CN109031242A - 应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统 - Google Patents

应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，主要解决的技术问题是现有技术中通过二维振镜实现三维测量的测量密度和测量精度低、尺寸大、可靠性差、寿命短的问题，本发明通过应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，包括驱动组件、发射和接收激光的光纤激光器组件、实现准直发射激光和会聚接收激光的远心镜头以及接收激光的接收传感器组件，远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件依次设置，所述驱动组件同时驱动远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件转动的技术方案，较好地解决了该问题，可用于三维激光雷达。

Description

应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统
技术领域
本发明涉及应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统。
背景技术
激光雷达是一种主动式探测装置，利用激光器发射激光脉冲或连续波激光束射向目标，对回波信号进行记录分析，获取目标的距离、方位、高度、速度、姿态、形态等信息。激光雷达具有角分辨率高、距离分辨率高、测距范围广、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于地表形貌测绘、大气探测、三维虚拟现实机器人视觉等领域。
近年来，无人驾驶、移动机器人的迅速发展对三维激光雷达在尺寸质量、扫描速度、扫描密度、视场范围等各个方面都提出了更高的要求；现有的三维扫描激光雷达多采用二维振镜实现，二维振镜通过在水平方向和垂直方向的摆动实现三维测量，由于振镜面积有限，大大限制了三维激光雷达线数和测量视场，且无法同时保证水平方向和垂直方向的扫描精度和扫描密度；此外，这种三维激光雷达机械可靠性不高，寿命较短。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术中通过二维振镜实现三维测量的测量密度和测量精度低、尺寸大、可靠性差、寿命短的问题，提出了一种新的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，该三维扫描光纤激光雷达具有测量密度和测量精度高、尺寸小、可靠性好、寿命长的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，包括驱动组件、发射和接收激光的光纤激光器组件、实现准直发射激光和会聚接收激光的远心镜头以及接收激光的接收传感器组件，远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件依次设置，所述驱动组件同时驱动远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件转动。
进一步的，优选地，所述驱动组件包括电机，所述电机带动转盘转动，所述转盘上设有远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件。
优选地，所述光纤激器组件包括通过所述驱动组件驱动转动的安装板，所述安装板上排列布设有多个光纤激光器。
更优选地，任意两个所述光纤激光器在所述安装板上均不在同一水平线上。
更优选地，每个所述光纤激光器包括至少一根光纤，每根所述光纤包括至少两根纤芯，其中包括一根发射纤芯和至少一根接收纤芯。
优选地，所述接收传感器组件包括通过所述驱动组件驱动转动的安装板一，所述安装板一上排列布设有多个光电传感器。
优选地，所述驱动组件连接测量装置。
更优选地，所述测量装置包括通过所述驱动组件驱动转动的码盘，所述码盘一侧设有读码器。
本发明的有益效果在于：本发明通过驱动组件带动光纤激光雷达360°旋转从而实现360°扫描；本发明通过远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件实现了发射激光与接收光信号功能合二为一，且发射与接收光路互相独立，互不影响，大大提高了激光雷达内部的空间利用率，减小了激光雷达尺寸，极大地降低了激光雷达的装调难度，同时还保证了激光雷达在水平方向和垂直方向的测量密度；本发明采用远心光路设计，视场范围大，且不同视场范围的主光线都能垂直照射到焦平面上。
附图说明
图1是本发明应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统的结构示意图；
图2是本发明应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统的远心镜头的光线传播示意图；
图3是本发明应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统的光纤激光器排列示意图一；
图4是本发明应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统的光纤激光器排列示意图二；
图5是本发明应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统的光纤激光器排列示意图三。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
请参见图1，本实施例公开了应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，包括驱动组件1、发射和接收激光的光纤激光器组件3、实现准直发射激光和会聚接收激光的远心镜头2以及接收激光的接收传感器组件4，远心镜头2、光纤激光器组件3和接收传感器组件4依次设置，激光雷达由光纤激光器组件3发射激光，经远心镜头2准直后射出，信号光再经过远心镜头2被光纤激光器组件3接收，光纤激光组件3将光信号再传输给接收传感器组件4，所述驱动组件1同时驱动远心镜头2、光纤激光器组件3和接收传感器组件4转动从而实现360°扫描；
如图2所示，远心镜头2由多个透镜21组成，这里以三个透镜21为例，远心镜头2具有作为发射端的焦平面22，焦平面22上的任意一个发射点221发射出的光线经远心镜头2传播至物体23，光线经物体23发生漫反射，漫反射所产生的光信号经远心镜头2会聚至焦平面22上，该光信号会聚点与对应的焦平面22上的光线发射点221为同一点；
所述驱动组件1包括电机11，所述电机11带动转盘12转动，所述转盘12上设有远心镜头2、光纤激光器组件3和接收传感器组件4，电机11的转速决定了激光在水平方向上扫描的密度，转速越慢，扫描的密度越高；
