CN110703267A - 一种激光发射装置、激光发射方法和激光雷达系统 - Google Patents

一种激光发射装置、激光发射方法和激光雷达系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种激光发射装置，包括激光器，连接至激光器的分光器，用于将所述激光器输出的激光束进行分光；多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与分光器连接，多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与分光器分出的每路激光束分别对应，多个光纤延迟线中的光纤延迟线的长度彼此不同。本发明还提供了一种激光发射方法和包含该激光发射装置的激光雷达系统。本发明能够避免激光雷达接收时不同路反射光之间的相互干扰，接收端能够区分不同视场/区域返回的信号，因此能够提高激光雷达探测结果的准确度。

Description

一种激光发射装置、激光发射方法和激光雷达系统
技术领域
本发明涉及激光探测技术领域，具体地，涉及一种激光发射装置、激光发射方法和包含该激光发射装置的激光雷达系统。
背景技术
现有的激光雷达系统中，为了实现更大视场的探测，通常设置多个激光源，每个激光源发出的光束分别用于探测不同视场范围。采用多个激光源虽然能够扩大视场，但是增加了激光雷达系统的成本。因此，将单个激光器出射光进行分光，形成多个光束，每个光束探测不同的视场/区域，可以有效降低成本。但是，多个光束将形成多个接收信号，由同一个激光器分光形成的多个光束是同时发射的，接收端难以区分不同视场/区域返回的信号，因此，需要将同一个激光器分光形成的多光束进行时域的区分。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光发射装置、激光发射方法和激光雷达系统，其能够将同一激光器发射的多个光束进行时域区分以避免不同路反射光相互干扰。
本发明提出的技术方案如下：
本发明提供一种激光发射装置，包括激光器，还包括：分光器，所述分光器连接至所述激光器，用于将所述激光器输出的激光束进行光纤分光；多个光纤延迟线，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与所述分光器连接，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与所述分光器分出的每路激光束分别对应，所述多个光纤延迟线中的光纤延迟线的长度彼此不同。
可选地，所述激光器包括光纤激光器，所述分光器包括光纤分光器。
可选地，所述激光发射装置还包括多个准直透镜，所述多个准直透镜中的每个准直透镜分别与所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线的输出端进行耦合，用于对光纤延迟线的输出光进行准直。
本发明还提供一种激光发射方法，包括：采用激光器输出激光束；采用分光器将所述激光束进行分光；采用多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与所述分光器连接，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与所述分光器分出的每路激光束分别对应，从而延迟分光后的每路激光束的出射时间，使得每路激光束的出射时间彼此不同。
本发明的激光发射方法还包括：将多个准直透镜中的每个准直透镜分别与所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线的输出端进行耦合，用于对光纤延迟线的输出光进行准直。
本发明还提供一种激光雷达系统，包括：光发射单元、扫描单元、光接收单元；所述光发射单元包括一个或多个所述激光发射装置，所述扫描单元，用于以可偏转的角度将所述每个光纤延迟线的输出端的出射光分别反射至不同区域，以及将来自不同区域的反射光信号反射至所述光接收单元。
可选地，所述多个光纤延迟线中的光纤延迟线长度相差的值，使得光纤延迟线输出的出射光束之间的时间间隔大于或等于一个测量周期。可选地，所述每个光纤延迟线的输出端处分别对应一个反射镜，所述反射镜用于改变出射光的传输方向，使得多个出射光以不同的角度到达所述扫描单元。
可选地，所述光接收单元包括接收透镜和光电探测器阵列，所述接收透镜位于所述光电探测器阵列与所述扫描单元之间，用于接收来自目标对象的反射光并照射在所述光电探测器阵列上。
可选地，所述接收透镜包括成像系统透镜，用于使得反射光的焦点在所述光电探测器阵列的探测表面的前方或后方或者正好位于探测表面上。
可选地，所述激光雷达系统还包括控制单元，所述控制单元与所述光发射单元、所述扫描单元和所述光接收单元中的至少一者通信地耦接，用于对所述光发射单元发射的光进行控制，调节所述扫描单元的偏转角度或者对所述光接收单元的测量值进行处理。
可选地，所述扫描单元包括微机电系统(MEMS)微振镜。
根据本发明提供的技术方案，单个激光器发出的单束光经分光器分为N路光由N条光纤延迟线分别延迟每一路光的出射时间，避免接收时不同路反射光之间的相互干扰，接收端能够区分不同视场/区域返回的信号，因此能够提高激光雷达探测结果的准确度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的激光发射装置的结构示意图。
