CN110412594A - 一种激光多通道探测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光多通道探测系统，采用多通道探测装置并且不同接收通道具有不同的探测接收视场和探测灵敏度，解决了传统收发分置光学系统探测动态范围的问题；通过距离门和探测灵敏度的选择可以提升探测动态范围、降低系统内近处较强回波信号干扰目标回波信号的影响；从而提出一种能避免近距离探测收发同置光路中光学原件及光学窗口污染反射杂光的干扰问题，又能满足大动态范围探测距离需求，还能够适用于偏振光、非偏振光、部分偏振光激光光源的激光雷达探测系统。

Description

一种激光多通道探测系统
技术领域
本发明涉及激光雷达及激光测距领域的技术领域，特别涉及一种激光多通道探测系统。
背景技术
激光雷达，是以发射激光束探测目标的距离、位置、速度等特征量的雷达系统，其通过向目标发射激光束，然后接收目标反射的信号(目标回波)，对回波信号进行分析处理后得到目标的有关信息。
现有技术中，激光雷达系统在进行回波信号探测时，发射/接收光路有收发同置和收发分置两种方式：在收发同置的方式中，发射光路光轴与接收光路光轴重合(同轴，为一条直线)，这种探测方式的优点是接收探测视场可以覆盖发射出瞳(近距离)至无穷远距离，探测距离动态范围大，但收发同置的方式对近距离目标的回波很强，以及系统存在发射透镜、光学窗口等干扰问题，导致近距离目标回波信号失真和杂波干扰的问题严重。而传统收发分置的方式，发射光路光轴和接收光路光轴平行但不重合(平行线)，这种探测方式优点是受系统存在发射透镜、光学窗口等回波干扰影响小，并且由于收发分置方式，接收探测视场和发射光学视场在近距离并不交叠，导致激光雷达系统无法实现近距离目标的回波信号探测。
此外，现有技术提出将收发同置与收发分置结合的技术方案，例如CN201610288303.7(文献1)中指示：在近距离由收发同置光路进行探测，远距离由旁轴收发分置光路进行探测，两种探测口径在接受视场上有一定的交叠，从而保证系统探测的动态范围。然而，该方案不足之处在于：一方面，近距离探测采用收发同置光路，收发视场在系统内部就产生交叠，并不能避免收发同置光路中光学原件及光学窗口污染反射杂光的干扰。另一方面，系统采用偏振片、波片等装置构建收发同置光路，因此需要要求发射激光必须为偏振光，对于非偏振激光光源该系统并不适用。
因此，亟需一种既能避免近距离探测收发同置光路中光学原件及光学窗口污染反射杂光的干扰问题，又能满足大动态范围探测距离需求，还能够适用于偏振光、非偏振光、部分偏振光激光光源的激光雷达探测系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种具有较大的探测距离动态范围、避免近距离系统内杂波干扰影响、并且适用于偏振光、非偏振光、部分偏振光激光光源的激光多通道探测系统。
本发明的技术方案是：一种激光探测系统，具有发射光学系统，以发射出射激光光束；以及具有多通道激光回波接收装置，以接收出射激光回波；其特征在于：所述多通道为双通道或三以上通道，所述多通道激光回波接收装置中的第一通道设置有第一探测距离接收装置以实现近距离回波接收，第二通道设置有第二探测距离接收装置以实现远距离回波接收，所述第一、第二通道以及所述出射激光光束的光轴之间两两均不相重合。
进一步的，所述第一探测距离接收装置具有相对设置的小光路有效接收口径与大探测视场，所述第二探测距离接收装置具有相对设置的大光路有效接收口径与小探测视场。
进一步的，所述第二探测距离接收装置的所述探测视场小于所述第一探测距离接收装置的所述探测视场，所述第二探测距离接收装置的所述光路有效接收口径大于所述第一探测距离接收装置的所述光路有效接收口径。
进一步的，所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值高于所述近距离回波中干扰回波信号的峰值。
