CN115616607A - 成像设备、激光雷达及其接收系统 - Google Patents

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Abstract

本申请适用于激光雷达技术领域，提供了一种成像设备、激光雷达及其接收系统，所述激光雷达的接收系统包括接收元件、偏振分束元件和探测器组件；所述接收元件，用于接收待测目标的反射光，并将接收的该反射光传输至所述偏振分束元件的入射面；所述偏振分束元件，用于将所述接收元件传输的反射光中的p偏振分量与s偏振分量分离，并传输至所述探测器组件；所述探测器组件包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于探测所述p偏振分量，所述第二探测器用于探测所述s偏振分量；本方案通过设置的偏振分束元件和探测器组件，将接收元件收集的反射光中的p、s偏振分量进行分离，并由两个探测器分别探测，利用偏振差异实现对待测目标的物质鉴定。

Description

成像设备、激光雷达及其接收系统
技术领域
本申请属于激光雷达技术领域，尤其涉及一种成像设备、激光雷达及其接收系统。
背景技术
激光雷达是一种利用激光完成三维探测的遥感技术，由发射系统和接收系统组成。发射系统用于发射脉冲激光照射待测目标，接收系统用于接收待测目标的反射光，通过记录发射脉冲和接收脉冲的时间差，来计算物体的纵向距离。
但是，常规的激光雷达只能实现对目标位置的探测，却无法获取目标的材质信息。
因此，亟需设计一种可进行物质鉴定的接收系统。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种成像设备、激光雷达及其接收系统，旨在解决目前的激光雷达无法获取目标的材质信息的问题。
本申请实施例是这样实现的，一种激光雷达的接收系统，所述激光雷达的接收系统包括接收元件、偏振分束元件和探测器组件；所述接收元件，用于接收待测目标的反射光，并将接收的该反射光传输至所述偏振分束元件的入射面；所述偏振分束元件，用于将所述接收元件传输的反射光中的p偏振分量与s偏振分量分离，并传输至所述探测器组件；所述探测器组件包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于探测所述p偏振分量，所述第二探测器用于探测所述s偏振分量；
其中，p偏振光的偏振方向在入射、反射、折射光与法线组成的平面内，s偏振光的偏振方向垂直于入射、反射、折射光与法线组成的平面。
本申请还提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括发射系统和所述的接收系统，所述发射系统至少包括激光器和偏转结构；
所述激光器，用于发射设定波长光照射待测目标，其中设定波长光包含p方向偏振光、s方向偏振光；
所述偏转结构设置在所述激光器的出射光光路上，用于对所述激光器的出射光进行偏转，以使所述激光器的出射光能够在二维空间进行扫描。
本申请还提供了一种成像设备，所述成像设备包括照明光源、集光系统和所述的接收系统；
所述照明光源用于向待测目标发射p偏振方向的激光或s偏振方向的激光；
所述集光系统设置在所述偏振分束元件的出射光光路上；
对于上述实施例中所给出的激光雷达的接收系统，通过设置的偏振分束元件和探测器组件，将接收元件收集的反射光中的p、s偏振分量进行分离，并由两个探测器分别探测，利用偏振差异实现对待测目标的物质鉴定，接收系统的整体结构简单，便于推广应用。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达的接收系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种激光雷达的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种成像设备的结构示意图；
图4为光在不同介质中的传播原理示意图；
图5为本申请实施例提供的一种玻璃反射光的p偏振分量的反射率Rp与s偏振分量的反射率Rsi随入射角的变化趋势图。
