CN109975785B - 光信号接收系统、方法和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光信号接收系统、方法和激光雷达。该系统包括：接收光学镜头，用于将收集的光信号耦合入光调制组件；所述光调制组件，用于根据设定时序控制所述光信号是否进入接收光电元件；所述接收光电元件，用于对入射的所述光信号进行响应。该系统能够大大减少进入该系统的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，极大地提高了光信号接收系统的灵敏度，因此大大提升了雷达的接收能力。

Description

光信号接收系统、方法和激光雷达

技术领域

本申请涉及光学技术领域，特别是涉及一种光信号接收系统、方法和激光雷达。

背景技术

随着激光雷达技术的发展，人们对激光雷达的探测性能要求越来越高。

传统的激光雷达是基于飞行时差测距(Time of Flight Measurement，简称TOF)原理构建，由发射系统、接收系统、信息处理系统构组成。激光雷达的接收系统接收目标物体反射回的反射光信号，随着目标距离的增加，反射光信号的强度随之递减，因此要求极其敏感的光电元器件作为接收元件。然而随着接收元件敏感程度的增加，却带来了工程上的问题，敏感的接收元件在提高对弱反射光信号的响应同时，也提高了对激光雷达近处目标物体的反射光信号的响应，例如来自发射系统的、由激光雷达内部所产生的杂散光的响应。

这些杂散光被敏感的接收元件响应，造成激光雷达的扫描盲区，使得激光雷达的灵敏度下降。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高接收灵敏度的光信号接收系统、方法和激光雷达。

第一方面，本申请实施例提供一种光信号接收系统，所述系统包括：

接收光学镜头，用于将收集的光信号耦合入光调制组件；

所述光调制组件，用于根据设定时序控制所述光信号是否进入接收光电元件；

所述接收光电元件，用于对入射的所述光信号进行响应。

在其中一个实施例中，所述光调制组件包括光纤和光调制器；

所述光纤用于将入射的所述光信号传输至所述光调制器；

所述光调制器用于在所述设定时序到达前截止所述光信号，以及在所述设定时序到达后控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件。

在其中一个实施例中，所述光纤的入射端面位于所述接收光学镜头的焦面位置。

在其中一个实施例中，所述接收光学镜头包括：第一凸透镜、第二凸透镜和第一凹透镜；所述第一凸透镜、所述第二凸透镜和所述第一凹透镜均为入射端面具有曲率、出射端面没有曲率的透镜。

在其中一个实施例中，所述接收光学镜头的出射光束角小于预设的光束角阈值。

第二方面，本申请实施例提供一种光信号接收方法，所述方法包括：

获取光信号到达接收光学镜头的设定时序；

根据所述设定时序，控制所述光信号是否通过并进入接收光电元件。

在其中一个实施例中，所述根据所述设定时序，控制所述光信号是否通过并进入接收光电元件，包括：

在所述设定时序到达前，截止所述光信号；

在所述设定时序达到后，控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件。

在其中一个实施例中，所述获取光信号到达接收光学镜头的设定时序，包括：

获取所述光信号产生散射的散射距离；

根据光速和所述散射距离的比值，确定所述设定时序。

在其中一个实施例中，所述获取所述光信号产生散射的散射距离，包括：

将所述光信号从发射系统到达腔体内壁的距离和所述光信号到达接收系统的距离进行求和，得到所述散射距离。

第三方面，本申请实施例提供一种激光雷达，包括如上述任一实施例所述的光信号接收系统。

上述光信号接收系统、方法和激光雷达，由于光信号接收系统包括接收光学镜头、光调制组件和接收光电元件，通过接收光学镜头能够收集光信号，并将收集到的光信号耦合入光调制组件，之后再由光调制组件依据设定时序进行开关，从而控制光信号是否通过并进入接收光电元件，因此，光调制组件在关闭的时候能够避免杂散光通过该光调制组件，进而避免接收光电元件对杂散光进行响应，减少了杂散光对光信号接收系统的干扰，以及光调制组件在打开的时候能够使得光信号通过该光调制组件，进而进入接收光电元件进行响应，从而使得光信号接收系统在不影响对有用的光信号进行响应的同时，能够大大减少进入该系统的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，极大地提高了光信号接收系统的灵敏度，因此大大提升了雷达的接收能力。