所述光纤激器组件3包括通过所述驱动组件1驱动转动的安装板31，安装板31垂直设置在转盘12上，安装板31与远心镜头2的焦平面22重合，所述安装板31上排列布设有多个光纤激光器32，所有光纤激光器32均垂直排布在安装板31上，从而不需要调整每个光纤激光器32的发射和接收角度，极大地降低了激光雷达的装调难度，多个光纤激光器32镶嵌在安装板31的板面上用于发射和接收激光，多个光纤激光器32按一定排布方式在安装板31上紧密排列，保证激光雷达在水平方向和垂直方向的测量密度；
任意两个所述光纤激光器32在所述安装板31上均不在同一水平线上，其中，例如一个光纤激光器32安装在安装板31上通过安装板31的旋转使得光纤激光器32扫描形成一个光圈，另一个不在同一水平线上的光纤激光器32通过同样方式扫描形成另一个光圈，两个光圈之间形成了一定的距离，当所有均不在同一水平线上的光纤激光器32进行扫描时则形成了多个光圈，所有光圈上下之间距离的远近决定了激光雷达的垂直测量密度；
这里需要注意的是，有多个光纤激光器32在同一水平线上也不是不可以，但是在同一水平线上时，只有在光纤激光雷达静止时，进行的扫描才会有效，而在光纤激光雷达旋转时，多个光纤激光器32在同一水平线上会产生资源浪费；
为了保证垂直测量密度的均匀，优选将所有光纤激光器32排列成单列或多列，由于每个光纤激光器32具有一定的大小，所以形成单列可能满足不了垂直测量密度，排列成多列需要将每列之间均上下交错设置，上下交错的距离也决定了激光雷达的垂直测量密度，如图3、4和5所示，进行列举了几种光纤激光器32的排列方式，但不局限这几种，只要通过光纤激光器32交错排列以提高激光雷达垂直测量密度的均在本发明的保护范围之内；
光纤激光器32排列成单列或多列时，也可以进行倾斜设置，同时每列之间的距离不需要限制；
在单列的激光扫描密度由多个光纤激光器32在安装板31上单列的排列密度所决定，假设某纵向单列中相邻光纤激光器32的间距为d毫米，则激光雷达在该纵向单列上的测量密度可达d毫米；
在多列的激光扫描密度由多个光纤激光器32在安装板31上多列的排列密度所决定，假设某单列中相邻光纤激光器32的间距为d毫米，则激光雷达在多列上的测量密度可达d/n毫米(n表示多个光纤激光器32排列的列数)，例如，假设在某单列中相邻两个光纤激光器32的间距为4毫米，多个光纤激光器32排成了4列，则激光雷达的测量密度可达1毫米，从而保证了测量密度；
光纤激光器32为近红外激光器，其波长为人眼安全波长，选用安全功率低，保证对人眼安全，其中每个所述光纤激光器32包括至少一根光纤33，每根所述光纤33包括至少两根纤芯，其中包括一根发射纤芯331和至少一根接收纤芯332，通过一根发射纤芯331发射激光，通过一根或者多根接收纤芯332接收信号光，通过一根发射纤芯331发射的激光经远心镜头2传播至物体23，经物体23漫反射成光信号返回，再经远心镜头2回到接收纤芯332处，回来的光信号由于光学镜头像差的存在会导致形成弥散光斑，从而进行设置一根、两根或者多根接收纤芯332来扩大接收范围来保证接收光线的准确性，接收纤芯332接收到光信号后传送给接收传感器组件4；
所述接收传感器组件4包括通过所述驱动组件1驱动转动的安装板一41，安装板一41垂直设置在转盘12上，所述安装板一41上排列布设有多个光电传感器，光电传感器采用PIN硅光电二极管，多个光电传感器安装在安装板一41的板面上用于接收接收纤芯332传过来的光信号，光电传感器的数量和光纤激光器32的数量要保持一致，通过接收纤芯332直接将光信号传输到相应的光电传感器的光敏面上，所以对光电传感器的排布没有要求，可以在安装板一41上任意紧密排列，从而大大减小了激光雷达接受系统的装调难度，而且实现接收传感器组件4的最小化，又进一步缩小激光雷达尺寸；
所述驱动组件1连接测量装置，所述测量装置包括通过所述驱动组件1驱动转动的码盘51，码盘51呈圆环形，码盘51套设固定在转盘12的周围，位于所述码盘51一侧设有读码器52，通过码盘51和读码器52的配合，实现激光雷达在旋转转动下的角度记录；
电机11和光纤激光器3均与控制模块6连接，通过控制模块6控制电机11转速和光纤激光器32的脉冲发射频率，光纤激光器32和光电传感器均与计时模块7连接，通过计时模块7记录激光和信号光从光纤激光器32发射到光电传感器接收的时间间隔；
通过电机11带动远心镜头2、光纤激光器组件3和接收传感器组件4同时转动，光纤激光器组件3的各个光纤激光器31中的发射纤芯331同时脉冲发射激光并通过各自接收纤芯332接收各自的光信号，接收纤芯332将光信号同时传输给光电传感器，完成信息采集，从而实现激光雷达的三维扫描。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于：包括驱动组件、发射和接收激光的光纤激光器组件、实现准直发射激光和会聚接收激光的远心镜头以及接收激光的接收传感器组件，远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件依次设置，所述驱动组件同时驱动远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件转动。
2.如权利要求1所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，所述驱动组件包括电机，所述电机带动转盘转动，所述转盘上设有远心镜头、光纤激光器组件和接收传感器组件。
3.如权利要求1所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，所述光纤激器组件包括通过所述驱动组件驱动转动的安装板，所述安装板上排列布设有多个光纤激光器。
4.如权利要求3所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，任意两个所述光纤激光器在所述安装板上均不在同一水平线上。
5.如权利要求3所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，每个所述光纤激光器包括至少一根光纤，每根所述光纤包括至少两根纤芯，其中包括一根发射纤芯和至少一根接收纤芯。
6.如权利要求1所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，所述接收传感器组件包括通过所述驱动组件驱动转动的安装板一，所述安装板一上排列布设有多个光电传感器。
7.如权利要求1所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，所述驱动组件连接测量装置。
8.如权利要求6所述的应用于三维扫描光纤激光雷达的收发一体式远心光学系统，其特征在于，所述测量装置包括通过所述驱动组件驱动转动的码盘，所述码盘一侧设有读码器。
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