CN111123239B - 接收装置、收发装置和激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及接收装置、收发装置和激光雷达，接收装置包括：光束分离模块，用于接收回波信号并将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量；探测模块至少包括两个接收单元，第一接收单元用于接收第一回波信号，第二接收单元用于接收第二回波信号；处理模块用于根据探测模块接收的第一回波信号和第二回波信号得到距离信息。本申请提供的接收装置利用光束分离模块将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，并利用第一接收单元和第二接收单元分别接收不同回波能量对应的第一回波信号和第二回波信号。本申请保证了远距离处和近距离处的探测，减小了近距离的探测盲区，增加了测距动态范围。

Description

接收装置、收发装置和激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达探测领域，特别是涉及接收装置、收发装置和激光雷达。

背景技术

激光雷达是以发射激光光束来探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统，其工作原理是先向目标发射探测激光光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号，将接收信号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，例如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数。

现有的雷达光学系统会在结构件或光学器件内部产生反射或散射的杂散光，射向接收装置的杂散光导致接收装置饱和，无法响应近处几米到十几米范围的回波信号，导致近近距离处产生盲区无法有效测距，导致测距的动态范围较小。

发明内容

基于此，有必要针对测距的动态范围较小的问题，提供一种接收装置、收发装置和激光雷达。

一种接收装置，所述的接收装置包括：

光束分离模块，用于接收回波信号并将所述回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号的回波能量大于所述第二回波信号的回波能量；

探测模块，包括至少两个接收单元，第一接收单元用于接收所述第一回波信号，第二接收单元用于接收所述第二回波信号；

处理模块，用于根据所述探测模块接收的所述第一回波信号和所述第二回波信号得到距离信息。

在其中一个实施例中，所述光束分离模块包括：

第一接收透镜组，用于接收所述回波信号并对所述回波信号进行聚焦；

分束镜，用于将经过所述第一接收透镜组聚焦后的所述回波信号分为所述第一回波信号和所述第二回波信号。

在其中一个实施例中，所述光束分离模块包括：第二接收透镜组和第三接收透镜组，所述第二接收透镜组用于聚焦所述第一回波信号，所述第三接收透镜组用于聚焦所述第二回波信号，所述第二接收透镜组的有效接收面积大于所述第三接收透镜组的有效接收面积。

在其中一个实施例中，所述第二接收透镜组开设有与所述第三接收透镜组尺寸匹配的通孔，所述第三接收透镜组镶嵌于所述通孔中。

在其中一个实施例中，所述第二接收透镜组和所述第三接收透镜组并排设置。

在其中一个实施例中，所述第二接收透镜组的焦距和所述第三接收透镜组的焦距相等。

在其中一个实施例中，所述第二接收透镜组和第三接收透镜组的光轴互相平行。

在其中一个实施例中，还包括光束调整模块，所述光束调整模块包括至少两个光调镜组，第一光调镜组用于将所述第一回波信号调整后对准所述第一接收单元，第二光调镜组用于将所述第二回波信号调整后对准所述第二接收单元。

在其中一个实施例中，所述收发模组包括如所述的接收装置；还包括：

发射装置，用于发射出射激光；

分光装置，用于使所述出射激光穿过后向外出射，还用于接收回波信号并使所述回波信号偏转后射向所述接收装置。

一种激光雷达，所述激光雷达包括至少一个所述的收发模组；还包括：

扫描装置，用于接收所述收发模组发射的出射激光并偏转后向外出射扫描，还用于接收回波信号并偏转后射向所述收发模组。

上述接收装置、收发装置和激光雷达，所述接收装置包括：光束分离模块，用于接收回波信号并将所述回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号的回波能量大于所述第二回波信号的回波能量；探测模块，包括至少两个接收单元，第一接收单元用于接收所述第一回波信号，第二接收单元用于接收所述第二回波信号；处理模块，用于根据所述探测模块接收的所述第一回波信号和所述第二回波信号得到距离信息。本申请提供的接收装置利用光束分离模块将回波信号分为能量不等的第一回波信号和第二回波信号，并利用第一接收单元和第二接收单元分别接收第一回波信号和第二回波信号。由于第二回波信号的能量较少，其中包含的杂散光和干扰光也较少，第二接收单元对近处的回波信号响应较好；同时，第一回波信号的能量较多，能够探测远距离处的物体。本申请在保证远距离处的探测的同时，实现了近距离处的探测，减小近距离的探测盲区，增加了接收装置的测距动态范围。

