CN211741575U

CN211741575U - 基于光同步的高维探测装置

Info

Publication number: CN211741575U
Application number: CN202020123847.XU
Authority: CN
Inventors: 王高; 陈辉; 袁园
Original assignee: Chengdu Zhongbo Technology Co ltd
Current assignee: Chengdu Zhongbo Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2030-01-20

Abstract

本实用新型涉及激光雷达技术领域，公开了一种基于光同步的高维探测装置，包括：一个或多个激光器、光束偏折器、分束器、待成像物体、感光器件、探测器和光强调制器，所述一个或多个激光器发出一束或多束出射激光同时入射到光束偏折器上，分束器将偏折后的光束分成探测光束和成像光束，探测光束扫描所述待成像物体，所述探测器探测从待成像物体反射回来的光强，探测器输出光强信号至光强调制器，光强调制器调制成像光束对应激光器发出的出射激光的光强，成像光束扫描感光器件。本实用新型的基于光同步的高维探测装置结构简单，在激光雷达技术中探测速度快、探测距离较远、分辨率高、实时性好以及成本低。

Description

基于光同步的高维探测装置

技术领域

本实用新型涉及X光成像探测技术领域，特别涉及一种基于光同步的高维探测装置。

背景技术

激光雷达Lidar(Light Detection and Ranging)，是以发射激光束探测目标的位置、距离、速度等特征量的主动成像系统。其工作原理是向目标发射探测激光束，然后将接收到的从目标反射回来的信号(目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，从而获取待测物体距离、方位、高度、速度、姿态以及灰度(即成像)信息，因此其同时具有测距和成像的功能，被称为激光雷达。激光雷达相比其他的测距方式(包括传统微波雷达、毫米波雷达等)具有测距精度高、空间分辨率精细以及探测跨度大等优势，因此被广泛应用于各个领域，比如资源勘探、城市规划、农业开发、水利工程、土地利用、环境监测、交通通讯、防震减灾等，为国民经济、社会发展和科学研究提供了极为重要的工具与方法。近年来，随着无人驾驶的发展，激光雷达愈来愈收到关注。

激光雷达按工作方式可分为脉冲激光雷达和连续波激光雷达，根据探测技术的不同，可以分为：直接探测型激光雷达和相干探测型激光雷达。从技术原理来看，激光雷达的类型主要有两种：旋转式激光雷达、固态激光雷达。

从光的投射方式上，激光雷达分为泛光型和扫描型。泛光型(Flash LiDAR)采用面阵光照明目标，具有较好的稳定性和较低的成本，但是其需要一个高灵敏高速的面阵探测器，通常采用APD阵列，因此其成本很高，同时其结构限制了其探测距离十分有限，且分辨率较低(阵元个数少)。在远距离探测上，应用较为广泛的是扫描式激光雷达，从技术原理来看，扫描式激光雷达的类型主要有两种：旋转式激光雷达(多线束)、固态激光雷达(单线束)。旋转式激光雷达采用多束激光竖列而排，绕轴旋转扫描周围场景，每一束激光扫描一个平面。多线束激光雷达一般分为16线、32线、64线，其分辨率直接决定了其线束的多少。多束激光同时扫描物体，需要采用微型传感器阵列采集从不同方向反射回来的激光。随着线数的增加，不但其原料成本线性攀升，其装配成本更是呈指数上升，因此价格也呈指数型攀升；另一方面，由于微型传感器阵列每个阵元只接收一个较窄视场角的回光，收光效率低，导致了可探测距离缩短。传统的单线束激光雷达需要解决两个问题，扫描速度和实时获知扫描角度的能力。随着技术的发展，目前扫描速度可通过光学相控阵等方式解决，因此催生了固态激光雷达。但是需要实时的精确的获知扫描的角度的要求反过来限制了其扫描速度或其分辨率，因为随着分辨率的提高(阵元个数增多)，要求获知扫描角度的速度也升高，对现有的技术是个挑战，因此通常采用降低成像速度或降低分辨率绕开这个问题。因此，传统的单线激光雷达难于应用到需要高速探测的场景，比如：对响应速度有高要求的自动驾驶。此外，现有的激光雷达都需要对采集下来的数据先进行计算才能得到目标物体的信息，通常计算量大，甚至需要云计算，因此实时性较差。因此，现有的激光雷达在探测速度、探测距离、分辨率、实时性以及成本上存在鱼与熊掌不可兼得的困境。目前在中远距离(几米至几百米)的应用上，尚未有一款产品真正实现实时高分辨率的探测与成像。

