CN110488248A - 一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，包括：若干用于发出激光光束的激光器、用于适应激光器发出的激光光束并进行偏转的声光偏转器阵列、若干光学处理单元、激光接收模块和APD接收阵列。通过上述方式，本发明提供的通过程序控制的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，消光比高的特性，有利于提高发射光束质量，驱动功率低，温度稳定性优良，热噪声主要集中在激光器端；由声波来控制激光光束偏转，扫描频率较低，采用阵列式同步扫描，能有效提高扫描速率，采用阵列式组合式扫描，能有效提高扫描市场角，采用1550nm的激光光束和适用于1550nm光束的声光偏转器，对人的安全性较高。

Description

一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种激光雷达装置，特别是涉及基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置。
背景技术
目前，实现激光雷达测距主要方式有Flash式、三角测距式、机械式、光学MEMS式、光学相控阵式。
机械式激光雷达是当前激光雷达的主要形态，机械式激光雷达主要是通过一组或者多组激光发射和接收装置来实现单点激光测距，通过转台实现360度环绕式的三维测量；该方法成熟度比较高，适用于短中长距离的探测；其缺点是三维扫描的分辨率比较低，功耗较高，线束越多体积越大，质量越重。
三角测距法激光雷达，是由入射光和发射光构成一个三角形，对光点位移的计算，得出其空间位置，该方法适合短距离测量，多用于近距离单线二维激光雷达；其缺点为测量距离短，在远距离会出现较大的误差。
Flash式激光雷达是通过VSCEL激光阵列和面阵接收装置来实现激光测量；该方式适合短中距离测量，多用于单线和面阵激光雷达，其特点为体积小、质量轻、三维成像质量高；其缺点为测量距离较短、分辨率较低、功耗较高。
光学MEMS式激光雷达主要是采用光学MEMS微镜不断的周期改变激光的方向，结合面阵接收单元实现激光测量；其特点为体积小、质量轻、功耗低、三维扫描质量高；其缺点为光学MEMS微镜热稳定性较差、抗冲击能力较差，容易出现损坏。
光学相控阵施激光雷达主要是采用光波导装置发射指向性的激光，结合面阵接收单元实现激光测量。其特点为体积小、质量轻、功耗低；其缺点为三维扫描成像质量较差、临近点干扰较大、目前技术成熟度不高。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是如何提供一种缩短增压所需时间，并且出口处容积越大时间缩短越显著；缩小每次由于活塞换向所造成的压力波动差；减少了达到目标压力前的压力超调；增加稳态时的压力精准度；小型化整个增压模块；使得元器件数字化，并可以进行互联的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，包括：若干用于发出激光光束的激光器、用于适应激光器发出的激光光束并进行偏转的声光偏转器阵列、若干光学处理单元、激光接收模块和APD接收阵列。
其中，所述的激光器包含第一激光器，第二激光器和第三激光器，所述的第一激光器，第二激光器和第三激光器呈一字型排列，且第一激光器，第二激光器和第三激光器之间相互连接。
所述的声光偏转器阵列中包含有第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器，所述的第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器呈一字型排列，且第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器之间相互连接。
所述的光学处理单元包含第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元，所述的第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元呈一字型排列。所述的第一激光器、第一光学处理单元、第一声光偏转器之间依次连接，第二激光器、第二光学处理单元、第二声光偏转器之间依次连接，第三激光器、第三光学处理单元、第三声光偏转器之间依次连接。激光接收模块与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接。
在一个具体实施例中，所述的基于声光偏转器的阵列式扫描式激光雷达装置还包含有控制单元，所述的控制单元与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接，从而第一激光器和第一声光偏转器、第二激光器和第二声光偏转器、第三激光器和第三声光偏转器分别通过控制单元实现激光光束发出与偏转同步。
在一个具体实施例中，第一激光器，第二激光器、第三激光器之间同步并行。
在一个具体实施例中，第一声光偏转器、第二声光偏转器、第三声光偏转器之间同步并行。
在一个具体实施例中，所述激光器为高重频脉冲激光器。
在一个具体实施例中，所述的激光器发出的激光光束为1500～1555nm。
在一个具体实施例中，所述的激光器发出的激光光束为1550nm。
本发明的有益效果是：消光比高的特性，有利于提高发射光束质量，驱动功率低，温度稳定性优良，热噪声主要集中在激光器端；由声波来控制激光光束偏转，扫描频率较低，采用阵列式同步扫描，能有效提高扫描速率，采用阵列式组合式扫描，能有效提高扫描市场角，采用1550nm的激光光束和适用于1550nm光束的声光偏转器，对人的安全性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置中一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图，在本发明的一个具体实施例中提供一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置包括：若干用于发出激光光束的激光器、用于适应激光器发出的激光光束并进行偏转的声光偏转器阵列、若干光学处理单元、激光接收模块和APD接收阵列。
其中，所述的激光器包含第一激光器，第二激光器和第三激光器，所述的第一激光器，第二激光器和第三激光器呈一字型排列，且第一激光器，第二激光器和第三激光器之间相互连接。第一激光器，第二激光器、第三激光器之间同步并行。所述的激光器发出的激光光束为1500～1555nm。优选的，所述的激光器发出的激光光束为1550nm。采用1550nm的激光光束结合适用于1550nm光束的声光偏转器实现激光光束的二维扫描方式。
