CN113406601B - 一种光纤高频振动式激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤高频振动式激光雷达装置，采用特定机电模块带动光纤高频扫描，从而使光纤出射激光也做高频运动，接收单元将反射回来的激光吸收，传输给后方信号处理单元；信号处理单元比较发射信号和接收信号，从而判断出周围事物的形状，大小，速度等，反馈给汽车处理器做出相应动作。整个装置结构简单，通过光纤高频振动，扩大了探测范围，显著提高了探测灵敏度和分辨率。

Description

一种光纤高频振动式激光雷达装置
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种光纤高频振动式激光雷达装置。
背景技术
激光雷达，是传统雷达与激光技术相结合的产物，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。其以微波雷达原理为基础，向目标物体发射激光束作为探测信号，然后将接收到的从目标物体反射回来的信号与发射信号进行分析处理，就可获得目标物体的特征参数，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，也能够获得目标物体的三维图像。激光雷达充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、単色性和相干性的特点，使激光雷达具备了分辨率高、探测距离远、抗观测背景的干扰性强以及能够实现全天时观测等技术优势，从而被广泛应用于国防、航天航空、工业和医学等多个领域。
但是，所述传统的扫描成像激光雷达系统一般采用转鼓加摆镜、双摆镜或是双振镜的扫描方式，由于这些光学元件所构成的扫描系统体积庞大且笨重，通常需要耗费较多的电能，而且由于惯性等原因难以实现高速扫描，因而不适于高速成像应用。另外，所述传统的激光雷达存在的成本昂贵，体积大、产能低、电机的可靠性随着工作时间的加长而降低等缺陷也在实际应用中日益突出。
音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)等具有频率高，体积小等特点，正好符合振动式激光雷达的需求。并且可以利用音圈电机体积小等特点，放弃传统激光雷达中多透镜的组合，直接带动光纤进行高频率振动，避免了透镜安装精度带来的误差，同时也规避了现有激光雷达体积大，结构复杂等缺陷，因此，该光纤高频振动式激光雷达具有极大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤高频振动式激光雷达装置，以提供一种灵敏度高，探测范围广，集成度高的激光雷达装置。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述振动式激光雷达装置包括：激光振动发射单元、接收单元和处理单元；
所述激光振动发射单元包括激光器和振动模块。其中，激光器用于产生特定波长的激光，然后耦合进光纤中。振动模块安装在装置最前端，其带动光纤作超高频振动，从而产生发散角为β的激光；
所述接收单元与激光振动发射单元交错排列或者每个接收单元周围都分布振动发射单元；
所述处理单元用于比较发射激光与反射激光信号，通过特定算法从而得出周围事物的状况，反馈给汽车中央处理器做出动作。
可选的，所述振动模块还包括音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)和回复机构等，所述音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)能产生＞100Hz以上的振动频率，所述回复机构用于配合振动模块实现光纤＞100Hz的振动。
可选的，所述光纤末端刚好穿过音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)或者光纤末端与音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)振子连接。
可选的，所述回复机构安装于音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)内部或者外置于音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)，与音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)共同作用于光纤。
可选的，所述光纤在音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)和回复机构共同作用下，产生一个β角的扫描范围。
可选的，所述接收单元内设置有光感器件，所述光感器件用于对反射回来的激光信号进行收集和初步计算处理。
可选的，接收单元与处理单元进行通讯。所述处理单元作用在于比较分析出射激光和反射激光信号，通过特定算法得出雷达周围事物的状态等信息。
可选的，所述出射激光发散角β可调，针对不同的场景，可发散角β可在0-120°范围可调。
可选的，所述振动模块的频率可调，可通过机器学习感知周围环境，自适应调整最佳振动频率，该频率可在100-10000Hz范围内调节。
可选的，所述接收单元与激光振动发射单元有多种排列方式，包括交错排列、振动发射单元环绕接收单元排列等方式，可针对不同的场景设置不同的排列方式，扩大了应用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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。
图1为本发明提供的一种光纤高频振动式激光雷达装置的原理图；
图2为本发明提供的一种光纤高频振动式激光雷达装置的发射与接收装置排列图；
图3为本发明提供的一种光纤高频振动式激光雷达装置的发射与接收装置排列图；
图4为本发明提供的一种光纤高频振动式激光雷达装置的发射装置原理图；
具体实施方式
本发明的目的是提供一种光纤高频振动式激光雷达装置，以提供一种灵敏度高，探测范围广，集成度高的激光雷达装置。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本发明提供一种光纤高频振动式激光雷达装置，包括：激光器1、处理单元2、感光芯片3、接收单元4、激光振动发射单元5、音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)9、回复机构10。
