CN111781578A - 一种二维扫描远距离激光雷达及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维扫描远距离激光雷达及其工作方法，包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；分光镜设置在接收透镜的后端，第一接收探测器设置在分光镜的折射光的焦点上，第一接收电路板设置在第一接收探测器的后端，第二接收探测器设置在分光镜的反射光的焦点上，第二接收电路板设置在第二接收探测器的后端。本发明提供的技术方案通过使用分光镜将接收信号分为两个部分，分别由两个放大倍数和工作性质不同的两种探测器进行接收，既能够进行近距离测距也能够远距离测距。

Description

一种二维扫描远距离激光雷达及其工作方法

技术领域

本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种二维扫描远距离激光雷达及其工作方法。

背景技术

目前二维激光扫描传感器的光路大多使用同轴发射和接收，发射光在接收透镜中心发射。由于发射窗口罩自身发射回波和雨、雪、雾干扰的问题，会使接收回波照射到窗口罩或者近端的雨、雪、雾就会产生触发距离的现象，同时由于接收探测器自身信号延迟的影响，导致在使用单光子探测器件时，无法完成近距的测距，所以导致同轴二维扫描激光雷达的测距能力无法实现突破。同时使用远距离测距的收发异轴的方案还是有近端雨、雪、雾的干扰问题，同时收发异轴的转动需要用到磁环传输影响整机的使用寿命。

发明内容

为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种二维扫描远距离激光雷达，包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；

所述直角棱镜设置在所述发射单元的前方预设位置，以使所述直角棱镜的入射光与反射光相互垂直，所述45°倾斜转镜设置在所述直角棱镜的前方预设位置，以使所述45°倾斜转镜的入射光与反射光相互垂直，所述窗口保护罩设置在所述45°倾斜转镜与待测物之间，所述45°倾斜转镜、所述待测物与光线相互垂直；

所述直角棱镜设置在所述接收透镜的前端，所述分光镜设置在所述接收透镜的后端，所述第一接收探测器设置在所述分光镜的折射光的焦点上，所述第一接收电路板设置在所述第一接收探测器的后端，所述第二接收探测器设置在所述分光镜的反射光的焦点上，所述第二接收电路板设置在所述第二接收探测器的后端；

所述分光镜用于将穿过所述接收透镜的聚集光分为两部分，一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收，所述第一接收电路板用于近距离范围的测距，所述第二接收电路板用于远距离范围的测距；

所述电源板用于向所述发射单元、所述45°倾斜转镜、所述第一接收电路板、所述第二接收电路板、所述控制板进行供电；

所述控制板用于采集所述第一接收电路板和所述第二接收电路板的接收探测信号，根据所述45°倾斜转镜的扫描角度以及所述第一接收电路板和第二接收电路板的测距信息形成二维扫描点云。

可选的，所述分光镜的透射反射中心波长和发射波长相同，所述波长为850nm、905nm、1064nm或者1550nm，所述分光镜的透射光和反射光之比的范围为1:10-10:1。

可选的，所述第一接收探测器为PIN探测器或者APD探测器，所述第二接收探测器为SiPM探测器、SPAD探测器或者MPPC探测器。

可选的，所述第一接收电路板的放大倍数为初始信号的20-10K倍，所述第二接收电路板的放大倍数为初始信号的5K-100K倍。

可选的，还包括分光镜支架，所述分光镜支架的中间设置有粘接分光镜斜面，所述粘接分光镜斜面为45度倾斜斜面，所述粘接分光镜斜面用于粘接固定所述分光镜。

可选的，所述第一接收探测器和所述第一接收电路板固定设置，所述第二接收探测器和所述第二接收电路板固定设置，所述第二接收电路板上设置有淬灭电路，所述淬灭电路用于当电压升降置高时控制所述第二接收探测器处于放大工作状态，当电压升降置低时控制所述第二接收探测器处于淬灭不工作状态。

本发明还提供一种上述二维扫描远距离激光雷达的工作方法，包括：

所述分光镜将穿过所述接收透镜的聚集光分为两部分，一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收；

所述第一接收电路板进行近距离范围的测距，所述第二接收电路板进行远距离范围的测距；

所述电源板向所述发射单元、所述45°倾斜转镜、所述第一接收电路板、所述第二接收电路板、所述控制板进行供电；

所述控制板采集所述第一接收电路板和所述第二接收电路板的接收探测信号，根据所述45°倾斜转镜的扫描角度以及所述第一接收电路板和第二接收电路板的测距信息形成二维扫描点云。

