CN209280920U - 一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置及激光雷达，该装置包括：接收光学镜组、光纤耦合单元、光纤、光电转换单元、主控单元；光学镜组置于装置最前端，光纤耦合单元与光学镜组共轴放置，且处于其焦平面位置，用于将光学镜组接收到的信号光耦合进后端光纤；另外，基于光纤耦合的激光雷达接收装置，由于能量转换效率较低，其光电转换单元采用工作在盖革模式的雪崩光电二极管阵列(光电倍增管)，用于响应微弱光信号。本实用新型利用大数值孔径的光纤耦合同盖革APD结合使用的方式，能够实现激光雷达无需大面阵APD也能达到大视场接收。

Description

一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置及激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达领域，具体涉及一种用于激光雷达接收装置及激光雷达。

背景技术

激光雷达已经广泛应用在航空航天、军事对抗、遥感测绘、气象及灾害预警等诸多领域，尤其是近年来在辅助驾驶、无人驾驶等领域对车载激光雷达的性能需求显著增大，这带动着车载激光雷达将进一步朝着高分辨率、高精度、长探测距离、小型化、低功耗的方向发展。但随着探测距离的增大，回波信号将强度会迅速下降，直接探测条件下，线性工作的APD接收到信号的信噪比较低，难以满足一些计时方式对信号质量的需求；同时，传统的接收光学系统将探测器直接置于光学镜组焦平面处，因此较大的扫描视场角需要匹配尺寸较大的APD阵列，但大面阵APD价格昂贵且存在探测盲区，这在多方面对雷达的性能提升带来了限制。

采用光纤耦合APD的形式可以避免大面阵APD的使用，但针对大视场的光纤耦合，其边缘视场耦合效率极低，常规的APD难以探测到边缘视场的能量，因此限制了光纤耦合在激光雷达接收系统中的进一步应用。

另一方面，由于工作在盖革模式的APD具有极高的光子响应度，其灵敏度能够达到几十个光子量级，可在此基础上寻求新的系统方案。本实用新型以盖革模式APD的应用为前提，提出了更为适用的接收装置，实现大视场接收。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种针对远距离极微弱光信号的接收装置及结构，能够克服目前系统不足，提高雷达系统的测距能力、降低系统控制复杂度。

本实用新型其技术问题通过以下技术方案实现：

一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其构成包括：光学镜组、光耦合单元、光纤、光电转换单元、主控单元。整套装置的基本工作流程是将来自目标反射的信号光能量会聚、传导至光电探测单元，并转换成电信号输出，供主控对信号时间等信息的提取和分析。

具体的，所述接收光学镜组，用于会聚目标物反射的信号光能量。

具体的，所述光耦合单元位于光学镜组后端，且与所述光学镜组共轴放置，用于将经所述光学镜组会聚后的光束进一步耦合进光纤，即对空间光进行光纤耦合。

具体的，所述光纤与所述光纤耦合器连接，并作为其后级光路，作为光束传输的波导。

具体的，所述光电转换单元与所述光纤的另一端相连接，用于响应信号光，并对其进行信号处理后输出信号。

具体的，所述主控单元，用于对光电转换单元输出的信号进行采集和处理。

进一步的，装置中所述光纤类型为数值孔径>0.11的多模光纤，以保证较高的能量耦合效率。

进一步的，光电转换单元中的光电转换器件类型为工作在盖革模式的APD阵列，光电转换单元前端放置窄带滤光片，具体位于APD光敏面和光纤端面之间，用于有效地滤掉杂散光，只允许信号光中心波长附近极窄范围波长的光能量被探测器接收。

进一步的，装置中光耦合单元、光电转换单元均采用光纤耦合形式，耦合光纤规格为数值孔径>0.11的多模光纤，且具有标准类型的光纤接口，如FC/PC、FC/APC等。也就是说，装置通过光纤接口连接，实现了模块化。

本实用新型的优点和有益效果为：

1.利用大数值孔径多模光纤，实现了大视场的能量接收。

2.区别于复杂、昂贵的大面阵APD方案，本实用新型通过盖革模式APD与光纤结合的形式，探测器仅采用单个APD或较小的APD阵列即可。

3.得益于盖革模式APD极高的光子响应度，该装置不需要追求较高的光纤耦合效率，克服了边缘视场耦合效率极低造成的探测难题。

4.将窄带滤光片通过特定封装工艺整合进探测器光敏面前端，能够提高杂散光滤除效率，大幅降低探测器响应的误判几率。

5.本装置采用光纤耦合的封闭光路，极大降低了光路调节复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本实用新型一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置结构框图；

