纤束，包含多根光纤，连接光开关和测量探头组，每根光纤将测量探头组中的一个测量探头与光开关的一个输出端口相连；旋转扫描机构，通过旋转带动测量探头组发射激光对待测物体的各个位置进行旋转扫描。控制处理单元，控制激光器发射激光并记录发射时间，控制光开关的开关状态以及光路选择，控制旋转扫描机构进行旋转，并对探测器输入的探测信号进行数据处理。

其中，控制处理单元根据某一时刻发射激光和接收反射激光的时间差，可以得出在此时刻控制的测量探头所测量的待测物体上某一点的距离；控制处理单元利用光开关将激光器发出的发射激光在多个测量探头之间高速切换工作，同时控制旋转扫描机构带动测量探头进行旋转，可以得到大量的点对点测量数据，从而得到待测物体的大小、形状和距离等三维信息。

根据本发明的一个实例性的实施例，所述光纤激光雷达系统的所有部件在空间上是安装在一起的。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述光纤激光雷达系统的测量探头组与旋转扫描机构组成独立的旋转扫描探头，所述旋转扫描探头与光纤激光雷达系统除旋转扫描探头外的其它部件在空间上安装在不同位置。

根据本发明的另一个实例性的实施例，所述光纤激光雷达系统的测量探头组、接收装置和旋转扫描机构组成一个独立的探头部件，所述独立的探头部件与光纤激光雷达系统除独立探头部件外的其他部件在空间上安装在不同的位置。

根据本发明另一个实例性的实施例，所述光纤激光雷达的测量探头由光纤和微型透镜组成。

优选的，所述微型透镜为平凸透镜。

优选的，所述微型透镜为自聚焦透镜。

根据本发明另一个实例性的实施例，所述光纤激光雷达的测量探头组中包含测量探头的数量为2个到256个之间。

优选的，所述光纤激光雷达的测量探头组中包含测量探头的数量为2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个或256个。

本发明与现有技术的区别在于：

本发明提出了利用光开关进行时分复用的概念，只需要一个激光器和一个探测器即可实现对待测物体的多线测量，降低了系统的成本。

本发明提出了独立的旋转扫描探头的概念，将测量探头组与旋转扫描机构组成独立的旋转扫描探头，所述旋转扫描探头与光纤激光雷达系统除旋转扫描探头外的其它部件在空间上安装在不同位置。

本发明提出了独立的探头部件的概念，将测量探头组、接收装置和旋转扫描部件组成一个独立的探头部件，所述探头部件与光纤激光雷达系统除探头部件外的其它部件在空间上安装在不同位置。由于独立的探头部件测量探头组和接收装置是安装在一起的，测量精度高；同时由于独立探头部件体积小，便于安装，且具有隐蔽性。

本发明提出了利用光纤和微型透镜制备光纤激光雷达测量探头的概念，由于光纤直径细小，不足1毫米，所制成的测量探头的体积也很小。

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其他目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

附图说明

图1显示现有技术中的一种激光雷达系统的总体示意图。

图2显示本发明中的第一实施例的总体示意图。

图3显示本发明中作为一种优选方案的测量探头的结构示意图。

图4显示本发明中作为一种优选方案的测量探头的另一种结构示意图。

图5显示本发明中作为一种优选方案的接收装置的结构示意图。

图6显示本发明中的第二实施例的总体示意图。

图7显示本发明中的第三实施例的总体示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露的实施例的全面理解。然而明显的，一个或多个实施例在没有具体细节的情况下也可以被实施。在其它情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

根据本发明的一个总体技术构思，提供一种光纤激光雷达系统，包括：

激光器，发射激光；探测器，探测反射回来的激光，并将探测到的信号输入控制处理单元；光开关，进行激光光路选择和复用；接收装置，接收反射回来的激光；耦合器一，将激光器发射的激光耦合进光开关的输入端；耦合器二，将接收装置接收到的反射光耦合进探测器中；测量探头组，包含多个测量探头，对光开关中传输过来的发射激光进行准直并向待测物体进行照射；光纤束，包含多根光纤，连接光开关和测量探头组，每根光纤将测量探头组中的一个测量探头与光开关的一个输出端口相连；旋转扫描机构，通过旋转带动测量探头组发射激光对待测物体的各个位置进行旋转扫描。控制处理单元，控制激光器发射激光并记录发射时间，控制光开关的开关状态以及光路选择，控制旋转扫描机构进行旋转，并对探测器输入的探测信号进行数据处理。