进一步的，所述第二探测距离接收装置的探测灵敏度阈值低于所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值。
进一步的，所述第一探测距离接收装置的所述探测视场与所述出射激光光束的发射视场在所述近距离附近交叠，并且所述第二探测距离接收装置的所述探测视场与所述出射激光光束的发射视场在所述远距离附近交叠。
进一步的，所述第一探测距离接收装置的所述探测视场与所述第二探测距离接收装置的所述探测视场部分交叠。
进一步的，所述多通道激光回波接收装置还具有第三通道，所述第三通道设置有第三探测距离接收装置以实现相比于所述第二探测距离接收装置更远距离的回波接收；
所述第三探测距离接收装置的探测视场小于所述第二探测距离接收装置的所述探测视场，并且所述第三探测距离接收装置的光路有效接收口径大于所述第二探测距离接收装置的所述光路有效接收口径。
进一步的，所述多通道激光回波接收装置还具有第三通道，所述第三通道设置有第三探测距离接收装置以实现相比于所述第二探测距离接收装置更远距离的回波接收；
所述第三探测距离接收装置的探测灵敏度阈值低于所述第二探测距离接收装置的探测灵敏度阈值。
进一步的，还具有系统控制单元和激光收发指向控制装置；
所述系统控制单元能够控制所述发射光学系统发射出射激光光束、控制所述激光收发指向控制装置调节所述出射激光光束的指向以对探测区域进行扫描；
所述出射激光回波通过所述激光收发指向控制装置耦合至所述多通道激光回波接收装置，所述系统控制单元能够接收所述激光收发指向控制装置反馈的指向信息，以进一步控制所述多通道激光回波接收装置对所述多通道中不同通道的选通和数据处理。
本发明的激光多通道探测系统，打破了传统激光雷达发收匹配对应(一发一收)或多发一收的探测方式，多通道探测装置为一发多收或多发多收方式，不同的接收装置对应发射光路不同的探测距离、探测接收视场和探测灵敏度，大幅提升激光雷达的探测能力，具体的有益效果包括：
(1)采用多通道探测装置，打破了收发同置光学系统近距离杂波干扰的问题；
(2)多通道探测装置中不同接收通道具有不同的探测接收视场和探测灵敏度，解决了传统收发分置光学系统探测动态范围的问题，通过距离门和探测灵敏度的选择可以提升探测动态范围、降低系统内近处较强回波信号干扰目标回波信号的影响；
(3)通过多通道探测装置的探测视场设计和优化，近距离探测具有较大的探测接收视场、远距离探测具有较小探测接收视场，可以有效避免太阳背景光及环境干扰光的影响，相比固定视场探测系统，有效提升抗干扰能力。
(4)近距离探测和发射激光采用分置设计，视场交叠区域可调，可以设计于光学窗口或发射望远镜后产生视场交叠，因此可以避免系统内光学原件反射杂波对探测的干扰。
(5)系统适用性强，对于偏振光、非偏振光、部分偏振光激光光源均适用。
附图说明
图1是本发明的一种激光多通道探测系统的远近距离发射视场、接收视场示意图；
图2是本发明的一种激光多通道探测系统的远近距离探测灵敏度的示意图；
图3是本发明的一种激光多通道探测系统的结构示意图；
图4是本发明的一种激光多通道探测系统的三个以上通道的接收视场关系示意图；
图5是本发明的一种激光多通道探测系统的三个以上通道的探测灵敏度关系示意图；
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明的激光探测系统具有发射光学系统，以发射出射激光光束；以及具有多通道激光回波接收装置，以接收出射激光回波；所述多通道的数量为N，N为2以上的自然数。优选的，各个通道以及所述出射激光光束的光轴之间两两均不相重合(采用收发分置方式)。
参见图1，所述N为2时，一种激光双通道探测系统，具有发射光学系统，以发射出射激光光束；以及具有多通道激光回波接收装置，以接收出射激光回波；其特征在于：所述多通道为双通道或三以上通道，所述多通道激光回波接收装置中的第一通道设置有第一探测距离接收装置以实现近距离回波接收，第二通道设置有第二探测距离接收装置以实现远距离回波接收，所述第一、第二通道以及所述出射激光光束的光轴之间两两均不相重合。
