CN107132519A - 一种激光雷达光路系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光雷达光学系统,用于激光雷达测距领域,包括:发射系统,用于向目标物体发射激光信号;接收系统用于接收目标物体反射回来的激光回波信号,包括:主接收透镜,用于将目标物体反射回来的第一激光回波信号进行聚焦;设置在主接收透镜上,用于将主接收透镜的测量盲区内的目标物体反射回来的第二激光回波信号进行补偿的补偿镜;光电探测器,用于接收聚焦的第一激光回波信号以及第二激光回波信号,并输出对应的电信号,以获取目标物体的距离信息。本发明通过在主接收透镜上设置补偿镜,可同时实现远距离以及近距离的物体的测距,检测范围更大,检测数据更为准确,并可消除因非同轴光学系统引起的雷达测量盲区。
Description
技术领域
本发明属于激光雷达测距领域,尤其涉及一种激光雷达光路系统。
背景技术
激光雷达是通过发射激光束来探测目标位置、速度等特征量的雷达系统,具有精准度高、作业速度快和效率高等优势,是汽车自动驾驶、机器人定位导航、空间环境测绘、安保安防等领域必不可少的核心传感器。在实际应用中,按不同原理,激光雷达可分为:三角法测距激光雷达,基于时间飞行的脉冲测距激光雷达,相位法测距激光雷达,按不同结构可分为同轴激光雷达,以及非同轴激光雷达。非同轴激光雷达为例,通过发射系统向目标物体发射激光信号,并通过接收系统接收目标物体返回的激光回波信号,通过计算调制激光发射信号和返回的激光回波信号的时间差,得到光程,进而得到目标物体的距离,实现激光测距。
但是,目前非同轴激光雷达在进行激光测距时,由于发射系统与接收系统非同轴设置,因此,近距离的目标物体反射回来的激光回波信号的偏折角度就越大,此时经主接收透镜聚焦后,激光回波信号会聚焦在偏离光电探测器的一个位置,因此,无法测量其距离,造成较大的雷达测量盲区。
发明内容
本发明实施例提供一种光路系统,旨在解决先有技术中,非同轴激光雷达无法测量近距离物体的距离,存在较大雷达测量盲区的问题。
本发明实施例提供了一种激光雷达光学系统,包括:
用于向目标物体发射激光信号的发射系统;以及
用于接收所述目标物体反射回来的激光回波信号的接收系统;
所述接收系统包括:
用于将所述目标物体反射回来的第一激光回波信号进行聚焦的主接收透镜;
设置在所述主接收透镜上,用于将所述主接收透镜的测量盲区内的目标物体反射回来的第二激光回波信号进行补偿的补偿镜;
光电探测器,用于接收聚焦的第一激光回波信号以及补偿的第二激光回波信号,并输出对应的电信号,以获取所述目标物体的距离信息。
本发明实施例中,提供了一种激光雷达光学系统,通过设置激光雷达发射系统,向目标物体发射激光发射信号,并通过在接收系统中设置一主接收透镜,用于将目标物体反射的激光回波信号聚焦到光电探测器,以及设置在主接收透镜上,用于将主接收透镜的测量盲区内目标物体反射回来的激光回波信号照射到激光探测器上的补偿镜,并通过光电探测器输出对应的电信号,以获取目标物体的距离信息,通过在主接收透镜上设置一补偿镜,可以对近距离物体的反射光线进行接收,可消除因非同轴光学系统引起的雷达测量盲区,并且通过主接收透镜接收远距离物体反射的激光信号,可同时实现远距离以及近距离的物体的测距,检测范围更大,检测数据更为准确。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种激光雷达光学系统的结构示意图;
图2是本发明实施例提供的一种主接收透镜与补偿镜结合的结构示意图;
图3是本发明实施例提供的一种主接收透镜对近距离目标物体反射的激光信号进行聚焦的原理图;
图4是本发明实施例提供的一种主接收透镜与补偿镜配合对近距离目标物体反射的激光信号进行聚焦的原理图。
具体实施方式
为了使发明的目的、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。