附图说明

图1为本申请一实施例的接收装置的结构示意图；

图2为本申请一实施例的光束分离模块的结构示意图；

图3为本申请又一实施例的光束分离模块的侧视图；

图4为图3所示的光束分离模块的正视图；

图5为本申请再一实施例的光束分离模块的结构示意图；

图6为本申请一实施例的收发模组的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本申请一实施例的接收装置的结构示意图，如图1所示，接收装置10包括：光束分离模块110、探测模块120和处理模块130，其中，光束分离模块110用于接收回波信号并将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量；探测模块120包括至少两个接收单元：第一接收单元121和第二接收单元122，其中，第一接收单元121用于接收第一回波信号，第二接收单元122用于接收第二回波信号；处理模块130用于根据探测模块120接收的第一回波信号和第二回波信号得到距离信息。

具体的，接收装置10包括光束分离模块110、探测模块120和处理装置130，光束分离模块110接收到回波信号，将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量；其中，回波信号为出射信号被目标视场内的探测物反射后返回的激光信号。探测模块120至少包括第一接收单元121和第二接收单元122两个接收单元，第一接收单元121用于接收第一回波信号，第二接收单元122用于接收第二回波信号。第一回波信号的回波能量大，第一接收单元121接收第一回波信号的探测距离远；第二回波信号的回波能量小，第二接收单元122接收第二回波信号的探测距离近。第一接收单元121和第二接收单元122的探测距离，与第一回波信号的回波能量和第二回波信号的回波能量相关，即与光束分离模块110分光的比例有关。示例性的，光束分离模块110可以将回波信号按95:5的比例进行分光，即第一回波信号的回波能量为回波信号的总能量的95％，第二回波信号的回波能量为回波信号的总能量的5％；第一接收单元121接收第一回波信号的测距距离为5-100米，第二接收单元122接收第二回波信号的测距距离为0.5-5米。光束分离模块110还可以按测距需求将回波信号按90:10、80:20等多种比例进行分光。处理模块130通过检测第一回波信号和第二回波信号获取物体的信息。

需要说明的是，光束分离模块也可以将回波信号分为至少两束，如光束分离模块可以将回波信号分为第一回波信号、第二回波信号和第三回波信号；第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量，同时第一回波信号的回波能量大于第三回波信号的回波能量。如前述实施例所述，第一回波信号能量最大，第一接收单元接收第一回波信号后得到远距离处的物体信息；第二回波信号和第三回波信号的回波能量较小，用于得到近距离处的物体信息。进一步的，第二回波信号的回波能量大于第三回波信号的回波能量，则第三回波信号的测距距离小于第二回波信号的探测距离。例如，光束分离模块110按90:8:2的比例进行分光将回波信号分为第一回波信号、第二回波信号和第三回波信号，第一接收单元接收第一回波信号的测距距离为5-100米，第二接收单元接收第二回波信号的测距距离为0.5-5米，第三接收单元接收第三回波信号的测距距离为0.2-0.5米。

上述接收装置10包括：光束分离模块110、探测模块120和处理装置130，光束分离模块110，用于接收回波信号并将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量；探测模块120，包括至少两个接收单元，第一接收单元121用于接收第一回波信号，第二接收单元122用于接收第二回波信号；处理模块130，用于根据探测模块接收的第一回波信号和第二回波信号得到距离信息。本申请提供的接收装置10利用光束分离模块110将回波信号分为能量不等的第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量，并利用第一接收单元121和第二接收单元122分别接收第一回波信号和第二回波信号。由于第二回波信号的能量较少，其中包含的杂散光和干扰光也较少，第二接收单元122对近处的回波信号响应较好；同时，第一回波信号的能量较多，能够探测远距离处的物体。本申请保证在远距离处的探测的同时，实现了近距离处的探测，减小近距离的探测盲区，增加了接收装置10的测距动态范围。

