CN106353766B - 基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械技术领域。基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，包括一激光信号发射装置、一激光信号接收装置、一信号处理系统，信号处理系统均连接激光信号发射装置与激光信号接收装置，激光信号发射装置包括脉冲激光器，脉冲激光器的发光方向上依次设有一准直系统、扩束系统、衍射光栅、半透半反镜；脉冲激光器的发光方向位于半透半反镜的透射方向上，半透半反镜的反射方向上设有激光信号接收装置。本发明通过衍射光栅将脉冲激光器发射出的激光为多个等角度或不等角度的光束，经半透半反镜透射后朝向待测距介质，并经待测距介质反射后，经半透半反镜反射至激光信号接收装置。

Description

基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统

技术领域

本发明涉及测距装置技术领域，具体涉及激光测距系统。

背景技术

激光测距是随着激光技术的发展而出现的一种新型精密测量技术，与传统的测距技术相比，激光测距技术具有精度高、功耗低、体积小、抗干扰能力强、准直性好等优点，被广泛应用于工业测控、遥感、工程建设安全监测等领域。

激光雷达是一种主动式的现代光学遥感技术，是传统雷达技术与现代激光技术相结合的产物。目前激光雷达有二种方式：(1)单路探测系统；(2)扫描镜形式。第一种方式探测角度单一，效率低，第二种方式扫描镜价格昂贵，且使用寿命短，不利于普及。

发明内容

本发明的目的在于提供基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，包括一激光信号发射装置、一激光信号接收装置、一信号处理系统，所述信号处理系统均连接所述激光信号发射装置与所述激光信号接收装置，其特征在于，所述激光信号发射装置包括脉冲激光器，所述脉冲激光器的发光方向上依次设有一准直系统、扩束系统、衍射光栅、半透半反镜；

所述脉冲激光器位于所述半透半反镜的透射方向上，所述半透半反镜的反射方向上设有所述激光信号接收装置。

本发明通过衍射光栅将脉冲激光器发射出的激光为多个等角度或不等角度的光束，经半透半反镜透射后朝向待测距介质，并经待测距介质反射至所述半透半反镜后，经所述半透半反镜反射至所述激光信号接收装置，信号处理系统根据分析比较激光信号接收装置与脉冲激光器的两者的信号进而获得距离。

所述半透半反镜的反射面与所述脉冲激光器的发光方向的夹角为45°；

且所述半透半反镜的反射面与所述激光信号接收装置的接收方向的夹角为45°；

所述半透半反镜的反射面与所述脉冲激光器的连线垂直于所述半透半反镜与所述激光信号接收装置的连线。

本发明通过限定半透半反镜的反射面与脉冲激光器的发光方向的夹角，保证光路的正常传输的同时，便于保证各个部件位置空间的合理排布，控制装置的占用空间。

所述衍射光栅是一非均匀光栅。本发明通过选取非均匀光栅作为衍射光栅，采用不同周期的衍射光栅，提高测距精度。

所述激光信号接收装置包括一成像镜头、雪崩二极管，所述半透半反镜的反射方向上依次途径所述成像镜头、所述雪崩二极管；

所述雪崩二极管连接所述信号处理系统，所述信号处理系统内设有一计时芯片。

本发明采用雪崩二极管，相较PIN二极管，信号损耗小，对于光信号微弱或长距离传输的条件下，均能保证监测精度。

所述成像镜头内设有一用于只允许905波段透过的滤波片。滤除可见光。

所述雪崩二极管设有至少六个，至少六个雪崩二极管呈矩阵式排布。进入成像镜头的光线来自不同方向，经镜头成像后，根据成像理论，同一个角度的光线汇聚在同一个雪崩二极管上，雪崩二极管为阵列形式，含有多个小雪崩二极管，这样每个雪崩二极管分别接收来自不同角度的光线。实现多点测距。

或者，所述信号接收装置包括由至少四个雪崩二极管构成的二极管组，所述二极管组设有至少两个，至少两个二极管组设有的雪崩二极管交错设置；

至少两个二极管组从前至后依次排列，且至少两个二极管组的前方设有所述成像镜头。

通过设有多个二极管组提高测量精度。

优选为，所述信号接收装置包括由至少四个雪崩二极管构成的二极管组，所述二级管组设有两个，分别为第一二极管组和第二二极管组，每个二极管组设有的雪崩二极管呈矩阵式排布；