图2是根据本发明的另一个实施例的激光发射装置的结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的激光发射方法的流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的激光雷达系统的结构示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的激光雷达系统的工作原理图。
图6是根据本发明的另一个实施例的激光雷达系统的工作原理图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的系统的例子。
图1是根据本发明的一个实施例的激光发射装置的结构示意图。激光发射装置100包括光纤激光器101、分光器102、多个光纤延迟线103。分光器102连接至光纤激光器101，用于将光纤激光器101输出的激光束进行光纤分光；多个光纤延迟线103(图1中以1-N条为例进行说明)中的每个光纤延迟线分别与分光器102连接，多个光纤延迟线103中的每个光纤延迟线与分光器102分出的每路激光束分别对应。多个光纤延迟线103中的光纤延迟线的长度彼此不同。光纤延迟线的工作原理是由于光线在光纤介质中传递的时间长度与光纤介质的长度成正比，为了得到不同的光线延迟，而设置不同长度的光纤(即光线延迟线)，根据光线在不同长度光纤介质中的传递时间的差异，得到不同的光线时间延迟。光纤激光器101发出的单束光经分光器102分为N路光，分光得到的N路光由N条光纤延迟线103分别延迟每一路光的出射时间。
采用本发明的激光发射装置，使用少量激光器即可以实现使用大于激光器数量的光束进行测量。本发明的光纤激光器发出的激光为脉冲形式的，通过光纤延迟线改变各激光束的出射时间，即改变了每路激光束的脉冲出射时刻，避免接收时不同路激光之间的相互干扰。
如图2所示，在一个可选实施例中，激光发射装置100还包括多个准直透镜104，多个准直透镜104中的每个准直透镜分别与多个光纤延迟线103中的每个光纤延迟线的输出端对准。
在一个可选实施例中，每路光纤延迟线的长度可以根据实际使用需要进行设定。激光器脉冲周期为T，出射光分为N束光束，则每束光之间的时间间隔为T/N，每条延迟线的长度差值为T/N*C/n，其中C为激光在真空中的光速，n为用作延迟线的光纤折射率。即各条延迟线长度为0，T/N*C/n，2*T/N*C/n，…，(N-1)*T/N*C/n。多个光纤延迟线103中的光纤延迟线长度相差的值可以设置成使得光纤延迟线输出的出射光束之间的时间间隔大于或等于一个测量周期，从而接收端能够更好地区分不同视场/区域返回的信号。
图3示出本发明的激光发射方法的流程图，包括：步骤S1:采用激光器输出激光束；步骤S2:采用分光器将所述激光束进行分光；步骤S3:采用多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与所述分光器连接，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与所述分光器分出的每路激光束分别对应，从而延迟分光后的每路激光束的出射时间，使得每路激光束的出射时间彼此不同。
根据本发明的一个实施例，本发明的激光发射方法还包括步骤S4：将多个准直透镜中的每个准直透镜分别与所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线的输出端进行耦合，用于对光纤延迟线的输出光进行准直。
图4示出了根据本发明的一个实施例的包含本发明的激光发射装置100的激光雷达系统的结构示意图。激光雷达系统包括：光发射单元200、扫描单元201、光接收单元202；光发射单元200包括一个或多个激光发射装置100(图3中仅示出光发射单元200包括一个激光发射装置100的情形)。扫描单元201用于以可偏转的角度将每个光纤延迟线104的输出端的出射光分别反射至目标对象的不同区域，光接收单元202用于接收来自目标对象的不同区域的反射光信号。
图5是根据本发明的一个实施例的激光雷达系统的工作原理图。参见图5，光发射单元200通过其中的激光发射装置100输出经过延迟的M路光，扫描单元201对M路光进行偏转。扫描单元201可以是微机电系统(MEMS)微振镜，MEMS镜面在静电/压电/电磁驱动下在一维或二维方向上发生旋转或平移。经扫描单元201反射的光用于探测M个不同的视场范围内的目标对象。由于M路光经过延迟后，脉冲发射时间不一致，光接收单元202的接收端能够区分不同视场/区域返回的信号，因此能够提高激光雷达探测结果的准确度。
在具体实施过程中，可以通过调整光纤延迟线的角度改变其输出光束的角度，使得不同光纤延迟线输出的激光束可用来探测不同的视场/区域。
也可以采用图6所示的方式，在激光发射装置100的光纤延迟线的输出端处设置M个反射镜301，每个反射镜301对应于每个光纤延迟线的输出光束，以改变一路光的传输方向，使得M路光以不同的角度到达扫描单元201，从而实现对不同视场范围内的目标物体的探测。
