CN109343033A - 一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统包括脉冲激光器准直发射模块、衍射分束元件、反射镜和旋转马达；所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件对应设置；所述反射镜和所述旋转马达连接，所述旋转马达可带动所述反射镜转动从而调节激光和所述反射镜的夹角，所述反射镜设置在所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件之间；所述脉冲激光器准直发射模块射出的准直激光垂直向下射入所述反射镜，所述准直激光经过所述反射镜发射后射出至所述衍射分束元件；本发明在不增加激光器数目的基础上，通过时分复用技术，可实现对空间探测的分辨率成倍提高，避免了现有技术中提高分辨率而带来的巨大成本增加，系统扩展性强。

Description

一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统。

背景技术

近几年来，随着机器人、无人驾驶领域的蓬勃发展，对智能感知传感器的需求越来越紧迫。激光雷达是关键核心智能感知传感器之一，因测距精度高，方向性强，响应快，不受地面杂波影响等优势，且能有效提供机器人、车辆決策与控制系统所需之信息，成为目前机器人、无人驾驶等环境感测最有效方案。

但现有激光雷达为保证空间扫描的高分辨率，激光雷达的发射模块多为复杂而精密光路调节机构，在组装过程中部件间配合精密要求高，致使模块制作成本高，无法批量生产，严重影响激光雷达的普及性，制约机器人、无人驾驶领域的发展。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统包括脉冲激光器准直发射模块、衍射分束元件、反射镜和旋转马达；所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件对应设置；所述反射镜和所述旋转马达连接，所述旋转马达可带动所述反射镜转动从而调节激光和所述反射镜的夹角，所述反射镜设置在所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件之间；所述脉冲激光器准直发射模块射出的准直激光垂直向下射入所述反射镜，所述准直激光经过所述反射镜发射后射出至所述衍射分束元件。

较佳的，所述脉冲激光器准直发射模块包括激光器，所述脉冲激光器准直发射模块通过光学系统的组合实现对所述激光器光源的准直处理，准直处理后的所述准直激光垂直入射入所述反射镜。

较佳的，还设置有旋转平台，所述旋转平台可绕所述旋转平台的中心轴线在水平方向上进行旋转，所述脉冲激光器准直发射模块、所述衍射分束元件、所述反射镜和所述旋转马达均设置在所述旋转平台上。

较佳的，所述激光器采用波长为905nm的脉冲半导体激光器，峰值发射功率为30W，所述准直激光发散角为3mrad*3mrad。

较佳的，所述准直激光经所述衍射分束元件分束为三道发散光束，三道所述发散光束形成的整个光束发散角为20°，各个所述发散光束之间的角度为10°；各个所述发散光束的均匀性≤±10％，发射效率≥75％。

较佳的，所述衍射分束元件的衍射光栅与水平面垂直。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明通过衍射分束元件，可以精确控制各激光雷达发射线束之间的角度，从而可以避免精密、复杂的微组装过程，提高线束之间的精度与以一致性；2，在不增加激光器数目的基础上，通过时分复用技术，可实现对空间探测的分辨率成倍提高，避免了现有技术中提高分辨率而带来的巨大成本增加，系统扩展性强；3，通过调整所述旋转马达的转动角度以进行多轮扫描；可填补单次扫描下相邻光束之间角度的空间范围，从而大幅度提高空间扫描分辨率。

附图说明

图1为所述激光雷达发射系统实施例二的结构立体图；

图2为所述激光雷达发射系统实施例二的光路侧视图；

图3为所述激光雷达发射系统实施例二的光路俯视图；

图4为所述激光雷达发射系统实施例三的结构立体图；

图5为所述激光雷达发射系统实施例三的结构俯视图；

图6为所述激光雷达发射系统实施例三反射镜角度改变前后分束的比对视图；

图7为所述激光雷达发射系统实施例四的结构立体图；

图8为所述激光雷达发射系统实施例四的结构俯视图；

图9为所述激光雷达发射系统实施例四反射镜角度改变前后分束的比对视图；

图10为所述激光雷达发射系统实施例五第一次扫描的MEMS振镜扫描点阵示意图；

图11为所述激光雷达发射系统实施例五第二次扫描的MEMS振镜扫描点阵示意图。

图中数字表示：

1-脉冲激光器准直发射模块；2-MEMS振镜；3-反射镜；4-旋转马达；5-衍射分束元件；11-激光器；12-柱透镜；13-非球面透镜。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例一

