CN208255404U - 基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，涉及焦平面接收系统技术领域，其包括有窄带滤光片、接收光学系统、设置在接收光学系统焦平面位置上的二维光纤阵列端面、设置在二维光纤阵列端面其出射端面一侧的光纤连接头、连接在光纤连接头和二维光纤阵列端面之间的光纤、起始信号光源、用于传输起始信号激光的起始光纤连接头、设置在起始信号光源和起始光纤连接头之间的光纤、微透镜、分别进入接收起始信号的第一光电探测器和接收停止信号的第二光电探测器；该焦平面接收系统采用点阵照明方式替代泛光照明方式后，可以在实现大范围快速探测的同时保持激光照射光斑小的特点，能够满足远距离测距、快速测距和精确测距的要求。

Description

基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统

技术领域

本实用新型涉及焦平面接收系统技术领域，具体涉及一种应用于激光雷达的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统。

背景技术

激光雷达广泛应用于测绘、遥感、飞机避障、导弹制导等领域，在自动驾驶汽车方面潜力巨大。目前的激光雷达有多种照明系统，最常见的激光雷达是机械扫描式，采用飞行时间测距原理，属于直接测距。在机械扫描式的激光雷达中，采用窄视场激光测距机构，配备扫描装置，使得扫描范围覆盖目标待测部位，就可以得到目标待测部位上各点的距离，从而获得目标的距离图像。机械扫描式的激光雷达中，激光发散角和接收机视场都很小，激光光斑能量集中，因此可以远距离应用，但受扫描频率的限制，成像速度慢。为了适应汽车等高速运动物体上的距离图像获取，人们采用激光器线阵照明，探测器线阵与激光器线阵精密对准，只需要与线阵垂直方向的一维扫描，就可以获得距离图像，成像速度明显提高，但要实现探测器线阵与激光器线阵精密对准，调节难度大，目前这种原理的车载激光雷达虽然率先实现了量产，但受人工调节的限制，产量仍很低。人们尝试用微机电系统技术中的扫描微镜来代替机械扫描镜，可以获得更高扫描频率，但扫描角度范围小，且技术并不成熟。

人们为此还发展了各种间接测距方法，如光学相控阵激光雷达、激光强度调制成像激光雷达、基于偏振调制的成像激光雷达、基于调频连续波的成像激光雷达、基于距离选通技术的成像激光雷达等，这些方法成像空间分辨高，但普遍成像速度慢，测距结果受算法解析或系统复杂的影响。

正在发展中的非扫描激光雷达中没有扫描装置，抗恶劣环境性能更强，属于固态激光雷达中的一种，它通常采用泛光照明方式，将激光束扩束后照射整个视野，形成连续的照明空间，探测器二维阵列接收激光回波，成像速度更快，但由于泛光照明时激光能量大大降低，测距范围明显降低。也有人采用衍射光学元件将一个激光器的能量变为点阵的形式后照射视野，兼具大视野和激光光斑能量高的特点，但衍射光学元件性能要求高，制作复杂，价格昂贵。2017年西南技术物理研究所陈德章等人利用国内最新试制的32×32阵列的雪崩光电二极管探测器完成了应用于成像激光雷达的试验，但与国外128×128阵列探测器相比，差距仍很大。

此外，人们很早就有了用光纤耦合探测器阵列的办法来代替技术不成熟且价格昂贵的探测器阵列的想法，但一直未能很好实现。2003年日本防卫厅科技研究院就进行了用35×35光纤阵列与5×5探测器阵列进行配合的试验，结果发现移动光阑带来了很多问题。中国科学院上海技术物理所郭颖等人在2010年进行了基于光纤束阵列和分离探测器组成3×3阵列探测器的成像激光雷达试验，发现采用光纤束后泛光照明时能量损失严重，且对光纤束的制作精度要求很高。哈尔滨工业大学靳辰飞等人在2012年设计了光纤阵列成像激光雷达，硕士研究生王野等人对此进行了试验，但受光纤阵列制作精度的影响，在其内部报告中指出实验中发现了许多问题，实验结果未在正式刊物上发表。桂林理工大学周国清等人在2015年也完成了类似试验，组成了5×5阵列探测器，但光纤与光纤之间的距离为1毫米，远大于雪崩光电二极管探测器阵列中探测器单元之间的距离0.2毫米。以上试验均为原理试验，阵列数不大，且都发现光纤阵列排列精度不够高时测距结果不理想。

