CN207937595U - 基于相位测距法的激光探测雷达光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统。该光学系统包括：发射光学组件和接收光学组件，其中，发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于得到平行光束作为探测信号；接收光学组件与激光探测器相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器上；其中，滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；激光探测器还用于接收参考光源的内光路脉冲信号，其中发射光源与参考光源产生等脉冲、等频率的脉冲信号；激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。本申请提供的技术方案，可以实现提高激光探测雷达的探测精度的效果。

Description

基于相位测距法的激光探测雷达光学系统

技术领域

本实用新型实施例涉及雷达技术领域，尤其涉及一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统。

背景技术

目前，雷达探测技术已经日趋成熟，在现有技术中，往往采用确定光脉冲探测信号的发送和接收的时间差等方式确定探测信号的传播距离，从而确定目标物距离探测雷达的距离。这种方式精度较低，在实际测量过程中，往往会存在±3mm的误差。

因此，如何提高雷达探测过程中探测精度，已经成为本领域亟待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统，可以实现提高激光探测雷达的探测精度的效果。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统，该系统包括：发射光学组件和接收光学组件，其中，

所述发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号；

所述接收光学组件与激光探测器相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器上；其中，所述滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；

所述激光探测器还用于接收参考光源的内光路脉冲信号，其中所述发射光源与所述参考光源产生等脉冲、等频率的脉冲信号；所述激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。

进一步的，所述光学系统包括：共轴系统或离轴系统。

进一步的，所述光学系统包括离轴系统时，所述接收光学组件还包括：

小透镜，所述小透镜位于所述接收光学组件靠近所述发射光学组件一侧，用于获取探测目标距离在0-50cm内的回波信号。

进一步的，所述小透镜为一片横截面为斜边为曲边的直角三角形，长直角边为5.7412mm，短直角边为2.0228mm，其中长直角边与所述接收光学组件的出射面贴合；

所述曲边由直线和曲线半径为2.4181mm的弧线组成，所述弧线与短直角边一侧相连；

所述曲边的直线与长直角边的夹角为7.451°，所述曲边与长直角边接触处的厚度为0.1049mm。

进一步的，所述小透镜的折射率为1.491。

进一步的，所述接收光学组件包括一个接收球面镜，所述接收球面镜的折射率为1.491；

所述接收球面镜的入射面与出射面的中心厚度为4.84mm，轮廓外径为 18.1mm。

进一步的，所述接收球面镜的出射面设置有环形凹槽，所述环形凹槽的内径为16.4mm，外径为18.1mm；

所述环形凹槽的厚度为0.79mm；

所述环形凹槽用于对所述接收球面镜进行安装。

进一步的，所述发射光学组件包括发射球面镜，所述球面镜的折射率为 1.531。

进一步的，所述发射球面镜的入射面和出射面为凸面，入射凸面半径为 21.9mm；出射凸面半径为9.3mm。

进一步的，所述发射球面镜的边界厚度为1.8mm，外径为5.1mm。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种基于相位测距法的激光探测雷达，该雷达包括：

电机，用于带动所述光路结构按照预设方向旋转；光栅码盘，与所述光路结构连接，使用光栅码盘本身的刻度来分辨所述光路结构的旋转角度，确定探测方向；激光发射器，用于发出光脉冲信号；主控电路板，用于根据接收到的回波信号分析确定探测方向上的探测目标的距离；还包括如本实用新型实施例所提供的光学系统。

本实用新型实施例提供了一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统，该光学系统包括：该系统包括：发射光学组件和接收光学组件，其中，所述发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号；所述接收光学组件与激光探测器相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器上；其中，所述滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；所述激光探测器还用于接收参考光源的内光路脉冲信号，其中所述发射光源与所述参考光源产生等脉冲、等频率的脉冲信号；所述激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。通过采用本实用新型实施例所提供的技术方案，可以实现提高激光探测雷达的探测精度的效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的基于相位测距法的激光探测雷达光学系统框图；

图2是本实用新型实施例一提供的共轴光路示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的离轴光路示意图；