其中，控制处理单元根据某一时刻发射激光和接收反射激光的时间差，可以得出在此时刻控制的测量探头所测量的待测物体上某一点的距离；控制处理单元利用光开关将激光器发出的发射激光在多个测量探头之间高速切换工作，同时控制旋转扫描机构带动测量探头进行旋转，可以得到大量的点对点测量数据，从而得到待测物体的大小、形状和距离等三维信息。

在本发明的第一实施例中，所述光纤激光雷达系统的所有部件在空间上是安装在一起的。

在本发明的第二实施例中，所述光纤激光雷达系统的测量探头组与旋转扫描机构组成独立的旋转扫描探头，所述旋转扫描探头与光纤激光雷达系统除旋转扫描探头外的其它部件在空间上安装在不同位置。

在本发明的第三实施例中，所述光纤激光雷达系统的测量探头组、接收装置和旋转扫描机构组成一个独立的探头部件，所述独立的探头部件与光纤激光雷达系统除独立探头部件外的其他部件在空间上安装在不同的位置。

第一实施例

图2显示本发明的第一实施例的总体示意图。

控制处理单元201对激光器202发出控制信号，激光器202在控制信号的调制下发射脉冲激光，脉冲激光经过耦合器一203后被耦合进光开关204，光开关204有多个输出端口，每个输出端口通过光纤205分别与测量探头组206中的一个测量探头相连，如输出端口一与测量探头一相连，输出端口二与测量探头二相连，……，输出端口N与测量探头N相连。

测量探头组206中的测量探头的个数是由光开关204的输出端口的数量决定的，根据公开信息，基于微机电系统的光开关目前已经有包含1个输入端口，256个输出端口的成熟产品，因此本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，可以根据本发明制造包含数量在2个到256个测量探头之间任一数量的测量探头组206。特别地，根据信息处理的习惯，测量探头组中包含测量探头的数量可以是2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个或256个中的一个。

控制处理单元201在控制激光器202工作的同时，发出控制信号控制光开关204的工作状态，在一定的时间间隔内，光开关只有一对输入-输出通道处于导通状态，即在任一时刻，光开关204只将激光器202发出的脉冲激光传输到测量探头组206中的某一个测量探头。同时，控制处理单元201控制光开关204进行工作端口依次切换，测量探头组206中的测量探头是依次进行工作的，其具体工作方式如下：

在t0时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口一导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头一，测量探头一将脉冲激光进行准直后向待测物体104发射。

作为一种优选方案，本实施例中的测量探头由光纤和微型透镜组成，所述微型透镜为平凸透镜，如图3所示；也可为自聚焦透镜，如图4所示。

图3所示为采用平凸透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在平凸透镜303的焦点上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过平凸透镜303后，变成平行发射的准直光。

自聚焦透镜能够使沿轴向传输的光发生折射，并使折射率分布沿径向逐渐减小。自聚焦透镜中的光束是沿正弦轨迹传输的，完成一个正弦周期的长度即为一个截距。由于光纤纤芯直径微小，对于普通单模光纤来说，其纤芯中传输的激光的光场直径不到10微米。根据自聚焦透镜的传光原理，对于长度为四分之一截距的自聚焦透镜，当光纤端面处于自聚焦透镜的一端面时，光纤中发出的发散激光在自聚焦透镜的另一个端面出射时会被变成平行光。

图4所示为采用自聚焦透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在自聚焦透镜304的端面上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过自聚焦透镜304后，变成平行发射的准直光。

