CN212321846U - 一种激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光雷达，包括激光器、望远镜以及四象限遮光机构；所述四象限遮光机构包括四象限遮光板、转动机构和控制系统；其中，所述四象限遮光板安装在望远镜的镜筒上，位于望远镜的接收光窗的上方，包括四块遮光板，分别用于对应遮挡所述接收光窗的四个分区，所述四个分区以接收光窗的两个相互垂直的直径划分而成，形成四个象限；所述转动机构连接所述四象限遮光板，分别控制所述四块遮光板转动，独立开合；所述控制系统用于控制所述转动机构的运行状态。本实用新型的激光雷达为望远镜四个象限接收信号的均匀性检测提供了硬件支持，有利于激光雷达快速、高精度地完成其发射光轴与接收光轴的校准任务，提高收发光轴准直效率。

Description

一种激光雷达

技术领域

本实用新型属于探测设备技术领域，具体地说，是涉及一种激光雷达。

背景技术

激光雷达是一种主动遥感监测设备，具有高时空分辨率、高测量精度等优势。在激光雷达系统中，收发光轴的准直是保证激光雷达信号接收效率的关键。激光雷达在实际工作中，由于温度变化、环境振动、激光抖动等原因会引起激光器的发射光轴与望远镜的接收光轴发生偏离，导致接收信号效率下降、信号失真，因而需要定期地对激光雷达进行收发光轴的校准。所谓收发光轴准直，对于旁轴激光雷达来说，就是让发射光轴与接收光轴平行；对于共轴激光雷达而言，就是让发射光轴与接收光轴共轴。

激光雷达的收发光轴校准方法主要有手动校准和自动校准两种。其中，手动校准是最常见的准直方法，但其需要操作人员具备一定的专业背景和光路调节经验，且调节过程繁琐耗时，通过目测数据进行调整的准直精度也很难得到保证。

自动校准方法目前基本都是利用二维电控反射镜架调整发射光束的方向，常用的方法主要有两种：

一种是，在发射光轴与接收光轴准直时，让激光光束在发射到大气前，首先通过透射反射比（透射:反射）高的分光镜，反射出很少一部分光作为参考光；然后，将参考光入射到固定的光电探测器上，探测器标记此位置作为光轴准直的位置。当发射光轴发生偏离时，参考光在光电探测器上的位置也会偏离，此时可以通过电控反射镜架调整反射镜的角度，进而调节发射光的方向，使得参考光在光电探测器上的位置刚好调整到标记的准直位置，由此完成校准操作。但是，这种方法存在因分光镜的偏离而引起对光轴失准误判的问题。

另一种是，通过二维电控反射镜架调整发射激光分别沿着望远镜的两个相互垂直的直径方向进行扫描，选取某一高度作为参考高度，观察扫描过程中参考高度信号的变化，分别取参考高度接收信号最大的位置作为两个方向的最佳位置来确定发射光轴与接收光轴准直。但是，这种方法受激光运动轨迹和参考高度的影响较大。

发明内容

经试验发现，通过对激光雷达的望远镜四个象限接收信号的均匀性检测，也可以实现激光雷达收发光轴的校准，为此本实用新型提出了一种改进结构的激光雷达，通过在激光雷达的望远镜上设计四象限遮光机构，可以控制望远镜在四个象限上分别独立接收大气回波信号，继而为激光雷达收发光轴的准直操作提供了硬件支持。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种激光雷达，包括用于发射激光光束的激光器、用于接收激光光束发射到大气后的回波信号的望远镜以及四象限遮光机构；其中，所述望远镜包括镜筒，镜筒内设置有接收光窗；所述四象限遮光机构包括四象限遮光板、转动机构和控制系统；其中，所述四象限遮光板安装在所述望远镜的镜筒上，位于所述接收光窗的上方，包括四块遮光板，分别用于对应遮挡所述接收光窗的四个分区，所述四个分区以接收光窗的两个相互垂直的直径划分而成，形成四个象限；所述转动机构连接所述四象限遮光板，分别控制所述四块遮光板转动，独立开合；所述控制系统用于控制所述转动机构的运行状态。

在本申请的一些实施例中，所述四象限遮光机构还包括托板，其安装在所述望远镜的镜筒上，在所述镜筒的上方形成承载面，所述转动机构安装在所述托板的承载面上。通过设计所述托板，可以方便所述转动机构在望远镜上的安装布设以及整体拆卸。

在本申请的一些实施例中，所述转动机构优选设置四组，分别对应连接所述四块遮光板，每一组转动机构均包括转轴、定位座、电机、主动轮和从动轮；其中，所述转轴连接其中一块遮挡板；所述定位座安装在所述托板的承载面上，其上安装有轴承，所述转轴安装于所述轴承中；所述电机安装在所述托板上，由所述控制系统控制其运行状态；所述主动轮与所述电机轴接，由所述电机驱动其转动；所述从动轮与所述主动轮相啮合，并与所述转轴轴接，在所述电机驱动所述主动轮转动时，主动轮驱动所述从动轮转动，进而带动所述遮挡板开合。