附图说明

图1为一个实施例提供的光信号接收系统的结构示意图；

图2为另一个实施例提供的光信号接收系统的结构示意图；

图3为又一个实施例提供的光信号接收系统中的接收光学镜头的组成和光路示意图；

图4为一个实施例提供的光信号接收方法的流程示意图；

图5为一个实施例提供的设定时序的确定原理示意。

附图标记说明：

光信号接收系统：100； 接收光学镜头：110；

第一凸透镜：111； 第二凸透镜：112；

第一凹透镜：113； 光调制组件：120；

光纤：121； 光调制器：122；

接收光电元件：130。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

图1为一个实施例提供的光信号接收系统的结构示意图。该系统100包括：接收光学镜头110，用于将收集的光信号耦合入光调制组件120；光调制组件120，用于根据设定时序控制所述光信号是否进入接收光电元件130；接收光电元件130，用于对入射的所述光信号进行响应。

具体的，上述光信号接收系统100具体包括接收光学镜头110、光调制组件120和接收光电元件130。其中，接收光学镜头110用于将收集的光信号耦合入光调制组件120；光调制组件120用于根据设定时序控制所述光信号是否进入接收光电元件130；接收光电元件130用于对入射的所述光信号进行响应。当光信号进入上述光信号接收系统100的时候，首先经由接收光学镜头110进入，再进入光调制组件120，该光调制组件120有打开和关闭两种状态，当光调制组件120为打开状态时，则上述光信号可以通过该光调制组件120并到达接收光电元件130进行相应；当光调制组件120为关闭状态时，则光信号无法通过该光调制组件120到达接收光电元件130，因此，接收光电元件130也无法对入射的其他杂散光进行响应，进而减少了杂散光对接收系统的的干扰。

本实施例中，上述光信号接收系统包括接收光学镜头、光调制组件和接收光电元件，由于上述接收光学镜头能够收集光信号，并将收集到的光信号耦合入光调制组件，之后再由光调制组件依据设定时序进行开关，从而控制光信号是否通过并进入接收光电元件，因此，光调制组件在关闭的时候能够避免杂散光通过该光调制组件，进而避免接收光电元件对杂散光进行响应，减少了杂散光对光信号接收系统的干扰，以及光调制组件在打开的时候能够使得光信号通过该光调制组件，进而进入接收光电元件进行响应，从而使得光信号接收系统在不影响对有用的光信号进行响应的同时，能够大大减少进入该系统的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，极大地提高了光信号接收系统的灵敏度，因此大大提升了雷达的接收能力。

在一个实施例中，上述光信号接收系统还可以参见图2所示。光调制组件120还包括光纤121和光调制器122，其中，光纤121，用于将入射的所述光信号传输至所述光调制器122；光调制器122用于在所述设定时序到达前截止所述光信号，以及在所述设定时序到达后控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件。

具体的，上述光调制组件120包括用于传输光信号的光纤121，以及对上述光信号进行控制的光调制器122。需要说明的是，上述设定时序可以为发射光信号从发射到经由设备内壁反射至光信号接收系统的时间。在设定时序到达之前，光调制器122关闭，此时，接收光电元件130无需对杂散光进行响应，因此减少了杂散光对光信号接收系统的干扰；在设定时序到达之后，光调制器122打开，该光调制器122打开后的一个延迟时段内，杂散光依然无法到达接收光电元件130，而在该延迟时段之后，光信号能够到达并通过该光调制器122，进入接收光电元件130进行响应。可选地，上述光调制器122可以为电光调制器、电吸收调制器、磁光调制器、声光调制器和偏振光调制器等等，本实施例对光调制器的种类并不做限定。