图4是本实用新型实施例一提供的相位测距法电路结构示意图；

图5是本实用新型实施例一所提供的一种光学系统示意图；

图6是本实用新型实施例一所提供的一种小透镜的横截面示意图；

图7是本实用新型实施例一所提供的一种接收球面镜的横截面示意图；

图8是本实用新型实施例一所提供的一种发射球面镜的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各步骤描述成顺序的处理，但是其中的许多步骤可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各步骤的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的基于相位测距法的激光探测雷达光学系统框图，本实施例可适用雷达探测的情况，该雷达探测过程可以由软件和/或硬件的方式来实现。

如图1所示，所述基于相位测距法的激光探测雷达光学系统包括：

发射光学组件110和接收光学组件120，其中，所述发射光学组件110与发射光源130的光脉冲信号发出位置相对应，所述发射光学组件110包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号；

所述接收光学组件120与激光探测器140相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，所述接收光学组件120用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器140上；其中，所述滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；

所述激光探测器140还用于接收参考光源150的内光路脉冲信号，其中所述发射光源130与所述参考光源150产生等脉冲、等频率的脉冲信号；所述激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。

其中，激光发射器可以是激光二极管、气体激光器和固体激光器，还可以是光纤激光器。其中，光纤激光器应用范围非常广泛，包括激光光纤通讯、激光空间远距通讯、工业造船、汽车制造、激光雕刻激光打标激光切割、印刷制辊、金属非金属钻孔、切割、焊接(铜焊、淬水、包层以及深度焊接)、军事国防安全、医疗器械仪器设备、大型基础建设，作为其他激光器的泵浦源等等。光纤激光器具有功率高，可控性强等优点。因此，与激光二极管相比，利用光纤激光器作为探测信号的发出者可以实现高功率、远距离的探测，同时，其工作功率的可控性也可以为雷达探测过程中满足不同的探测距离需求提供基础。

另外，采用光纤机关器不仅功率高，而且其每秒发射信号最大可以到达30 万次，使激光探测雷达的精度更高，分辨率更高。光纤机关器发出的光斑较小，可以有效减少多回波的现象，其中多次回波可以是当光斑较大时，往往会在物体的边界处发生部分反射，如出现光斑的一部分打在物体A上发生反射，另一部分则打在更远的物体B上发生反射。这样就会造成同一束光脉冲探测信号的回波数量超过一个，给信号分析带来较大困难，而控制光斑大小可以有效的避免出现多次回波的现象。

所述发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号。这样，由激光发射器发出的发散的光脉冲信号经过球面镜的准直后，就可以得到平行的均匀的光脉冲信号作为探测信号。

其中，激光探测器可以是APD探测器(Avalanche Photodiodes)，还可以是其他光电探测器。

其中，滤光片可以是与激光发射器发射的光脉冲信号的波长相对应的颜色，示例性的，光脉冲信号的波长是绿色光的波长，则可以设置一个绿色的滤光片，这样就可以过滤掉出绿色光的波长以外的其他颜色的自然光线，这样可以提高信噪比，有利于对回波信号的识别和处理。

本实用新型实施例提供了一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统，该光学系统包括：发射光学组件和接收光学组件，其中，所述发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号；所述接收光学组件与激光探测器相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器上；其中，所述滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；所述激光探测器还用于接收参考光源的内光路脉冲信号，其中所述发射光源与所述参考光源产生等脉冲、等频率的脉冲信号；所述激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。通过采用本实用新型实施例所提供的技术方案，可以实现提高激光探测雷达的探测精度的效果。

在本实用新型实施例中，可选的，所述光学系统包括：共轴系统或离轴系统。

图2是本实用新型实施例一提供的共轴光路示意图。如图2所示，激光发射器发出的光脉冲信号经过准直后，通过反射镜片1的孔洞通往反射镜片2，并在反射镜片2上发射得到向探测方向发出的光脉冲探测信号。从图中可以看出，在回波信号经过反射镜片2反射至反射镜片1时，对应反射镜片1的孔洞位置的回波信号将会被浪费掉，从而造成接收到回波信号的能量的浪费。其中接收透镜组件可以是1片接收透镜，也可以是多片，对此本实用新型实施例不做具体限定。接收信号电路板可以在对接收透镜组件汇聚后的回波信号进行接收，接收后转换为电信号，在将电信号经过放大器放大后，对回波信号的时刻进行鉴别，确定回波信号的传播时间，从而确定探测方向上的探测目标的距离。在本实施例中，优选的，可以设置四级电路，每一级电路对不同强度的回波信号进行接收、转换、放大和时刻鉴别，这样设置的好处是可以针对回波信号的强弱，对探测目标距离远近以及反射率高低都能够进行很好的判断，避免出现探测信号的回波信号超出或者低于接收信号的处理范围，而无法有效探测目标物的距离的情况。