在本申请的一些实施例中，所述电机优选安装在所述托板的承载面的下方，电机的驱动轴穿过所述承载面延伸到承载面的上方并与所述主动轮轴接，优选设计所述主动轮的轴线与从动轮的轴线垂直，以使所述转轴可以平行于望远镜的接收光窗布设，进而实现转轴与遮光板的大面积连接，这有助于提高遮光板开合过程的平稳性。

在本申请的一些实施例中，在所述每一组转动机构中均优选设置两个定位座，分置于所述转轴的两端，通过提高其对转轴以及遮光板的支撑力，以进一步保障遮光板开合过程的平稳性。

在本申请的一些实施例中，所述激光雷达还包括扩束镜、反射镜、可调电控镜架和接收光路系统；其中，所述扩束镜用于压缩所述激光器发射的激光光束的发散角；所述反射镜用于将通过所述扩束镜发出的激光光束射入到大气中，其安装在所述可调电控镜架上，所述可调电控镜架用于调节所述反射镜的角度或位置，以改变激光光束的出射方向；所述接收光路系统将所述望远镜接收到的回波信号转换成电信号，并发送至所述控制系统；所述控制系统在进行发射光轴与接收光轴校准时，控制所述转动机构驱动所述四块遮光板在不同的时间段唯一打开，并通过所述接收光路系统接收望远镜四个象限的电信号，根据所述电信号控制所述可调电控镜架调节所述反射镜，以改变激光光束的出射方向，直到四个象限的电信号基本相同，即完成了激光雷达收发光轴的准直过程。

当光路调节完毕，激光雷达正常工作时，所述控制系统通过控制所述转动机构驱动所述四块遮光板全部打开。

优选的，所述控制系统通过所述转动机构控制所述四块遮光板全部关闭，可以进行激光雷达背景信号的采集。

在本申请的一些实施例中，在所述激光雷达中还设置有发射系统载板，其安装在所述望远镜的镜筒上，位于望远镜的一侧；所述激光器、扩束镜、反射镜和可调电控镜架均可安装在所述发射系统载板上，以便于实现激光雷达在结构上的整体设计，进而方便激光雷达的整体移动和搬运。

在本申请的一些实施例中，所述控制系统优选包括采集卡、工控机和驱动电路；其中，所述采集卡用于采集所述接收光路系统输出的电信号，并转换生成数字信号；所述工控机接收所述采集卡输出的数字信号，并分别生成用于控制所述转动机构和可调电控镜架动作的控制信号；所述驱动电路接收所述工控机输出的控制信号，以驱动所述转动机构或可调电控镜架动作。由此，可使激光雷达具备接收光轴与发射光轴的自动校准功能。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果是：本实用新型的激光雷达通过在其望远镜上设计四象限遮光机构，使得望远镜的接收光窗可以在其四个象限区域内分别接收大气回波信号。当激光雷达正常工作时，望远镜四个象限遮光板全部打开；当激光雷达进行背景信号采集时，四个象限的遮光板全部关闭；当激光雷达进行发射光轴与接收光轴校准时，可利用四个象限的大气回波信号为激光雷达发射光轴的方向提供调整依据，当四个象限的大气回波信号基本相同时，便实现了激光雷达收发光轴的准直。本实用新型的激光雷达为望远镜四个象限接收信号的均匀性检测提供了硬件支持，有利于激光雷达快速、高精度地完成其发射光轴与接收光轴的校准，提高收发光轴准直效率。

结合附图阅读本实用新型实施方式的详细描述后，本实用新型的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例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。

图1为本实用新型所提出的激光雷达的一种实施例的整体结构示意图；

图2为图1中的四象限遮光机构的一种实施例的结构示意图；

图3为望远镜的四象限划分与出射到大气的激光光束位置之间的一种实施例的对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细地描述。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1所示，本实施例的激光雷达主要包括激光发射系统10和光学接收系统两部分。其中，激光发射系统10主要包括激光器11、扩束镜12、反射镜13、可调电控镜架14等部分。光学接收系统主要由望远镜20和后继的接收光路系统23组成。

为了便于将激光发射系统10和光学接收系统整合装配到一起，以使激光雷达易于整体移动或搬运，本实施例优选将激光发射系统10安装在一块发射系统载板15上，如图1所示。其中，激光器11优选安装在发射系统载板15的偏向下位置，用于发射激光光束。扩束镜12位于激光器11的上方，用于对激光器11发射的激光光束的发散角进行压缩，以形成具有一定直径的激光光束，并入射至反射镜13。反射镜13可以是一个，也可以是多个，安装于可调电控镜架14上，用于对入射到其上的激光光束进行反射后，出射至大气。利用可调电控镜架14可以调节反射镜13的角度或者位置，继而改变激光光束向大气的出射方向。

