CN113391295B - 一种激光雷达扫描系统和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光雷达扫描系统和装置，包括激光源、分束器、扩束器和混频器；所述分束器设置在所述激光源发射的激光光路上；所述分束器将激光分成信号光和本振光，所述信号光遇到目标物体后反射返回的光为接收光；所述扩束器设置在接收光光路上，所述混频器同时设置在本振光光路和信号光光路上，用于接收本振光和信号光。本发明的激光雷达扫描系统，扩束器仅设置在接收光光路上，信号光射出的时候并不会经过扩束器，不会出现近距离物体的照射光斑变大，大大减小接收光信号与本振信号的相干度的问题。同时，接收光信号经过扩束器扩大直径，使得混频器的接收半径增大，有利于接收更多信号回光，混频效率大大提升。

Description

一种激光雷达扫描系统和装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种激光雷达扫描系统和装置。
背景技术
激光雷达(英文：Laser Radar)是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。其工作原理是向目标发射探测信号(激光束),然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)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,如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数,从而对目标进行探测、跟踪和识别。
基于FMCW或PMCW原理的激光雷达通过信号回光与本振光相干解调，计算探测物的距离信息和速度信息，因此该类型的激光雷达对混频效率有很高的要求，混频效率过低会导致信噪比不佳无法解调有效信号。目前大多数FMCW/PMCW激光雷达的混频器信噪比低，算法解析信号难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光雷达扫描系统和装置，混频器信噪比高，算法解析信号难度小。
本发明公开了一种激光雷达扫描系统，包括激光源、分束器(未图示)、扩束器和混频器；所述分束器设置在所述激光源发射的激光光路上；所述分束器将激光分成信号光和本振光，所述信号光遇到目标物体后反射返回的光为接收光；所述扩束器设置在接收光光路上，所述混频器同时设置在本振光光路和信号光光路上，用于接收本振光和信号光。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括变焦透镜，所述变焦透镜设置在信号光光路上。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括设置在信号光光路和接收光光路上的偏振分光棱镜；所述信号光依次经过变焦透镜、偏振分光棱镜射出；所述接收光经过偏振分光棱镜射入到扩束器上。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括设置在信号光光路和接收光光路上的1/4波片；所述信号光依次经过变焦透镜、偏振分光棱镜和1/4波片射出；所述接收光依次经过1/4波片、偏振分光棱镜射入到扩束器上。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括用于改变光路方向的反射件，所述反射件同时设置在信号光光路和接收光光路上。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括第一准直器，所述第一准直器设置在信号光光路上，且位于所述分束器和变焦透镜之间。
可选的，所述激光雷达扫描系统包括第二准直器，所述第二准直器设置在本振光光路上，且位于所述分束器和混频器之间。
可选的，所述反射件为MEMS扫描镜。
可选的，所述变焦透镜为液体变焦透镜。
本发明还公开了一种激光雷达扫描装置，包括如上所述的激光雷达扫描系统。
本发明的激光雷达扫描系统，扩束器用于增大接收孔径来提高信噪比，扩束器仅设置在接收光光路上，信号光射出的时候并不会经过扩束器，不会出现近距离物体的照射光斑变大，大大减小接收光信号与本振信号的相干度的问题。同时，接收光信号经过扩束器扩大直径，使得混频器的接收半径增大，有利于接收更多信号回光，混频效率大大提升。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明实施例激光雷达扫描系统的示意图；
