CN212207680U

CN212207680U - 一种激光雷达系统

Info

Publication number: CN212207680U
Application number: CN202020614137.7U
Authority: CN
Inventors: 程坤
Original assignee: Freetech Intelligent Systems Co Ltd
Current assignee: Freetech Intelligent Systems Co Ltd
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2030-04-22

Abstract

本实用新型涉及一种激光雷达系统，包括：激光发射模块，包括多个激光光源模块，所述激光光源模块为水平腔面发射激光光源模块，所述多个激光光源模块依次相邻；所述激光发射模块用于产生并发射激光光束；分光模块，包括准直透镜和分光透镜，所述准直透镜和所述分光透镜沿所述激光光束的光路依次设置；所述分光透镜用于对所述激光光束进行分光，形成出射光光束和本振光光束；出射光学模块，包括多个折射光学元件，所述折射光学元件与所述激光光源模块一一对应，所述折射光学元件设置于所述出射光光束的光路上；激光探测模块，设置于所述本振光光束的光路与反射光光束的光路的交汇处，所述反射光光束为探测对象对所述出射光光束进行反射得到。

Description

一种激光雷达系统

技术领域

本实用新型涉及雷达技术领域，特别涉及一种激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是向特定方向的目标发射特定波长的激光，通过对从目标反射回来的激光进行解调和信号处理，实现对目标的位置、速度等特征信息探测的系统，目前已被广泛应用于测距系统、目标识别、跟踪、武器制导、大气监测等领域。

按照激光雷达的激光光束控制方法的不同，现有的激光雷达大致可以分为四类。第一类是传统的机械旋转多线激光雷达，主要采用某种机械元件使激光雷达自身或部分组件高速旋转，从而实现对探测空间的特定扫描，这类雷达的优点是设计简单成本低，缺点是扫描精度受到机械精度、振动耦合等影响且使用寿命不长。第二类是相控阵激光雷达，通过改变出射激光的波前而使光束方向运动，从而在一定空间范围内实现光束扫描，是固态激光雷达的一种，系统精度和寿命都大大提高，但缺点是扫描范围有限，扫描速度较低。第三类是利用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)振镜实现光束的空间扫描的激光雷达，也是固态激光雷达的一种，优点是系统简单、功耗低，缺点是受机械部件影响较大，精度较差。第四类是非扫描式的闪光(Flash)型激光雷达，它采用基于脉冲式相位调制的方式进行距离的探测，由于其发射系统没有机械运动，能够快速记录整个视场范围，避免了扫描过程中目标或激光雷达移动带来的各种干扰。

传统的Flash激光雷达系统是基于飞行时间(Time OfFlight，TOF)测距原理的，往往需要较高的激光发射功率，致使系统成本较高。并且Flash激光雷达系统设计时，通常采用柱面镜扩展光束，导致接收时各方向的杂光串扰严重，空间分辨率较低。此外，Flash激光雷达系统的接收端的像素阵列容易受外界环境背景光或杂散信号光的影响，导致像素本身的信噪比较低，测量精度较低。

发明内容

针对现有技术的上述问题，本实用新型的目的在于提供一种激光雷达系统，能够提高系统的抗干扰性能和测量精度。

为了解决上述问题，本实用新型提供一种激光雷达系统，包括：

激光发射模块，包括多个激光光源模块，所述激光光源模块为水平腔面发射激光光源模块，所述多个激光光源模块依次相邻，所述多个激光光源模块的中轴线相交于一点；所述激光发射模块用于产生并发射激光光束；

分光模块，包括准直透镜和分光透镜，所述准直透镜和所述分光透镜沿所述激光光束的光路依次设置；所述分光透镜用于对所述激光光束进行分光，形成出射光光束和本振光光束；

出射光学模块，包括多个折射光学元件，所述折射光学元件与所述激光光源模块一一对应，所述折射光学元件设置于所述出射光光束的光路上；

激光探测模块，设置于所述本振光光束的光路与反射光光束的光路的交汇处，所述反射光光束为探测对象对所述出射光光束进行反射得到。

进一步地，所述多个激光光源模块设置于同一平面内，每个所述激光光源模块对应的探测区域均不重叠。

进一步地，所述激光发射模块还包括调制电路，所述调制电路与所述激光光源模块连接，所述调制电路为线性频率调制电路。

具体地，所述准直透镜为透射式准直透镜，用于准直所述激光光束。

进一步地，所述本振光光束的功率与所述激光光束的功率之间的比值小于等于5％。

进一步地，所述分光模块还包括分束光纤组，所述分束光纤组设置于所述本振光光束的光路上；所述分束光纤组用于对所述本振光光束进行分束处理，使得分束处理后的本振光光束的光斑与所述激光探测模块的接收端相匹配。