本发明实施例中,提供了一种激光雷达光学系统,通过设置激光雷达发射系统,向目标物体发射激光发射信号,并通过在接收系统中设置一主接收透镜,用于将目标物体反射的激光回波信号聚焦到光电探测器,以及设置在主接收透镜上,用于将主接收透镜的测量盲区内目标物体反射回来的激光回波信号照射到激光探测器上的补偿镜,并通过光电探测器输出对应的电信号,以获取目标物体的距离信息,通过在主接收透镜上设置一补偿镜,可以对近距离物体的反射光线进行接收,可消除因非同轴光学系统引起的雷达测量盲区,并且通过主接收透镜接收远距离物体反射的激光信号,可同时实现远距离以及近距离的物体的测距,检测范围更大,检测数据更为准确。
以下通过具体实施例对本发明实施例进行描述。
参见图1、图2,本发明的实施例提供了一种激光雷达光学系统,包括发射系统10以及接收系统20,该发射系统10,用于向目标物体发射准直的激光发射信号;该接收系统20包括:主接收透镜21,用于将目标物体反射回来的第一激光回波信号进行聚焦的主接收透镜;设置在该主接收透镜21上,设置在所述主接收透镜21上,用于将主接收透镜21的测量盲区内的目标物体反射回来的第二激光回波信号进行补偿的补偿镜22;以及光电探测器23,用于接收聚焦的第一激光回波信号以及补偿的第二激光回波信号,并输出对应的电信号,以获取目标物体的距离信息。通过在主接收透镜上设置一补偿镜,可以对近距离物体的散射光线进行接收,可消除因非同轴光学系统引起的雷达测量盲区,并且通过主接收透镜接收远距离物体反射的激光信号,可同时实现远距离以及近距离的物体的测距,检测范围更大,检测数据更为准确。
在本发明实施例中,测量盲区是由于发射系统与接收系统非同轴设置,因此,近距离的目标物体反射回来的激光回波信号相对于接收系统的偏折角度就越大,此时经主接收透镜聚焦后,激光回波信号会聚焦在偏离光电探测器的一个位置,因此,无法测量其距离,造成较大的雷达测量盲区。
在本发明实施例中,近距离的目标物体反射的激光回波信号为主接收透镜的测量盲区内的物体反射的激光信号,远距离的目标物体反射的激光回波信号通过主接收透镜接收,并可将该激光信号反射到光电探测器上的目标物体反射的激光信号,比如,主接收透镜的测量距离为100米,此时,测量盲区为50cm,即,靠近激光雷达设备50cm的目标物体反射的激光信号,由于其偏折角度较大,经主接收透镜的聚焦后,将汇聚在偏离光电探测器的某一位置上。
本发明实施例中,为便于对本发明进行描述,通过对主接收透镜21对近距离目标物体发射的激光回波信号进行聚焦的效果以及主接收透镜与补偿镜配合对近距离目标物体反射的激光回波信号进行聚焦的效果进行说明,具体可参见图3,图4,在图3中,主接收透镜21对近距离物体目标物体反射的激光回波信号进行聚焦时,由于其偏折的角度较大,经主接收透镜21聚焦后,激光回波信号将会聚焦在偏离光电探测器23的某一个位置,无法进行测距,在图4中,当在主接收透镜21上设置一补偿镜23后,主接收透镜21在接收到目标物体反射的激光回波信号后,补偿镜23会将该激光回波信号中偏折角度较大,即,聚焦后偏离光电探测器的激光回波信号通过补偿镜22的折射,汇聚到光电探测器上,实现测量盲区内的物体的测距。
通过在主接收透镜上设置一补偿镜,可以将近距离的目标物体反射的激光回波信号发射,并汇聚到光电探测器上,通过光折射的效果,将减小偏转角度较大的光的偏折角度,使偏折的这部分光能聚焦到光电探测器上,进行测距,降低了雷达的测量盲区。
在本发明的实施例中,补偿镜22附着于主接收透镜21的一侧,补偿镜位于发射系统10的光轴和主接收透镜21的中心轴线之间,补偿镜22与发射系统 10之间的距离小于主接收透镜21的中心轴线与发射系统10之间的距离。具体的,可以将补偿镜22设置在靠近发射系统10的一侧,即,使补偿镜与发射系统之间的距离最近,可最大程度的接收近距离的目标物体反射的激光回波信号,降低因非同轴光学系统引起的测量盲区,使得测量数据更为准确,在实际应用中,微小的差距都会导致整体数据测量误差,因此降低测量盲区,将会给人们带来巨大的应用价值。