目前在自动驾驶汽车等应用领域，由于目标物在视野内的快速移动，不仅要求激光雷达测距范围大，而且同时要求成像速度快、成像空间分辨高。上述方法在实际应用中各有侧重，但在满足自动驾驶等应用的要求上存在缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，该焦平面接收系统采用高精度二维光纤阵列，光纤阵列精密排列端面位于接收光学系统的焦平面，光纤连接头与探测器相耦合，采用点阵照明方式替代泛光照明方式后，可以在实现大范围快速探测的同时保持激光照射光斑小的特点，能够满足远距离测距、快速测距和精确测距的要求。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，包括有窄带滤光片、接收光学系统、设置在所述接收光学系统焦平面位置上的二维光纤阵列端面、设置在所述二维光纤阵列端面其出射端面一侧的光纤连接头、连接在所述光纤连接头和二维光纤阵列端面之间的光纤、起始信号光源、用于传输起始信号激光的起始光纤连接头、设置在所述起始信号光源和起始光纤连接头之间的光纤、微透镜、分别进入接收起始信号的第一光电探测器和接收停止信号的第二光电探测器、用于给所述第一光电探测器和第二光电探测器提供偏置电压的探测器电源、分别依次用于对所述第一光电探测器和第二光电探测器中的信号进行处理的放大电路、时间鉴别电路和时间数字转换电路，其中产生于目标物上的激光光斑反射形成的反射激光束通过所述窄带滤光片进入到所述接收光学系统中并产生汇聚激光束，所述汇聚激光束入射到位于所述二维光纤阵列端面中光纤的光纤纤芯内。

进一步，所述二维阵列端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤，其中M与N都为≥1的自然整数。

进一步，所述接收光学系统由一个或几个透镜形成的透镜组构成。

进一步，所述微透镜为用于将来自所述光纤的信号耦合至所述第一光电探测器和第二光电探测器中的微细透镜结构。

进一步，所述第一光电探测器和第二光电探测器为采用雪崩光电二极管探测器或P型-本征-N型半导体构成的二极管探测器中的一种。

与现有技术相比，即与现有的其它方式的探测器接收系统相比，本方案具有的有益技术效果为：

1、本方案中的焦平面接收系统采用排列精度高达微米量级的二维光纤阵列后，光纤耦合探测器阵列比作为整体的探测器阵列器件工艺成熟，工作的稳定性、可靠性高，且系统的可扩充性强，容易升级，例如由32×32阵列变为128×128阵列；

2、利用光纤的柔软变形性能，容易实现激光接收系统与电子学系统的隔离，便于操控，例如接收系统尺寸小，在汽车内安放的限制因素小，可以安放在更适当的位置，电子学系统也可以安放在汽车内部，控温、减振等功能更容易实现；

3、在采用激光点阵照明的条件下，激光光斑功率大，系统探测距离大；

4、在采用足够数量的光纤组成阵列时，可以进行闪光成像，无需扫描，成型速度快，图像空间分辨率高；

5、采用的为发行时间测距方法，属于直接测距，测距精度高，抗干扰能力强。

附图说明

图1为本实施例中的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统的结构示意图。

图中的附图标记说明：

1-目标物，2-激光光斑，3-反射激光束，4-窄带滤光片，5-接收光学系统，6-激光束，7-二维光纤阵列端面，8-光纤纤芯，9-光纤，10-光纤连接头，11-起始信号光源，12-起始光纤连接头，13-微透镜，14-第一光电探测器，15-第二光电探测器，16-探测器电源，17-信号放大电路，18-时间鉴别电路，19-时间数字转换电路。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本实用新型做进一步的详细说明。

