CN115657328A - 一种扫描激光雷达发射机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扫描激光雷达发射机构，包括同轴设置的多模光纤与圆形的准直装置；采用多模光纤和准直装置顺次匀化准直，实现满足雷达出射激光要求的激光光束输出，可应对多种不同光源在激光雷达上的光斑及光束调理，包括但不限于激光二极管、固态激光器、光纤激光器等。该方法能够在兼顾准直发散角的基础上，调理激光雷达光源出射激光光斑，使光斑能量分布均匀，光斑边缘锐利，并使光斑呈对称圆形。
Description
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种扫描激光雷达发射机构。
背景技术
扫描激光雷达能够提供实时并且精确的场景距离信息，具有对环境感知的先天优势，以测距范围大和精度高等优点，被广泛应用于无人驾驶、安防监测以及测绘勘探等领域；通常情况下，激光雷达扫描目标障碍物后所获取的信息以点云的形式呈现，其原理为：在每次采样时发送一个激光脉冲以完成对待探测物体的测量。理想情况下，激光脉冲照射到物体表面呈现为一个光点，但由于实际的激光脉冲存在一定的发散角，所以照射到物体上会是一个面，且随距离增加，这个面会增大。
评价雷达出射激光的物理量有脉冲峰值功率、光束发散角、光斑截面能量分布、光斑尺寸、光晕大小和圆度。光晕与光斑截面能量分布关联，光斑截面能量分布越集中，光斑边缘处能量分布曲线越陡（边缘锐利），则其光晕越小。
应用在工业及商业领域的激光雷达，多以半导体激光器(LD)作为其光源，原因在于半导体激光光源的结构紧凑，可调节性高，价格低。半导体激光器可分为边发射(EEL)和垂直反射(VCSEL)两类，EEL出射光斑为非对称的椭圆或长条状，存在发光面尺寸和快慢轴发散角的差异，准直和整形后无法实现标准圆形光斑输出，且光斑内能量分布不均，光晕大。VCSEL光晕大，除单发光点VCSEL外，多发光点VCSEL准直后光斑能量分布不均且形状不是对称圆形。
圆度与像旋：
对于激光雷达，在出射光斑不是对称圆型时，基于扫描机构（如电机+45°转镜）实现的出射光斑，对应于不同扫描角度，因准直激光出瞳位置与扫描机构镜片（如45°转镜）相对位置及角度关系的变化，其光斑照射到物体上的光斑形状及角度也发生周期性变化，形成像旋现象。像旋为测距引入新的变量，造成不同扫描角度的测量光斑覆盖区域不统一，最终导致被测目标的点云重构失真，影响基于点云图像的测距应用。
全光斑尺寸与多回波、拖尾：
激光光斑尺寸有多种定义，如半高全宽、1/e2、90/10等，都未将能量分布较少的光晕部分计算在内，而雷达依据激光光斑覆盖区域内所有目标回波光信号的积分解算距离，在光斑尺寸计算时，被舍弃的光晕照射到的部分，回波信号也会被纳入目标物体距离解算中，因此，本专利中描述的光斑尺寸是包含光晕的全光斑尺寸。
对于实际雷达出射激光，由于激光发散角以及激光在传输过程中的衍射、散射的存在，其全光斑尺寸在随传输距离的增大而增大。
实际激光雷达测距过程中，存在以下可能——被测目标为前后两个物体，且雷达出射的激光光斑一部分打到前面物体的边缘，一部分激光光斑打到后面物体上，全光斑尺寸越大，此种情况出现概率越高。对于这种情况，雷达接收到的就是一前一后两个回波信号，分别对应被空间切割开的光斑两个部分照射的目标物体。雷达针对此种测量场景存在以下两类问题：①多回波，在前后两物体空间距离足够远时，两回波信号可被雷达探测电路有效分辨开，雷达的数据处理需做相应取舍，或舍弃一个回波信号，通过距离解算给出唯一一个距离值，丢失了部分测量结果，或保留全部回波距离解算信息，增大数据处理和数据打包传输的难度；②点云拖尾，在前后两物体空间距离近时，两回波光脉冲融为一体，不能被探测电路有效区分，这时雷达会依据融合的回波光脉冲信号解算距离，进而判定测量目标在这两个物体之间，从点云上看，就会形成前后两个分离物体之间存在有一实体目标物的假象，即拖尾现象，为避障、导航以及路径规划等应用带来诸多不便。