本实施例中的激光雷达发射系统包括脉冲激光器准直发射模块1和衍射分束元件5；所述脉冲激光器准直发射模块1和所述衍射分束元件5对应设置。

所述脉冲激光器准直发射模块1包括激光器11，所述脉冲激光器准直发射模块1通过光学系统的组合实现对所述激光器11光源的准直处理，准直处理后的准直激光垂直入射入所述衍射分束元件5上，所述衍射分束元件5将垂直入射的所述准直激光均匀分为若干发散光束，所述发散光束之间的角度可以通过调节所述衍射分束元件5的结构来进行精密控制。

所述激光雷达发射系统还设置有旋转平台，所述旋转平台可绕所述旋转平台的中心轴线在水平方向上进行360°旋转，所述脉冲激光器准直发射模块1和所述衍射分束元件5设置在所述旋转平台上，所述旋转平台带动所述脉冲激光器准直发射模块1和所述衍射分束元件5进行旋转，从而实现将所述发散光束投射至所述旋转平台的周边环境进行扫描，从而保证激光雷达对周围360°范围一定视场角范围的探测感知。

通过所述衍射分束元件5，调节所述衍射分束元件5上刻蚀槽之间的周期，可以精确控制所述激光雷达发射系统发射出的各所述发散光束之间的角度，从而可以避免精密、复杂的微组装过程，提高所述发散光束之间的精度与以一致性，从而提高激光雷达的使用普及性。

实施例二

如图1所示，图1为所述激光雷达发射系统实施例二的结构立体图；所述脉冲激光器准直发射模块1还包括柱透镜12、非球面透镜13，所述柱透镜12和所述非球面透镜13设置在所述激光器11和所述衍射分束元件5之间，所述激光器11优选采用脉冲半导体激光器；所述衍射分束元件5优选采用衍射光栅分束元件。

具体的，所述半导体激光器11在快轴方向与慢轴方向的出光面尺寸相差较大，一般的，所述激光器11发射激光在所述快轴方向上的发散角较大。

故本发明首先通过设置的所述非球面柱透镜12将所述激光器11发射激光在所述快轴方向上的发散角进行压缩，所述激光器11发射激光在所述慢轴方向上将会不受影响的继续传输；所述非球面透镜13的固定设置，使所述激光器11的出光面在所述非球面透镜13的焦平面处，所述非球面透镜13的焦距一般大于30mm，通过所述非球面透镜13将所述发射激光在所述慢轴方向上和所述快轴方向上进行准直，准直后的所述准直光束发散角小于3mrad x 3mrad。

通过所述柱透镜12进行快轴方向上的光束压缩，可降低发射激光在到达所述非球面透镜13之前的光能量耗散。

将准直后的所述准直激光垂直入射进所述衍射分束元件5，通过所述衍射分束元件5，将所述准直激光在第一方向上分成若干所述发散光束，如图2所示，而在第二方向上不受影响，如图3所示；所述第一方向和所述第二方向垂直。

较佳的，所述第一方向形成的若干所述发散光束垂直于水平面，保证所述旋转平台在水平方向上旋转时，所述发散光束均可扫描到360°、上下一定视场角范围内的空间，从而保证激光雷达对周围360°范围一定视场角范围的探测感知。

在本实施例中，所述激光器11采用波长为905nm的脉冲半导体激光器，峰值发射功率为25W，根据所述激光器11的波长，设计制作所述衍射分束元件5，各个所述发散光束的功率均匀性≤±10％，发射效率≥75％，准直激光经所述衍射分束元件5分束为五道发散光束，五道所述发散光束形成的整个光束发散角为12°，各个所述发散光束之间的夹角为3°。

实施例三

实施例三在实施例一的基础上进行进一步改进，改进之处在于，所述激光雷达发射系统还包括反射镜3、旋转马达4。

如图4、图5所示，图4为所述激光雷达发射系统实施例三的结构立体图；图5为所述激光雷达发射系统实施例三的结构俯视图；所述反射镜3和所述旋转马达4连接，所述旋转马达4可带动所述反射镜3转动从而调节激光和所述反射镜3的夹角，改变激光入射至所述反射镜3上的入射角度和反射角度。

所述反射镜3设置在所述脉冲激光器准直发射模块1和所述衍射分束元件5之间；所述脉冲激光器准直发射模块1、所述衍射分束元件5、所述反射镜3和所述旋转马达4均设置在所述旋转平台上。

所述脉冲激光器准直发射模块1射出的所述准直激光垂直向下射入所述反射镜3，所述反射镜3的镜面与水平面开始时呈45度角，使得所述准直激光经过所述反射镜3后水平射出，所述衍射分束元件5的衍射光栅与水平面垂直。