实用新型内容

本实用新型提出一种基于光同步的高维探测装置，解决现有激光雷达技术中在探测速度、探测距离、分辨率、实时性以及成本上无法同时满足的问题。

本实用新型的一种基于光同步的高维探测装置，包括：一个或多个激光器、光束偏折器、分束器、待成像物体、感光器件、探测器和光强调制器，所述一个或多个激光器发出一束或多束出射激光同时入射到光束偏折器上，分束器将偏折后的光束分成探测光束和成像光束，探测光束扫描所述待成像物体，所述探测器探测从待成像物体反射回来的光强，探测器输出光强信号至光强调制器，光强调制器调制成像光束对应激光器发出的出射激光的光强，成像光束扫描感光器件。

其中，所述激光器包括：第一激光器和第二激光器，所述第一激光器和第二激光器分别发出第一出射激光和第二出射激光至所述光束偏折器，所述分束器将偏折后的第一出射激光和第二出射激光分开，第一出射激光为所述探测光束，第二出射激光为所述成像光束。

其中，还包括：合束器，所述合束器将第一出射激光和第二出射激合成一束射向所述光束偏折器的激光。

其中，所述激光器发出的单束出射激光至所述光束偏折器，采用分束器将偏折后的单束出射激光分成所述探测光束和成像光束。

其中，所述激光器包括：第一激光器、第二激光器和第三激光器，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至所述光束偏折器，

所述分束器包括：第一分束器和第二分束器，所述感光器件包括：第一感光器件和第二感光器件，第一分束器将偏折后的第一出射激光和第三出射激光透射至第二分束器，将偏折后的第二出射激光折射或反射成第一成像光束，并扫描所述第一感光器件；所述第二分束器将偏折后的第三出射激光折射或反射成第二成像光束，并扫描所述第二感光器件，将第一出射激光透射为所述探测光束。

所述分束器包括：第一分束器和第二分束器，所述感光器件包括：第一感光器件和第二感光器件，所述第一分束器将偏折后的第一出射激光透射为所述探测光束，将偏折后的第二出射激光和第三出射激光分别折射或反射至第二分束器；所述第二分束器将偏折后的第二出射激光透射为第一成像光束，并扫描第一感光器件，将偏折后的第三出射激光折射或反射为第二成像光束，并扫描第二感光器件。

其中，所述激光器包括：第一激光器、第二激光器和第三激光器，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至所述光束偏折器，所述感光器件为可区分第二出射激光和第三出射激光的感光器件，所述分束器将偏折后的第一出射激光透射为所述探测光束，将偏折后的第二出射激光和第三出射激光分别折射或反射至所述感光器件。

本实用新型的基于光同步的高维探测装置结构简单，在激光雷达技术中探测速度快、探测距离较远、分辨率高、实时性好以及成本低，能够满足实际需求。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的实施例一中基于光同步的高维探测装置结构示意图；

图2为本实用新型的实施例二中基于光同步的高维探测装置结构示意图；

图3为本实用新型的实施例三中基于光同步的高维探测装置结构示意图；

图4为本实用新型的实施例四中基于光同步的高维探测装置结构示意图；

图5为本实用新型的实施例五中基于光同步的高维探测装置结构示意图；

图6为本实用新型的实施例六中基于光同步的高维探测装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的基于光同步的高维探测装置包括：一个或多个激光器、光束偏折器、分束器、待成像物体、感光器件、探测器和光强调制器，所述一个或多个激光器发出一束或多束出射激光同时入射到光束偏折器上，分束器将偏折后的光束分成探测光束和成像光束，探测光束扫描所述待成像物体，所述探测器探测从待成像物体反射回来的光强，探测器输出光强信号至光强调制器，光强调制器调制成像光束对应激光器发出的出射激光的光强，成像光束扫描感光器件。