光晕与高反膨胀：
只存在一个被测目标，目标表面反射率高，雷达发射激光脉冲光晕部分照到高反射率物体边缘，此时激光脉冲光斑能量中心（主光斑）已偏出高反射率目标，主光斑在雷达测程范围内未落到实际测量目标上，对应实际雷达测距，应为无距离或零距离输出，而光晕微弱能量结合目标的高反射率，造成有足够强的回波光信号被激光雷达接收到，雷达基于此信号解算出距离，因此出现所谓的高反“膨胀”现象，即高反射率物体的点云勾勒形貌尺寸远大于物体真实尺寸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种扫描激光雷达发射机构，用于最终获得具有特定发散角的激光，该激光生成的全光斑尺寸小，光斑边缘锐利，光斑内能量分布均匀，光斑呈对称圆形。
为解决上述技术问题，本发明实现光源转换的技术方案如下：一种扫描激光雷达发射机构，包括同轴设置的激光光源与圆形的准直装置；其中激光光源耦合进入多模光纤，所述多模光纤为圆形纤芯；激光光源发出的激光经所述多模光纤匀化后，再通过同轴的准直装置从发散激光变成准直激光，作为发射机构的出射光；所述准直装置为凸透镜，且准直装置的凸面具有焦距不同的中心区域和外围环状区域。
按上述方案，准直装置的中心区域用于对多模光纤出射激光的中心部分做变换，准直装置的外围环状区域对多模光纤出射激光的外围部分做变换。
按上述方案，所述准直装置替换为为透镜组。
按上述方案，所述多模光纤为石英光纤。
按上述方案，所述多模光纤的纤芯截面为圆形且直径为62.5μm。
按上述方案，所述多模光纤的包层直径为125μm。
按上述方案，所述多模光纤的数值孔径为0.14。
按上述方案，所述多模光纤末端设置有金属插芯。
本发明的有益效果是：
1、基于两种器件（多模光纤与准直装置）的组合，有效实现了普通激光到符合扫描激光雷达所需激光光源的变换，只需满足可将激光耦合进入多模光纤，即可采用本发明所述方案，适用范围广。
2、本发明通过准直透镜多分区设计，分波前准直及多光束叠加，可实现整个激光雷达测程范围内光斑尺寸、光斑能量分布的匀化、边缘锐化的控制与实现，可有效补偿雷达出射激光在空间传输过程中的衍射及散射造成的光斑能量均匀分布的退化，保持雷达全测程范围内的光斑能量分布均匀、边缘锐利（光晕小）和光斑形状圆对称。
附图说明
图1是本发明一实施例的激光雷达发射机构结构示意图。
图中：1-多模光纤，2-插芯，3-准直透镜，4-中心区域，5-外围环状区域。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
参见图1，一种激光雷达发射机构，包括同轴设置的激光光源与圆形的准直装置；其中激光光源为激光二极管，多模光纤1作为尾纤与激光二极管耦合在一起，多模光纤1为石英光纤，纤芯直径为62.5μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.14。采用的多模光纤对耦合进入其中的激光进行了匀化，基于多模光纤的波导结构改变了激光的光束质量以及光斑能量分布状态；并且可通过增加光纤长度、适度弯折光纤以提升匀化效果，光纤输出激光光斑能量接近平顶分布，多模光纤的圆纤芯确保光纤末端出射激光光斑为圆形，光斑边缘相对锐利。光纤的材质、光纤的芯径尺寸、包层尺寸、数值孔径都可调整变化，以满足光斑初步匀化效果为准，通过限定多模光纤的纤芯尺寸和数值孔径，能够控制光纤末端出射激光的光束质量因子值，使后续准直在发散角确定前提下更易产生小尺寸光斑，满足激光测距应用需求。
进一步地，多模光纤1末端设置有插芯2，本实施例中插芯2为金属插芯，其他实施例中的插芯为金属以外的其他材质，其材质满足对多模光纤内所传输的激光波段不透光即可。图1中，经插芯2出射的激光被准直透镜3准直。