如图6所示，图6为所述激光雷达发射系统实施例三反射镜3角度改变前后分束的比对视图；所述激光雷达发射系统经所述旋转平台进行第一圈旋转时，所述反射镜3保持与水平方向呈45度角的状态，所述准直激光经过所述反射镜3水平发射出去，垂直入射到所述衍射分束元件5经过分束形成三束所述分散光束，即图3中的实线光束，因此通过所述分散光束旋转一周可对空间一定角度上的环境进行探测；当所述激光雷达发射系统旋转第二圈时，所述反射镜3在所述旋转的作用下旋转一定角度θ，垂直向下的所述准直激光再次经过所述反射镜3后改变原先的水平出射而向下偏转θ角，进而入射到所述衍射分束元件5上时，三束所述分散光束整体向下偏转θ角，即图3中的虚线光束，所述分散光束通过水平旋转一圈，补充了第一圈时相邻两束光之间范围的探测，从而可使得探测分辨率提高一倍。

本发明所述激光雷达发射系统在不增加激光器数目的基础上，通过时分复用技术，可实现对空间探测的分辨率成倍提高，避免了现有技术中提高分辨率而带来的巨大成本增加，系统扩展性强

在本实施例中，采用的所述激光器11采用波长为905nm的脉冲半导体激光器，所述脉冲激光器准直发射模块1发出的激光束发散角≤3mrad。根据所述激光器11的波长所述衍射分束元件5分束为三道发散光束，三道所述发散光束形成的整个光束发散角为20°，各个所述发散光束之间的角度为10°。各个所述发散光束的均匀性≤±10％，发射效率≥75％。

实施例四

如图7、图8所示，图7为本发明激光雷达发射系统的结构立体图，图8为本发明激光雷达发射系统的结构俯视图；本发明所述激光雷达发射系统包括脉冲激光器准直发射模块1、MEMS振镜2、反射镜3、旋转马达4和衍射分束元件5；MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)。

所述反射镜3和所述旋转马达4连接，所述旋转马达4可带动所述反射镜3转动从而调节激光和所述反射镜3的夹角，改变激光发射至所述反射镜3上的入射角度和反射角度。

所述脉冲激光器准直发射模块1包括激光器11，所述脉冲激光器准直发射模块1通过光学系统的组合实现对所述激光器11光源的准直处理，准直处理后的光束直径与所述MEMS振镜2的镜面大小相吻合。所述衍射分束元件5的线束数目、均匀性、效率需要根据具体要求预先进行设计与优化。

将所述MEMS振镜2安装在所述脉冲激光器准直发射模块1发射激光的对应位置上，使得准直后的激光入射到所述MEMS振镜2的镜面上发生反射，反射的信号光入射到所述衍射分束元件5上，分成多束发散光束；进一步控制所述MEMS振镜2，使得所述MEMS振镜2转动实现在一定角度范围内的扫描，经所述MEMS振镜2和所述反射镜3反射的信号光通过所述衍射分束元件5形成多束发散光束并在一定角度范围内进行同步扫描。调整所述旋转马达4的转动角度实现对入射到所述衍射分束元件5上所述信号光角度的调节，使得分束的各个发散光束与起初时刻的发散光束交叉向空间发射，再次启动所述MEMS振镜2进行扫描，可填补第一次扫描相邻光束之间的角度范围，可通过调整所述旋转马达4的转动角度进行多轮扫描，从而大幅度提高空间扫描分辨率。

如图9所示，图9为本发明激光雷达发射系统反射镜3角度改变前后分束的比对视图；本发明激光雷达发射系统具体工作原理为：所述脉冲激光器11准直模块1发射激光至所述MEMS振镜2的镜面上并经所述MEMS振镜2反射为反射光，通过所述反射光入射到所述反射镜3上，经过所述反射镜3的反射进一步入射到所述衍射分束元件5上，形成均匀的若干发散光束。在初始状态下，所述反射镜3保持角度不变，通过所述MEMS振镜2的扫描，如图2所示，所述发散光束将在一定角度范围之内进行第一次扫描，形成对空间一定范围内进行探测。当完成一次扫描过程时，通过所述旋转马达4的控制作用，使得所述反射镜3偏转一定的偏转角度θ，所述发散光束也产生偏转效果，并再次驱动所述MEMS振镜2进行第二次扫描，此时通过所述第二次扫描对第一次扫描的扫描范围进行进一步有效的补充，从而可成倍的提高本发明所述激光雷达发射系统的探测分辨率。

所述激光雷达发射系统还对应设置有激光接收装置；所述激光接收装置包括广角镜头、滤光片及光电探测器，待测目标物反射的回波信号依次经所述广角镜头和所述滤光片成像在所述光电探测器的探测面上；所述广角镜头的适用波长，所述滤光片的适用波长和所述光电探测器的适用波长均与所述激光器11光源相匹配。