图2是本发明实施例激光雷达扫描系统的另一示意图。
其中，100、激光源；200、扩束器；300、混频器；400、变焦透镜；500、偏振分光棱镜；600、1/4波片；700、反射件；800、第一准直器；900、第二准直器。
具体实施方式
需要理解的是，这里所使用的术语、公开的具体结构和功能细节，仅仅是为了描述具体实施例，是代表性的，但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，不应被解释成仅受限于这里所阐述的实施例。
下面参考附图和可选的实施例对本发明作详细说明。
如图1所示，作为本发明的一实施例，公开了一种激光雷达扫描系统，包括激光源、分束器、扩束器和混频器；所述分束器设置在所述激光源发射的激光光路上；所述分束器将激光分成信号光和本振光，所述信号光遇到目标物体后反射返回的光为接收光；所述扩束器设置在接收光光路上，所述混频器同时设置在本振光光路和信号光光路上，用于接收本振光和信号光。
目前大多数FMCW或PMCW激光雷达主要通过增大接收孔径来提高信噪比。为了提高FMCW或PMCW激光雷达混频效率，一般的方法是加入扩束器来增大接收孔径。但是FMCW或PMCW激光雷达的收发系统是同轴光路，增大接收孔径的同时会增加发射光斑的尺寸，使得近距离目标物体的照射光斑变大，光斑照射区域能量密度降低，目标物体粗糙度引起的回光相位畸变概率变大，反而大大减小接收光信号与本振光信号的相干度。
本发明的激光雷达扫描系统，扩束器用于增大接收孔径来提高信噪比，扩束器仅设置在接收光光路上，信号光射出的时候并不会经过扩束器，不会出现近距离物体的照射光斑变大，大大减小接收光信号与本振信号的相干度的问题。同时，接收光信号经过扩束器扩大直径，使得混频器的接收半径增大，有利于接收更多信号回光，混频效率大大提升。
进一步地，所述激光雷达扫描系统包括变焦透镜，所述变焦透镜设置在信号光光路上。变焦透镜可以不断的改变激光的焦距，起到聚焦光斑的作用。在激光雷达扫描的过程中遇到目标物体时，目标物体会对该位置的聚焦光斑形成漫反射，由于光斑被聚焦至很小的一点，光斑的能量密度很高，单位立体角内的漫反射能量比一般的同轴激光雷达发射系统的反射光能量要强得多。另外其他在目标物位置不是汇聚的光斑，由于能量密度降低导致信噪比减小，算法很容易辨别出来，从而提供足够高的分辨率。在本方案中，激光雷达通过扩束器放大接收孔径的同时，聚焦发射激光，通过这两种协同方式提升混频效率，有效增大混频器信噪比，降低解析信号的难度。
另外，激光雷达是由雷达发射系统发送一个信号，经目标反射后被接收系统收集，通过测量反射光的运行时间而确定目标的距离。至于目标的径向速度，可以由反射光的多普勒频移来确定。而在本方案中，设置变焦透镜，可以在同一视场角进行两次扫描。通过两次扫描的回光信号差别，甄别出目标的移动速度和移动趋势，不必依赖物体的多普勒效应。具体地，结合图2所示，以0°视场角为例，扫描系统工作时，变焦透镜组先由小至大均匀改变焦距，使入射的平行光束经过MEMS扫描镜转折后，由近至远形成聚焦光斑(由位置1至位置2)，完成该视场角的第一次扫描。然后变焦透镜组由大至小均匀改变焦距，使入射的平行光束经过MEMS扫描镜转折后由远至近形成聚焦光斑(由位置2至位置1)，完成第二次扫描。在此基础上，如果目标物在扫描的过程中位置发生了变化，本发明可以根据两次接收到的最大信号推算出目标物的移动速度和移动方向。对于其他视场角，转动MEMS扫描镜至对应角度，重复变焦透镜组的变焦过程，完成一帧点图的扫描建模。
更具体地，所述变焦透镜为液体变焦透镜。相较于传统的变焦系统是通过移动透镜相对光电传感器的位置来实现变焦，液体变焦透镜系统不需要任何的机械传动装置，系统也不易受到外力损伤。由于液体变焦透镜是通过改变液体的形状来实现变焦，其响应时间只有几个毫秒，响应时间短，可以满足本发明激光雷达扫描系统在同一视角下进行两次扫描的方案。
所述激光雷达扫描系统包括设置在信号光光路和接收光光路上的偏振分光棱镜(polarization beam splitter，PBS)；所述信号光依次经过变焦透镜、偏振分光棱镜射出；所述接收光经过偏振分光棱镜射入到扩束器上。偏振分光棱镜，能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。在本方案中，信号光透射通过偏振分光棱镜。更具体地，如图1所示，偏振分光棱镜由一对高精度的直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。