由于近距离目标回波能量较强，所述第一探测距离接收装置采用小口径、大视场的探测方式对近距离目标激光回波信号进行探测，所述近距离接收装置的具有较大的近距离接收视场，通过光学窗口后，近距离接收视场可以局部或完整覆盖发射视场，在较近的距离内(设备窗口后)对目标回波进行探测；由于远距离目标回波能量较弱、不存在系统内光学干扰问题，所述第二探测距离接收装置采用大口径、小视场的探测方式对远距离目标激光回波信号进行探测，在远距离上，远距离接收视场大于所述发射视场，保证在远距离接收视场可以覆盖发射视场，而在近距离所述远距离接收视场和所述发射视场不交叠。
优选地，所述第二探测距离接收装置的所述探测视场小于所述第一探测距离接收装置的所述探测视场，所述第二探测距离接收装置的所述光路有效接收口径大于所述第一探测距离接收装置的所述光路有效接收口径。
参见图2，由于近距离目标激光回波信号强，同时存在系统发射透镜和光学窗口等内部原件以及光学窗口污染等引入的干扰问题，所述近距离接收装置需要探测器具有较低的探测灵敏度(探测灵敏度阈值高)；而远距离回波信号较弱，但由于不存在干扰影响，所述远距离接收装置需要探测器具有较高的探测灵敏度(探测灵敏度阈值低)。因此，设置所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值高于所述近距离回波中干扰回波信号的峰值。并优选地，令所述第二探测距离接收装置的探测灵敏度阈值低于所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值。
需要说明的是，所述探测灵敏度指的是探测器能探测的最小激光信号强度。
参见图3，为本发明的激光探测系统结构示意图，包括：系统控制单元1、发射光学系统2、激光收发指向控制装置4和多通道激光回波接收装置6。优选地，所述激光收发指向控制装置4可以为振镜、反射镜、转镜和MEMS中之一或其组合，所述多通道激光回波接收装置6具有2个以上不同的接收通道7、接收通道8……。
其中，系统控制单元1能够控制发射光学系统2激光发射，发射光学系统2接收系统控制单元1的触发信号，将出射激光准直、扩束后进行发射，优选地，发射信号可以是脉冲信号，也可是调幅、调频、调相等连续波激光信号。
此外，系统控制单元1还能够控制激光收发指向控制装置4调节激光指向以对探测区域进行扫描。出射激光回波通过所述激光收发指向控制装置4耦合至所述多通道激光回波接收装置6，所述系统控制单元1能够接收所述激光收发指向控制装置4反馈的指向信息，以进一步控制所述多通道激光回波接收装置6对所述多通道中不同通道的选通和数据融合处理。
优选地，激光回波接收装置6中具有不同的接收通道，不同的接收通道负责不同距离回波信号的接收，不同的接收通道根据回波信号接收距离的增加，其接收视场减小，而有效接收口径增大。如图4所示，激光回波接收装置6在探测视场分布上，近距离接收通道具有大接收视场9，较远距离接收通道具有较小的接收视场11，远距离接收通道具有小接收视场12，在不同接收通道间探测距离区间存在一定交叠10。
优选地，激光回波接收装置6中不同的接收通道根据回波信号接收距离的增加，其探测灵敏度增加，而阈值减小。需要说明的是，所述探测灵敏度指的是探测器能探测的最小激光信号强度，因此探测灵敏度越低其阈值越高。如图5所示，激光回波接收装置6在探测灵敏度的分布上，近距离接收通道具有低探测灵敏度(高阈值)，较远距离接收通道具有较高的探测灵敏度15(较低阈值)，远距离接收通道具有高探测林敏度16(低阈值),在不同接收通道间探测灵敏度存在一定交叠14。