根据本发明的一个实施例，在扫描单元201和待探测区域之间还可以配置光学元件(未示出)，用于对来自扫描单元201的出射光进行准直或扩束。
根据本发明的一个可选实施例，光接收单元202可以包括光电探测器阵列(未示出)，用于接收来自目标对象的反射光。光电探测器阵列测量反射光的功率、相位或时间特性，并产生相应的电流输出。光接收单元202还可以包括在反射光传播路径上位于光电探测器阵列与扫描单元201之间的接收透镜(未示出)，用于接收来自目标对象的反射光并照射在所述光电探测器阵列上。接收透镜可以包括成像系统透镜，以使得反射光束的焦点在光电探测器阵列的探测表面的前方或后方或者正好位于探测表面之上。
根据本发明的一个可选实施例，激光雷达系统还可以包括控制单元(未示出)。控制单元与光发射单元200、扫描单元201和光接收单元202中的至少一者通信地耦接。控制单元可以对光发射单元200发射的光进行控制、调节扫描单元201的偏转角度或者对光接收单元202输出的测量值进行处理。控制单元可以包括反馈控制电路，其根据光接收单元202输出的测量值对光发射单元200和/或扫描单元201进行调整。
控制单元可以包括集成电路(IC)、专用集成电路(ASIC)、微芯片、微控制器、中央处理器、图形处理单元(GPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其它适合执行指令或实现逻辑操作的电路。由控制单元执行的指令可以被预加载到集成或单独的存储器中。存储器可以包括随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘、光盘、磁盘、闪存存储器或其它易失性或非易失性存储器等。控制单元可以包括单个或多个控制电路。在多个控制电路的情况下，各控制电路可以具有相同或不同的构造，彼此间通过电、磁、光、声、机械等方式交互或者协同操作。
本发明的特征和益处通过参考实施例进行说明。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种激光发射装置，包括激光器，其特征在于，还包括：
分光器，所述分光器连接至所述激光器，用于将所述激光器输出的激光束进行分光；
多个光纤延迟线，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与所述分光器连接，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与所述分光器分出的每路激光束分别对应，所述多个光纤延迟线中的光纤延迟线的长度彼此不同。
2.根据权利要求1所述的激光发射装置，其特征在于，所述激光器包括光纤激光器，所述分光器包括光纤分光器。
3.根据权利要求1或2所述的激光发射装置，其特征在于，还包括多个准直透镜，所述多个准直透镜中的每个准直透镜分别与所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线的输出端进行耦合，用于对光纤延迟线的输出光进行准直。
4.一种激光发射方法，其特征在于，包括：
采用激光器输出激光束；
采用分光器将所述激光束进行分光；
采用多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线分别与所述分光器连接，所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线与所述分光器分出的每路激光束分别对应，从而延迟分光后的每路激光束的出射时间，使得每路激光束的出射时间彼此不同。
5.根据权利要求4所述的激光发射方法，其特征在于，所述激光器包括光纤激光器，所述分光器包括光纤分光器。
6.根据权利要求4或5所述的激光发射方法，其特征在于，还包括，将多个准直透镜中的每个准直透镜分别与所述多个光纤延迟线中的每个光纤延迟线的输出端进行耦合，用于对光纤延迟线的输出光进行准直。
7.一种激光雷达系统，包括：光发射单元、扫描单元、光接收单元；其特征在于，所述光发射单元包括一个或多个权利要求1或2所述的激光发射装置，所述扫描单元，用于以可偏转的角度将所述每个光纤延迟线的输出端的出射光分别反射至不同区域，以及将来自不同区域的反射光信号反射至所述光接收单元。
8.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述多个光纤延迟线中的光纤延迟线长度相差的值，使得光纤延迟线输出的出射光束之间的时间间隔大于或等于一个测量周期。
9.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述多个光纤延长线的每个光纤延迟线的输出端处分别对应一个反射镜，所述反射镜用于改变所述出射光的传输方向，使得多个所述出射光以不同的角度到达所述扫描单元。
10.根据权利要求7所述的激光雷达系统，其特征在于，所述扫描单元包括微机电系统(MEMS)微振镜。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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