进一步地，所述激光雷达扫描系统包括设置在信号光光路和接收光光路上的1/4波片；所述信号光依次经过变焦透镜、偏振分光棱镜和1/4波片射出；所述接收光依次经过1/4波片、偏振分光棱镜射入到扩束器上。1/4波片在光路中用来使线偏振光变为圆偏振光或椭圆偏振光；或者使圆偏振光、椭圆偏振光变为线偏振光。一定波长的光垂直入射1/4波片通过时，出射的寻常光和异常光之间相位差1/4波长。在本方案中，信号光透射通过偏振分光棱镜后经过1/4波片，偏振态转变为右旋圆偏振信号光。当信号光被目标物反射后，接收光的偏振状态是左旋圆偏振，经过1/4波片后转变为光矢量垂直于图1所在纸面的偏振光，因此接收光经偏振分光棱镜反进入扩束器，扩束器扩束后进入混频器，实现扩束器不与信号光光路同轴的目的。
所述激光雷达扫描系统包括用于改变光路方向的反射件，所述反射件同时设置在信号光光路和接收光光路上。经过反射件反射改变光路，使得光路可以更加灵活设计。所述反射件为MEMS扫描镜，通过MEMS扫描镜可以改变激光的扫描视角。转动MEMS扫描镜至对应角度，重复变焦透镜组的变焦过程，完成一帧点图的扫描建模。
具体地，所述激光雷达扫描系统包括第一准直器，所述第一准直器设置在信号光光路上，且位于所述分束器和变焦透镜之间。通过第一准直器准直，信号光通过第一准直器的类似凸透镜结构变成平行光，使光最大效率的耦合进入所需的器件中或易如接受光信号最大效率的接受。在本方案中，通过设置第一准直器，可以让信号光最大效率的耦合进入到变焦透镜中。
更具体地，所述激光雷达扫描系统包括第二准直器，所述第二准直器设置在本振光光路上，且位于所述分束器和混频器之间。通过第二准直器准直，本振光通过第二准直器的类似凸透镜结构变成平行光，使光最大效率的耦合进入所需的器件中或易如接受光信号最大效率的接受。在本方案中，通过设置第二准直器，可以让本振光最大效率的耦合进入到混频器中。
作为本发明的另一实施例，公开了一种激光雷达扫描装置，包括如上所述的激光雷达扫描系统。本实施例的激光雷达扫描装置，采用如上所述的激光雷达扫描系统，扩束器用于增大接收孔径来提高信噪比，扩束器仅设置在接收光光路上，信号光射出的时候并不会经过扩束器，不会出现近距离物体的照射光斑变大，大大减小接收光信号与本振信号的相干度的问题。同时，接收光信号经过扩束器扩大直径，使得混频器的接收半径增大，有利于接收更多信号回光，混频效率大大提升。
以上内容是结合具体的可选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光雷达扫描系统，其特征在于，包括激光源、分束器、扩束器、混频器、变焦透镜、偏振分光棱镜、1/4波片、第一准直器、第二准直器和用于改变光路方向的反射件；
所述分束器设置在所述激光源发射的激光光路上；所述分束器将激光分成信号光和本振光，所述变焦透镜、所述第一准直器设置在信号光光路上，所述第一准直器位于所述分束器和变焦透镜之间；
所述信号光遇到目标物体后反射返回的光为接收光；所述偏振分光棱镜、所述1/4波片和所述反射件设置在信号光光路和接收光光路上，所述扩束器设置在接收光光路上；所述信号光依次经过变焦透镜、偏振分光棱镜和1/4波片射出；所述接收光依次经过1/4波片、偏振分光棱镜射入到所述扩束器上；
所述混频器同时设置在本振光光路和接收光光路上，用于接收本振光和所述扩束器射出的接收光；所述第二准直器设置在本振光光路上，且位于所述分束器和混频器之间；
其中，所述扩束器用于增大接收孔径以提高信噪比，所述混频器的接收半径增大；所述扩束器仅设置在接收光光路上，信号光射出时不经过所述扩束器，以使近距离物体的照射光斑不变大。
2.如权利要求1所述的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述反射件为MEMS扫描镜。
3.如权利要求1所述的激光雷达扫描系统，其特征在于，所述变焦透镜为液体变焦透镜。
4.一种激光雷达扫描装置，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的激光雷达扫描系统。
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