CN109932729A - 面阵激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面阵激光雷达，包括：发光机构、接收镜头、像增强器、感光元件和处理器，所述发光机构向待探测物体发出面光源信号，所述接收镜头接收所述待探测物体反射的光信号，并将所述光信号输入所述像增强器，所述像增强器放大所述光信号，并将放大后的光信号输入所述感光元件，最终所述感光元件用于根据输入的放大后的光信号成像，本发明公开的面阵激光雷达采用像增强器对接收到的光信号进行了放大处理，因此最终感光元件接收到的光信号强度足够，能够提高成像的效果。

Description

面阵激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及雷达技术，尤其涉及一种面阵激光雷达。

背景技术

激光雷达，是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

面阵激光雷达作为激光雷达的一种，有利于高效地生产，并大幅降低了制造成本，已经广泛应用于各种民用领域，例如车辆防撞系统、智能门禁、现场三维建图等。

目前的面阵激光雷达的感光元件以雪崩光电二极管(Avalanche PhotoDiode，APD)阵列、盖革模式雪崩光电二极管(Geiger-Mode Avalanche PhotoDiode，GMAPD)阵列、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)、电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)为主，但APD阵列和GMAPD阵列的价格昂贵，且分辨率较低，难以达到图像级探测效果。而以CMOS和CCD为感光元件的面阵激光雷达分辨率高、成本低，但是CMOS和CCD器件的感光率低，难以实现远距离探测。

发明内容

本发明提供一种面阵激光雷达，以提高激光雷达的探测能力。

第一方面，本发明实施例提供一种面阵激光雷达，包括：发光机构、接收镜头、像增强器、感光元件和处理器；

发光机构用于向待探测物体发出面光源信号；

接收镜头用于接收待探测物体反射的光信号，并将光信号输入像增强器，像增强器用于放大光信号，并将放大后的光信号输入感光元件，感光元件用于根据输入的放大后的光信号成像；

处理器用于对发光机构、像增强器、感光元件进行控制，并对感光元件成像的图像进行采集处理。

在第一方面一种可能的实现方式中，发光机构包括光源，光源包括点光源、线光源或面光源；

当光源为点光源或线光源时，发光机构还包括扫描发射机构，扫描发射机构用于将光源发出的光源信号进行结构化处理，得到面光源信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，扫描发射机构包括MEMS微镜、MEMS振镜、MEMS扫描镜、机械振镜、扫描棱镜中的任一种。

在第一方面一种可能的实现方式中，光源包括红外激光器、近红外激光器、发光二极管中的任一种。

在第一方面一种可能的实现方式中，还包括滤光片，滤光片设置于接收镜头之前，用于滤除发光机构发射的波长以外的环境光。

在第一方面一种可能的实现方式中，像增强器包括光电阴极、电子透镜和荧光屏；

光电阴极用于将接收镜头输入的光信号转换为电信号，电子透镜用于将电信号聚焦并加速投射到荧光屏上，以实现对电信号的放大，荧光屏用于将投射的电信号转换成光信号，得到放大后的光信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，像增强器包括光电阴极、微通道板和荧光屏；

光电阴极用于将接收镜头输入的光信号转换为电信号，微通道板用于在加压后，使输入的电信号中的电子形成雪崩式反应，以实现对电信号的放大并将放大后的电信号投射到荧光屏上，荧光屏用于将投射的电信号转换成光信号，得到放大后的光信号。

在第一方面一种可能的实现方式中，像增强器和感光元件之间还包括第二接收镜头，第二接收镜头用于将像增强器输出的放大后的光信号聚焦于感光元件上。

在第一方面一种可能的实现方式中，感光元件包括CMOS或CCD。

在第一方面一种可能的实现方式中，处理器具体用于控制发光机构以预设周期发出面光源信号，控制像增强器将接收镜头输入的光信号以预设曝光时间曝光并使放大后的光信号的信噪比大于预设阈值。

本发明实施例提供的面阵激光雷达，包括：发光机构、接收镜头、像增强器、感光元件和处理器，发光机构向待探测物体发出面光源信号，接收镜头接收待探测物体反射的光信号，并将光信号输入像增强器，像增强器放大光信号，并将放大后的光信号输入感光元件，最终感光元件用于根据输入的放大后的光信号成像，由于本实施例提供的面阵激光雷达采用像增强器对接收到的光信号进行了放大处理，因此最终感光元件接收到的光信号强度足够，能够提高成像的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的面阵激光雷达实施例一的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的面阵激光雷达中像增强器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的面阵激光雷达实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的面阵激光雷达包括：

发光机构11、接收镜头12、像增强器13、感光元件14和处理器15。

发光机构11用于向待探测物体发出面光源信号；接收镜头12用于接收待探测物体反射的光信号，并将光信号输入像增强器13，像增强器13用于放大光信号，并将放大后的光信号输入感光元件14，感光元件14用于根据输入的放大后的光信号成像。处理器15用于对发光机构11、像增强器13、感光元件14进行控制，并对感光元件14成像的图像进行采集处理。