脉冲激光在待测物体104的表面有一部分被反射回来，形成反射光208；反射光208被接收装置214接收。

作为一种优选方案，本实施例中的接收装置采用卡塞格林望远镜，如图5所示，反射光208被抛物面主镜305和双曲面次镜306反射后，通过抛物面主镜305中心的空洞，被接收和会聚。

接收装置204接收后的反射光208经过耦合器二209后被探测器210进行光电转换并将转换后的信号输入控制处理单元201，控制处理单元201记录此时的时刻t1，并发出控制信号，将此时的光开关204的所有通道都关闭。令t1时刻和t0时刻的时间差为ΔT，假设激光器202与控制处理单元201处于同一位置，，根据脉冲探测法的测量原理，本次测量中测量探头一测得的待测物体104上某点与激光器202的距离L为其中C为激光在空气中的传输速度。

在t2时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口二导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头二，测量探头二将脉冲激光进行准直后向待测物体发射，开始进入测量探头二的工作周期，t2时刻与t0时刻的时间差T0，即为本发明实施例中光纤激光雷达测量探头组206中一个测量探头的一次工作时间。

作为一种实例性的实施例，假设待测物体104与激光器202之间的距离为150米，则t1时刻与t0时刻的时间差ΔT为1微秒。作为一种实例性的实施例，可以设光纤激光雷达探头组206中一个测量探头的一次工作时间T0为2微秒。

根据脉冲探测法的测量原理，激光雷达对距离的测量精度与激光器202发射激光的脉冲宽度有关，具体关系为其中ΔL为测量精度，C为激光在空气中传输的速度，Δt为脉冲激光的脉冲宽度。为便于表述，本发明的具体实施例中的激光器发射脉冲激光的脉冲宽度设定为1纳秒，对应的测量精度为0.15米。

控制处理单元201通过控制光开关204进行光路选择，使得测量探头组中的测量探头依次工作，则包含N个测量探头的测量探头组206的一次完整工作时间为2N微秒。假设测量探头组206包含六十四个测量探头，则在128微秒内，六十四个测量探头依次工作一次，得到待测物体104表面的六十四个点的距离信息。

控制处理单元201在控制激光器202和光开关204进行周期性工作的同时，控制旋转扫描机构213进行旋转，带动光纤探头组206进行旋转扫描。作为一种实例性的实施例，可以假设旋转扫描机构213扫描一周的时间为50毫秒，则在旋转扫描机构旋转一周后，测量探头组206中的每个测量探头都测量了390次。

本实施例中，由于一个测量探头的一次工作时间为2微秒，则在一秒钟内，光纤激光雷达系统可以得到50万个距离测量数据。

第二实施例

图6显示本发明第二实施例的总体示意图，其中控制处理单元201、激光器202、耦合器一203、光开关204、接收装置214、耦合器二209、探测器210组成激光雷达主机211，测量探头组206和旋转扫描机构213组成独立的旋转扫描探头301。旋转扫描探头301中的测量探头组206通过光纤束212与激光雷达主机211相连，旋转扫描机构213通过导线401与激光雷达主机相连，由于光纤束212和导线401对在其中传输信号的衰减小，且直径小、柔韧性好，因此旋转扫描探头301可以安装在与激光雷达主机211不同的位置。

具体实施方式如下：

控制处理单元201对激光器202发出控制信号，激光器202在控制信号的调制下发射脉冲激光，脉冲激光经过耦合器一203后被耦合进光开关204，光开关204有多个输出端口，每个输出端口通过光纤205分别与测量探头组206中的一个测量探头相连，如输出端口一与测量探头一相连，输出端口二与测量探头二相连，……，输出端口N与测量探头N相连。

测量探头组206中的测量探头的个数是由光开关204的输出端口的数量决定的，根据公开信息，基于微机电系统的光开关目前已经有包含1个输入端口，256个输出端口的成熟产品，因此本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，可以根据本发明制造包含数量在2个到256个测量探头之间任一数量的测量探头组206。特别地，根据信息处理的习惯，测量探头组中包含测量探头的数量可以是2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个或256个中的一个。