准直透镜3为平凸镜，凸面被设计区分出两个区域，两个区域与透镜前表面共同框定的透镜实体部分也相应被分为两个区域——中心区域4和外围环状区域5。透镜镜片设计中引入二元光学概念，将镜片划分为同心的N个区域（N≥2），各分区通过分割光纤出射激光波前，实现各部分激光的分别准直。透镜镜片光学曲面在各分区间平滑衔接，同时各分区光学曲面对应焦距各不相同，准直透镜3具有焦距不同的中心区域4与外围环状区域5，本实施例中，透镜中心区域4对应的焦距F1大于外围环状区域5的焦距F2。
通过准直装置对光纤出射激光准直，将光纤出光端面置于准直装置的接近前焦点位置处，在确保准直装置的组成镜片都为圆形，且所有光纤端面出射激光都被准直装置集纳的前提下，准直后出射的激光光斑也可确保为圆形。本实施例中，对光纤出射激光，中心区域4对光斑的中心部分做变换，外围环状区域5对光斑的边缘（含光晕）部分做变换。
准直透镜3与金属插芯2的相对位置，最终准直效果是光斑中心区域实现理想准直，边缘区域的准直光线略向内收，准直后的整体激光光斑边缘在雷达全测程范围内维持在相对锐利状态。光斑中心区域受边缘区域光线干涉影响，能量分布略有起伏，但能量分布维持圆对称状态，不会因此加剧像旋效应的影响，同时由于边缘光线能量较弱，对中心区域因干涉调制造成的能量起伏有限，不影响雷达测距应用。
在其他实施例中准直装置可以是单片准直镜，也可以是多片镜片组成的镜头组，对于单片准直镜，镜片上可分出两个区域，也可分出三个甚至更多区域，各区域对应的曲面可以是球面也可以是非球面，镜片可以是整体形制为平凸的镜片，也可以是整体形制为双凸的镜片；对于镜头组，可以是具有分多个区域特征的镜片的组合，也可以是M个（M≥1）具有分区域特征镜片和多个不分区域镜片的组合，镜片或镜片组分区域，相邻区域对应的焦距不同，不限定从中心区域到边缘区域焦距变化规律，只需满足雷达测距全程光斑匀化、边缘锐利、光斑圆形效果即可。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种扫描激光雷达发射机构，其特征在于：包括同轴设置的激光光源与圆形的准直装置；其中激光光源耦合进入多模光纤，所述多模光纤为圆形纤芯；激光光源发出的激光经所述多模光纤匀化后，再通过同轴的准直装置从发散激光变成准直激光，作为发射机构的出射光；所述准直装置为凸透镜，且准直装置的凸面具有焦距不同的中心区域和外围环状区域。
2.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：准直装置的中心区域用于对多模光纤出射激光的中心部分做变换，准直装置的外围环状区域对多模光纤出射激光的外围部分做变换。
3.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述准直装置替换为为透镜组。
4.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述多模光纤为石英光纤。
5.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述多模光纤的纤芯截面为圆形且直径为62.5μm。
6.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述多模光纤的包层直径为125μm。
7.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述多模光纤的数值孔径为0.14。
8.根据权利要求1所述的扫描激光雷达发射机构，其特征在于：所述多模光纤末端设置有金属插芯。
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