CN112731420B - 一种无机械运动扫描的激光测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无机械运动扫描的激光测距系统，包括：光线发射模组、光线接收模组和控制处理单元；光线发射模组包括激光光源、扩束准直单元、第一光学相控阵，扩束准直单元将激光光束扩束及准直，并入射至第一光学相控阵；光线接收模组包括第二光学相控阵、接收折转光路组、光路准直单元以及探测器，第二光学相控阵与第一光学相控阵同轴设置；控制处理单元控制激光光源发出激光束、同步控制第一光学相控阵及第二光学相控阵；入射至第一光学相控阵的光束反射至目标物体，经过目标物体反射后入射至第二光学相控阵，第二光学相控阵将回波光束反射至接收折转光路组及光路准直单元后被探测器接收以确定所述目标物体的距离。

Description

一种无机械运动扫描的激光测距系统
技术领域
本发明涉及无机械光束扫描、激光测距及目标探测跟踪技术领域，具体而言，涉及一种无机械运动扫描的无机械光束扫描激光测距系统。
背景技术
随着高精尖技术的不断发展，在激光测距、激光雷达等领域逐渐朝着小型化、全固态化等方向发展。一般来讲，常用的激光光束扫描装置大多数目前还是采用机械扫描模式，由于受到体积、重量、惯性的影响，扫描速度、扫描精度等受限，很难实现对高速、机动、不同方位多批次目标的快速探测和捕获；另一方面很难实现小型化、集成化等。而无机械式的激光扫描模式可实现光束指向速度快、指向精度高、可靠性好等优点，同时还可快速对不同方位的多个目标进行测距等功能，受到国内外越来越广泛的关注。
为了改善传统机械式扫描的应用问题，对无机械式扫描进行研究具有重要意义，本发明提出了一种无机械运动扫描的无机械光束扫描测距系统，该系统可以实现在快速对多个目标进行测距功能，实现高质量的无机械激光测距能力。
发明内容
为了达到上述技术目的，本发明提供了一种无机械运动扫描的激光测距系统。
一种无机械运动扫描的激光测距系统，其包括：
光线发射模组，用于发出探测光束，所述光线发射模组包括沿光的传播方向依次排列的激光光源、扩束准直单元、第一光学相控阵；所述扩束准直单元用于将所述激光光源发出的激光光束扩束及准直，并将扩束及准直后的所述光束入射至所述第一光学相控阵，所述第一光学相控阵与竖直方向倾斜设置；
光线接收模组，用于接收被目标物体反射回来的回波光束，所述光线接收模组包括沿光的传播方向依次排列的第二光学相控阵、接收折转光路组、光路准直单元以及探测器，所述第二光学相控阵与第一光学相控阵相同轴设置，所述激光光源、第一光学相控阵、第二光学相控阵分别与所述控制处理单元电连接；以及
控制处理单元，所述控制处理单元与激光光源、第一光学相控阵、第二光学相控阵及探测器电连接；所述控制处理单元控制所述激光光源发出光束，所述控制处理单元能同步控制所述第一光学相控阵及第二光学相控阵，所述激光光源发出的光束入射至第一光学相控阵；经过第一光学相控阵后反射出射，并入射至目标物体，目标物体反射所述光束至第二光学相控阵，经过第二光学相控阵后反射出射，且入射至目标物体表面的探测光束与经目标物体反射的回波光束同轴，所述回波光束经过所述接收折转光路组及光路准直单元后被所述探测器接收以确定所述目标物体的距离。
在一个优选实施方式中，所述扩束准直单元与所述第一光学相控阵之间还设置有可变光阑。
在一个优选实施方式中，所述可变光阑与所述第一光学相控阵之间还设置有偏振元件。
在一个优选实施方式中，所述接收折转光路组包括相互平行的的第一反射元件及第二反射元件，所述第一反射元件与水平方向的夹角为45度，探测光束入射至第一反射元件后经第一反射元件的反射、入射至第二反射元件，再经第二反射元件的反射入射至光路准直单元。
在一个优选实施方式中，所述第一反射元件为长方形，第二反射元件为方形或者圆形。
在一个优选实施方式中，所述第一光学相控阵及第二光学相控阵是液晶光学相控阵或是液晶偏振光栅。
在一个优选实施方式中，所述第一光学相控阵及第二光学相控阵均是反射式液晶光学相控阵。
在一个优选实施方式中，所述扩束准直单元为由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的伽利略扩束结构，实现光束的扩束准直。
在一个优选实施方式中，所述第一光学相控阵与第二光学相控阵在空间上呈上下不重叠、左右不重叠设置。
在一个优选实施方式中，入射至所述第一光学相控阵的光束与所述第一光学相控阵形成的入射角为20度，经所述第一光学相控阵的调制及反射后以与所述第一光学相控阵呈0°的夹角出射；入射至所述第二光学相控阵的光束与所述第二光学相控阵形成的夹角为20度，经所述第二光学相控阵的调制及反射后以与所述第二光学相控阵呈0°的夹角出射。
与现有技术相比较，本发明提供的无机械运动扫描的激光测距系统，在发射光路及回波光路上分别设置有第一光学相控阵及第二光学相控阵，实现了目标物体的无机械运动式扫描，且最终能使发射光路与接收光路的光轴相互同轴，结构简单紧凑，相比机械式激光测距系统，有效的降低了激光测距系统的体积与成本。
附图说明
图1是本发明第一实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统的结构示意图。
图2为第一实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统包括的第一光学相控阵的结构示意图。