附图中：100-接收系统；101-接收元件；102-偏振分束元件；103-第一探测器；104-第二探测器；105-集光系统；106-数字微镜阵列；200-发射系统；201-激光器；202-偏转结构；203-发射光元件；300-照明光源。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
以下结合具体实施例对本申请的具体实现进行详细描述。
图1为本申请实施例提供的一种激光雷达的接收系统的结构示意图，所述激光雷达的接收系统100包括接收元件101、偏振分束元件102和探测器组件；
所述接收元件101，用于接收待测目标的反射光，并将接收的该反射光传输至所述偏振分束元件102的入射面；
所述偏振分束元件102，用于将所述接收元件101传输的反射光中的p偏振分量与s偏振分量分离，并传输至所述探测器组件；
所述探测器组件包括第一探测器103和第二探测器104，所述第一探测器103用于探测所述p偏振分量，所述第二探测器104用于探测所述s偏振分量。
在本实施例的一个示例中，待测目标的反射光可以是外部光源、激光器或照明光源照射待测目标后的反射光，所述接收元件101可为单透镜、镜头组、菲涅尔透镜等；所述第一探测器103、第二探测器104可以是光电二极管、光电倍增管或雪崩光电二极管。
本实施例提供的激光雷达的接收系统，通过设置的偏振分束元件和探测器组件，将接收元件收集的反射光中的p、s偏振分量进行分离，并由两个探测器分别探测，利用偏振差异实现对待测目标的物质鉴定，接收系统的整体结构简单，便于推广应用。
其中，所述偏振分束元件利用了光在不同介质中的折射率不同的原理，如图4所示，光的反射现象可以根据光的电磁理论，由电磁场的边界条件进行分析。将入射光的电矢量分解为平行于入射面的p偏振分量Ep和垂直于入射面的s偏振分量Es，则反射光中p偏振分量的反射率Rp与s偏振分量的反射率Rs分别为：
Figure BDA0003932908300000041
Figure BDA0003932908300000042
其中有n1 sin i1＝n2 sin i2，n1和n2分别为空气和物体的折射率，i1为光到物体的入射角，若光由空气入射到玻璃上，则n1＝1，n2＝1.5，p偏振分量的反射率Rp与s偏振分量的反射率Rs随入射角的变化曲线如图5所示。可以看出，对于玻璃这种镜面反射物体，p偏振分量的反射率始终高于s偏振分量的。
因此，在一些实施例的场景中，对于玻璃、光滑的金属等镜面反射物体，当入射光为线偏振光时，目标反射光近似为线偏振：
当入射光为p偏振方向的线偏振光，反射光中p偏振成分较多，s偏振方向较少；
当入射光为s偏振方向的线偏振光，反射光中s偏振成分较多，p偏振方向较少；
而当入射光为完全非偏振光时，目标反射光为非偏振光，s偏振成分始终高于p偏振成分。
而对于普通粗糙物体，由于光入射到物体表面时，表面会把光线向着四面八方反射，因此无论入射光是否为线偏振光，目标反射光始终为非偏振光，且p偏振成分与s偏振成分几乎相当。
综上，在测量目标光强度的同时测量目标光的偏振特性，光的偏振特性即p偏振分量与s偏振分量，则可以对目标成分进行鉴别。
如图1所示，在另一个实施例场景中，所述偏振分束元件为偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜，优选地，偏振分束元件为偏振分光棱镜。
如图1所示，在另一个实施例中，所述第一探测器103的灵敏度与所述第二探测器104的灵敏度不同。
在本实施例中，所述p、s偏振分量用两个灵敏度不同的探测器分别探测，降低了对探测器动态范围的要求，进而降低了设备的建设成本。
此外，在一些实施例场景中，例如当目标物体(即待测目标)为玻璃或光滑金属等镜面反射物体时，所述探测器组件包括的第一探测器103与所述第二探测器104，也可以采用灵敏度相的探测器，具有相同灵敏度的探测器可以简化本接收系统搭建时的复杂度，降低区分难度，也便于维护。
在另一个实施例中，所述探测器组件还包括控制器，所述控制器连接有存储器，所述存储器存储有预标定数据库；
所述控制器，用于根据所述p偏振分量与所述s偏振分量的差异判断待测目标的材质；
或根据所述差异与所述预标定数据库中数据的对比判断待测目标的材质。
在本实施例中，所述预标定数据库是根据已知物体的物质特性进行预标定后形成的，即预先使用已知材质的物体，对第一探测器103和第二探测器104探测的强度差异进行预标定。