具体地，所述分束光纤组的次级分光比为1：1。

进一步地，所述激光探测模块包括平衡探测器阵列、微透镜阵列和模数转换器阵列；

所述平衡探测器阵列设置于所述本振光光束的光路与所述反射光光束的光路的交汇处，所述平衡探测器阵列设置于所述微透镜阵列的出光侧，所述平衡探测器阵列包括多个平衡探测器单元；

所述微透镜阵列设置于所述反射光光束的光路上，所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜与所述平衡探测器单元一一对应，所述微透镜用于将所述反射光光束汇聚至所述平衡探测器单元；

所述模数转换器阵列包括多个模数转换器，所述模数转换器与所述平衡探测器单元一一对应连接。

进一步地，所述平衡探测器单元包括差分放大器、低通滤波器和两个硅光电倍增管；

所述硅光电倍增管用于接收所述本振光光束和所述反射光光束；

所述差分放大器与每个所述硅光电倍增管分别连接，用于对所述本振光光束和所述反射光光束产生的差频信号进行放大，得到放大后的差频信号；

所述低通滤波器与所述差分放大器连接，用于对所述放大后的差频信号进行高频滤波，得到探测信号。

进一步地，所述系统还包括信号处理模块，所述信号处理模块包括傅里叶变换阵列，所述傅里叶变换阵列包括多个傅里叶变换单元，所述傅里叶变换单元与所述模数转换器一一对应连接。

由于上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的激光雷达系统，采用了多个水平腔面发射激光光源模块发射激光光束，提高了激光发射模块的电光效率，降低了激光发射功耗；使用了准直透镜对发射的激光光束进行准直后分光，并利用折射光学元件对分光后的出射光光束进行扩束处理，使得扩束处理后的出射光光束均匀照亮整个探测区域，能够得到更好的分辨率，提高系统的抗干扰性能，避免了在远距离探测情况下，较小尺寸的物体无法识别的情况；采用基于硅光电倍增管的平衡探测器单元，提高了激光探测模块的光电探测效率。

(2)本实用新型的激光雷达系统采用基于调频连续波的激光测距原理，调频连续波信号为扫频连续信号，空间分辨率较高，能够降低平衡探测器阵列各单元之间的串扰，提高差频信号的信噪比，从而进一步提高系统的抗干扰性能和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，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的介绍。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它附图。

图1是本实用新型一个实施例提供的激光雷达系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的激光发射模块的结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例提供的分光模块的结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例提供的分束光纤组的结构示意图；

图5是本实用新型一个实施例提供的出射光学模块的结构示意图；

图6是本实用新型一个实施例提供的平衡探测器单元的结构示意图；

图7是本实用新型一个实施例提供的激光雷达系统的探测原理示意图。

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做出创造性劳动的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。

参考说明书附图1，其示出了本实用新型一个实施例提供的激光雷达系统的结构。如图1所示，所述系统可以包括激光发射模块10、分光模块20、出射光学模块30和激光探测模块40；所述激光发射模块10，包括多个激光光源模块101，所述激光光源模块101为水平腔面发射激光光源模块，所述多个激光光源模块101依次相邻，所述多个激光光源模块101的中轴线相交于一点；所述激光发射模块10用于产生并发射激光光束；所述分光模块20，包括准直透镜201和分光透镜202，所述准直透镜201和所述分光透镜202沿所述激光光束的光路依次设置；所述分光透镜202用于对所述激光光束进行分光，形成出射光光束和本振光光束；所述出射光学模块30，包括多个折射光学元件301，所述折射光学元件301与所述激光光源模块101一一对应，所述折射光学元件301设置于所述出射光光束的光路上；所述激光探测模块40，设置于所述本振光光束的光路与反射光光束的光路的交汇处，所述反射光光束为探测对象对所述出射光光束进行反射得到。

