CN112285723A - 一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法 - Google Patents

一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法，包括产生脉冲激光光束的激光发射器组件；将发射的激光光束分成两路的分光镜，其中一路直接传输至第一激光接收器组件，另一路传输至待探测空间中；接收经过分光镜的其中一路激光光束的第一激光接收器组件，并转换为电压脉冲信号；接收经过目标反射的激光回波，并转换为电压脉冲信号的第二激光接收器组件；分别与激光发射器组件、第一激光接收器组件、第二激光接收器组件连接的信号处理器，用于产生激光发射驱动信号。本发明通过分光镜将激光发射光束分为两路，一路用作测量的起始时刻，另一路用作目标探测终止时刻，实现不受温度变化的目标距离测量，提高激光雷达的测量准确度。

Description

一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法。
背景技术
激光雷达系统是利用激光定向和测距，并通过位置、速度及表面发射特性等信息识别目标，激光雷达系统继承了激光发射、扫描、接收及信号处理等技术，具有测量分辨率高、成本低、抗电磁干扰能力强的优势，被广泛应用于气象、车载等民用领域以及激光制导、激光引信等军用领域。其中，随着半导体激光器制造工艺的成熟，半导体激光器的输出功率不断提高，成本不断降低，成为小型化激光雷达研究和发展的热点，常用的车载激光雷达以及激光引信等领域均采用了半导体激光器。大部分采用半导体激光器的激光雷达采用脉冲体制进行直接探测，即激光器根据同步信号产生脉冲激光，由发射光学系统对输出的激光进行准直并照射到目标，目标将激光进行反射，接收光学系统会聚从目标反射回的激光，并投射到激光探测器上，激光探测器将激光信号转换为电信号，后续接收机电路对电信号进行处理，根据飞行时间法，测量由目标反射的激光脉冲与同步信号之间的时间差，减去系统固有延时，即能得到目标距离信息。在宽温环境下，半导体激光器产生的脉冲激光时刻与同步信号之间的时间，以及激光探测器的响应时间，根据温度的变化会产生漂移现象。因此，在宽温环境下，这种激光雷达测量得到的目标距离存在漂移现象，严重影响了测距准确度。宽温环境下使用的激光雷达系统，主要是为了满足在严苛温度环境下，例如在-40℃或者+50℃环境下，激光雷达系统的适应性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法，实现激光雷达在大温度变化范围中的适用性，提高激光雷达测距的准确度。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种宽温环境下使用的激光雷达系统，包括：
激光发射器组件，用于产生脉冲激光光束；
分光镜，用于将发射的激光光束分成两路，其中一路直接传输至第一激光接收器组件，另一路传输至待探测空间中；
第一激光接收器组件，用于直接接收经过分光镜的其中一路激光光束，并转换为电压脉冲信号；
第二激光接收器组件，用于接收经过目标反射的激光回波，并转换为电压脉冲信号；
信号处理器，分别与所述的激光发射器组件、第一激光接收器组件、第二激光接收器组件连接，用于产生激光发射驱动信号，从而驱动激光发射器组件产生脉冲激光光束，还用于对第一激光接收器组件和第二激光接收器组件输出的信号进行信息处理，完成目标距离测量。
所述的激光发射器组件包含激光光源及其驱动电路、激光发射整形光学系统，所述的激光光源及其驱动电路与信号处理器连接，根据信号处理器产生的驱动信号发射激光光束；所述的激光发射整形光学系统将激光光源发出的激光光束整形成窄波束激光。
进一步的，所述的激光光源为半导体二极管激光器。
进一步的，所述的激光发射整形光学系统由柱面透镜组构成。
进一步的，所述的分光镜放置于激光发射器组件之后，相对光束中心倾斜放置，能够将入射激光光束分成反射光和透射光两部分。
所述的第一激光接收器组件包含第一激光接收光学系统、第一激光探测器及第一接收电路；其中，所述的第一接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第一激光接收光学系统用于接收所述的分光镜反射的激光束，所述的第一激光探测器放置于第一激光接收光学系统之后，用于将第一激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第一接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大；所述的第一激光接收光学系统由单片非球面透镜构成。
所述的第二激光接收器组件包含第二激光接收光学系统、第二激光探测器及第二接收电路；其中，所述的第二接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第二激光接收光学系统用于接收由目标反射的激光信号，所述的第二激光探测器放置于第二激光接收光学系统之后，用于将第二激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第二接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大；所述的第二激光接收光学系统由单片非球面透镜构成。