控制处理单元201在控制激光器202工作的同时，发出控制信号控制光开关204的工作状态。在一定的时间间隔内，光开关只有一对输入-输出通道处于导通状态，即在任一时刻，光开关204只将激光器202发出的脉冲激光传输到测量探头组206中的某一个测量探头。同时，控制处理单元201控制光开关204进行工作端口依次切换，测量探头组206中的测量探头是依次进行工作的，其具体工作方式如下：

在t0时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口一导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头一，测量探头一将脉冲激光进行准直后向待测物体104发射激光207。

作为一种优选方案，本发明中的测量探头由光纤和微型透镜组成，所述微型透镜为平凸透镜，如图3所示；也可为自聚焦透镜，如图4所示。

图3所示为采用平凸透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在平凸透镜303的焦点上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过平凸透镜303后，变成平行发射的准直光。

自聚焦透镜能够使沿轴向传输的光发生折射，并使折射率分布沿径向逐渐减小。自聚焦透镜中的光束是沿正弦轨迹传输的，完成一个正弦周期的长度即为一个截距。由于光纤纤芯直径微小，对于普通单模光纤来说，其纤芯中传输的激光的光场直径不到10微米。根据自聚焦透镜的传光原理，对于长度为四分之一截距的自聚焦透镜，当光纤端面处于自聚焦透镜的一端面时，光纤中发出的发散激光在自聚焦透镜的另一个端面出射时会被变成平行光。

图4所示为采用自聚焦透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在自聚焦透镜304的端面上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过自聚焦透镜304后，变成平行发射的准直光。

脉冲激光在待测物体104的表面有一部分被反射回来，形成反射光208；反射光208被接收装置214接收。

作为一种优选方案，本实施例中的接收装置214采用卡塞格林望远镜，如图5所示，反射光208被抛物面主镜305和双曲面次镜306反射后，通过抛物面主镜305中心的空洞，被接收并汇聚。

接收装置214接收后的反射光208通过耦合器二209被送入探测器210，在探测器210中进行光电转换，并将转换后的信号输入控制处理单元201，控制处理单元201记录此时的时刻t1，并发出控制信号，将此时的光开关204的所有通道都关闭。令t1时刻和t0时刻的时间差为ΔT，假设激光器202与控制处理单元201处于同一位置，，根据脉冲探测法的测量原理，本次测量中测量探头一测得的待测物体104上某点与激光器202的距离L为其中C为激光在空气中的传输速度。

在t2时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口二导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头二，测量探头二将脉冲激光进行准直后向待测物体发射，开始进入测量探头二的工作周期，t2时刻与t0时刻的时间差T0，即为本发明实施例中光纤激光雷达测量探头组206中一个测量探头的一次工作时间。

作为一种实例性的实施例，假设待测物体104与激光器202之间的距离为150米，则t1时刻与t0时刻的时间差ΔT为1微秒。作为一种实例性的实施例，可以设光纤激光雷达探头组206中一个测量探头的一次工作时间T0为2微秒。

根据脉冲探测法的测量原理，激光雷达对距离的测量精度与激光器202发射激光的脉冲宽度有关，具体关系为其中ΔL为测量精度，C为激光在空气中传输的速度，Δt为脉冲激光的脉冲宽度。为便于表述，作为一种实例性的实施例，本发明的中的激光器发射脉冲激光的脉冲宽度设定为1纳秒，对应的测量精度为0.15米。

控制处理单元201通过控制光开关204进行光路选择，使得测量探头组206中的测量探头依次工作，则包含N个测量探头的测量探头组206的一次完整工作时间为2N微秒。假设测量探头组206包含六十四个测量探头，则在128微秒内，六十四个测量探头依次工作一次，得到待测物体104表面的六十四个点的距离信息。

控制处理单元201在控制激光器202和光开关204进行周期性工作的同时，控制旋转扫描机构213进行旋转，带动光纤探头组206进行旋转扫描。作为一种实例性的实施例，可以假设旋转扫描机构213扫描一周的时间为50毫秒，则在旋转扫描机构旋转一周后，测量探头组206中的每个测量探头都测量了390次。

