CN109239693A - 收发共路扫描激光雷达 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种收发共路扫描激光雷达，属于激光测量领域。该激光雷达包括激光发射模块、潜射镜模块和共路收发模块。激光发射模块产生准直激光，潜射镜模块实现激光束在垂直方向上的提升，共路收发模块实现激光信号发射及接收。通过潜射镜模块将激光在垂直方向上提升，从而将激光发射模块与共路收发模块在垂直空间上进行分离，进而减小系统尺寸。通过激光发射与接收共路的设计，可以压缩光路体积、简化光路结构、减少器件数量、减小系统体积和重量，同时由于发射系统和接收系统共路，使被测物体被扫描的时间与位置与探测器接收的时间与位置在时间和空间上相对应，从而提高检测精度。

Description

收发共路扫描激光雷达
技术领域
本发明涉及一种收发共路扫描激光雷达，属于激光测量领域。
背景技术
激光雷达作为高精度、远距离、多功能测量工具，在工程测量、航天探测、农业生产、环境监测等领域都有广泛的应用。由于激光具有束散角小、能量集中、指向性好、重频高等优点。使得激光雷达可以实现对被测物体的远距离、高精度测量。
由于激光的束散角较小，因此其视场范围有限。传统的激光雷达多采用电机带动反射镜、棱镜旋转或使用振镜来实现对发射光束的偏转，通过反射面的旋转来增大光线的出射角度，从而增大激光雷达视场。但以上方式都存在扫描速度慢、体积较大等问题，无法实现系统的小型化。因此使用微机电系统(MEMS)替代传统电机扫描方式，可以使激光雷达的系统简化，重量减轻，同时可以通过程序控制MEMS扫描镜工作方式，实现特定方式的扫描。
此外，常用的同轴收发或离轴收发方式都存在不同程度的缺点。非同轴收发方式中，发射系统与接收系统的光轴不重合，其会导致激光雷达的扫描视场与接收视场不重合，不利于信息的接收与处理，同时会导致体积增大。传统的同轴收发方式中，发射系统的光轴与接收系统的光轴重合，这种结构的优点在于激光雷达的扫描视场的中心与接收视场的中心重合，利于信息的接收与处理，同时减小宽度尺寸。但发射系统与接收系统同轴又会导致接收系统中心被遮挡，且同轴收发方式会增加长度尺寸。
发明内容
本发明的目的在于克服传统激光雷达收发结构同轴但不共路，导致装置整体体积较大的问题。提供一种收发共路扫描激光雷达。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
收发共路扫描激光雷达，包括激光发射模块、潜射镜模块、初始信号探测器和共路收发模块。
激光发射模块由激光器和第一准直镜组成，激光器发出的激光被第一准直镜准直。
潜射镜模块由第一反射镜和第二反射镜组成，通过第一反射镜和第二反射镜的组合将激光在垂直方向提升，将在垂直方向上提升后的激光反射至透反镜上。
共路收发模块由透反镜、MEMS扫描镜、大口径收发镜头、第二准直镜和回波信号探测器组成。经过潜射镜模块被在垂直方向上提升的激光，一路经过透反镜反射至初始信号探测器产生初始信号，另一路向前传播至MEMS扫描镜，由MEMS扫描镜将激光进行扫描反射，通过大口径收发镜头扩束发射照射到被测物体表面。激光经被测物体反射后，由大口径收发镜头会聚接收，经过MEMS扫描镜原路反射，经透反镜反射、第二准直镜准直后，由回波信号探测器接收，产生测量信号，经与初始信号比较，得到被测物体的距离信息。
所述第二反射镜与第三反射镜两者均成45°安装，两反射镜镜面相互垂直，且在垂直方向上存在间距，实现在垂直方向上的光束提升。
所述MEMS扫描镜可在程序控制下实现特定视场角和特定方式的扫描。
所述大口径收发镜头具有正向扩束，方向会聚的作用，其结构包括但不限于折射式结构、反射式结构和折反射式结构。
所述MEMS扫描镜安装在大口径收发镜头的焦点位置处。
本发明中，激光发射模块产生准直激光，潜射镜模块实现激光束在垂直方向上的提升，共路收发模块实现激光信号发射及接收。通过潜射镜模块将激光在垂直方向上提升，从而将激光发射模块与共路收发模块在垂直空间上进行分离，进而减小系统尺寸。通过激光发射与接收共路的设计，可以压缩光路体积、简化光路结构、减少器件数量、减小系统体积和重量，同时由于发射系统和接收系统共路，使被测物体被扫描的时间与位置与探测器接收的时间与位置在时间和空间上相对应，从而提高检测精度。
有益效果
(1)本发明公开的一种收发共路扫描激光雷达，通过激光发射与接收共路的设计，可以压缩光路体积、简化光路结构、减少器件数量、减小系统体积和重量。
(2)本发明公开的一种收发共路扫描激光雷达，发射系统和接收系统共路，使被测物体被扫描的时间与位置与探测器接收的时间与位置在时间和空间上相对应，从而提高检测精度。
附图说明
图1为本发明实施例的收发共路扫描激光雷达工作原理图；
图2为本发明实施例中结构示意图；
图3为本发明实施例中潜射镜模块工作原理图；
图4为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图；
图5为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图；
图6为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图。
图标：