所述的信号处理器包含模数转换电路和处理器，所述的模数转换电路与第一激光接收器组件和第二激光接收器组件连接，用于将电压信号转换为数字信号，所述处理器与驱动电路连接；所述处理器为FPGA。
所述的激光雷达系统在宽温环境下的测量方法，包含以下步骤：
1)信号处理器产生激光发射驱动信号，控制激光光源产生激光光束；
2)激光发射器组件将产生的激光光束整形成窄波束，传输至分光镜；
3)分光镜将入射的激光光束分为反射光束和透射光束；
4)分光镜的反射光束直接传输至第一激光接收器组件，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t0；
5)分光镜的透射光束传输至目标空间，遭遇目标后产生目标回波；
6)第二激光接收器组件接收目标回波，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t1；
7)由c×(t1-t0)/2即可得到目标距离，c为光速，至此完成了宽温环境下使用的激光雷达测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法根据飞行时间法，通过分光镜将激光发射光束分为两路，一路用作测量的起始时刻，另一路用作目标探测终止时刻，实现不受温度变化的目标距离测量，提高激光雷达的测量准确度。
附图说明
图1是本发明的一种宽温环境下使用的激光雷达系统组成示意图。
图2是本发明的一种宽温环境下使用的激光雷达测量时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明主要是针对在宽温环境下激光雷达对目标距离测量产生的漂移现象，基于双探测器探测，提供了一种宽温环境下使用的激光雷达系统及方法。
如图1所示，一种宽温环境下使用的激光雷达系统，包含：
激光发射器组件，用于产生脉冲激光光束；
分光镜，放置于激光发射器组件之后，相对发射的激光光束中心倾斜一定角度放置，在本实施例中，倾斜45°放置；用于将发射的激光光束分成两路，其中一路直接传输至第一激光接收器组件，另一路传输至待探测空间中；
第一激光接收器组件，用于直接接收经过分光镜的其中一路激光光束，并转换为电压脉冲信号；
第二激光接收器组件，用于接收经过目标反射的激光回波，并转换为电压脉冲信号；
信号处理器，分别与所述的激光发射器组件、第一激光接收器组件、第二激光接收器组件连接，用于产生激光发射驱动信号，从而驱动激光发射器组件产生脉冲激光光束，还用于对第一激光接收器组件和第二激光接收器组件输出的信号进行信息处理，完成目标距离测量。
所述的激光发射器组件包含激光光源及其驱动电路、激光发射整形光学系统，所述的激光光源及其驱动电路与信号处理器连接，根据信号处理器产生的驱动信号发射激光光束；所述的激光发射整形光学系统将激光光源发出的激光光束整形成窄波束激光。
所述的分光镜放置于激光发射器组件之后，相对光束中心倾斜放置，能够将入射激光光束分成反射光和透射光两部分。
所述的第一激光接收器组件包含第一激光接收光学系统、第一激光探测器及第一接收电路；其中，所述的第一接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第一激光接收光学系统用于接收所述的分光镜反射的激光束，所述的第一激光探测器放置于第一激光接收光学系统之后，用于将第一激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第一接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大。
所述的第二激光接收器组件包含第二激光接收光学系统、第二激光探测器及第二接收电路；其中，所述的第二接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第二激光接收光学系统用于接收由目标反射的激光信号，所述的第二激光探测器放置于第二激光接收光学系统之后，用于将第二激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第二接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大。
所述的信号处理器包含模数转换电路和处理器，所述的模数转换电路与第一激光接收器组件和第二激光接收器组件连接，用于将电压信号转换为数字信号，所述处理器与驱动电路连接。
在本实施例中，在激光光源方面，选用半导体二极管激光器。
在本实施例中，激光发射光学系统，选用柱面透镜组将半导体二极管激光器发出的激光整形成窄激光光束。
在本实施例中，激光接收光学系统由单片非球面透镜构成。
在本实施例中，处理器选用FPGA。
结合上述的一种宽温环境下使用的激光雷达系统，本发明还给出了宽温环境下使用的激光雷达测量方法，包含以下步骤：
步骤一：信号处理器产生激光发射驱动信号，控制激光光源产生激光光束；