如图2所示，在另一个实施例中，提供了一种激光雷达，所述激光雷达包括发射系统200和如上任一所述的接收系统100，所述发射系统200至少包括激光器201和偏转结构202；
所述激光器201，用于发射设定波长光照射待测目标，其中设定波长光包含p方向偏振光、s方向偏振光；
所述偏转结构202设置在所述激光器的出射光光路上，用于对所述激光器的出射光进行偏转，以使所述激光器的出射光能够在二维空间进行扫描。
在本实施例的一个示例中，所述的设定波长光至少包含可分离的p方向偏振光和s方向偏振光，所述的激光雷达可以应用于物质鉴定，或其他遥感探测领域，在进行物质鉴定时具有以下几种模式：
通过所述激光器201发射p方向偏振光照射待测目标，即目标物体，若第一探测器103探测的强度高于第二探测器104探测的强度，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104探测的强度相当，则该目标物体为普通漫反射物体；
通过所述激光器201发射s方向偏振光照射目标物体，若第一探测器103探测的强度低于第二探测器104探测的强度，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104探测的强度相当，则该目标物体为普通漫反射物体；
通过所述激光器201发射完全非偏振光照射目标物体，若第一探测器103探测的强度低于第二探测器104探测的强度，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104探测的强度相当，则该目标物体为普通漫反射物体。
此外，在一种实施场景中，可以进行物质的预标定，并作为一参照来判断待测目标的物质特性。即通过预先使用已知材质的物体，对第一探测器103与第二探测器104探测的强度差异进行预标定，由此在测试中，根据第一探测器103与第二探测器104探测的强度差异即可判断待测目标的材质。
综上所述，通过上述多种模式的探测，实现待测目标材质的判定，且系统整体的结构较为简单，适用性较高。
如图2所示，在另一个实施例中，所述发射系统还包括发射光元件203，所述发射光元件203设置在所述偏转结构202的出射光光路上，用于将所述偏转结构202的出射光发射向待测目标。
本实施例中，所述偏转结构202为旋转多面反射棱镜、MEMS((微机电系统：micro-electro-mechanical system，MEMS)振镜、数字微镜阵列(digital micro-mirror device，DMD)中的一种；所述发射光元件采用单透镜或由多个透镜组成的镜头组。
本实施例中偏转结构202、发射光元件的具体结构并不限制于此，实际应用时，本领域人员可以根据需要进行灵活的选择和调整，以便于实施本方案，在此不再详述。
如图3所示，基于所述的激光雷达的接收系统，在另一个实施例中，提供了一种成像设备，应用于单像素成像；所述成像设备包括照明光源300、集光系统105和如上任一所述的接收系统100；
所述照明光源300用于向待测目标发射p偏振方向的激光或s偏振方向的激光；
所述集光系统105设置在所述偏振分束元件102的出射光光路上。
在本实施例中，所述偏振分束元件102可以是数字微镜阵列(DMD)106；其中，所述照明光源300不局限于激光器，可以是阳光，也可以是常规的照明灯，图中实线表示发射光，虚线表示接收光，如LED灯或其他照明灯；所述集光系统包括一个或多个集光器，通过一个或多个该集光器对偏振分束元件102的出射光进行收集，所述数字微镜阵列(DMD)106配置为：照明光照射物体产生的不同子视场(子视场1、子视场2、子视场3)的目标光，经接收元件101成像在DMD上，DMD上不同位置的微镜将对应不同子视场的目标光反射进集光系统进行收集；
此外本实施例中的p偏振光的偏振方向在入射、反射、折射光与法线组成的平面内，s偏振光的偏振方向垂直于入射、反射、折射光与法线组成的平面。
具体地，所述成像设备用于物质鉴定时，具有以下模式：
将照明光源设置为：照明光为p偏振激光，照射目标物体，若第一探测器103探测的强度低于第二探测器104探测的强度，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104探测的强度相当，则该目标物体为普通漫反射物体；