本实施例中，由于一个测量探头的一次工作时间为2微秒，则在一秒钟内，光纤激光雷达系统可以得到50万个距离测量数据。

第三实施例

图7显示本发明第三实施例的总体示意图，其中控制处理单元201、激光器202、耦合器一203、光开关204、耦合器二209、探测器210组成激光雷达主机211，测量探头组206、接收装置214和旋转扫描机构213构成独立的探头部件402。探头部件402中的测量探头组206和接收装置214通过光纤束212与激光雷达主机211相连，旋转扫描探头213通过导线401与激光雷达主机211相连，由于光纤束212和导线401对在其中传输信号的衰减小，且直径小、柔韧性好，因此独立的探头部件402可以安装在与激光雷达主机211不同的位置。由于探头部件402中的测量探头组和206接收装置214是安装在一起的，系统测量精度高；同时独立探头部件402体积小，便于安装，且具有隐蔽性。

具体实施方式如下：

控制处理单元201对激光器202发出控制信号，激光器202在控制信号的调制下发射脉冲激光，脉冲激光经过耦合器一203后被耦合进光开关204，光开关204有多个输出端口，每个输出端口通过光纤205分别与测量探头组206中的一个测量探头相连，如输出端口一与测量探头一相连，输出端口二与测量探头二相连，……，输出端口N与测量探头N相连。

测量探头组206中的测量探头的个数是由光开关204的输出端口的数量决定的，根据公开信息，基于微机电系统的光开关目前已经有包含1个输入端口，256个输出端口的成熟产品，因此本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，可以根据本发明制造包含数量在2个到256个测量探头之间任一数量的测量探头组206。特别地，根据信息处理的习惯，测量探头组中包含测量探头的数量可以是2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个或256个中的一个。

控制处理单元201在控制激光器202工作的同时，发出控制信号控制光开关204的工作状态。在一定的时间间隔内，光开关只有一对输入-输出通道处于导通状态，即在任一时刻，光开关204只将激光器202发出的脉冲激光传输到测量探头组206中的某一个测量探头。同时，控制处理单元201控制光开关204进行工作端口依次切换，测量探头组206中的测量探头是依次进行工作的，其具体工作方式如下：

在t0时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口一导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头一，测量探头一将脉冲激光进行准直后向待测物体104发射激光207。

作为一种优选方案，本发明中的测量探头由光纤和微型透镜组成，所述微型透镜为平凸透镜，如图3所示；也可为自聚焦透镜，如图4所示。

图3所示为采用平凸透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在平凸透镜303的焦点上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过平凸透镜303后，变成平行发射的准直光。

自聚焦透镜能够使沿轴向传输的光发生折射，并使折射率分布沿径向逐渐减小。自聚焦透镜中的光束是沿正弦轨迹传输的，完成一个正弦周期的长度即为一个截距。由于光纤纤芯直径微小，对于普通单模光纤来说，其纤芯中传输的激光的光场直径不到10微米。根据自聚焦透镜的传光原理，对于长度为四分之一截距的自聚焦透镜，当光纤端面处于自聚焦透镜的一端面时，光纤中发出的发散激光在自聚焦透镜的另一个端面出射时会被变成平行光。

图4所示为采用自聚焦透镜进行发射激光准直的测量探头示意图。当光纤205的输出端面302在自聚焦透镜304的端面上时，从光纤205输出端面302发出的激光，经过自聚焦透镜304后，变成平行发射的准直光。

脉冲激光在待测物体104的表面有一部分被反射回来，形成反射光208；反射光208被接收装置214接收。

作为一种优选方案，本实施例中的接收装置214采用卡塞格林望远镜，如图5所示，反射光208被抛物面主镜305和双曲面次镜306反射后，通过抛物面主镜305中心的空洞，被接收并汇聚。