1)偏折器可以以任意方式进行高速扫描，解决了传统成像方式中需要实时准确的获知扫描角度的问题，因此可以实现高速成像甚至超高速成像。

2)探测器只需尽可能的收集回波的光强，无需对探测角度进行限制，因此可以采用较大面积的探测器或者多个探测器同时探测，可以极大的提高探测效率，从而极大的拓宽了探测距离。

3)由于探测光束和成像光束的偏折角度变化实时同步，无需实时的获知偏折角度，且被实时调制的成像光束实时的显示出物体的灰度或距离信息，能够实现中远距离实时高分辨率(超过128线)的探测。只要偏折器扫描角度足够大、扫描速率足够快，且调制的速率足够快，成像光束可以实现高分辨率的探测，可以实现更高分辨率的探测。具体地，偏折器的扫描可在大于60°的扫描角度范围实施120Hz帧频的两维全幅扫描，光强的调制速率可超过1GHz，因此可实现实时帧频率为120Hz且分辨率可超过1000×1000线的探测。

4)本实施例所涉及的器件简单低廉，成像方式简单易于操作，因此实现的成本较低。

本实施例的基于光同步的高维探测装置在激光雷达技术中探测速度快、探测距离较远、分辨率高、实时性好以及成本低，能够满足实际需求。

下面通过具体实施例来说明本实用新型的基于光同步的高维探测装置。

实施例一

如图1所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置包括：第一激光器1、第二激光器2、光束偏折器4、分束器5、待成像物体7、感光器件6、探测器8和光强调制器9。

第一激光器1和第二激光器2分别发出第一出射激光和第二出射激光至光束偏折器4，分束器5将偏折后的第一出射激光和第二出射激光分开，第一出射激光为探测光束I，第二出射激光为成像光束II。探测光束I用于扫描待成像物体7，成像光束II用于扫描感光器件6，探测器8探测从待成像物体7反射回来的光强，探测器8输出光强信号至光强调制器9，光强调制器9调制成像光束II对应激光器发出的出射激光的光强。光强调制器9内部可以采用任意形式的调制电路，例如：基于MOS管的激光二极管调制电路，或者基于三极管的激光二极管调制电路。

实施例二

如图2所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置相对于实施例一的区别在于，还包括：合束器12，合束器12将第一出射激光和第二出射激合成一束射向所述光束偏折器4的激光，其余结构和实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三

如图3所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置包括：激光器1、光束偏折器3、分束器5、待成像物体7、感光器件6、探测器8和光强调制器9。

激光器发出的单束出射激光至光束偏折器4，采用分束器5将偏折后的单束出射激光分成探测光束I和成像光束II。探测光束I扫描待成像物体7，成像光束II扫描感光器件6，探测器8探测从待成像物体7反射回来的光强，探测器8输出光强信号至光强调制器9，光强调制器9调制成像光束II对应的激光器1发出的出射激光的光强。光强调制器9内部可以采用任意形式的调制电路，例如：基于MOS管的激光二极管调制电路，或者基于三极管的激光二极管调制电路。

实施例四

如图4所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、光束偏折器4、第一分束器5、第二分束器10、待成像物体7、第一感光器件6、第二感光器件11、探测器8和光强调制器9。

第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至光束偏折器4。第一分束器5将偏折后的第一出射激光和第三出射激光透射至第二分束器10，第一分束器5将偏折后的第二出射激光折射或反射成第一成像光束II，并扫描所述第一感光器件6；第二分束器10将偏折后的第三出射激光折射或反射成第二成像光束III，并扫描第二感光器件11，将第一出射激光透射为探测光束I，探测光束I扫描待成像物体7。探测器8探测从待成像物体7反射回来的光强，探测器8输出光强信号至光强调制器9，光强调制器9调制成像光束II和III对应激光器发出的出射激光的光强。光强调制器9内部可以采用任意形式的调制电路，例如：基于MOS管的激光二极管调制电路，或者基于三极管的激光二极管调制电路，第二出射激光和第三出射激光为不同波长或不同偏振方向的激光。

实施例五

如图5所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、光束偏折器4、第一分束器5、第二分束器10、待成像物体7、第一感光器件6、第二感光器件11、探测器8和光强调制器9。