本实施例中，由于光调制组件包括光纤和光调制器，光纤能够将上述光信号传输至光调制器，并且光调制器能够在上述设定时序到达之前关闭，从而避免了杂散光通过并进入接收光电元件进行响应，减少了杂散光对光信号接收系统的干扰；另外，光调制器能够在设定时序之后打开，从而使得光信号通过并进入接收光电元件进行响应，因此在不影响对光信号响应的同时，大大减少入射的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，进一步提高了光信号接收系统的灵敏度，同时提升了雷达的接收能力。

可选地，在上述实施例的基础上，上述光纤121的入射端面位于接收光学镜头110的焦面位置。本实施例中，通过将光纤121的入射端面设置在接收光学镜头110的焦面位置，从而使得进入光纤121的有用的光信号更为集中，进而提高了光信号接收系统的接收能力。

在一个实施例中，如图3所示，上述接收光学镜头110包括：第一凸透镜111、第二凸透镜112和第一凹透镜113；第一凸透镜111、第二凸透镜112和第一凹透镜113均为入射端面具有曲率、出射端面没有曲率的透镜。具体的，图3中示出了光信号经由该接收光学镜头110的光路示意图。由于上述接收光学镜头包括第一凸透镜、第二凸透镜和第一凹透镜，并且第一凸透镜、第二凸透镜和第一凹透镜均为入射端面具有曲率、出射端面没有曲率的透镜，该接收光学镜头能够实现更大程度地会聚光信号，从而使得接收到的有用的光信号更多，进而提高了光信号接收系统的接受能力。

在一个实施例中，接收光学镜头110的出射光束角小于预设的光束角阈值。具体的，由于接收光学镜头110的出射光束角越小，其对光信号的会聚作用越明显，因此，设当接收光学镜头110的出射光束角小于预设的光束角阈值时，其对光信号的会聚能力更强，进而使得进入光信号接收系统的光信号能够更集中的进入接收光电元件进行响应，从而提升了光信号接收系统的接收能力。

以上实施例为对光信号接收系统的详细描述，下面将通过具体的实施方式对应用于上述系统的光信号接收方法进行详细描述。

图4为一个实施例提供的光信号接收方法的流程示意图。该方法可以应用于上述实施例中的光信号接收系统。如图4所示，该方法包括：

S101、获取光信号到达接收光学镜头的设定时序。

具体的，上述光调制器能够根据光信号从发射系统到达腔体内壁并返回光信号接收系统的时间确定一个设定时序。例如，其可以是将光信号从发射系统到达腔体内壁并返回光信号接收系统的时间作为设定时序，也可以是将上述时间加上预设的延迟作为设定时序，对此本实施例不做限定。

S102、根据所述设定时序，控制所述光信号是否通过并进入接收光电元件。

具体的，上述光调制组件根据上述设定时序，控制光调制器的开关状态，从而控制光信号是否能够通过光调制器，并到达接收光电元件进行响应。在实现过程中，光调制组件能够根据设定时序进行开关状态的控制，使得在光调制组件关闭的时候避免杂散光通过，进而避免接收光电元件对杂散光进行响应，减少了杂散光对光信号接收系统的干扰，以及光调制组件能够在打开的时候使得光信号通过该光调制组件，进入接收光电元件进行响应，实现正常的响应，从而使得光信号接收系统在不影响对光信号响应的同时，能大大减少进入该系统的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，其进一步提高了光信号接收系统的灵敏度，因此极大的提升了雷达的接收能力。

可选地，在上述图4所示的实施例基础上，上述步骤102还可以包括：在所述设定时序到达前，截止所述光信号；在所述设定时序达到后，控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件。具体的，光调制组件能够在设定时序到达前，保持关闭状态，从而截止杂散光信号，使得接收光电元件无需对杂散光进行响应，从而避免了光信号接收系统被杂散光干扰；另外，光调制组件在设定时序达到后，保持打开状态，从而使得光信号通过，并到达接收光电元件进行响应，进而使得光信号接收系统在不影响对光信号响应的同时，能大大减少进入该系统的杂散光，进而大大降低了杂散光对系统的干扰，进一步提高了光信号接收系统的灵敏度，因此极大的提升了雷达的接收能力。