图2为本实用新型一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置单元实例示意图；

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本实用新型实施例做进一步详细说明。在此，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但并不作为对本实用新型的限定。

图1示出了本实用新型实施例提供的激光雷达接收装置的结构示意图，如图1所示，本实施例的一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，包括：光学镜组101、光纤耦合单元102、光纤103、光电转换单元104和主控单元105。

光学镜组101，包括特定结构的一片或多片光学透镜组成的光学镜组，用于会聚来自目标物体反射的光信号，本行业人员可通过对光学镜组进行设计和优化，以提高光学镜组101对信号光的收集能力。

光纤耦合单元102，位于光学镜组101后端，且与光学镜组101共轴放置，包络一级或多级光纤准直耦合镜组、光纤尾纤。通过光纤准直耦合镜组，将经过光学镜组101变换后的光束耦合进入光纤中。本行业人员可容易想到对光纤耦合单元102和光学镜组101进行联合设计及优化。

光电转换单元104包括工作在盖革模式下的APD阵列、放大模块、比较器模块，用于将光信号转换为电信号并输出。需要注意的是，在电转换单元104前端放置窄带滤光片，用于来滤除多余杂散光，降低干扰。

光纤103用于连接光纤耦合单元102和光电转换单元104，本行业人员可轻易想到根据系统参数选用合适的光纤规格。

主控单元105，用于对光电转换单元104输出的数字信号进行采集和处理。

图2示出了本实用新型实施例提供的一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置的单元实例图。接收光学镜组201在本实施例中采用单片透镜的形式。光耦合单元202采用单透镜208及光纤准直耦合器209组合的形式。值得注意的是，本行业人员可以轻易想到在光耦合单元202和光电转换单元206之间插入一个光衰减单元204，以防止光强过大造成的探测器的过渡饱和甚至损伤。光衰减单元一端通过第一光纤203与光耦合单元202连接，另一端通过第二光纤205同光电转换单元206连接，本行业人员可以很容易想到选用一个波长匹配的光纤衰减器来实现光衰减单元204的功能。光纤203、205选用数值孔径>0.11的多模光纤，以保证足够的光纤耦合效率。光电转换单元206采用一个光纤耦合的APD，其外壳是一个不锈钢套管，用于将光纤有效耦合到APD 210，光纤包裹在一个护套和橡胶管中，减轻了光纤的弯曲应力，同时在光纤端面和APD光面之间放置了窄带滤光片211。本行业人员可以轻易想到光电转换单元中APD后端的放大模块采用一个跨阻放大器实现、比较模块采用一个比较器实现；主控单元207在本实施例中采用一个FPGA实现对数据的分析、处理。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其特征在于，包括：

接收光学镜组，用于会聚目标物反射的信号光能量；

光纤耦合单元，位于光学镜组后端，且与所述光学镜组共轴放置，用于将经所述光学镜组会聚后的光束进一步耦合进光纤；

光纤，其一端与所述光纤耦合单元连接，并作为其后级光路，作为光束传输的波导；

光纤耦合的光电转换单元，其与所述光纤的另一端连接，用于响应信号光，并对其进行信号处理后输出信号；

主控单元，用于对光电转换单元输出的信号进行采集和处理。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其特征在于，所述光纤为数值孔径>0.11的多模光纤。

3.根据权利要求1所述一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其特征在于，所述光电转换单元的封装形式为光纤耦合的光电探测器，光电探测器类型为工作在盖革模式的雪崩光电二极管阵列。

4.根据权利要求3所述一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其特征在于，所述光纤耦合的光电探测器所用耦合光纤规格为数值孔径>0.11的多模光纤。

5.根据权利要求3所述一种基于光纤耦合的激光雷达接收装置，其特征在于，所述光纤耦合的光电探测器的耦合结构中，耦合光纤输出端面和探测器光敏面之间装有窄带滤光片。

6.一种激光雷达，其特征在于，包括权利要求1-5任意一项所述的激光雷达接收装置。