所述第一二极管组设有的雪崩二极管与所述第二二级管组设有的雪崩二极管交错设置；

所述第一二级管组位于所述第二二极管组的前方，且所述第一二极管组的前方设有所述成像镜头；

所述第一二极管组与所述第二二极管组的间隔距离不大于1cm，所述第一二极管组中相邻的雪崩二极管的间距大于所述第一二极管组中任意一个雪崩二极管与最临近的所述第二二极管的雪崩二极管的间距。

本发明设有两个前后设置的二极管组，便于提高测距精度，通过比较前后设置的二极管组检查到的数据的差值，与两个二级管组的前后间距，比较测距精度。此外本发明通过设有二组二极管组实现两者故障的判断，当两者测量到的数据差值与两者间距不匹配时，当两者测量到的数据差值超过一1cm时，说明两者中存有一个故障，当两者测量到的数据差值超过10cm时，测量数据小的那个为正确数值。

优选为，所述第一二极管组设有雪崩二极管的个数大于所述第二二极管组设有雪崩二极管的个数；

所述第一二极管组中临近的四个雪崩二极管的中央设有一个所述第二二极管组的雪崩二极管。

便于控制部件的占用空间。

所述成像镜头与所述雪崩二极管之间设有带通滤波片。滤除外界光引进的噪音，获得最佳信噪比。

所述信号处理系统连接一用于显示测量数据的显示屏，所述信号处理系统、所述光信号发射装置和所述激光信号接收装置均位于一壳体内，所述显示屏位于所述壳体的外壁上；

所述壳体上设有一出光口，所述脉冲激光器的发光方向上依次设有所述准直系统、所述扩束系统、所述衍射光栅、所述半透半反镜、所述出光口；

且所述脉冲激光器、所述准直系统、所述扩束系统、所述衍射光栅、所述半透半反镜、所述出光口的中心处于第一直线上；

所述半透半反镜、所述激光信号接收装置的中心处于第二直线上；

所述第一直线垂直于所述第二直线。

便于实现壳体内部部件的排布。

所述壳体呈一T字型壳体，所述壳体的内壁上设有用于固定部件的固定件；

所述壳体包括第一塑料件、第二塑料件，所述壳体是由第一塑料件与所述第二塑料件可拆卸连接构成；

所述第一塑料件与所述第二塑料件的内壁涂覆有一由挡光材料构成的挡光层。

防止杂光从壳体透入壳体内部。

所述第一塑料件上设有一用于连接所述第二塑料件的连接部，所述连接部为一与所述第二塑料件壁厚相匹配的凹槽，所述凹槽是由两个相互平行的侧壁相连围成的凹槽；

两个侧壁分别为第一侧壁、第二侧壁，所述第一侧壁位于所述第二侧壁的外围，所述第一侧壁的长度小于所述第二侧壁的长度。

实现第一塑料件与所述第二塑料件连接处的挡光效果。

所述半透半反镜固定在一切换机构上，所述切换机构上还设有另一个半透半反镜，两个半透半反镜分别为第一半透半反镜、第二半透半反镜；

所述切换机构包括一转轴，所述转轴通过传动装置连接一电机，所述第一半透半反镜、所述第二半透半反镜位于所述转轴的径向的两侧；

所述第一半透半反镜与所述第二半透半反镜的反射面的夹角为180度。

本发明通过设有两个半透半反镜，便于改变透光与反光比例。此外，防止单个半透半反镜磨损，影响测距的正常进行。

附图说明

图1为本发明的部分结构示意图；

图2为本发明的部分结构示意图；

图3为本发明的采用图2结构时的另一视角下的部分结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面进一步阐述本发明。

参见图1、图2、图3，基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，包括一激光信号发射装置、一激光信号接收装置、一信号处理系统7，信号处理系统7均连接激光信号发射装置与激光信号接收装置，激光信号发射装置包括脉冲激光器1，脉冲激光器1的发光方向上依次设有一准直系统2、扩束系统、衍射光栅3、半透半反镜4；脉冲激光器1的发光方向位于半透半反镜4的透射方向上，半透半反镜的反射方向上设有激光信号接收装置。本发明通过衍射光栅将脉冲激光器发射出的激光为多个等角度或不等角度的光束，经半透半反镜透射后朝向待测距介质，并经待测距介质反射后，经半透半反镜反射至激光信号接收装置，信号处理系统根据分析比较激光信号接收装置与脉冲激光器的两者的信号进而获得距离。

半透半反镜的反射面与脉冲激光器的发光方向的夹角为45°；且半透半反镜的反射面与激光信号接收装置的接收方向的夹角为45°。本发明通过限定半透半反镜的反射面与脉冲激光器的发光方向的夹角，保证光路的正常传输的同时，便于保证各个部件位置空间的合理排布，控制装置的占用空间。