可选的，还包括：

所述发射单元发射准直光，照射到所述直角棱镜，通过所述45°倾斜转镜反射扫描，透过所述窗口保护罩照射到所述待测物上；

接收回波返回透过所述窗口保护罩，通过所述45°倾斜转镜反射进入所述接收透镜；

所述接收透镜汇聚的光通过所述分光镜时一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收。

可选的，所述淬灭电路为主动淬灭或者被动淬灭；

所述工作方法还包括：

使用主动淬灭时，发射光发射之后，经过6-10ns的延时，所述第二接收探测器的电压置高，所述第二接收探测器置于工作放大状态；

使用被动淬灭时，所述第二接收探测器接收到第一个反射回波之后，所述第二接收电路板的运算放大器的反馈管脚输出一个反馈信号将电压置低，所述第二接收探测器处于淬灭不工作状态，经过10-30ns之后，电压再次置高。

可选的，还包括：

所述第一接收探测器在工作过程中当发射发光之后开始计时，始终处于电压置高状态，所述第一接收电路板和所述第一接收探测器结合的放大倍数低，以测试近距离的范围，

所述第二接收探测器加入主动淬灭，在接收到所述窗口保护罩或者近端雨、雪、雾发射信号时处于不工作状态，所述第二接收探测器放大倍数高，以测试远距离的范围；

所述第二接收探测器加入被动淬灭，在接收到一个回波信号之后，通过反馈将电压置低，以避免湮没后端的二次或者是多次回波信号。

本发明具有下述有益效果：

本发明提供一种二维扫描远距离激光雷达及其工作方法，所述二维扫描远距离激光雷达包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；分光镜设置在接收透镜的后端，第一接收探测器设置在分光镜的折射光的焦点上，第一接收电路板设置在第一接收探测器的后端，第二接收探测器设置在分光镜的反射光的焦点上，第二接收电路板设置在第二接收探测器的后端。本发明提供的技术方案通过使用分光镜将接收信号分为两个部分，分别由两个放大倍数和工作性质不同的两种探测器进行接收，既能够进行近距离测距也能够远距离测距。本发明通过引入淬灭电路的主动部分和被动部分，解决了使用同轴光路近端窗口罩，雨、雪、雾对探测器的影响，保证了同轴方案的优点，同时解决了远距离的测距问题。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的结构示意图。

图2a为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的分光镜支架斜视图。

图2b为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的分光镜支架剖面示意图。

图3为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的工作流程图。

图4为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的光路传输示意图。

图5a为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的一种接收回波示意图。

图5b为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的另一种接收回波示意图。

其中，附图标记为本发明实施例一提供的：发射单元-1；窗口保护罩-2；45°倾斜转镜-3；直角棱镜-4；接收透镜-5；分光镜-6；第一接收探测器-7；第一接收电路板-8；第二接收探测器-9；第二接收电路板-10；控制板-11；电源板-12；待测物-13；粘接分光镜斜面-14。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的二维扫描远距离激光雷达及其工作方法进行详细描述。

实施例一

本实施例提供一种二维扫描远距离激光雷达，包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板。发射单元发射光，照射到直角棱镜然后通过转镜反射扫描，透过窗口罩照射到探测物上，接收回波返回通过窗口罩，通过转镜反射进入到接收透镜，接收透镜汇聚的光通过分光镜时一部分光被第一接收探测器接收，一部分光被第二接收探测器接收，第一接收探测器接收负责近距离范围测试，第二接收探测器负责远距离范围探测，控制板采集数据，结合转镜扫描角度和第一接收电路板、第二接收电路板的距离信息形成点云。

本实施例提供的激光扫描检测技术原理：基于对激光束飞行时间的测量，并按照定义好的时间间隔发出激光脉冲，通过定时器计算发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔来得到与被测物体之间的距离。脉冲激光束经过测距传感器内部的一个旋转反光镜的反射对周围环境形成扇面扫描。目标物体的轮廓曲线由所接收到的一系列脉冲序列来确定。