所述光电探测器包括若干线状探测单元，所述线状探测单元相互紧密地平行排列，且所有所述线状探测单元与所述MEMS振镜2静止时所呈现的长条形光斑垂直，以保证所得到的待测目标物的三维位置信息不错位/变形。

所述线状探测单元采用可接收激光的雪崩光电二极管(APD)。

所述激光雷达发射系统还设置有驱动电路，所述驱动电路用于驱动所述激光器11按照预设频率发射脉冲激光、驱动所述MEMS振镜2扭转从而实现激光扫描、驱动所述旋转马达4转动角度形成不同发散光束、驱动信号处理电路采集和处理待测目标物所返回的回波信号。

所述信号处理电路通过计算所述光电探测器每个所述线状探测单元所探测到的所述脉冲激光器11准直模块所发射的脉冲激光和待测目标物返回的回波信号之间的时间差或者相位差来计算待测目标物的距离信息；将所得到的距离信息分别与相应的所述MEMS振镜2的实时扫描角度相匹配，最终可得出待测目标物的三维位置信息。

实施例五

在本实施例中，所述激光器11采用波长为905nm的脉冲半导体激光器，峰值发射功率为30W，所述脉冲激光器准直发射模块1通过光学系统的组合对脉冲半导体激光器发出的激光进行准直，发散角为3mrad*3mrad。

根据所述激光器11的波长，所述衍射分束元件5的各个发散光束的功率均匀性≤±10％，发射效率≥75％，入射激光经所述衍射分束元件5分束为五道发散光束，五道所述发散光束形成的整个光束发散角为12°，各个所述发散光束之间的夹角为3°。

所述MEMS振镜2的扫描范围为±10°，扫描速率为200Hz，所述反射镜3采用高精度振镜，所述旋转马达4调节所述反射镜3与水平方向的角度；较佳的，初始时刻，所述反射镜3与水平方向的角度呈45°，启动所述MEMS振镜2进行20°范围的第一次扫描，当所述第一次扫描完成之后，形成的扫描点阵如图10所示。当所述反射镜3偏转角度θ为1.5°时，启动所述MEMS振镜2再次进行20度范围内的第二次扫描，所述第一次扫描和所述第二次扫描形成的点阵如图11所示。故通过所述反射镜3角度的调整，可使得空间扫描的扫描分辨率提高一倍。

值得指出的是，根据所述衍射分束元件5的结构设置，通过所述衍射分束元件5后获得发散光束数量不限为5束，可根据具体工作条件将所述衍射分束元件5进行结构设置，致使所述发散光束数量调节为8，16，32等；所述的反射镜3第二次调整的角度不限于相邻光束夹角的一半，也可以是其他合理角度；所述MEMS振镜2扫描的扫描次数不限于两次，也可以是多次，每次所述反射镜33调整的角度可逐渐增大。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，包括脉冲激光器准直发射模块、衍射分束元件、反射镜和旋转马达；所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件对应设置；所述反射镜和所述旋转马达连接，所述旋转马达可带动所述反射镜转动从而调节激光和所述反射镜的夹角，所述反射镜设置在所述脉冲激光器准直发射模块和所述衍射分束元件之间；所述脉冲激光器准直发射模块射出的准直激光垂直向下射入所述反射镜，所述准直激光经过所述反射镜发射后射出至所述衍射分束元件。

2.如权利要求1所述的基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，所述脉冲激光器准直发射模块包括激光器，所述脉冲激光器准直发射模块通过光学系统的组合实现对所述激光器光源的准直处理，准直处理后的所述准直激光垂直入射入所述反射镜。

3.如权利要求1所述的基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，还设置有旋转平台，所述旋转平台可绕所述旋转平台的中心轴线在水平方向上进行旋转，所述脉冲激光器准直发射模块、所述衍射分束元件、所述反射镜和所述旋转马达均设置在所述旋转平台上。

4.如权利要求2所述的基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光器采用波长为905nm的脉冲半导体激光器，峰值发射功率为30W，所述准直激光发散角为3mrad*3mrad。

5.如权利要求2所述的基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，所述准直激光经所述衍射分束元件分束为三道发散光束，三道所述发散光束形成的整个光束发散角为20°，各个所述发散光束之间的角度为10°；各个所述发散光束的均匀性≤±10％，发射效率≥75％。

6.如权利要求2所述的基于衍射分束元件的时间复用激光雷达发射系统，其特征在于，所述衍射分束元件的衍射光栅与水平面垂直。