步骤二：激光发射器组件将产生的激光光束整形成窄波束，传输至分光镜；
步骤三：分光镜将入射的激光光束分为反射光束和透射光束；
步骤四：分光镜的反射光束直接传输至第一激光接收器组件，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t0；
步骤五：分光镜的透射光束传输至目标空间，遭遇目标后产生目标回波；
步骤六：第二激光接收器组件接收目标回波，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t1；
步骤七：由c×(t1-t0)/2即可得到目标距离，c为光速。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：包括：
激光发射器组件，用于产生脉冲激光光束；
分光镜，用于将发射的激光光束分成两路，其中一路直接传输至第一激光接收器组件，另一路传输至待探测空间中；
第一激光接收器组件，用于直接接收经过分光镜的其中一路激光光束，并转换为电压脉冲信号；
第二激光接收器组件，用于接收经过目标反射的激光回波，并转换为电压脉冲信号；
信号处理器，分别与所述的激光发射器组件、第一激光接收器组件、第二激光接收器组件连接，用于产生激光发射驱动信号，从而驱动激光发射器组件产生脉冲激光光束，还用于对第一激光接收器组件和第二激光接收器组件输出的信号进行信息处理，完成目标距离测量。
2.根据权利要求1所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的激光发射器组件包含激光光源及其驱动电路、激光发射整形光学系统，所述的激光光源及其驱动电路与信号处理器连接，根据信号处理器产生的驱动信号发射激光光束；所述的激光发射整形光学系统将激光光源发出的激光光束整形成窄波束激光。
3.根据权利要求2所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的激光光源为半导体二极管激光器。
4.根据权利要求2所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的激光发射整形光学系统由柱面透镜组构成。
5.根据权利要求1所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的分光镜放置于激光发射器组件之后，相对光束中心倾斜放置，能够将入射激光光束分成反射光和透射光两部分。
6.根据权利要求1所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的第一激光接收器组件包含第一激光接收光学系统、第一激光探测器及第一接收电路；其中，所述的第一接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第一激光接收光学系统用于接收所述的分光镜反射的激光束，所述的第一激光探测器放置于第一激光接收光学系统之后，用于将第一激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第一接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大；所述的第一激光接收光学系统由单片非球面透镜构成。
7.根据权利要求1所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的第二激光接收器组件包含第二激光接收光学系统、第二激光探测器及第二接收电路；其中，所述的第二接收电路与所述的信号处理器连接，所述的第二激光接收光学系统用于接收由目标反射的激光信号，所述的第二激光探测器放置于第二激光接收光学系统之后，用于将第二激光接收光学系统接收到的激光转换为电流信号，所述的第二接收电路将该电流信号转换为电压信号并放大；所述的第二激光接收光学系统由单片非球面透镜构成。
8.根据权利要求1所述的宽温环境下使用的激光雷达系统，其特征在于：所述的信号处理器包含模数转换电路和处理器，所述的模数转换电路与第一激光接收器组件和第二激光接收器组件连接，用于将电压信号转换为数字信号，所述处理器与驱动电路连接；所述处理器为FPGA。
9.权利要求1-8任一项所述的激光雷达系统在宽温环境下的测量方法，其特征在于：包含以下步骤：
1)信号处理器产生激光发射驱动信号，控制激光光源产生激光光束；
2)激光发射器组件将产生的激光光束整形成窄波束，传输至分光镜；
3)分光镜将入射的激光光束分为反射光束和透射光束；
4)分光镜的反射光束直接传输至第一激光接收器组件，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t0；
5)分光镜的透射光束传输至目标空间，遭遇目标后产生目标回波；
6)第二激光接收器组件接收目标回波，转换为电压脉冲信号传送至信号处理器，信号处理器将此电压脉冲信号的出现前沿时刻作为t1；
7)由c×(t1-t0)/2即可得到目标距离，c为光速，至此完成了宽温环境下使用的激光雷达测量。
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