图1为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的结构示意图。如图1所示，二维扫描远距离激光雷达包括发射单元1、窗口保护罩2、45°倾斜转镜3、直角棱镜4、接收透镜5、分光镜6、分光镜支架、第一接收探测器7、第一接收电路板8、第二接收探测器9、第二接收电路板10、控制板11、电源板12。

本实施例中，所述直角棱镜4设置在所述发射单元1的前方预设位置，以使所述直角棱镜4的入射光与反射光相互垂直，所述45°倾斜转镜3设置在所述直角棱镜4的前方预设位置，以使所述45°倾斜转镜3的入射光与反射光相互垂直，所述窗口保护罩2设置在所述45°倾斜转镜3与待测物13之间，所述45°倾斜转镜3、所述待测物13与光线相互垂直。

参见图1，所述直角棱镜4设置在所述接收透镜5的前端，所述分光镜6设置在所述接收透镜5的后端，所述第一接收探测器7设置在所述分光镜6的折射光的焦点上，所述第一接收电路板8设置在所述第一接收探测器7的后端，所述第二接收探测器9设置在所述分光镜6的反射光的焦点上，所述第二接收电路板10设置在所述第二接收探测器9的后端。

本实施例中，所述分光镜6用于将穿过所述接收透镜5的聚集光分为两部分，一部分光被所述第一接收探测器7接收，另一部分光被所述第二接收探测器9接收，所述第一接收电路板8用于近距离范围的测距，所述第二接收电路板10用于远距离范围的测距。所述电源板12用于向所述发射单元1、所述45°倾斜转镜3、所述第一接收电路板8、所述第二接收电路板10、所述控制板11进行供电。所述控制板11用于采集所述第一接收电路板8和所述第二接收电路板10的接收探测信号，根据所述45°倾斜转镜3的扫描角度以及所述第一接收电路板8和第二接收电路板10的测距信息形成二维扫描点云。

本实施例提供的技术方案通过使用分光镜将接收信号分为两个部分，分别由两个放大倍数和工作性质不同的两种探测器进行接收，既能够进行近距离测距也能够远距离测距。具体来说，所述直角棱镜在所述接收透镜前端，所述分光镜在所述接收透镜的后端，将聚集光分为两部分，所述第一接收探测器在经过所述分光镜，接收透镜的正后方焦点上，所述第二接收探测器在经过分光镜，接收透镜90°转折的焦点上。所述的控制板能够采集第一接收电路板和第二接收电路板的接收探测信号，第一接收电路板负责近距离范围的测距，第二接收电路板负责远距离范围的测距。所述的控制板能够结合转镜扫描的角度，同时采集两个接收电路板的测距信息形成二维扫描点云。

优选的，所述分光镜的透射反射中心波长和所述使用的发射光源波长相同，可以是905nm、850nm，1064nm、1550nm，分光镜的透射光和反射光比为1:10-10:1。

图2a为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的分光镜支架斜视图。图2b为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的分光镜支架剖面示意图。如图2a和图2b所示，所述分光镜支架的中间设置有粘接分光镜斜面，所述粘接分光镜斜面为45度倾斜斜面，所述粘接分光镜斜面用于粘接固定所述分光镜。因此，所述分光镜支架剖面视图为“Z”字形，中间为45度倾斜斜面，用于粘接固定分光镜。

优选的，所述第一接收探测器可以为PIN、APD等自身增益小的光电转换器件，所述第二接收探测器可以为SiPM、SPAD、MPPC自身增益非常大的单光子计数探测器。所述第一接收电路板的放大倍数为初始信号的20-10K倍，所述第二接收电路板的放大倍数为初始信号的5K-100K倍。所述第一接收探测器和所述第一接收电路板安装在一起，所述第二接收探测器和所述第二接收电路板安装在一起。