衍射光栅3是一非均匀光栅。本发明通过选取非均匀光栅作为衍射光栅，采用不同周期的衍射光栅，提高测距精度。衍射光栅上设有缝隙，缝隙的宽度从中央至外围逐渐递增。衍射光栅上至中央相等距离的缝隙宽度相等。衍射光栅上至中央相等距离的缝隙呈环状排布在中央的外围。缝隙的宽度方向垂直于脉冲激光器的发光方向。

激光信号接收装置包括一成像镜头5、雪崩二极管6，半透半反镜的反射方向上依次途径成像镜头、雪崩二极管；雪崩二极管6连接信号处理系统7，信号处理系统内设有一计时芯片。本发明采用雪崩二极管，相较PIN二极管，信号损耗小，对于光信号微弱或长距离传输的条件下，均能保证监测精度。

雪崩二极管设有至少六个，至少六个雪崩二极管呈矩阵式排布。进入成像镜头的光线来自不同方向，经镜头成像后，根据成像理论，同一个角度的光线汇聚在同一个雪崩二极管上，雪崩二极管为阵列形式，含有多个小雪崩二极管，这样每个雪崩二极管分别接收来自不同角度的光线。实现多点测距。

或者，信号接收装置包括由至少四个雪崩二极管构成的二极管组，二极管组设有至少两个，至少两个二极管组设有的雪崩二极管交错设置；至少两个二极管组从前至后依次排列，且至少两个二极管组的前方设有成像镜头。通过设有多个二极管组提高测量精度。

优选为，参见图2、图3，信号接收装置包括由至少四个雪崩二极管构成的二极管组，二级管组设有两个，分别为第一二极管组11和第二二极管组12，每个二极管组设有的雪崩二极管呈矩阵式排布；第一二极管组11设有的雪崩二极管与第二二级管组12设有的雪崩二极管交错设置；第一二级管组11位于第二二极管组12的前方，且第一二极管组11的前方设有成像镜头；第一二极管组11与第二二极管组12的间隔距离不大于1cm，第一二极管组11中相邻的雪崩二极管的间距大于第一二极管组11中任意一个雪崩二极管与最临近的第二二极管12的雪崩二极管的间距。本发明设有两个前后设置的二极管组，便于提高测距精度，通过比较前后设置的二极管组检查到的数据的差值，与两个二级管组的前后间距，比较测距精度。此外本发明通过设有二组二极管组实现两者故障的判断，当两者测量到的数据差值与两者间距不匹配时，当两者测量到的数据差值超过一1cm时，说明两者中存有一个故障，当两者测量到的数据差值超过10cm时，测量数据小的那个为正确数值。优选为，第一二极管组11设有雪崩二极管的个数大于第二二极管组12设有雪崩二极管的个数；第一二极管组中临近的四个雪崩二极管的中央设有一个第二二极管组的雪崩二极管。便于控制部件的占用空间。

成像镜头与雪崩二极管之间设有带通滤波片。滤除外界光引进的噪音，获得最佳信噪比。

信号处理系统连接一用于显示测量数据的显示屏，信号处理系统、光信号发射装置和激光信号接收装置均位于一壳体内，显示屏位于壳体的外壁上；壳体上设有一出光口，脉冲激光器的发光方向上依次设有准直系统、扩束系统、衍射光栅、半透半反镜、出光口；且脉冲激光器、准直系统、扩束系统、衍射光栅、半透半反镜、出光口的中心处于第一直线上；半透半反镜、激光信号接收装置的中心处于第二直线上；第一直线垂直于第二直线。便于实现壳体内部部件的排布。

壳体呈一T字型壳体，壳体的内壁上设有用于固定部件的固定件；壳体包括第一塑料件、第二塑料件，壳体是由第一塑料件与第二塑料件可拆卸连接构成；第一塑料件与第二塑料件的内壁涂覆有一由挡光材料构成的挡光层。防止杂光从壳体透入壳体内部。

第一塑料件上设有一用于连接第二塑料件的连接部，连接部为一与第二塑料件壁厚相匹配的凹槽，凹槽是由两个相互平行的侧壁相连围成的凹槽；两个侧壁分别为第一侧壁、第二侧壁，第一侧壁位于第二侧壁的外围，第一侧壁的长度小于第二侧壁的长度。实现第一塑料件与第二塑料件连接处的挡光效果。