接收装置214接收后的反射光208通过连接探头部件402和激光雷达主机211的光纤束212中的光纤205被送入耦合器二209，然后被探测器210接收并进行光电转换，并将转换后的信号输入控制处理单元201，控制处理单元201记录此时的时刻t1，并发出控制信号，将此时的光开关204的所有通道都关闭。令t1时刻和t0时刻的时间差为ΔT，假设激光器202与控制处理单元201处于同一位置，根据脉冲探测法的测量原理，本次测量中测量探头一测得的待测物体104上某点与激光器202的距离L为其中C为激光在空气中的传输速度。

在t2时刻，控制处理单元201控制激光器202发射脉冲激光，同时控制光开关204，将光开关204的输入端口与输出端口二导通；脉冲激光经过耦合器一203、光开关204后被导入测量探头组206中的测量探头二，测量探头二将脉冲激光进行准直后向待测物体发射，开始进入测量探头二的工作周期，t2时刻与t0时刻的时间差T0，即为本发明实施例中光纤激光雷达测量探头组206中一个测量探头的一次工作时间。

作为一种实例性的实施例，假设待测物体104与激光器202之间的距离为150米，则t1时刻与t0时刻的时间差ΔT为1微秒。作为一种实例性的实施例，可以设光纤激光雷达探头组206中一个测量探头的一次工作时间T0为2微秒。

控制处理单元201通过控制光开关204进行光路选择，使得测量探头组中的测量探头依次工作，则包含N个测量探头的测量探头组的一次完整工作时间为2N微秒。假设光纤探头组206包含六十四个测量探头，则在128微秒内，六十四个测量探头依次工作一次，得到待测物体104表面的六十四个点的距离信息。

控制处理单元201在控制激光器202和光开关204进行周期性工作的同时，控制旋转扫描机构213进行旋转，带动测量探头组206和接收装置214进行旋转扫描。作为一种实例性的实施例，可以假设微型旋转扫描机构401扫描一周的时间为50毫秒，则在微型旋转扫描机构旋转一周后，测量探头组206中的每个测量探头都测量了390次。

本实施例中，由于一个测量探头的一次工作时间为2微秒，则在一秒钟内，光纤激光雷达系统可以得到50万个距离测量数据。

Claims (10)

1.一种光纤激光雷达系统，包括：

激光器，用于发射激光；

测量探头组，用于将激光器发射的激光进行准直后发射出去；

接收装置，用于接收反射激光；

探测器，用于对接收到的反射激光进行光电转换；

光开关，用于激光器和测量探头组之间的光路选择；

耦合器一，用于将激光器发射的激光耦合进光开关；

耦合器二，用于将接收装置接收的激光耦合进探测器；

旋转扫描机构，用于带动测量探头组进行旋转，进行旋转扫描测量；和

控制处理单元，用于控制激光器、光开关和旋转扫描机构的工作状态，并对探测到的信号进行处理；

其特征在于：

所述激光器通过光开关与测量探头组相连，在光开关的控制下，激光器发射的激光，依次通过探测探头组中不同的测量探头发射出去。

2.根据权利要求1所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述测量探头组包含的测量探头数量在2个至256个之间。

3.根据权利要求2所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述测量探头组包含的测量探头数量为2个、4个、8个、16个、32个、64个、128个或256个。

4.根据权利要求1所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述测量探头由光纤和微型透镜组成。

5.根据权利要求4所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述微型透镜为为平凸透镜或自聚焦透镜。

6.根据权利要求1所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述测量探头组与旋转扫描机构组成独立的旋转扫描探头。

7.根据权利要求6所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述独立的旋转扫描探头与所述光纤激光雷达系统除旋转扫描探头外的其它部件在空间上安装在不同的位置。

8.根据权利要求1所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述测量探头组、接收装置和旋转扫描机构组成独立的探头部件。

9.根据权利要求8所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述独立的探头部件与光纤激光雷达系统除独立探头部件外的其他部件在空间上安装在不同的位置。

10.根据权利要求1所述的光纤激光雷达系统，其特征在于，所述接收装置为卡塞格林望远镜。