本方案是针对现有的自动驾驶汽车等应用领域内，由于目标物在视野内的快速移动，要求激光雷达测距范围大同时要求成像速度快的技术要求，然而现有的技术方法不能很好的满足上述要求的前提下，而提出的一种基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，该焦平面接收系统采用高精度二维光纤阵列，光纤阵列精密排列端面位于接收光学系统的焦平面，光纤连接头与探测器相耦合，采用点阵照明方式替代泛光照明方式后，可以在实现大范围快速探测的同时保持激光照射光斑小的特点，能够满足远距离测距、快速测距和精确测距的要求。

参见附图1所示，为本实施例中的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统的结构示意图。本实施例中的焦平面接收系统包括有窄带滤光片4、接收光学系统5、设置在接收光学系统5焦平面位置上的二维光纤阵列端面7、设置在二维光纤阵列端面7其出射端面一侧的光纤连接头10、连接在光纤连接头10和二维光纤阵列端面7之间的光纤9、起始信号光源11、用于传输起始信号激光的起始光纤连接头12、设置在起始信号光源11和起始光纤连接头12之间的光纤9、微透镜13、分别进入接收起始信号的第一光电探测器14和接收停止信号的第二光电探测器15、用于给第一光电探测器14和第二光电探测器15提供偏置电压的探测器电源16、分别依次用于对第一光电探测器14和第二光电探测器15中的信号进行处理的放大电路、时间鉴别电路18和时间数字转换电路19，其中产生于目标物1上的激光光斑2反射形成的反射激光束3通过窄带滤光片4进入到接收光学系统5中并产生汇聚激光束6，汇聚激光束6入射到位于二维光纤阵列端面7中光纤9的光纤纤芯8内。

本实施例中的上述窄带滤光片4为采用现有的光波过滤的光学元件，即为仅让激光波长附近的波长范围的光波通过，而对其余的杂散光波进行过滤的光学元件。上述接收光学系统5为由一个或几个透镜形成的透镜组构成，以便在点阵照明方式下，发射的众多激光束6投射到目标物1上形成激光光斑2，众多激光光斑2的反射光通过透镜组后在其焦平面成像。

二维光纤阵列端面7的入射端面位于接收光学系统5的焦平面上，入射端面在水平方向和竖直方向上分别布置有M和N个周期排列的光纤9，激光光斑2反射形成的激光反射光束在二维光纤阵列端面7的入射端面耦合进入光纤9中，二维光纤阵列端面7的出射端为M×N个独立的光纤连接头10，每个光纤连接头10与第一光电探测器14进行高效耦合。实际制作时，通过采用微细加工技术，在硅片等材料上精密加工M×N个小孔，光纤9稳定地固定在小孔中，构成精密排列的二维光纤阵列。实际中，可以根据设计需要取不同值，M可以等于N，也可以不等于N，其中M与N都为≥1的自然整数。

此外本实施例中的起始信号光源11是激光雷达的激光发射系统中的一路激光，它通过光纤传输后，通过光纤连接头10耦合探测器，进行光电转换，给出系统的起始信号。本实施例中的上述微透镜13为将来自光纤信号最大效率耦合到探测器中的微型透镜结构。

本实施例中的第一光电探测器14和第二光电探测器15可采用雪崩光电二极管或P型-本征-N型半导体构成的光电二极管中的一种，在实际中一般通常采用雪崩光电二极管更常见。下面为叙述方便，以雪崩光电二极管为例进行阐述。雪崩光电二极管可以工作在偏置电压略高于雪崩阈值电压的盖革模式，也可以工作在偏置电压略低于雪崩阈值电压的线性模式。需要说明的是，当采用雪崩光电二极管探测器结构时，探测器电源16是为雪崩光电二极管探测器提供略高于或略低于雪崩阈值电压的偏置电源。