图3是本实用新型实施例一提供的离轴光路示意图。如图3所示，相对于共轴光路，离轴光路可以不用设置反射镜片1，同时在对回波信号的接收时，也没有回波信号的能量被浪费掉。所以离轴光路相对接收到的信号更强，没有能量的浪费，可以提高对回波信号进行识别的效果。

图4是本实用新型实施例一提供的相位测距法电路结构示意图。如图4所示：其中，可以由锁相环电路产生同频率同相位的主振频率，包括第一高频振荡信号和第二高频振荡信号，发射光源被第一高频振荡信号调制，发出光脉冲探测信号至探测目标，被探测目标反射后激光探测器(可以是APD探测器)接收并将回波信号光信号转换为电信号，再经过放大电路将信号放大，即为外光路信号，此时锁相环电路产生同频率同相位的本振频率，包括第三高频振荡信号和第四高频振荡信号，所述第一高频振荡信号和所述第二高频振荡信号与所述第三高频振荡信号和第四高频振荡信号频率相差1MHz。此时外光路信号再与第三高频信号混频得到测距信号。参考光源被第二高频振荡信号调制，直接被激光探测器接收，同样将光信号转换为电信号，再经过放大电路将信号放大，即为内光路信号，此信号再与第四高频信号混频得到参考信号。参考信号和测距信号都为混频后的低频信号(频率为1MHz)，且这两个低频信号都同时保留了原有高频信号的相位。最后将参考信号和测距信号同时送入相位计进行相位比较，进而测得目标距离。具体的，通过非线性器件将两不同频率的振荡信号变换成一个与两者都相关的新振荡信号。新振荡频率为上述两不同频率之差，振幅包络与其中之一一致。

本实用新型实施例通过采用相位测距法，可以提高对于目标问题的测距精度至±3mm。本实施例中，还通过高频与高频信号进行混频，得到混频后的低频信号，实现了相位测距法对高频的激光探测雷达信号处理中的应用。

图5是本实用新型实施例一所提供的一种光学系统示意图。如图5所示，本示意图采用的离轴系统，其中，激光发射器发射出光脉冲信号，经过发射光学组件准直后得到探测信号，并向探测方向发射，在探测方向上遇到目标物反射后，得到回波信号，回波信号经过接收光学组件汇聚到激光探测器上，其中滤光片用于对自然光中其他波长的光进行过滤，小透镜用于在探测信号在较近距离内遇到目标物时，将反射的回波信号折射到激光探测器上。

图6是本实用新型实施例一所提供的一种小透镜的横截面示意图。如图6 所示：在本实用新型实施例中，可选的，所述光学系统包括离轴系统时，所述接收光学组件还包括：小透镜，所述小透镜位于所述接收光学组件靠近所述发射光学组件一侧，用于获取探测目标距离在0-50cm内的回波信号。

在本实用新型实施例中，可选的，所述小透镜为一片横截面为斜边为曲边的直角三角形，长直角边为5.7412mm，短直角边为2.0228mm，其中长直角边与所述接收光学组件的出射面贴合；所述曲边由直线和曲线半径为2.4181mm 的弧线组成，所述弧线与短直角边一侧相连；所述曲边的直线与长直角边的夹角为7.451°，所述曲边与长直角边接触处的厚度为0.1049mm。

在本实用新型实施例中，可选的，所述小透镜的折射率为1.491。

在本实用新型实施例中，通过设置小透镜，可以实现对于较近的目标物的距离的探测，增大了激光探测雷达的量程范围，减小激光探测雷达的近距离盲区。

图7是本实用新型实施例一所提供的一种接收球面镜的横截面示意图。如图7所示：在本实用新型实施例中，可选的，所述接收光学组件包括一个接收球面镜，所述接收球面镜的折射率为1.491；