照明光为s偏振激光，若第一探测器103探测的强度低于第二探测器104探测的强度，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104探测的强度相当，则该目标物体为普通漫反射物体。
照明光为完全非偏振激光或阳光，若第一探测器103探测的强度低于第二探测器104的，则该目标物体为玻璃或金属；若第一探测器103探测的强度与第二探测器104的相当，则该目标物体为普通漫反射物体。同样可以预先使用已知材质的物体，对第一探测器103与第二探测器104探测的强度差异进行预标定，由此在实际测试中，根据第一探测器103与第二探测器104探测的强度差异即可判断待测目标的材质。
另外，在一些实施例场景中，使用第一探测器103和第二探测器104对目标光的p、s偏振分量分别进行探测，这样的话，当目标物体为玻璃或光滑金属等镜面反射物体时，目标光中p、s偏振分量强度差异较大，此时可以用两个灵敏度不同的探测器分别探测，降低对探测器动态范围的要求。
综上所述，上述实施例提供的一种激光雷达的接收系统，并基于该接收系统提供的激光雷达和成像设备，利用偏振差异进行物质鉴定，该接收系统包括接收元件、偏振分束元件和探测器组件包括的第一、二探测器；其中偏振分束元件用于将接收元件收集的目标物体反射光的p、s偏振分量进行分离，并由两个探测器分别探测，利用偏振差异实现对目标物体进行物质鉴定，结构相对简单，且本可以应用于激光探测和单像素成像，应用领域广泛。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光雷达的接收系统，其特征在于，所述激光雷达的接收系统包括接收元件、偏振分束元件和探测器组件；
所述接收元件，用于接收待测目标的反射光，并将接收的该反射光传输至所述偏振分束元件的入射面；
所述偏振分束元件，用于将所述接收元件传输的反射光中的p偏振分量与s偏振分量分离，并传输至所述探测器组件；
所述探测器组件包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于探测所述p偏振分量，所述第二探测器用于探测所述s偏振分量。
2.根据权利要求1所述的激光雷达的接收系统，其特征在于，所述偏振分束元件为偏振分光棱镜或格兰泰勒棱镜。
3.根据权利要求1所述的激光雷达的接收系统，其特征在于，所述第一探测器的灵敏度与所述第二探测器的灵敏度不同。
4.根据权利要求1所述的激光雷达的接收系统，其特征在于，所述探测器组件还包括控制器，所述控制器连接有存储器，所述存储器存储有预标定数据库；
所述控制器，用于根据所述p偏振分量与所述s偏振分量的差异判断待测目标的材质；
或根据所述差异与所述预标定数据库中数据的对比判断待测目标的材质。
5.一种激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括发射系统和如权利要求1-4任一所述的接收系统，所述发射系统至少包括激光器和偏转结构；
所述激光器，用于发射设定波长光照射待测目标，其中设定波长光包含p方向偏振光、s方向偏振光；
所述偏转结构设置在所述激光器的出射光光路上，用于对所述激光器的出射光进行偏转，以使所述激光器的出射光能够在二维空间进行扫描。
6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述发射系统还包括发射光元件，所述发射光元件设置在所述偏转结构的出射光光路上，用于将所述偏转结构的出射光发射向待测目标。
7.根据权利要求5或6所述的激光雷达，其特征在于，所述偏转结构为旋转多面反射棱镜、MEMS振镜、数字微镜阵列中的一种；所述发射光元件采用单透镜或由多个透镜组成的镜头组。
8.一种成像设备，其特征在于，所述成像设备包括照明光源、集光系统和如权利要求1-4任一所述的接收系统；
所述照明光源用于向待测目标发射p偏振方向的激光或s偏振方向的激光；
所述集光系统设置在所述偏振分束元件的出射光光路上。
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