半透半反镜固定在一切换机构上，切换机构上还设有另一个半透半反镜，两个半透半反镜分别为第一半透半反镜、第二半透半反镜；切换机构包括一转轴，转轴通过传动装置连接一电机，第一半透半反镜、第二半透半反镜位于转轴的径向的两侧；第一半透半反镜与第二半透半反镜的反射面的夹角为180度。本发明通过设有两个半透半反镜，便于改变透光与反光比例。此外，防止单个半透半反镜磨损，影响测距的正常进行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，包括一激光信号发射装置、一激光信号接收装置、一信号处理系统，所述信号处理系统均连接所述激光信号发射装置与所述激光信号接收装置，其特征在于，所述激光信号发射装置包括脉冲激光器，所述脉冲激光器的发光方向上依次设有一准直系统、扩束系统、衍射光栅、半透半反镜；

所述脉冲激光器的发光方向位于所述半透半反镜的透射方向上，所述半透半反镜的反射方向上设有所述激光信号接收装置；

所述激光信号接收装置包括一成像镜头、雪崩二极管，所述半透半反镜的反射方向上依次途径所述成像镜头、所述雪崩二极管；

所述雪崩二极管连接所述信号处理系统，所述信号处理系统内设有一计时芯片；

所述信号接收装置包括由至少四个雪崩二极管构成的二极管组，所述二极管组设有两个，分别为第一二极管组和第二二极管组，每个二极管组设有的雪崩二极管呈矩阵式排布；

所述第一二极管组设有的雪崩二极管与所述第二二极管组设有的雪崩二极管交错设置；

所述第一二极管组位于所述第二二极管组的前方，且所述第一二极管组的前方设有所述成像镜头；

所述第一二极管组与所述第二二极管组的间隔距离不大于1cm，所述第一二极管组中相邻的雪崩二极管的间距大于所述第一二极管组中任意一个雪崩二极管与最临近的所述第二二极管的雪崩二极管的间距;

第一二极管组设有雪崩二极管的个数大于第二二极管组设有雪崩二极管的个数；

当第一二极管组和第二二极管组测量到的数据差值超过1cm时，说明两者中存有一个故障，当第一二极管组和第二二极管组测量到的数据差值超过10cm时，测量数据小的那个为正确数值；

所述衍射光栅是一非均匀光栅；

所述信号处理系统连接一用于显示测量数据的显示屏，所述信号处理系统、所述光信号发射装置和所述激光信号接收装置均位于一壳体内，所述显示屏位于所述壳体的外壁上；

所述壳体呈一T字型壳体，所述壳体的内壁上设有用于固定部件的固定件；

所述壳体包括第一塑料件、第二塑料件，所述壳体是由第一塑料件与所述第二塑料件可拆卸连接构成，所述第一塑料件与所述第二塑料件的内壁涂覆有一由挡光材料构成的挡光层；

所述第一塑料件上设有一用于连接所述第二塑料件的连接部，所述连接部为一与所述第二塑料件壁厚相匹配的凹槽，所述凹槽是由两个相互平行的侧壁相连围成的凹槽；两个侧壁分别为第一侧壁、第二侧壁，所述第一侧壁位于所述第二侧壁的外围，所述第一侧壁的长度小于所述第二侧壁的长度；

所述半透半反镜固定在一切换机构上，所述切换机构上还设有另一个半透半反镜，两个半透半反镜分别为第一半透半反镜、第二半透半反镜；

所述切换机构包括一转轴，所述转轴通过传动装置连接一电机，所述第一半透半反镜、所述第二半透半反镜位于所述转轴的径向的两侧；

所述第一半透半反镜与所述第二半透半反镜的反射面的夹角为180度。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，其特征在于：所述半透半反镜的反射面与所述脉冲激光器的发光方向的夹角为45°；

且所述半透半反镜的反射面与所述激光信号接收装置的接收方向的夹角为45°；

所述半透半反镜的反射面与所述脉冲激光器的连线垂直于所述半透半反镜与所述激光信号接收装置的连线。

3.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，其特征在于：所述壳体上设有一出光口，所述脉冲激光器的发光方向上依次设有所述准直系统、所述扩束系统、所述衍射光栅、所述半透半反镜、所述出光口；

且所述脉冲激光器、所述准直系统、所述扩束系统、所述衍射光栅、所述半透半反镜、所述出光口的中心处于第一直线上；

所述半透半反镜、所述激光信号接收装置的中心处于第二直线上；

所述第一直线垂直于所述第二直线。

4.根据权利要求1所述的基于衍射光学元件的激光雷达多点测距系统，其特征在于：所述成像镜头内设有一用于只允许905波段透过的滤波片。