光束分离模块110将接收到的回波信号分为第一回波信号和第二回波信号的方法有多种。如图2所示，为本申请一实施例的光束分离模块110的结构示意图，在该实施例中，光束分离模块110包括：第一接收透镜组111，用于接收回波信号并对回波信号进行聚焦；分束镜112，用于将经过第一接收透镜组111聚焦后的回波信号分为第一回波信号和第二回波信号。

具体的，第一接收透镜组111可以设置在经视场内的物体反射的回波信号的光路上，第一接收透镜组111接收回波信号并将回波信号进行聚焦；由于回波信号为出射信号被视场内的物体反射后返回的，物体对出射信号通常为漫反射，回波信号的光斑直径较大；通过第一接收透镜组111将回波信号聚焦后，能够使尽可能多的回波信号射入分束镜112，接收装置接收到的回波信号多，有利于提高最远探测距离。分束镜112将经过第一接收透镜组111聚焦后的回波信号分为第一回波信号和第二回波信号。如图2所示，回波信号从分束镜112的第一光口入射，第一回波信号从分束镜112的第二光口出射，第二回波信号从分束镜112的第三光口出射。示例性的，分束镜112可以是非偏振分光棱镜。其中，如前述实施例所述，分束镜112的分光比例可以任意定制，可以为95：5、90：10、80：20等，不限于上述举例，分束镜112分割比例可以根据实际情况选择，确保分光后的第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量即可。本实施例中利用分束镜112将聚焦后的回波信号分为第一回波信号和第二回波信号；在分束镜112前面设置第一接收透镜组111聚焦回波信号，第一接收透镜组111的接收口径较大，能够接收尽可能多的回波信号，第一接收透镜组111接收到的回波信号聚焦后均能够射入分束镜112，提升回波信号的接收效率；通过设置分束镜112将回波信号分束为预设比例的第一回波信号和第二回波信号，通过更换不同的分束镜112即可调整分束比例，分束的光学系统简单，便于第一接收透镜组111和分束镜112之间的光调对准，也简化第一回波激光和第二回波激光与各自对应的接收单元的光调对准。

如图3、图4或图5所示，为本申请一实施例的光束分离模块110的结构示意图，在该实施例中，光束分离模块110包括：第二接收透镜组113和第三接收透镜组114，第二接收透镜组113用于聚焦第一回波信号，第三接收透镜组114用于聚焦第二回波信号，第二接收透镜组113的有效接收面积大于第三接收透镜组114的有效接收面积。

具体的，光束分离模块包括：第二接收透镜组113和第三接收透镜组114。第二接收透镜组113和第三接收透镜组114均用于聚焦，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114均设置在回波信号的光路上，第二接收透镜组113用于聚焦第一回波信号，第三接收透镜组114用于聚焦第二回波信号；第二接收透镜组113的有效接收面积大于第三接收透镜组114的有效接收面积。本实施例中第二接收透镜组113接收的部分回波信号为第一回波信号，第三接收透镜组114接收的部分回波信号为第二回波信号，第二接收透镜组113的有效接收面积大于第三接收透镜组114的有效接收面积，因此，第二接收透镜组113接收的部分回波信号较多，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量。直接通过至少两个不同有效接收面积的接收透镜组接收回波信号，射向第二接收镜组的回波信号为第一回波信号，射向第三接收镜组的回波信号为第二回波信号，第一回波信号和第二回波信号被分别聚焦后射向各自的接收单元；采用第二接收透镜组113和第三接收透镜组114同时实现分束和聚焦，减少光束能量的损耗，光学系统简单，便于光调对准。

图3为本申请一实施例的光束分离模块110的具体结构示意图，在其中一个实施例中，第二接收透镜组113开设有与第三接收透镜组114尺寸匹配的通孔，第三接收透镜组114镶嵌于通孔中；第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的光轴互相平行。