所述接收球面镜的入射面与出射面的中心厚度为4.84mm，轮廓外径为 18.1mm。

在本实用新型实施例中，可选的，所述接收球面镜的出射面设置有环形凹槽，所述环形凹槽的内径为16.4mm，外径为18.1mm；

所述环形凹槽的厚度为0.79mm；

所述环形凹槽用于对所述接收球面镜进行安装。

图8是本实用新型实施例一所提供的一种发射球面镜的横截面示意图。如图8所示：在本实用新型实施例中，可选的，所述发射光学组件包括发射球面镜，所述球面镜的折射率为1.531。

在本实用新型实施例中，可选的，所述发射球面镜的入射面和出射面为凸面，入射凸面半径为21.9mm；出射凸面半径为9.3mm。

在本实用新型实施例中，可选的，所述发射球面镜的边界厚度为1.8mm，外径为5.1mm。

本实施例通过提供上述发射球面镜和接收球面镜作为光学系统的组成部分，可以提高雷达探测过程中对于光路的控制效果，使雷达探测结果更加准确。

实施例二

本实用新型实施例还提供一种基于相位测距法的激光探测雷达，电机，用于带动所述光路结构按照预设方向旋转；光栅码盘，与所述光路结构连接，使用光栅码盘本身的刻度来分辨所述光路结构的旋转角度，确定探测方向；激光发射器，用于发出光脉冲信号；主控电路板，用于根据接收到的回波信号分析确定探测方向上的探测目标的距离；其中，还包括如本实用新型实施例所提供的光学系统。

其中，电机用于代用所述光路结构以及光电探测器进行保持相对位置不变的转动，从而实现雷达对360°进行探测的效果。光栅码盘用于计算探测方向，示例性的，光栅码盘有180个刻度，则每隔刻度为2°，这样就可以根据电机带动光路结构转过的方向确定光脉冲探测信号的发出方向，进而可以得知探测到的目标在雷达的什么方向上。

主控电路板不仅可以根据接收到的回波信号分析确定探测方向上的探测目标的距离，还可以对电机、光纤激光器等发出控制信号。例如，控制电机的旋转速度，控制光纤激光器发出光脉冲探测信号的功率、频率以及发射间隔时间等。这样设置的好处是可以根据需求进行雷达信号的发出，提高雷达探测过程中的使用灵活度。主控电路板还可以设置有外部通信接口或者无线通信设备与外部的控制装置相连接，这样可以接收到外部控制信号以及控制指令，可以根据外部提供的控制指令进行相应的工作。其中外部控制指令可以由电脑、智能手机等设备发出，可以通过有线或者无线形式发送控制信号。

在本实用新型实施例中，可选的，所述光纤激光器设置于激光探测雷达的底部。由于激光探测雷达的体积越小越轻便，而光纤激光器工作原理较为复杂，体积较大，本实用新型虽然已经对其体积进行了一定的限缩，为了满足光纤激光器自身工作的需求，将其设置在激光探测雷达的底部最为适宜。这样设置有利于激光雷达的安装和使用过程中的稳定性。

在本实用新型实施例中，可选的，所述光纤激光器的下方配置有散热片，用于为所述光纤激光器散热。由于光纤激光器功率较高，为了能够使其正常的工作，发出的光脉冲探测信号不受自身的温度的干扰，可以在光纤激光器的下方，也就是激光探测雷达的最底部设置散热片，这样设置的好处是可以便于光纤激光器的散热，并且散热片的安装简单，有利于和外界的热量交换。

在本实用新型实施例中，可选的，所述激光探测雷达的总高度为210mm，所述激光探测雷达的外径为130mm。为了提高激光探测雷达的使用和安装过程中的灵活性，可以尽量小的设置所述激光探测雷达的体积，这样设置不仅便于携带和安装，同时在雷达工作过程中，由于其体积较小，收到的风荷载以及其他外界荷载比较小，可以有效避免类似于来自风荷载所带来的探测方向发生偏差等问题，间接的提高雷达探测信号的准确性。

在本实用新型实施例中，可选的，所述光纤激光器的外径为130mm，所述光纤激光器的高度为40mm。在本实用新型实施例中，光纤激光器的外径和激光探测雷达的外径一致，这样设置可以提高光纤激光器的拆装过程的灵活度，并且可以将光纤激光器的自身设置在一个近似于圆柱体当中，只有其发光器件对应于发射光学组件，便于激光探测雷达的维护和修理。