101-激光器；102-第一准直镜；201-第一反射镜；202-第二反射镜；301-初始信号探测器；401-透反镜；402-MEMS扫描镜；403-大口径收发镜头；404-第二准直镜；405-回波信号探测器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的就似乎方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中，激光发射模块产生准直激光，潜射镜模块实现激光束在垂直方向上的提升，共路收发模块实现激光信号发射及接收。通过潜射镜模块将激光在垂直方向上提升，从而将激光发射模块与共路收发模块在垂直空间上进行分离，进而减小系统尺寸。通过激光发射与接收共路的设计，可以压缩光路体积、简化光路结构、减少器件数量、减小系统体积和重量，同时由于发射系统和接收系统共路，使被测物体被扫描的时间与位置与探测器接收的时间与位置在时间和空间上相对应，从而提高检测精度。
如图1，为本发明实施例的收发共路扫描激光雷达工作原理图。激光器发出的激光经过准直后，经过垂直方向上的提升，经过透反镜后，一部分光返回至初始信号探测器中，产生初始信号。另一部分经过MEMS扫描镜及大口径收发镜头形成扫描激光，对被检测物体进行扫描。经物体反射后的激光被接收系统会聚接收，沿同光路返回至透反镜，被透反镜反射至回波信号探测器，形成测量信号。
如图2，为采用上述工作原理的收发共路扫描激光雷达的具体结构。
激光发射及信号触发模块，包括激光器101和第一准直镜102。激光器101发出的激光经过第一准直镜102对激光进行准直。
潜射镜模块包括第二反射镜201、第三反射镜202。经过准直的激光通过第二反射镜201和第三反射镜202的反射，在垂直方向上被提升。被提升的激光反射至透反镜401上。
共路收发模块包括透反镜401、MEMS扫描镜402、大口径收发镜头403、第二准直镜404和回波信号探测器405。经过透反镜401的激光，一部分被反射至初始信号探测器301，产生初始信号。另一部分向前传播至MEMS扫描镜402，MEMS扫描镜在程序控制下，其镜面产生偏转，从而使出射激光产生一定角度的偏转。再通过大口径收发镜头403将激光扩束。扩束后的激光经过被测物体反射，由大口径收发镜头403会聚接收，沿原光路返回，经过透反镜401反射，经过第二准直镜404会聚，由回波信号探测器405接收，产生测量信号。
如图3，为本发明实施例中潜射镜模块。第一反射镜201和第二反射镜202的光轴垂直，两镜在垂直方向上存在间隔，两者组合可以在垂直方向上将激光提升。
如图4，为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图。其为透射式望远镜结构，MEMS扫描镜放置在透射式望远镜的焦点位置处。经MEMS扫描发射的激光经过望远镜准直后对一定区域的被测物体扫描。经被测物体反射的激光，经过透射式望远镜会聚，会聚点在MEMS扫描镜上。
如图5，为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图。其为反射式望远镜结构，MEMS扫描镜放置在反射式望远镜的焦点位置处。经MEMS扫描发射的激光经过望远镜准直后对一定区域的被测物体扫描。经被测物体反射的激光，经过反射式望远镜会聚，会聚点在MEMS扫描镜上。
如图6，为本发明实施例中一种接收系统的工作原理图。其为折反射式望远镜结构，MEMS扫描镜放置在折反射式望远镜的焦点位置处。经MEMS扫描发射的激光经过望远镜准直后对一定区域的被测物体扫描。经被测物体反射的激光，经过折反射式望远镜会聚，会聚点在MEMS扫描镜上。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.收发共路扫描激光雷达，其特征在于：包括激光发射模块、潜射镜模块、初始信号探测器和共路收发模块；
激光发射模块由激光器和第一准直镜组成，激光器发出的激光被第一准直镜准直；
潜射镜模块由第一反射镜和第二反射镜组成，通过第一反射镜和第二反射镜的组合将激光在垂直方向提升，将在垂直方向上提升后的激光反射至透反镜上；
共路收发模块由透反镜、MEMS扫描镜、大口径收发镜头、第二准直镜和回波信号探测器组成；经过潜射镜模块被在垂直方向上提升的激光，一路经过透反镜反射至初始信号探测器产生初始信号，另一路向前传播至MEMS扫描镜，由MEMS扫描镜将激光进行扫描反射，通过大口径收发镜头扩束发射照射到被测物体表面；激光经被测物体反射后，由大口径收发镜头会聚接收，经过MEMS扫描镜原路反射，经透反镜反射、第二准直镜准直后，由回波信号探测器接收，产生测量信号，经与初始信号比较，得到被测物体的距离信息。
2.如权利要求1所述的、收发共路扫描激光雷达，其特征在于：所述第二反射镜与第三反射镜两者均成45°安装，两反射镜镜面相互垂直，且在垂直方向上存在间距，实现在垂直方向上的光束提升。
3.如权利要求1所述的、收发共路扫描激光雷达，其特征在于：所述大口径收发镜头具有正向扩束，方向会聚的作用，其结构包括但不限于折射式结构、反射式结构和折反射式结构。
4.如权利要求1所述的、收发共路扫描激光雷达，其特征在于：所述MEMS扫描镜安装在大口径收发镜头的焦点位置处。
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