具体的，第二接收透镜组113上设有与第三接收透镜组114尺寸匹配的通孔，第三接收透镜组114镶嵌并固定于通孔中，该通孔可以设置于第二接收透镜组113上的任意位置；如图3所示，第三接收透镜组114设置在第二接收透镜组113的边缘处。该实施例中，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的光轴互相平行，便于第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的加工和固定，也能保证第一回波信号和第二回波信号均聚焦于第二接收透镜组113的一侧。该实施例中，第三接收透镜组114镶嵌并固定于第二接收透镜组113上，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114之间的间隙较小，保证光束分离的同时，能够减少由于第二接收透镜组113和第三接收透镜组114之间的缝隙漏掉的部分回波信号，可以提升回波信号的接收效率，提高接收装置的整体测距距离。另外，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114固定为一体，使第二接收透镜组113位于回波激光的光路上即可，第二接收透镜组114必然也位于回波激光的光路上，便于组装和光调；经过聚焦的第一回波信号和第二回波信号均会聚于第二接收透镜组113的同一侧，接收装置在聚焦侧设置用于分别接收第一回波信号、第二回波信号的第一接收单元121、第二接收单元122，简化接收装置的系统和结构设计，结构紧凑。

图5为本申请一实施例的光束分离模块110的具体结构示意图，在一个实施例中，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114并排设置；第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的光轴互相平行。

具体的，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114并排设置；优选的，如图5所示，可以将第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的边缘相抵接。该实施例中，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的光轴互相平行，便于第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的加工和固定，也能保证第一回波信号和第二回波信号均聚焦于第二接收透镜组113的一侧。该实施例中，第二接收透镜组113和第三接收透镜组114靠得近，能够保证第二接收透镜组113和第三接收透镜组114尽可能多的落在回波信号的光路上，提高第二接收透镜组113和第三接收透镜组114接收的回波信号，可以提升回波信号的接收效率。第二接收透镜组113和第三接收透镜组114并排设置的方式，结构简单，便于安装；便于对单个接收透镜组进行调整和更换。经过聚焦的第一回波信号和第二回波信号均会聚于第二接收透镜组113和第三接收透镜组114的同一侧，接收装置在聚焦侧设置用于分别接收第一回波信号、第二回波信号的第一接收单元121、第二接收单元122，简化接收装置的系统和结构设计，结构紧凑。

在一个实施例中，第二接收透镜组的焦距和第三接收透镜组的焦距相等。

具体的，由于接收单元设置于接收透镜组的焦平面上，第二接收透镜组的焦距和第三接收透镜组的焦距相等，如前述实施例所述，第二接收透镜组和第三接收透镜组均设置于同一个平面上，因此第二接收透镜组的焦平面和第三接收透镜组的焦平面也在同一个平面上，第一接收单元和第二接收单元能够设置于同一个平面上，简化接收装置的系统和结构设计。

在其中一个实施例中，接收装置还包括光束调整模块，光束调整模块包括至少两个光调镜组，第一光调镜组用于将第一回波信号调整后对准第一接收单元，第二光调镜组用于将第二回波信号调整后对准第二接收单元。示例性的，第一光调镜组可以进一步对第一回波信号进行聚焦，使接收到的第一回波信号的光斑直径变小，均能由第一接收单元接收。示例性的，第一光调镜组可以对第一回波信号的光斑形状进行调整，使第一回波信号的光斑形状和第一接收单元的接收面形状匹配，提高第一回波信号的接收效率。示例性的，第一光调镜组可以改变第一回波信号的方向，使第一回波信号以几乎垂直与第一接收单元的接收面的方向入射，提高接收效率。第二光调镜组的作用与第一光调镜组相似，此处不再赘述。本实施例中通过增加第一调镜组和第二光调镜组对第一回波信号和第二回波信号的方向和光斑形状进行调整，能够使得第一接收单元和第二接收单元接收更多的回波信号，增加第一回波信号和第二回波信号的接收效率。

本申请实施例提供一种收发模组，如图6所示，收发模组1包括上述接收装置10，还包括：发射装置20，用于发射出射激光；分光装置30，用于使出射激光穿过后向外出射，还用于接收回波信号并使回波信号偏转后射向接收装置10。