激光器1，是一种产生探测探测激光的光源，产生的激光能量密度高，光束集中，探照范围远。该激光通过光纤引出，延伸到振动发射单元5。
振动发射单元5，安装于雷达面板前端，其正视图如图4所示，其中的音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)9等带动穿插于其中的光纤按照设定的频率，振幅进行振动，回复机构10对光纤产生作用力，使光纤迅速回弹，提高振动频率。振动光纤产生一个出射角为β的探照光束6。
探照光束6，照射到装置周围的事物7，产生一定波长和频率的反射光束8。
反射光束8，被接收单元4接收。
接收单元4，与振动发射单元5排列方式如图2和3所示，其将接收到的激光传输给感光芯片3。
感光芯片3，将接收到的反射激光信号传输给处理单元2。
处理单元2，用以比较出射激光和反射激光波长，频率，相位等信息，通过特定算法推测出事物7的各种状态信息，从而让汽车做出相应的避让动作。
本发明的技术效果为：
1、提出利用振动光纤替代现有的固定光纤，这种方法结构紧凑，单根光纤通过振动实现的扫描范围与现有n(n＞2)根光纤的扫描范围等效，因此在汽车空间紧凑的情况下，该装置结构紧凑，集成度高具有极大潜力。
2、单根光纤高频振动形成一个圆形扫描面，多根振动光纤排列会形成扫描交叉区域，提高了扫描精度，对雷达周围事物的探测精度也得到了提升，因此具有灵敏度高的特点。
3、该装置可根据不同车型或雷达布置方位调整出射单元与接收单元排列方式，即根据图2和图3调整，但不限于图2和图3的排列方式。因此该装置具备探测效率高，成本低等优势。
4、该装置可根据不同场景(路况，天气，时段等)调整出射激光角度β，该角度的调整通过音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)的振幅来实现，具有适应范围广，智能可控的特点。
与现有机械振动式激光雷达相比，音圈电机音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)等的振动频率远高于传统的振镜电机或者摆角电机，意味着单位时间内，该装置扫描次数更多，明显提升了探测精度，并且音圈电机(压电陶瓷、超声波电机)体积小，易于集成。
与传统激光雷达相比，该装置光纤可以高频振动，提升了探测范围，单根光纤可以替代传统激光雷达里的多束光纤，因此该装置与传统激光雷达相比具有体积小，探测范围广的特点。
与用于车载的MEMS激光雷达相比，本装置直接通过光纤输出探测激光，省略了MEMS激光雷达中大量用到的透镜组合，避免了因为安装精度带来的扫描误差。另外MEMS激光雷达中的振镜扫描频率低(一般小于500Hz)，远小于本装置能达到的10000Hz，因此MEMS激光雷达的扫描精度，扫描速度都不及本装置。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述振动式激光雷达装置包括：激光振动发射单元、接收单元和处理单元；
所述激光振动发射单元包括激光器和振动模块，其中，激光器用于产生特定波长的激光，然后耦合进光纤中，振动模块安装在装置最前端，其带动光纤作超高频振动，从而产生发散角为β的激光；
所述接收单元与激光振动发射单元交错排列或者每个接收单元周围都分布激光振动发射单元；
所述处理单元用于比较发射激光与反射激光信号，通过特定算法从而得出周围事物的状况，反馈给汽车中央处理器做出动作；
所述振动模块包括音圈电机或压电陶瓷或超声波电机和回复机构，所述音圈电机、压电陶瓷或者超声波电机能产生＞100Hz以上的振动频率，所述回复机构用于配合振动模块实现光纤＞100Hz的振动；
激光振动发射单元，安装于雷达面板前端，其中音圈电机或压电陶瓷或超声波电机带动穿插于其中的光纤按照设定的频率，振幅进行振动，回复机构对光纤产生作用力，使光纤迅速回弹，提高振动频率；振动光纤产生一个出射角为β的探照光束；
该装置可根据不同车型或雷达布置方位调整所述激光振动发射单元与所述接收单元排列方式。
2.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述光纤末端刚好穿过音圈电机或压电陶瓷或超声波电机或者光纤末端与音圈电机或压电陶瓷或超声波电机振子连接。
3.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述回复机构安装于音圈电机或压电陶瓷或超声波电机内部或者外置于音圈电机或压电陶瓷或超声波电机，与音圈电机或压电陶瓷或超声波电机共同作用于光纤。
4.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述光纤在音圈电机或压电陶瓷或超声波电机和回复机构共同作用下，产生一个β角的扫描范围。
5.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述接收单元内设置有光感器件，所述光感器件用于对反射回来的激光信号进行收集和初步计算处理。
6.根据权利要求1或5所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，接收单元与处理单元进行通讯；所述处理单元作用在于比较分析出射激光和反射激光信号，通过特定算法得出雷达周围事物的状态信息。
7.根据权利要求1或4所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，出射激光发散角β可调，针对不同的场景，可发散角β可在0-120°范围可调。
8.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述振动模块的频率可调，可通过机器学习感知周围环境，自适应调整最佳振动频率，该频率可在100-10000Hz范围内调节。
9.根据权利要求1所述的光纤高频振动式激光雷达装置，其特征在于，所述接收单元与激光振动发射单元有多种排列方式，包括交错排列、激光振动发射单元环绕接收单元排列。
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