图3是本发明第二实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统的结构示意图。
主要元件符号说明
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，为本发明第一实施方式提供的一种无机械运动扫描的激光测距系统100，其包括：光线发射模组1、光线接收模组2以及控制处理单元3。
所述光线发射模组1用于发出探测光束。在本实施方式中，所述光线发射模组1包括沿光的传播方向依次排列的激光光源10、扩束准直单元12以及第一光学相控阵14。所述扩束准直单元12用于将所述激光光源10发出的激光光束扩束及准直，并将扩束及准直后的所述光束入射至所述第一光学相控阵14，所述第一光学相控阵14与竖直方向倾斜设置。在本实施方式中，所述第一光学相控阵14是向右倾斜设置。
在本实施方式中，所述扩束准直单元12可以为由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的伽利略扩束结构，实现光束的扩束准直。
在一个优选实施方式中，入射至所述第一光学相控阵14的光束与所述第一光学相控阵14形成的入射角为20度，经所述第一光学相控阵14的调制及反射后以与所述第一光学相控阵14呈0°的夹角出射；入射至所述第二光学相控阵20的光束与所述第二光学相控阵20形成的夹角为20度，经所述第二光学相控阵20的调制及反射后以与所述第二光学相控阵20呈0°的夹角出射。此入射角可以确保整个系统的结构更加紧凑，还能确保减少光束传输的能量损失。
在本实施方式中，所述扩束准直单元12与所述第一光学相控阵14单元之间还设置有可变光阑16。所述可变光阑16用于对光束孔径进行限制。
在本实施方式中，所述可变光阑16与所述第一光学相控阵14单元之间还设置有偏振元件18。偏振元件18在此处的作用是产生与液晶光学相控阵光轴方向相同的线偏振光，使进入到液晶光学相控阵的光束实现相位调整。
所述光线接收模组2用于接收被目标物体4反射回来的回波光束，所述光线接收模组2包括沿光的传播方向依次排列的第二光学相控阵20、接收折转光路组22、光路准直单元24以及探测器26。所述第二光学相控阵20与第一光学相控阵14相同轴设置。
在一个优选实施方式中，所述第一光学相控阵14及第二光学相控阵20是液晶光学相控阵或是液晶偏振光栅。
更优选地，所述第一光学相控阵14及第二光学相控阵20均是反射式液晶光学相控阵。在本实施方式中，第二光学相控阵20的结构与第一光学相控阵14的结构相同，所以在图2中示意了一种第一光学相控阵14的结构示意图。所述第一光学相控阵14包括第一透明电极板140、第二透明电极板142、设置在第二透明电极板142上的反射层144以及位于反射层144与第一透明电极板140之间的液晶146。反射层144是有反射片阵列构成，以对入射的光束进行反射。光学相控阵是利用第一透明电极板140、第二透明电极板142之间的电场控制液晶146偏转，形成波前的相位差，并同时利用液晶的电控双折射原理，使通过的光发生偏转。
在一个优选实施方式中，所述第一光学相控阵14与第二光学相控阵20在空间上呈上下不重叠、左右不重叠设置，如此，能避免光束彼此之间形成干涉。
在本实施方式中，所述接收折转光路组22用于降低传输损失。由于所述第一光学相控阵14及第二光学相控阵20存在衍射问题，如果发射和接收同轴直射会导致其他衍射级次的光进入接收系统中，导致发射和接收不是一组光，测距不准确。因此本文采用三维光路设计，采用折轴光路将发射和接受系统分开隔离，使其接收的光波还是发射的光波打到物体上返回的回波。但是回波能量一定低于发射，因为存在衍射损失，偏振损失及大气散射损耗等等。
在一个优选实施方式中，所述接收折转光路组22包括相互平行的的第一反射元件220及第二反射元件222，所述第一反射元件220与水平方向的夹角为45度，探测光束入射至第一反射元件220后经第一反射元件220的反射、入射至第二反射元件222，再经第二反射元件222的反射入射至光路准直单元24。
在本实施方式中，所述第一反射元件220为长方形，第二反射元件222为方形或者圆形。
由发射和接收光路的空间尺寸决定所述第一反射元件220为长方形，因为长方形反射镜可以保证有效面积的同时不受圆形反射镜左右边距大的影响，并且不遮挡光路。反射元件是斜45°放置的，如果是一样大的通光口径，圆形和方形会在左右有浪费，如果是多边形的话，不好配备结构件，并且应力产生会很大会导致多边形反射镜的镜面变形，严重就会破裂。
在本实施方式中，所述探测器26为盖革模式雪崩光电二极管。探测器26用于测量反射光的功率、相位或时间特性，并产生相应的电流输出。使用盖革模式雪崩光电二极管代替传统的光电倍增管作为探测器，具有更高的探测灵敏度，此外在扫描成像过程中同时获得成像目标的强度信息和距离信息，成像信息更加丰富。
所述控制处理单元3与激光光源10、第一光学相控阵14、第二光学相控阵20及探测器26电连接。所述控制处理单元3能控制所述激光光源10发出光束。所述控制处理单元3还能同步控制所述第一光学相控阵14及第二光学相控阵20，使光束通过所述第一光学相控阵14及第二光学相控阵20时均能偏转预定的角度。
在使用时，所述激光光源10发出的光束入射至第一光学相控阵14；经过第一光学相控阵14后反射出射，并投射至目标物体4，目标物体4反射所述光束至第二光学相控阵20，经过第二光学相控阵20反射出射，且入射至目标物体4表面的探测光束与经目标物体反射的回波光束同轴，所述回波光束经过所述接收折转光路组22及光路准直单元24后被所述探测器26接收，所述所述控制处理单元3能根据所述探测器接收的回波信号确定所述目标物体4的距离。