在一个可能的实施例中，参考说明书附图2，所述多个激光光源模块101可以设置于同一平面内，每个所述激光光源模块101对应的探测区域均不重叠。所述多个激光光源模块101的控制可以全并行或者选通处理，可以形成不同方向或者大小的激光雷达探测区域。示例性地，所述激光光源模块101可以设置为四个，每个所述激光光源模块101的探测区域大小均相等，分别对应水平45°、垂直20°的视场，四个激光光源模块101可以组成水平180°、垂直20°的视场。所述激光光源模块101发射的激光光束可以为905nm波段激光光束、1064nm波段激光光束或者1550nm波段激光光束等等。可以理解，由于水平腔面发射激光光源的光电效率较高，可以降低激光雷达系统的激光发射功耗。

在一个可能的实施例中，所述激光发射模块10还可以包括调制电路102，所述调制电路102与所述激光光源模块101连接，所述调制电路102为线性频率调制电路。所述调制电路102用于输出线性调频驱动电脉冲，对所述激光光源模块101发射的特定波长的激光光束进行线性调制，以形成调频连续波激光光束，发射到所述激光雷达系统的探测区域。本实用新型实施例对激光光源模块的调制方式不做特别的限定，只要能够保证激光光源模块输出线性的连续光即可。

在一个可能的实施例中，所述准直透镜201可以为透射式准直透镜，例如硒化锌透镜，用于准直所述激光发射模块10发射的激光光束。结合参考说明书附图3，所述准直透镜201和所述分光透镜202沿所述激光光束的光路依次设置，所述分光透镜202用于将准直后的激光光束按照预设比例进行分光，形成出射光光束和本振光光束。其中，所述出射光光束发射到探测区域，所述本振光光束发射到所述激光探测模块40，所述两路激光光束的功率比值与所用分光透镜相关。由所述分光透镜202得到的出射光光束和本振光光束具有相同的光学特性，可避免因出射至探测区域的激光光束与本振光光束的光学特性不同所导致的误差，有利于提高测量精确度。

可选择地，所述本振光光束的功率与所述激光光束的功率之间的比值可以设置为小于等于5％。示例性地，所述本振光光束的功率与所述激光光束的功率之间的比值(即本振光功率/出射光功率与本振光功率之和)可以设置为5％。

在一个可能的实施例中，所述分光模块20还可以包括分束光纤组203，所述分束光纤组203设置于所述本振光光束的光路上；所述分束光纤组203用于对所述本振光光束进行分束处理，使得分束处理后的本振光光束的光斑与所述激光探测模块的接收端相匹配。本实施例中，所述本振光光束经所述分束光纤组203分束处理后，直接照射到所述激光探测模块40的接收端，有利于本振光光束与反射光光束进行充分干涉。具体地，所述分束光纤组203的次级分光比可以为1：1。示例性地，结合参考说明说附图4，所述分束光纤组203可以包括多组束流分束光纤，每组束流分束光纤可以将光束一分为二，每组束流分束光纤的分光比均可以设置为50％：50％。

在一个可能的实施例中，所述折射光学元件301可以为折射光学透镜。示例性地，结合参考说明书附图5，所述折射光学元件301可以为四个，每个折射光学元件301分别对应水平45°、垂直20°的视场，所述折射光学元件301与所述激光光源模块101一一对应，用于对所述出射光光束进行扩束处理，形成均匀的矩形光斑，发射到所述激光雷达系统的探测区域内。可以理解，对所述出射光光束进行扩束处理形成均匀的矩形光斑，能够得到更好的分辨率，避免了在远距离探测情况下，较小尺寸的物体无法识别。

在一个可能的实施例中，所述激光探测模块40可以包括平衡探测器阵列、微透镜阵列和模数转换器阵列；所述平衡探测器阵列设置于所述本振光光束的光路与所述反射光光束的光路的交汇处，所述平衡探测器阵列设置于所述微透镜阵列的出光侧，所述平衡探测器阵列包括多个平衡探测器单元；所述微透镜阵列设置于所述反射光光束的光路上，所述微透镜阵列包括多个微透镜，所述微透镜与所述平衡探测器单元一一对应，所述微透镜用于将所述反射光光束汇聚至所述平衡探测器单元；所述模数转换器阵列包括多个模数转换器，所述模数转换器与所述平衡探测器单元一一对应连接。

其中，每个所述平衡探测器单元用于接收所述本振光光束和所述反射光光束，根据所述本振光光束和所述反射光光束得到探测信号；所述模数转换器用于对所述平衡探测器单元得到的探测信号进行数字变换，得到数字信号。