激光雷达的工作原理是向待探测物体发送探测光束，然后接收待探测物体反射回的光信息，并对探测光束和反射光束进行分析，以得到待探测物体的先关信息。而采用面光源和面接收阵列的面阵激光雷达，能够得到待探测物体更加完整的信息，当采用CMOS或CCD作为感光元件时，可以实现很高的分辨率(例如720P、1080P、2K或4K分辨率)，可以实现待探测物体的成像。但是由于CMOS或CCD器件的感光率较低，需要多次曝光累积才能达到所需的信号强度，那么需要的单词曝光时间为纳秒级，而CMOS或CCD难以达到如此短的曝光时间，并且由于电路噪声累积变大，导致信噪比降低，因此采用CMOS或CCD作为感光元件的面阵激光雷达探测距离较近，难以被广泛应用。

为了解决上述问题，本实施例提供一种面阵激光雷达，其中，发光机构11用于向待探测物体发出面光源信号，发光机构11可以为能够直接发出面光源的器件或器件组合，也可以是能够发出点光源、线光源的光源与将点光源、线光源转换为面光源的转换结构的组合。若发光机构11为能够直接发出面光源的器件，则本实施例提供的面阵激光雷达为固态面阵激光雷达。若发光机构11为能够发出点光源、线光源的光源与将点光源、线光源转换为面光源的转换结构的组合，那么本实施例提供的面阵激光雷达就不是固态面阵激光雷达，其中将点光源、线光源转换为面光源的转换结构可以是扫描发射机构。点光源或线光源可以发射出点、线机构光，经过扫描发射机构将点、线光源扫描成面光源，曝光区域配合光条位置，提高在强环境光情况下的信噪比。

发光机构11的光源可以包括点光源、线光源或面光源，若发光机构11的光源为面光源，则发光机构11可以直接发出面光源的光信号。若发光机构11的光源为点光源或线光源时，发光机构11还包括扫描发射机构。在图1中，以发光机构11包括光源21和扫描发射机构22为例，扫描发射机构22用于将光源21发出的光源信号进行结构化处理，得到面光源信号。扫描发射机构22包括微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)微镜、MEMS振镜、MEMS扫描镜、机械振镜、扫描棱镜中的任一种。光源21包括红外激光器、近红外激光器、发光二极管中的任一种。

当发光机构11将面光源发射到待探测物体上后，待探测物体会将一部分光信号反射回光信号的发射方向，待探测物体不同的形状、材质等会导致反射的光信号的方向和强度有所区别，而面阵激光雷达正是根据反射回的光信号的不同差别，实现对待探测物体的探测。接收镜头12设置于待探测物体反射回的光信号的线路上，用于接收待探测物体反射的光信号，接收镜头12实现对接收到的光信号的聚焦。接收镜头12将接收到的光信号输入像增强器13，像增强器13用于放大光信号，并将放大后的光信号输入感光元件14。

可选地，在接收镜头12之间，还可以包括滤光片23，滤光片23用于滤除发光机构11发射的波长以外的环境光。由于环境中的光线信号较为复杂，除了待探测物反射的发光机构11发出的光信号外，还可能包括其他波长的环境光，为了避免环境光对成像的影响，可以设置滤光片23，滤光片23能够将发光机构11发射的光的波长以外的其他波长的光线滤除，从而使接收镜头12仅接收到待探测物反射的发光机构11发出的光信号。

由于接收镜头12直接接收的光信号很微弱，直接对其进行成像，会影响成像效果，无法达到图像级的成像效果。因此，本实施例中，在接收镜头12和感光元件14之间增加了像增强器13，像增强器13的目的是对光信号进行放大，使得接收镜头12接收到的较微弱的光信号能够增强，使得增强后的光信号能够实现更加清晰的成像。像增强器13可以采用任一种能够实现光信号的放大的结构。例如可以将接收镜头12输入的光信号中的光子转换成电子，也就是将光信号转换为电信号，对电信号进行放大后，再将电信号转换为光信号进行重新成像，从而实现对光信号的放大。放大后的光信号被输入感光元件14，感光元件14用于根据输入的放大后的光信号成像，由于已经对光信号进行了放大处理，因此在感光元件14上成像的图像将更加清晰。由于CMOS和CCD可以实现图像级分辨率，因此在本实施例中感光元件14可以采用CMOS或CCD，以降低成本，并有利于产品化。

可选地，在像增强器13和感光元件14之间还可以包括第二接收镜头24，第二接收镜头24用于将像增强器13输出的放大后的光信号聚焦于感光元件14上。

在面阵激光雷达中还包括处理器15，处理器15控制发光机构11向待探测物体发出光信号，然后在接收镜头12接收到光信号并输入像增强器后，控制像增强器13对光信号进行放大处理，将光信号放大至所需强度，处理器15还对感光元件14进行控制以实现将放大后的光信号成像。然后处理器15还对感光元件14成像的图像进行采集处理，最终得到待探测物体成像的图像。由于本实施例提供的面阵激光雷达采用像增强器对接收到的光信号进行了放大处理，因此最终感光元件接收到的光信号强度足够，能够提高成像的效果。