控制处理单元3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。由控制处理单元3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。控制处理单元3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。
本系统还能实现多目标物体的距离感测，譬如，有A、B、C三个物体，所述系统在使用时，所述光线发射模组1发射激光束到目标物体A上面，接收回波光束，然后利用控制处理单元3对回波光束的电信号进行处理以得出所述目标物体A的距离；然后使系统发射激光束到目标物体B上面，接收回波光束，然后利用控制处理单元3对回波光束的电信号进行处理以得出所述目标物体B的距离；C也如此，在此不再赘述。
请参阅图3，图3为发明第二实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统200的结构示意图。第二实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统200与第一实施方式提供的无机械运动扫描的激光测距系统100的结构基本相同，其不同之处在于：第一光学相控阵140、第二光学相控阵201的倾斜方向是斜向左倾斜，但是工作原理与第一实施例基本相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的无机械运动扫描的激光测距系统100、200，在发射光路及回波光路上分别设置有第一光学相控阵14及第二光学相控阵20，实现了目标物体4的无机械运动式扫描，且最终能使发射光路与接收光路的光轴相互同轴，结构简单紧凑，相比机械式激光测距系统，有效的降低了激光测距系统的体积与成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，包括：
光线发射模组，用于发出探测光束，所述光线发射模组包括沿光的传播方向依次排列的激光光源、扩束准直单元、第一光学相控阵；所述扩束准直单元用于将所述激光光源发出的激光光束扩束及准直，并将扩束及准直后的所述光束入射至所述第一光学相控阵，所述第一光学相控阵与竖直方向倾斜设置；
光线接收模组，用于接收被目标物体反射回来的回波光束，所述光线接收模组包括沿光的传播方向依次排列的第二光学相控阵、接收折转光路组、光路准直单元以及探测器，所述第二光学相控阵与第一光学相控阵相平行设置；以及
控制处理单元，所述控制处理单元与激光光源、第一光学相控阵、第二光学相控阵及探测器电连接；所述控制处理单元控制所述激光光源发出光束，所述控制处理单元能同步控制所述第一光学相控阵及第二光学相控阵，所述激光光源发出的光束入射至第一光学相控阵；经过第一光学相控阵后反射出射，并入射至目标物体，目标物体反射所述光束至第二光学相控阵，经过第二光学相控阵后反射出射，且入射至目标物体表面的探测光束与经目标物体反射的回波光束平行，所述回波光束经过所述接收折转光路组及光路准直单元后被所述探测器接收，所述控制处理单元能根据所述回波光信号确定所述目标物体的距离；所述扩束准直单元与所述第一光学相控阵之间还设置有可变光阑；所述接收折转光路组包括相互平行的第一反射元件及第二反射元件，所述第一反射元件与水平方向的夹角为45度，探测光束入射至第一反射元件后经第一反射元件的反射、入射至第二反射元件，再经第二反射元件的反射入射至光路准直单元；所述第一反射元件为长方形，第二反射元件为方形或者圆形；
所述第一光学相控阵与第二光学相控阵在空间上呈上下不重叠、左右不重叠设置。
2.根据权利要求1所述的一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，所述可变光阑与所述第一光学相控阵之间还设置有偏振元件。
3.根据权利要求1所述的一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，所述第一光学相控阵及第二光学相控阵是液晶光学相控阵或是液晶偏振光栅。
4.根据权利要求3所述的一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，所述第一光学相控阵及第二光学相控阵均是反射式液晶光学相控阵。
5.根据权利要求1所述的一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，所述扩束准直单元为由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成的伽利略扩束结构，实现光束的扩束准直。
6.根据权利要求1所述的一种无机械运动扫描的激光测距系统，其特征在于，入射至所述第一光学相控阵的光束与所述第一光学相控阵形成的入射角为20度，经所述第一光学相控阵的调制及反射后以与所述第一光学相控阵呈0°的夹角出射；入射至所述第二光学相控阵的光束与所述第二光学相控阵形成的夹角为20度，经所述第二光学相控阵的调制及反射后以与所述第二光学相控阵呈0°的夹角出射。
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