在本发明实施例中,补偿镜22位于主接收透镜21以及光电探测器23之间,通过将补偿镜22设置在主接收透镜上,且位于主接收透镜21以及光电探测器 23之间,可以将主接收透镜接收到的激光回波信号中偏折角度较大的激光回波信号,通过折射作用,降低其偏折角度,使其聚焦在光电探测器上,实现距离测量,并且不会对主接收透镜接收的激光回波信号造成干扰。
在本发明实施例中,补偿镜22与主接收透镜21可以为一体结构,即通过开模制造工艺,将补偿镜22与该主接收透镜21一体成型,可避免当其为独立部件时,需要将补偿镜固定在主接收透镜上的繁琐操作,并且可避免安装部位对激光回波信号的接收造成影响。
在本发明的实施例中,发射系统10包括:激光发射模块11,用于向目标物体发射激光信号;设置在激光信号的光路上,用于将激光信号进行准直的准直模块20。通过准直模块20对激光发射模块发射的激光信号进行准直,可以使激光能量更加集中,实现更远距离的探测,在一定程度上可以增加扫描的范围,使激光雷达设备的使用更为广泛。
其中,准直模块20可为柱面镜组,包括快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜,所述快轴准直柱面镜与所述慢轴准直柱面镜的母线相互垂直。使用柱面镜组准直激光发射模块,使得激光发射模块的快轴和慢轴都能很好的被准直,激光能量更集中,实现更远距离的探测。
其中,激光发射模块11可以为激光二极管,使用激光二级管作为激光发射源,占用空间小,且成本较低,并且通过准直模块20为激光二极管发射的激光信号进行准直,可以使得激光二极管准直后的激光发射角比同类产品更小,激光能量更集中,使得激光二极管发射出的激光在100米处的光斑直径小于 200mm,可以实现更远距离的探测。
其中,该激光二极管可为红外波段的高功率纳秒级脉冲激光二极管。
在本发明的实施例中,准直模块还可以为圆透镜或透镜组。
在本发明的实施例中,发射系统包括:激光发射装置,用于向目标物体发射准直的激光信号,本发明中可以采用激光二极管与准直模块配合发射准直激光信号,也可以采用激光发射装置直接发射准直后的激光信号,具体可以根据实际情况进行设置,本发明不做限定。
其中,激光发射装置包括但不限于光纤激光器、气体激光器或者固体激光器。
在本发明的实施例中,接收系统20还包括:设置在主接收透镜21以及光电探测器23之间,用于滤除第一激光回波信号以及所述第二激光回波信号的杂波的过滤单元。激光回波信号能通过滤光单元而其他波长的光都被滤除,提高系统信噪比,增加系统在强光下的探测距离。
其中,滤光单元,可以为滤光片,该滤光片需要设置在光电探测器23的前方,可以对主接收透镜以及补偿镜接收到的第一回波信号以及第二回波信号的杂波进行滤除。
在本发明的实施例中,光学系统还包括,信号处理装置,用于接收光电探测器23输出的电信号,并根据所述电信号获取目标物体的距离信息。具体的,通过光电探测器接收达到目标物体发射的激光回波信号,信号处理单元根据激光信号的发射时间以及激光信号的回收时间,获取到激光的飞行时间并通过光速进行计算,就可以得到目标的距离信息,从而实现激光测距。
在本发明的实施例中,主接收透镜21为塑料非球面透镜。使用塑料非球面透镜接收回波信号,接收系统口径大,接收信号强,接收系统焦距短,并可降低激光雷达设备的体积。
在本发明的实施例中,主接收透镜还可以为塑料或玻璃球面透镜或者塑料玻璃透镜组来进行激光回波信号的接收。当主接收透镜为塑料非球面透镜时,可以将主接收透镜和补偿镜一起直接开模加工,做成一体结构,成本远低于玻璃透镜,且可以节省掉将补偿镜安装在主接收透镜上的繁琐步骤,操作简单,且便于使用。