在一个可能的实施例中，参考说明书附图6，所述平衡探测器单元可以包括差分放大器402、低通滤波器和两个硅光电倍增管401；所述硅光电倍增管401用于接收所述本振光光束和所述反射光光束；所述差分放大器402与每个所述硅光电倍增管401分别连接，用于对所述本振光光束和所述反射光光束产生的差频信号进行放大，得到放大后的差频信号；所述低通滤波器与所述差分放大器402连接，用于对所述放大后的差频信号进行高频滤波，得到探测信号，并将所述探测信号发送至所述模数转换器。

可以理解，由于硅光电倍增管401具有增益高、灵敏度高和结构紧凑等特点，本实用新型实施例中采用硅光电倍增管来接收所述本振光光束和所述反射光光束形成的干涉光光束，以提高所述差频信号的质量，提高激光探测器的探测效率。由于所述差频信号中包含共模的直流成分以及高频信号，为提高所述差频信号的信噪比，需要在将差频信号发送给所述模数转换器之前，对所述差频信号进行滤波处理，得到滤波后的差频信号。

在一个可能的实施例中，所述系统还可以包括信号处理模块50，所述信号处理模块50可以包括傅里叶变换阵列，所述傅里叶变换阵列包括多个傅里叶变换单元，所述傅里叶变换单元与所述模数转换器一一对应连接。所述傅里叶变换单元用于解析所述模数转换器输出的数字信号，得到所述本振光光束与所述反射光光束的频率差值，并根据所述频率差值计算所述探测对象的状态信息，包括距离、速度和角度等信息。

具体地，参考说明书附图7，本实用新型的激光雷达系统通过发射一次啁啾激光并连续捕获整个视场范围的反射激光，根据调频连续波测量原理计算探测对象的距离、速度和角度等信息。

(1)距离计算，假设经历了时间τ的延迟后产生了Δf的差频，其距离d与延时τ的关系为：

其中c为光速，由于

因此探测对象的距离表达式可以为：

其中，B为频率调制带宽，T_c表示频率调制周期。

(2)速度计算，利用多普勒频率移动，连续发射时间间隔为T_c的两个啁啾，每个啁啾会在傅里叶变换的同一位置产生峰，但是相邻两次的峰值的相位差ω不同，对应与目标物的速度与时间的乘积vT_c，从而得到探测对象的速度计算公式如下：

(3)角度计算，探测对象的角度计算公式如下：

其中，Δφ表示相邻两个探测单元之间的相对相位移动。

综上所述，本实用新型的激光雷达系统，采用了多个水平腔面发射激光光源模块发射激光光束，提高了激光发射模块的电光效率，降低了激光发射功耗；使用了准直透镜对发射的激光光束进行准直后分光，并利用折射光学元件对分光后的出射光光束进行扩束处理，使得扩束处理后的出射光光束均匀照亮整个探测区域，能够得到更好的分辨率，提高系统的抗干扰性能，避免了在远距离探测情况下，较小尺寸的物体无法识别的情况；采用基于硅光电倍增管的平衡探测器单元，提高了激光探测模块的光电探测效率。

另外，本实用新型的激光雷达系统采用基于调频连续波的激光测距原理，调频连续波信号为扫频连续信号，空间分辨率较高，能够降低平衡探测器阵列各单元之间的串扰，提高差频信号的信噪比，从而进一步提高系统的抗干扰性能和测量精度。

上述说明已经充分揭露了本实用新型的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本实用新型的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本实用新型的权利要求书的范围。相应地，本实用新型的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。

Claims

1.一种激光雷达系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个激光光源模块设置于同一平面内，每个所述激光光源模块对应的探测区域均不重叠。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述激光发射模块还包括调制电路，所述调制电路与所述激光光源模块连接，所述调制电路为线性频率调制电路。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述准直透镜为透射式准直透镜，用于准直所述激光光束。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述本振光光束的功率与所述激光光束的功率之间的比值小于等于5％。

6.根据权利要求1、4或5所述的系统，其特征在于，所述分光模块还包括分束光纤组，所述分束光纤组设置于所述本振光光束的光路上；所述分束光纤组用于对所述本振光光束进行分束处理，使得分束处理后的本振光光束的光斑与所述激光探测模块的接收端相匹配。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述分束光纤组的次级分光比为1：1。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光探测模块包括平衡探测器阵列、微透镜阵列和模数转换器阵列；

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述平衡探测器单元包括差分放大器、低通滤波器和两个硅光电倍增管；

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括信号处理模块，所述信号处理模块包括傅里叶变换阵列，所述傅里叶变换阵列包括多个傅里叶变换单元，所述傅里叶变换单元与所述模数转换器一一对应连接。