在本实用新型实施例中，可选的，所述发射光学组件包括发射光学透镜，所述发射透镜口径为20mm，总长为35mm，用于对所述光纤激光器发射的光脉冲探测信号进行准直，得到平行光束作为发射探测信号。其中，发射光学透镜可以是由一个或者多个球面镜组成，其设置的目的在于对发射的光脉冲探测信号进行准直，以保证信号发送和接收过程对探测目标判断的有效性。

在本实用新型实施例中，可选的，还包括：角度细分器，用于在所述光栅码盘的最小分辨角度上进行细分，配合所述光纤激光器确定光脉冲探测信号的探测方向。角度细分器可以是对光栅码盘的最小分辨角度在进行细分，具体细分的方式可以是采用软件和/或硬件的方式，角度细分之后，最小分辨角度为 0.001°，可以在光纤激光器每秒钟发出的光脉冲探测信号数量相匹配，这样就可以达到每个光脉冲探测信号的发出方向都能够被准确记录的效果。

在本实用新型实施例中，可选的，还包括：现场可编程门阵列芯片，用于同步触发所述光纤激光器，并根据接收到所述回波信号的时间确定所述探测信号的传播时间。一般情况下，现场可编程门阵列芯片外触发光纤激光器，触发光纤激光器会出现触发延时，若出现触发延时时间不稳定，将影响激光飞行时间计算不准确，但本实用新型将高精度时间数字转换器电路直接写入现场可编程门阵列芯片程序中将不会出现此现象，能够确定光脉冲探测信号真实发出的时刻。

在本实用新型实施例中，可选的，所述主控电路板还包括无线通信模块，用于与所述信号接收电路板进行无线通信。这样设置的好处是可以优化激光探测雷达的内部链接关系，减少内部链接线路，对于激光探测雷达的精简化设计提供便利。

在本实用新型实施例中，可选的，还包括电源接口，用于与电源连接，为激光探测雷达工作提供能源。

本实施例具有与上述实施例相同的有益效果。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于相位测距法的激光探测雷达光学系统，其特征在于，包括：发射光学组件和接收光学组件，其中，

所述发射光学组件与发射光源的光脉冲信号发出位置相对应，包括至少一个球面透镜，用于对所述光脉冲信号进行准直，得到平行光束作为探测信号；

所述接收光学组件与激光探测器相对应，包括至少一个球面透镜和至少一个滤光片，用于将接收到的回波信号汇聚到激光探测器上；其中，所述滤光片用于对接收到的回波信号进行过滤；

所述激光探测器还用于接收参考光源的内光路脉冲信号，其中所述发射光源与所述参考光源产生等脉冲、等频率的脉冲信号；所述激光探测雷达采用相位测距法确定探测目标的距离。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：共轴系统或离轴系统。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统包括离轴系统时，所述接收光学组件还包括：

小透镜，所述小透镜位于所述接收光学组件靠近所述发射光学组件一侧，用于获取探测目标距离在0-50cm内的回波信号。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述小透镜为一片横截面为斜边为曲边的直角三角形，长直角边为5.7412mm，短直角边为2.0228mm，其中长直角边与所述接收光学组件的出射面贴合；

所述曲边由直线和曲线半径为2.4181mm的弧线组成，所述弧线与短直角边一侧相连；

所述曲边的直线与长直角边的夹角为7.451°，所述曲边与长直角边接触处的厚度为0.1049mm。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述小透镜的折射率为1.491。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光学系统，其特征在于，所述接收光学组件包括一个接收球面镜，所述接收球面镜的折射率为1.491；

所述接收球面镜的入射面与出射面的中心厚度为4.84mm，轮廓外径为18.1mm。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述接收球面镜的出射面设置有环形凹槽，所述环形凹槽的内径为16.4mm，外径为18.1mm；

所述环形凹槽的厚度为0.79mm；

所述环形凹槽用于对所述接收球面镜进行安装。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述发射光学组件包括发射球面镜，所述球面镜的折射率为1.531。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述发射球面镜的入射面和出射面为凸面，入射凸面半径为21.9mm；出射凸面半径为9.3mm。

10.据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述发射球面镜的边界厚度为1.8mm，外径为5.1mm。