第一分束器5将偏折后的第一出射激光透射为探测光束I，第一分束器5将偏折后的第二出射激光和第三出射激光分别折射或反射至第二分束器10；第二分束器10将偏折后的第二出射激光透射为第一成像光束II，并扫描第一感光器件6，将偏折后的第三出射激光折射或反射为第二成像光束III，并扫描第二感光器件11。探测光束I扫描待成像物体7，探测器8探测从待成像物体7反射回来的光强，探测器8输出光强信号至光强调制器9，光强调制器9调制成像光束II和III对应激光器发出的出射激光的光强。光强调制器9内部可以采用任意形式的调制电路，例如：基于MOS管的激光二极管调制电路，或者基于三极管的激光二极管调制电路，第二出射激光和第三出射激光为不同波长或不同偏振方向的激光。

本实施例中，第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3可以直接发射激光至光束偏折器4，也可以通过合束器合成一束后发射至光束偏折器4。

实施例六

如图6所示，本实施例的基于光同步的高维探测装置包括：第一激光器1、第二激光器2、第三激光器3、光束偏折器4、分束器5、待成像物体7、感光器件6、探测器8和光强调制器9。

第一激光器1、第二激光器2和第三激光器3，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至光束偏折器4，感光器件6为可区分第二出射激光和第三出射激光的感光器件，譬如：第二出射激光和第三出射激光为不同色激光，即波长不同，感光器件是可区分这两种颜色的彩色CCD。分束器5将偏折后的第一出射激光透射为探测光束I，分束器5将偏折后的第二出射激光和第三出射激光分别折射或反射成第一成像光束II和第二成像光束III至感光器件6。探测器8输出光强信号至光强调制器9，光强调制器9调制成像光束II和III对应激光器发出的出射激光的光强。光强调制器9内部可以采用任意形式的调制电路，例如：基于MOS管的激光二极管调制电路，或者基于三极管的激光二极管调制电路，第二出射激光和第三出射激光为不同波长或不同偏振方向的激光。

上述有多个激光器的实施例中，多个激光器和直接将出射激光发射至光束偏折器4，也可以通过合束器成一束后发射至光束偏折器4，例如：实施例二、实施例五和实施例六。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、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

1.一种基于光同步的高维探测装置，其特征在于，包括：一个或多个激光器、光束偏折器、分束器、待成像物体、感光器件、探测器和光强调制器，所述一个或多个激光器发出一束或多束出射激光同时入射到光束偏折器上，分束器将偏折后的光束分成探测光束和成像光束，探测光束扫描所述待成像物体，所述探测器探测从待成像物体反射回来的光强，探测器输出光强信号至光强调制器，光强调制器调制成像光束对应激光器发出的出射激光的光强，成像光束扫描感光器件。

2.如权利要求1所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，所述激光器包括：第一激光器和第二激光器，所述第一激光器和第二激光器分别发出第一出射激光和第二出射激光至所述光束偏折器，所述分束器将偏折后的第一出射激光和第二出射激光分开，第一出射激光为所述探测光束，第二出射激光为所述成像光束。

3.如权利要求2所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，还包括：合束器，所述合束器将第一出射激光和第二出射激合成一束射向所述光束偏折器的激光。

4.如权利要求1所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，所述激光器发出的单束出射激光至所述光束偏折器，采用分束器将偏折后的单束出射激光分成所述探测光束和成像光束。

5.如权利要求1所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，所述激光器包括：第一激光器、第二激光器和第三激光器，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至所述光束偏折器，

6.如权利要求1所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，所述激光器包括：第一激光器、第二激光器和第三激光器，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至所述光束偏折器，

7.如权利要求1所述的基于光同步的高维探测装置，其特征在于，所述激光器包括：第一激光器、第二激光器和第三激光器，分别发出第一出射激光、第二出射激光和第三出射激光至所述光束偏折器，所述感光器件为可区分第二出射激光和第三出射激光的感光器件，所述分束器将偏折后的第一出射激光透射为所述探测光束，将偏折后的第二出射激光和第三出射激光分别折射或反射至所述感光器件。