本实施例中的放大电路采用现有的常规放大电路结构，即用于将探测器通过光电转换产生的微弱信号进行放大的电路结构，一般由前置放大器和主放大器两个部分组成，在此就不做过多说明。本实施例中的时间鉴别电路18同样为现有的时间鉴别电路结构，即是将放大后的脉冲信号经过滤波后通过时间鉴别器给出起始信号或停止信号的电路结构。此外，本实施例中的上述时间数字转换电路19是将输入的起始信号与停止信号的时间差测量出来，此即与距离相关的飞行时间，并以数字信号的形式输出的电路。它可以是由专门的时间数字转换芯片配备辅助电路组成，也可以是由现场可编程门阵列FPGA电路组成。它输出的数字信号直接输入到计算机中进行处理，形成人们所想要的距离图像，用适当的形式进行显示，或者送控制系统去控制执行器。

工作时，目标物1被激光照明系统照亮，产生激光光斑2。激光照明系统是激光雷达的另外一个系统，本实施例中并未示出。激光光斑2产生的反射激光束3，通过窄带滤光片4进入到接收光学系统5中，产生汇聚激光束6，在接收光学系统5的焦平面位置入射到二维光纤阵列端面7上的光纤纤芯8内。接收的激光通过光纤9传输，从二维光纤阵列出射端的光纤连接头10出来。来自激光照明系统的起始信号光源11的激光也通过光纤9传输，从传输起始信号激光的起始光纤连接头12出来。从光纤连接头10和起始光纤连接头12出来的激光，经过微透镜13后，分别进入接入起始信号的第一光电探测器14和接收停止信号的第二光电探测器15，探测器电源16分别给第一光电探测器14和第二光电探测器15提供偏置电压，使其正常工作。第一光电探测器14和第二光电探测器15的微弱信号经过信号放大电路17的放大，再经过时间鉴别电路18后成为起始信号和与距离信息相关的停止信号，起始信号和停止信号分别从不同输入端进入时间数字转换电路19，通过运算产生飞行时间，与激光光斑2所在处距离相关的飞行时间以数字信号的形式输出，进入到计算机中进行处理，不同的激光光斑2所在处的距离集合形成人们所想要的距离图像，可以用适当的形式进行显示，或者送控制系统去控制执行器。需要说明的是，计算机等处理系统属于激光雷达的信息处理系统，即可采用现有的激光雷达上的计算机处理系统结构，在本实施中未示出。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其同等技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，其特征在于：包括有窄带滤光片、接收光学系统、设置在所述接收光学系统焦平面位置上的二维光纤阵列端面、设置在所述二维光纤阵列端面其出射端面一侧的光纤连接头、连接在所述光纤连接头和二维光纤阵列端面之间的光纤、起始信号光源、用于传输起始信号激光的起始光纤连接头、设置在所述起始信号光源和起始光纤连接头之间的光纤、微透镜、分别进入接收起始信号的第一光电探测器和接收停止信号的第二光电探测器、用于给所述第一光电探测器和第二光电探测器提供偏置电压的探测器电源、分别依次用于对所述第一光电探测器和第二光电探测器中的信号进行处理的放大电路、时间鉴别电路和时间数字转换电路，其中产生于目标物上的激光光斑反射形成的反射激光束通过所述窄带滤光片进入到所述接收光学系统中并产生汇聚激光束，所述汇聚激光束入射到位于所述二维光纤阵列端面中光纤的光纤纤芯内。

2.根据权利要求1所述的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，其特征在于：所述二维光纤阵列端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤，其中M与N都为≥1的自然整数。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，其特征在于：所述接收光学系统由一个或几个透镜形成的透镜组构成。

4.根据权利要求1或2所述的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统，其特征在于：所述微透镜为用于将来自所述光纤的信号耦合至所述第一光电探测器和第二光电探测器中的微细透镜结构。

5.根据权利要求1或2所述的基于光纤耦合探测器阵列的焦平面接收系统；其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器为采用雪崩光电二极管探测器或P型-本征-N型半导体构成的二极管探测器中的一种。