以上，本发明采用多通道探测装置，打破了收发同置光学系统近距离杂波干扰的问题。多通道探测装置中不同接收通道具有不同的探测接收视场和探测灵敏度，解决了传统收发分置光学系统探测动态范围的问题，通过距离门和探测灵敏度的选择可以提升探测动态范围、降低系统内近处较强回波信号干扰目标回波信号的影响。此外，近距离探测具有较大的探测接收视场、远距离探测具有较小探测接收视场，可以有效避免太阳背景光及环境干扰光的影响，相比固定视场探测系统，有效提升抗干扰能力。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光探测系统，具有发射光学系统，以发射出射激光光束；以及具有多通道激光回波接收装置，以接收出射激光回波；其特征在于：所述多通道为双通道或三以上通道，所述多通道激光回波接收装置中的第一通道设置有第一探测距离接收装置以实现近距离回波接收，第二通道设置有第二探测距离接收装置以实现远距离回波接收，所述第一、第二通道以及所述出射激光光束的光轴之间两两均不相重合。
2.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征在于：所述第一探测距离接收装置具有相对设置的小光路有效接收口径与大探测视场，所述第二探测距离接收装置具有相对设置的大光路有效接收口径与小探测视场。
3.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于：所述第二探测距离接收装置的所述探测视场小于所述第一探测距离接收装置的所述探测视场，所述第二探测距离接收装置的所述光路有效接收口径大于所述第一探测距离接收装置的所述光路有效接收口径。
4.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征在于：所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值高于所述近距离回波中干扰回波信号的峰值。
5.根据权利要求4所述的激光探测系统，其特征在于：所述第二探测距离接收装置的探测灵敏度阈值低于所述第一探测距离接收装置的探测灵敏度阈值。
6.根据权利要求2所述的激光探测系统，其特征在于：所述第一探测距离接收装置的所述探测视场与所述出射激光光束的发射视场在所述近距离附近交叠，并且所述第二探测距离接收装置的所述探测视场与所述出射激光光束的发射视场在所述远距离附近交叠。
7.根据权利要求6所述的激光探测系统，其特征在于：所述第一探测距离接收装置的所述探测视场与所述第二探测距离接收装置的所述探测视场部分交叠。
8.根据权利要求1所述的激光探测系统，其特征在于：所述多通道激光回波接收装置还具有第三通道，所述第三通道设置有第三探测距离接收装置以实现相比于所述第二探测距离接收装置更远距离的回波接收；
所述第三探测距离接收装置的探测视场小于所述第二探测距离接收装置的所述探测视场，并且所述第三探测距离接收装置的光路有效接收口径大于所述第二探测距离接收装置的所述光路有效接收口径。
9.根据权利要求5所述的激光探测系统，其特征在于：所述多通道激光回波接收装置还具有第三通道，所述第三通道设置有第三探测距离接收装置以实现相比于所述第二探测距离接收装置更远距离的回波接收；
所述第三探测距离接收装置的探测灵敏度阈值低于所述第二探测距离接收装置的探测灵敏度阈值。
10.根据权利要求1-9任一所述激光探测系统，其特征在于：还具有系统控制单元和激光收发指向控制装置；
所述系统控制单元能够控制所述发射光学系统发射出射激光光束、控制所述激光收发指向控制装置调节所述出射激光光束的指向以对探测区域进行扫描；
所述出射激光回波通过所述激光收发指向控制装置耦合至所述多通道激光回波接收装置，所述系统控制单元能够接收所述激光收发指向控制装置反馈的指向信息，以进一步控制所述多通道激光回波接收装置对所述多通道中不同通道的选通和数据处理。
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