具体的，收发模组1包括：发射装置20、分光装置30和接收装置10。发射装置20发射出射激光，分光装置30使出射激光穿过后向外出射至目标视场，目标视场内的物体反射的回波信号被分光装置30接收，分光装置30接收回波信号并使回波信号偏转后射向接收装置10，以使接收装置10利用光束分离模块110接收回波信号并将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，第一回波信号的回波能量大于第二回波信号的回波能量；利用探测模块包括的第一接收单元接收第一回波信号，第二接收单元接收第二回波信号；再利用处理模块130根据探测模块接收的第一回波信号和第二回波信号得到距离信息。本实施例公开的收发模组1包括接收装置10，接收装置10利用光束分离模块将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，并利用第一接收单元和第二接收单元分别接收第一回波信号和第二回波信号。由于第二回波信号的能量较少，其中包含的杂散光和干扰光也较少，第二接收单元对近处的回波信号响应较好；同时，第一回波信号的能量较多，能够探测远距离处的物体。本申请在保证远距离处的探测的同时，实现了近距离处的探测，减小近距离的探测盲区，增加了接收装置的测距动态范围。

本申请实施例提供一种激光雷达，激光雷达包括：至少一个的收发模组；还包括：扫描装置，用于接收收发模组发射的出射激光并偏转后向外出射扫描，还用于接收回波信号并偏转后射向收发模组。

本实施例公开的激光雷达包括的至少一个收发模组，收发模组中的接收装置利用光束分离模块将回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，并利用第一接收单元和第二接收单元分别接收不同回波能量即不同探测距离对应的第一回波信号和第二回波信号。本申请提供的激光雷达包括至少一个收发模组，每个收发模组中包括的光束分离模块将回波信号分为能量不等的第一回波信号和第二回波信号，并利用第一接收单元和第二接收单元分别接收第一回波信号和第二回波信号。由于第二回波信号的能量较少，其中包含的杂散光和干扰光也较少，第二接收单元对近处的回波信号响应较好；同时，第一回波信号的能量较多，能够探测远距离处的物体。本申请在保证远距离处的探测的同时，实现了近距离处的探测，减小近距离的探测盲区，增加了接收装置的测距动态范围。

以上所述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发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种接收装置，其特征在于，所述的接收装置包括：

光束分离模块，用于接收回波信号并将所述回波信号分为第一回波信号和第二回波信号，所述第一回波信号的回波能量大于所述第二回波信号的回波能量；

探测模块，包括至少两个接收单元，第一接收单元用于接收所述第一回波信号，第二接收单元用于接收所述第二回波信号；

处理模块，用于根据所述探测模块接收的所述第一回波信号和所述第二回波信号得到距离信息；

其中，所述光束分离模块包括：第二接收透镜组和第三接收透镜组，所述第二接收透镜组和所述第三接收透镜组并排设置，所述第二接收透镜组用于聚焦所述第一回波信号，所述第三接收透镜组用于聚焦所述第二回波信号，所述第二接收透镜组的有效接收面积大于所述第三接收透镜组的有效接收面积。

2.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述第二接收透镜组开设有与所述第三接收透镜组尺寸匹配的通孔，所述第三接收透镜组镶嵌于所述通孔中。

3.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述第二接收透镜组的焦距和所述第三接收透镜组的焦距相等。

4.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，所述第二接收透镜组和第三接收透镜组的光轴互相平行。

5.根据权利要求1所述的接收装置，其特征在于，还包括光束调整模块，所述光束调整模块包括至少两个光调镜组，第一光调镜组用于将所述第一回波信号调整后对准所述第一接收单元，第二光调镜组用于将所述第二回波信号调整后对准所述第二接收单元。

6.根据权利要求5所述的接收装置，其特征在于，所述第一光调镜组用于对所述第一回波信号进行聚焦；和/或

所述第一光调镜组用于对所述第一回波信号的光斑形状进行调整；和/或所述第一光调镜组用于改变所述第一回波信号的方向。

7.一种收发模组，其特征在于，所述收发模组包括如权利要求1-6所述的接收装置；还包括：

发射装置，用于发射出射激光；

分光装置，用于使所述出射激光穿过后向外出射，还用于接收回波信号并使所述回波信号偏转后射向所述接收装置。

8.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括至少一个如权利要求7所述的收发模组；还包括：

扫描装置，用于接收所述收发模组发射的出射激光并偏转后向外出射扫描，还用于接收回波信号并偏转后射向所述收发模组。

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