本实施例提供一种二维扫描远距离激光雷达，包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；分光镜设置在接收透镜的后端，第一接收探测器设置在分光镜的折射光的焦点上，第一接收电路板设置在第一接收探测器的后端，第二接收探测器设置在分光镜的反射光的焦点上，第二接收电路板设置在第二接收探测器的后端。本实施例提供的技术方案通过使用分光镜将接收信号分为两个部分，分别由两个放大倍数和工作性质不同的两种探测器进行接收，既能够进行近距离测距也能够远距离测距。本实施例通过引入淬灭电路的主动部分和被动部分，解决了使用同轴光路近端窗口罩，雨、雪、雾对探测器的影响，保证了同轴方案的优点，同时解决了远距离的测距问题。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的工作流程图。图4为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的光路传输示意图。如图3和图4所示，所述的光路传输为发射单元发射准直光，照射到直角棱镜然后通过转镜反射扫描，透过窗口罩照射到探测物上，接收回波返回通过窗口罩，通过转镜反射进入到接收透镜，接收透镜汇聚的光通过分光镜时一部分光被第一接收探测器接收，一部分光被第二接收探测器接收。

图5a为本发明实施例二提供的二维扫描远距离激光雷达的一种接收回波示意图。图5b为本发明实施例一提供的二维扫描远距离激光雷达的另一种接收回波示意图。如图5a和图5b所示，第二接收电路板上有淬灭电路，通过电压升降置高置低控制所述第二接收探测器的工作状态，电压置高时第二接收探测器处于放大工作状态，电压置低时第二接收探测器处于淬灭不工作状态。所述淬灭电路可以是主动淬灭也可以是被动淬灭，使用主动淬灭时，当发射光发射后经过6-10ns延时，所述第二接收探测器的电压置高，第二接收探测器才置于工作放大状态。被动淬灭为当第二接收探测器接收到第一个反射回波后，所述第二接收电路板的运算放大器的反馈管脚给出一个反馈信号将电压置低，第二接收探测器处于淬灭不工作状态，经过10-30ns后，电压再次置高。

本实施例中，第一接收探测器在工作过程中当发射发光后开始计时，始终处于电压置高状态，第一接收电路板和第一接收探测器结合的放大倍数低，因此可以避免窗口罩和近端雨、雪、雾的干扰，能够测试近距离的范围，第二接收探测器在工作过程中首先加入了主动淬灭，在接收到窗口罩或者近端雨、雪、雾发射信号时处于不工作状态，因此避开了干扰，由于其放大倍数高，能够测距更远，同时和被动淬灭结合，在接收到一个回波信号后，通过反馈将电压置低，不会湮没后端的二次或者是多次回波信号。

本实施例提供一种二维扫描远距离激光雷达的工作方法，所述二维扫描远距离激光雷达包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；分光镜设置在接收透镜的后端，第一接收探测器设置在分光镜的折射光的焦点上，第一接收电路板设置在第一接收探测器的后端，第二接收探测器设置在分光镜的反射光的焦点上，第二接收电路板设置在第二接收探测器的后端。本实施例提供的技术方案通过使用分光镜将接收信号分为两个部分，分别由两个放大倍数和工作性质不同的两种探测器进行接收，既能够进行近距离测距也能够远距离测距。本实施例通过引入淬灭电路的主动部分和被动部分，解决了使用同轴光路近端窗口罩，雨、雪、雾对探测器的影响，保证了同轴方案的优点，同时解决了远距离的测距问题。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，包括发射单元、窗口保护罩、45°倾斜转镜、直角棱镜、接收透镜、分光镜、分光镜支架、第一接收探测器、第一接收电路板、第二接收探测器、第二接收电路板、控制板、电源板；

所述直角棱镜设置在所述发射单元的前方预设位置，以使所述直角棱镜的入射光与反射光相互垂直，所述45°倾斜转镜设置在所述直角棱镜的前方预设位置，以使所述45°倾斜转镜的入射光与反射光相互垂直，所述窗口保护罩设置在所述45°倾斜转镜与待测物之间，所述45°倾斜转镜、所述待测物与光线相互垂直；

所述直角棱镜设置在所述接收透镜的前端，所述分光镜设置在所述接收透镜的后端，所述第一接收探测器设置在所述分光镜的折射光的焦点上，所述第一接收电路板设置在所述第一接收探测器的后端，所述第二接收探测器设置在所述分光镜的反射光的焦点上，所述第二接收电路板设置在所述第二接收探测器的后端；

所述分光镜用于将穿过所述接收透镜的聚集光分为两部分，一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收，所述第一接收电路板用于近距离范围的测距，所述第二接收电路板用于远距离范围的测距；