所述的声光偏转器阵列中包含有第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器，所述的第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器呈一字型排列，且第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器之间相互连接。第一声光偏转器、第二声光偏转器、第三声光偏转器之间同步并行。所述激光器为高重频脉冲激光器。声光偏转阵列式扫描具有扫描帧率高、扫描角度大的优点，并且能够实现同步并列式扫描。
所述的光学处理单元包含第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元，所述的第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元呈一字型排列，所述的第一激光器、第一光学处理单元、第一声光偏转器之间依次连接，第二激光器、第二光学处理单元、第二声光偏转器之间依次连接，第三激光器、第三光学处理单元、第三声光偏转器之间依次连接。激光接收模块与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接。
优选的，所述的基于声光偏转器的阵列式扫描式激光雷达装置还包含有控制单元，所述的控制单元与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接，从而第一激光器和第一声光偏转器、第二激光器和第二声光偏转器、第三激光器和第三声光偏转器分别通过控制单元实现激光光束发出与偏转同步。
在一个具体的实施例中，所述的基于声光偏转器的阵列式扫描式激光雷达装置采用三组高重频脉冲激光器作为光源，首先对每组激光器发出的光进行光束整形和准直，将处理好的光束导入声光偏转器中，通过控制声光偏转器的声频率，实现激光光束的二维扫描。
在接收端采用APD接收阵列，通过高精度时间差检测单元，检测出二维扫描的每一个点的激光脉冲发出和接收到激光脉冲回波的时间差，利用激光脉冲的飞行时间和接收到的脉冲脉宽，建立计算模型计算出每个扫描点的真实距离。
同时，基于声光偏转器的阵列式扫描式激光雷达装置采用的是1550nm波长的激光光束，声光偏转器主要是通过声波来引起偏转器内的介质密度呈疏密相见的交替变化，当激光光束进去声光偏转器，当入射光与声波面间夹角满足一定的条件，产生布拉格衍射，实现激光光束的周期性指向性偏转。三组声光偏转器呈一字型临近排列。该方式能扩大扫描角度，每组激光器和声光偏置器通过控制单元实现激光光束发出与偏转同步，在APD探测端相应位置接收到回波数据，回波数据包含回波脉宽、回波强度、回波返回的时间。三组激光发射及扫描装置同步并行工作，每组负责扫描一个范围，在控制及接收单元进行测距测量。
因此，本发明具有以下优点：
1、消光比高的特性，有利于提高发射光束质量，驱动功率低，温度稳定性优良，热噪声主要集中在激光器端；由声波来控制激光光束偏转，扫描频率较低，采用阵列式同步扫描，能有效提高扫描速率，采用阵列式组合式扫描，能有效提高扫描市场角，采用1550nm的激光光束和适用于1550nm光束的声光偏转器，对人的安全性较高；
2、克服了基于传统扫描方式的激光雷达装置面临的测距受温度影响较大、驱动功率大、光束质量较差、光束偏转角度小的问题，采用声光偏转器，通过阵列式的设计，能够快速灵活大范围的扫描，具有较高的帧率和分辨率，该装置具有温度稳定性优良、驱动功率低、数据质量高，体积小、质量轻等优点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，包括：若干用于发出激光光束的激光器、用于适应激光器发出的激光光束并进行偏转的声光偏转器阵列、若干光学处理单元、激光接收模块和APD接收阵列；其中，所述的激光器包含第一激光器，第二激光器和第三激光器，所述的第一激光器，第二激光器和第三激光器呈一字型排列，且第一激光器，第二激光器和第三激光器之间相互连接；所述的声光偏转器阵列中包含有第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器，所述的第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器呈一字型排列，且第一声光偏转器、第二声光偏转器和第三声光偏转器之间相互连接；所述的光学处理单元包含第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元，所述的第一光学处理单元、第二光学处理单元和第三光学处理单元呈一字型排列，所述的第一激光器、第一光学处理单元、第一声光偏转器之间依次连接，第二激光器、第二光学处理单元、第二声光偏转器之间依次连接，第三激光器、第三光学处理单元、第三声光偏转器之间依次连接；激光接收模块与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接。
2.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，所述的基于声光偏转器的阵列式扫描式激光雷达装置还包含有控制单元，所述的控制单元与第三激光器、第三声光偏转器分别连接后与APD接收阵列控制连接，从而第一激光器和第一声光偏转器、第二激光器和第二声光偏转器、第三激光器和第三声光偏转器分别通过控制单元实现激光光束发出与偏转同步。
3.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，第一激光器，第二激光器、第三激光器之间同步并行。
4.根据权利要求2所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，第一声光偏转器、第二声光偏转器、第三声光偏转器之间同步并行。
5.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，所述激光器为高重频脉冲激光器。
6.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，所述的激光器发出的激光光束为1500～1555nm。
7.根据权利要求1所述的基于声光偏转器的阵列式扫描激光雷达装置，其特征在于，所述的激光器发出的激光光束为1550nm。
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