在本发明的实施例中,主接收透镜21与补偿镜22还可以为两个独立的部件,可以通过胶水,比如,光学UV胶,将补偿镜粘贴到主接收透镜上,或者通过螺栓与螺孔的配合,将补偿镜固定在主接收透镜上,具体可以根据实际情况进行设置,本发明实施例不做限定。
本发明实施例中,提供了一种激光雷达光学系统,通过设置激光雷达发射系统,向目标物体发射激光发射信号,并通过在接收系统中设置一主接收透镜,用于将目标物体反射的激光回波信号聚焦到光电探测器,以及设置在主接收透镜上,用于将主接收透镜的测量盲区内目标物体反射回来的激光回波信号照射到激光探测器上的补偿镜,并通过光电探测器输出对应的电信号,以获取目标物体的距离信息,通过在主接收透镜上设置一补偿镜,可以对近距离物体的反射光线进行接收,可消除因非同轴光学系统引起的雷达测量盲区,并且通过主接收透镜接收远距离物体反射的激光信号,可同时实现远距离以及近距离的物体的测距,检测范围更大,检测数据更为准确。
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。
Claims (10)
1.一种激光雷达光路系统,其特征在于,所述光路系统包括:
用于向目标物体发射激光信号的发射系统;以及
用于接收所述目标物体反射回来的激光回波信号的接收系统;
所述接收系统包括:
用于将所述目标物体反射回来的第一激光回波信号进行聚焦的主接收透镜;
设置在所述主接收透镜上,用于将所述主接收透镜的测量盲区内的目标物体反射回来的第二激光回波信号进行补偿的补偿镜;
光电探测器,用于接收聚焦的第一激光回波信号以及补偿的第二激光回波信号,并输出对应的电信号,以获取所述目标物体的距离信息。
2.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述补偿镜附着于所述主接收透镜的一侧,所述补偿镜位于所述发射系统光轴和所述主接收透镜的中心轴线之间,所述补偿镜与所述射系统之间的距离小于所述主接收透镜的中心轴线与所述发射系统之间的距离。
3.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述补偿镜位于所述主接收透镜与所述光电探测器之间。
4.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述补偿镜与所述主接收透镜为一体化结构。
5.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述发射系统包括:
激光发射模块,用于向所述目标物体发射激光信号;
设置在所述激光发射信号的光路上,用于将所述激光信号进行准直的准直模块。
6.如权利要求3所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述准直模块为柱面镜组,包括快轴准直柱面镜与慢轴准直柱面镜,所述快轴准直柱面镜与所述慢轴准直柱面镜的母线相互垂直。
7.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述接收系统还包括:
设置在所述主接收透镜以及所述光电探测器之间,用于滤除所述第一激光回波信号以及所述第二激光回波信号的杂波的过滤单元。
8.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述发射系统包括:
激光发射装置,用于向目标物体发射准直后的激光信号;
其中,激光发射装置包括光纤激光器、气体激光器或者固体激光器。
9.如权利要求1所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述主接收透镜为塑料非球面透镜。
10.如权利要求3所述的激光雷达光路系统,其特征在于,所述激光发射模块为激光二极管。
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