可选地，在上述各光信号接收方法的实施例基础上，上述步骤S101可以包括：获取所述光信号产生散射的散射距离；根据光速和所述散射距离的比值，确定所述设定时序。具体的，可以将光信号从发射系统发射，经由腔体内壁进行反射并到达接收系统所经过的距离作为散射距离，然后将光信号经历该散射距离所需要的时间作为设定时序，其可以是将光速与散射距离做比，得到二者的比值，并将该比值作为设定时序。需要说明的是，如图5所示，T1为光信号由发射系统发射，经由腔体内壁产生散射并到达接收系统的时间，T2为光信号由发射系统发射，经由目标物体进行反射并到达接收系统的时间，腔体内壁到达目标物体的距离为d。通常希望光信号接收系统的盲区尽量小，即d的距离尽量小，此时T2尽量接近T1,因此，可以将T1作为设定时序。采用该方法，光调制组件能够通过获取光信号产生散射的散射距离，并将光速和散射距离的比值确定为设定时序，进而使得能够根据该设定时序控制光信号是否通过并到达所述接收光电元件进行响应，从而能够大大减少进入该系统的杂散光，降低了杂散光对系统的干扰，进一步提高了光信号接收系统的灵敏度，因此极大的提升了雷达的接收能力。

可选地，在上述实施例的基础上，获取光信号产生散射距离的一种可能的方式可以包括：将所述光信号从发射系统到达腔体内壁的距离和所述光信号到达接收系统的距离进行求和，得到所述散射距离。具体的，光调制器可以直接获取预先设定的光信号产生散射的散射距离，也可以是根据预设的腔体内壁的尺寸、发射系统的位置和光信号接收系统的位置，确定出光信号从发射系统到达腔体内壁的距离，以及从腔体内壁到达接收系统的距离，并将二者求和，得到散射距离。采用该方法，其确定散射距离的方式更为简单，因此计算方便，进而使得获取设定时序的效率进一步提高。

在一个实施例中，还提供了一种激光雷达，该激光雷达包括上述任一实施例中的光信号接收系统。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光信号接收系统，其特征在于，所述系统包括：

接收光学镜头，用于将收集的光信号耦合入光调制组件；

所述光调制组件，用于根据设定时序控制所述光信号是否进入接收光电元件；所述设定时序为发射光信号从发射到经由设备内壁反射至光信号接收系统的时间；所述光调制组件包括光调制器，所述光调制器用于在所述设定时序到达前截止所述光信号，以及在所述设定时序到达后控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件；

所述接收光电元件，用于对入射的所述光信号进行响应。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光调制组件还包括光纤；

所述光纤用于将入射的所述光信号传输至所述光调制器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述光纤的入射端面位于所述接收光学镜头的焦面位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收光学镜头包括：第一凸透镜、第二凸透镜和第一凹透镜；所述第一凸透镜、所述第二凸透镜和所述第一凹透镜均为入射端面具有曲率、出射端面没有曲率的透镜。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的系统，其特征在于，所述接收光学镜头的出射光束角小于预设的光束角阈值。

6.一种光信号接收方法，其特征在于，所述方法包括：

获取光信号到达接收光学镜头的设定时序；所述设定时序为发射光信号从发射到经由设备内壁反射至光信号接收系统的时间；

在所述设定时序到达前，截止所述光信号；

在所述设定时序达到后，控制所述光信号通过并到达所述接收光电元件。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述获取光信号到达接收光学镜头的设定时序，包括：

获取所述光信号产生散射的散射距离；

根据光速和所述散射距离的比值，确定所述设定时序。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述获取所述光信号产生散射的散射距离，包括：

将所述光信号从发射系统到达腔体内壁的距离和所述光信号到达接收系统的距离进行求和，得到所述散射距离。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述光信号从发射系统到达腔体内壁的距离和所述光信号到达接收系统的距离进行求和，得到所述散射距离，包括：

根据预设的腔体内壁的尺寸、发射系统的位置和光信号接收系统的位置，确定出光信号从发射系统到达腔体内壁的距离，以及从腔体内壁到达接收系统的距离，并将二者求和，得到所述散射距离。

10.一种激光雷达，其特征在于，包括如权利要求1至5中任一项所述的光信号接收系统。

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