处理器15具体用于控制发光机构11以预设周期发出面光源信号，控制像增强器13将接收镜头12输入的光信号以预设曝光时间曝光并使放大后的光信号的信噪比大于预设阈值。处理器15控制各个部件之间的时序逻辑，从而实现面阵激光雷达的成像。

本实施例提供的面阵激光雷达，包括：发光机构、接收镜头、像增强器、感光元件和处理器，发光机构向待探测物体发出面光源信号，接收镜头接收待探测物体反射的光信号，并将光信号输入像增强器，像增强器放大光信号，并将放大后的光信号输入感光元件，最终感光元件用于根据输入的放大后的光信号成像，由于本实施例提供的面阵激光雷达采用像增强器对接收到的光信号进行了放大处理，因此最终感光元件接收到的光信号强度足够，能够提高成像的效果。

图2为本发明实施例提供的面阵激光雷达中像增强器的结构示意图，如图2所示，像增强器包括光电阴极31、电子透镜32和荧光屏33。

光电阴极31用于将接收镜头12输入的光信号转换为电信号，电子透镜32用于将电信号聚焦并加速投射到荧光屏33上，以实现对电信号的放大，荧光屏33用于将投射的电信号转换成光信号，得到放大后的光信号。由于接收镜头12输入的为光信号，对光信号直接进行放大处理会导致各种问题，因此像增强器13采用光电阴极31，对接收镜头12输入的光信号进行处理，将光信号中的光子转换为电子，然后采用电子透镜32对电子进行加速处理，电子透镜32对电子进行加速后，然后电子透镜32再将加速后的电子射入荧光屏33，加速后的电子相当于对电信号进行了放大，那么射入荧光屏33后，荧光屏33将电子又转换为光子，相当于对接收镜头12输入的光信号进行了放大。像增强器13的荧光屏33是将电子再次转换成光信号的器件，荧光屏33上加有高压，可以将一个电子转换成多个光子。

可选地，电子透镜32还可以为微通道板，微通道板用于在加压后，使输入的电信号中的电子形成雪崩式反应，以实现对电信号的放大并将放大后的电信号投射到荧光屏33上。当微通道板被加上高压后，电子碰撞内壁会进行倍增，形成雪崩式反应，实现信号的放大。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种面阵激光雷达，其特征在于，包括：发光机构、接收镜头、像增强器、感光元件和处理器；

所述发光机构用于向待探测物体发出面光源信号；

所述接收镜头用于接收所述待探测物体反射的光信号，并将所述光信号输入所述像增强器，所述像增强器用于放大所述光信号，并将放大后的光信号输入所述感光元件，所述感光元件用于根据输入的放大后的光信号成像；

所述处理器用于对所述发光机构、所述像增强器、所述感光元件进行控制，并对所述感光元件成像的图像进行采集处理。

2.根据权利要求1所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述发光机构包括光源，所述光源包括点光源、线光源或面光源；

当所述光源为点光源或线光源时，所述发光机构还包括扫描发射机构，所述扫描发射机构用于将所述光源发出的光源信号进行结构化处理，得到所述面光源信号。

3.根据权利要求2所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述扫描发射机构包括微机电系统MEMS微镜、MEMS振镜、MEMS扫描镜、机械振镜、扫描棱镜中的任一种。

4.根据权利要求2或3所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述光源包括红外激光器、近红外激光器、发光二极管中的任一种。

5.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，还包括滤光片，所述滤光片设置于所述接收镜头之前，用于滤除所述发光机构发射的波长以外的环境光。

6.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述像增强器包括光电阴极、电子透镜和荧光屏；

所述光电阴极用于将所述接收镜头输入的光信号转换为电信号，所述电子透镜用于将所述电信号聚焦并加速投射到所述荧光屏上，以实现对所述电信号的放大，所述荧光屏用于将投射的电信号转换成光信号，得到放大后的光信号。

7.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述像增强器包括光电阴极、微通道板和荧光屏；

所述光电阴极用于将所述接收镜头输入的光信号转换为电信号，所述微通道板用于在加压后，使输入的电信号中的电子形成雪崩式反应，以实现对电信号的放大并将放大后的电信号投射到所述荧光屏上，所述荧光屏用于将投射的电信号转换成光信号，得到放大后的光信号。

8.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述像增强器和所述感光元件之间还包括第二接收镜头，所述第二接收镜头用于将所述像增强器输出的放大后的光信号聚焦于所述感光元件上。

9.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述感光元件包括互补金属氧化物半导体CMOS或电荷耦合元件CCD。

10.根据权利要求1～3任一项所述的面阵激光雷达，其特征在于，所述处理器具体用于控制所述发光机构以预设周期发出面光源信号，控制所述像增强器将所述接收镜头输入的光信号以预设曝光时间曝光并使所述放大后的光信号的信噪比大于预设阈值。