所述电源板用于向所述发射单元、所述45°倾斜转镜、所述第一接收电路板、所述第二接收电路板、所述控制板进行供电；

所述控制板用于采集所述第一接收电路板和所述第二接收电路板的接收探测信号，根据所述45°倾斜转镜的扫描角度以及所述第一接收电路板和第二接收电路板的测距信息形成二维扫描点云。

2.根据权利要求1所述的二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，所述分光镜的透射反射中心波长和发射波长相同，所述波长为850nm、905nm、1064nm或者1550nm，所述分光镜的透射光和反射光之比的范围为1:10-10:1。

3.根据权利要求1所述的二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，所述第一接收探测器为PIN探测器或者APD探测器，所述第二接收探测器为SiPM探测器、SPAD探测器或者MPPC探测器。

4.根据权利要求1所述的二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，所述第一接收电路板的放大倍数为初始信号的20-10K倍，所述第二接收电路板的放大倍数为初始信号的5K-100K倍。

5.根据权利要求1所述的二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，还包括分光镜支架，所述分光镜支架的中间设置有粘接分光镜斜面，所述粘接分光镜斜面为45度倾斜斜面，所述粘接分光镜斜面用于粘接固定所述分光镜。

6.根据权利要求1所述的二维扫描远距离激光雷达，其特征在于，所述第一接收探测器和所述第一接收电路板固定设置，所述第二接收探测器和所述第二接收电路板固定设置，所述第二接收电路板上设置有淬灭电路，所述淬灭电路用于当电压升降置高时控制所述第二接收探测器处于放大工作状态，当电压升降置低时控制所述第二接收探测器处于淬灭不工作状态。

7.一种根据权利要求1-6任一所述的二维扫描远距离激光雷达的工作方法，其特征在于，包括：

所述分光镜将穿过所述接收透镜的聚集光分为两部分，一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收；

所述第一接收电路板进行近距离范围的测距，所述第二接收电路板进行远距离范围的测距；

所述电源板向所述发射单元、所述45°倾斜转镜、所述第一接收电路板、所述第二接收电路板、所述控制板进行供电；

所述控制板采集所述第一接收电路板和所述第二接收电路板的接收探测信号，根据所述45°倾斜转镜的扫描角度以及所述第一接收电路板和第二接收电路板的测距信息形成二维扫描点云。

8.根据权利要求7所述的二维扫描远距离激光雷达的工作方法，其特征在于，还包括：

所述发射单元发射准直光，照射到所述直角棱镜，通过所述45°倾斜转镜反射扫描，透过所述窗口保护罩照射到所述待测物上；

接收回波返回透过所述窗口保护罩，通过所述45°倾斜转镜反射进入所述接收透镜；

所述接收透镜汇聚的光通过所述分光镜时一部分光被所述第一接收探测器接收，另一部分光被所述第二接收探测器接收。

9.根据权利要求7所述的二维扫描远距离激光雷达的工作方法，其特征在于，所述淬灭电路为主动淬灭或者被动淬灭；

所述工作方法还包括：

使用主动淬灭时，发射光发射之后，经过6-10ns的延时，所述第二接收探测器的电压置高，所述第二接收探测器置于工作放大状态；

使用被动淬灭时，所述第二接收探测器接收到第一个反射回波之后，所述第二接收电路板的运算放大器的反馈管脚输出一个反馈信号将电压置低，所述第二接收探测器处于淬灭不工作状态，经过10-30ns之后，电压再次置高。

10.根据权利要求7所述的二维扫描远距离激光雷达的工作方法，其特征在于，还包括：

所述第一接收探测器在工作过程中当发射发光之后开始计时，始终处于电压置高状态，所述第一接收电路板和所述第一接收探测器结合的放大倍数低，以测试近距离的范围，

所述第二接收探测器加入主动淬灭，在接收到所述窗口保护罩或者近端雨、雪、雾发射信号时处于不工作状态，所述第二接收探测器放大倍数高，以测试远距离的范围；

所述第二接收探测器加入被动淬灭，在接收到一个回波信号之后，通过反馈将电压置低，以避免湮没后端的二次或者是多次回波信号。

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