将发射系统载板15安装于望远镜20上，优选安装于望远镜20的镜筒21上，且位于望远镜20的一侧，如图1所示。控制可调电控镜架14适度地调节反射镜13的角度或位置，使激光光束的出射方向（即，激光雷达的发射光轴）与望远镜20的接收光轴平行，则可形成旁轴激光雷达；若调节激光光束的出射方向与望远镜20的接收光轴共轴，则可形成共轴激光雷达。针对图1所示的激光雷达结构，若形成共轴激光雷达，可在图1所示激光雷达结构的基础上再增加一套反射镜。

在望远镜20的镜筒21中设置有接收光窗22，结合图1、图3所示。在通常情况下，接收光窗22为圆形，接收激光光束16射入到大气后的回波信号，并汇集至后继的接收光路系统23，以将光信号转换成电信号。所述电信号的大小可以反映出接收到的光信号的强度，根据接收光路系统23输出的电信号，利用现有的雷达信号探测方法即可对预定高度的目标实现探知。

考虑到在激光雷达系统中，收发光轴的准直是保证激光雷达信号接收效率的关键。为了提高目标探测的精准度，需要对激光雷达的发射光轴与接收光轴进行校准。经试验证明，对激光雷达的望远镜的四个象限接收信号进行的均匀性检测，是实现激光雷达收发光轴校准的一种方式。为了在本实施例的激光雷达上应用这种校准方式，本实施例对现有的激光雷达的结构进行改进，增设四象限遮光机构30，以将望远镜20的接收光窗22划分成四个区域，形成四个象限，以用于独立地接收大气回波信号，进而满足四个象限接收信号的均匀性检测要求。

结合图1、图2所示，本实施例的四象限遮光机构30主要由四象限遮光板、转动机构和控制系统等部分组成。

在本实施例中，所述四象限遮光板优选安装在望远镜20的镜筒21上，且位于接收光窗22的上方，优选包括四块遮光板31、32、33、34，如图2所示。所述四块遮光板31、32、33、34可以设计成相同的形状，例如类似三角形的形状，拼合后将望远镜20的接收光窗22全部遮盖。

配置四块遮光板31、32、33、34在望远镜20的接收光窗22上形成的四个遮挡区域刚好与以接收光窗22的两个相互垂直的直径划分而成的四个分区相重合，如图3所示，继而将接收光窗22分成四个象限。其中，第一象限Ⅰ由遮挡板31遮挡；第二象限Ⅱ由遮挡板32遮挡；第三象限Ⅲ由遮挡板33遮挡；第四象限Ⅳ由遮挡板34遮挡。配置第一象限Ⅰ与第二象限Ⅱ呈中心对称关系，第三象限Ⅲ与第四象限Ⅳ呈中心对称关系。

为了方便四象限遮光板在望远镜20的镜筒21上的安装固定，本实施例优选将四象限遮光板首先安装在一块托板35上，如图2所示。所述托板35优选设计成环形，中间开口区域正对望远镜20的接收光窗22。将四块遮光板31、32、33、34在托板35所形成的承载面上周向依次布设，拼合后遮挡住托板35的中间开口区域。

优选在托板35上形成下翻边36，所述下翻边36可以设置两个，形成在托板35的相对两侧；也可以设置四个，形成在托板35的四周。

安装时，将托板35放置于望远镜20的镜筒21的上沿，并使托板35的下翻边36至少部分地与镜筒21的侧壁相贴合，如图1所示。利用紧固螺栓37将下翻边36与镜筒21的侧壁螺纹连接，继而实现托板35在镜筒21上的安装固定。

在本实施例中，所述传动机构可以由转轴41、定位座42、主动轮44、从动轮43、电机45等主要部分组成，如图2所示，用于对四块遮挡板31、32、33、34进行开合控制。

作为一种优选实施例，可以针对每一块遮挡板单独配置一套传统机构，即，一套传统机构仅对一块遮挡板进行开合控制。将四套传动机构分别布设在托板35的四边，并与四块遮挡板31、32、33、34的位置一一对应。

在每一套传动机构中，转轴41优选平行于托板35的承载面布设，如图2所示。将遮挡板31/32/33/34的外侧边固定在转轴41上，利用转轴41朝不同方向的转动，带动遮挡板31/32/33/34打开或闭合。

在每一套传动机构中，定位座42优选设置两个，安装在托板35的承载面上，且位于转轴41的两端。在每一个定位座42中分别安装一个轴承，将转轴41的两端对应安装于两个定位座42的轴承中，使转轴41与定位座42之间形成转动连接关系。

在每一套传动机构中，电机45、主动轮44和从动轮43优选设置一组。其中，电机45优选安装在托板35的底部，将电机45的驱动轴46穿过托板35延伸至托板35的承载面的上方。在电机45的驱动轴46上安装主动轮44，配置主动轮44的轴线与从动轮43的轴线相互垂直，并使主动轮44与从动轮43相啮合，将从动轮43与转轴41轴接。在电机45转动时，主动轮44跟随电机45的驱动轴46旋转，驱动从动轮43转动，进而带动转轴41旋转，控制遮挡板31/32/33/34开合。

在本实施例中，所述控制系统用于控制所述电机45的运行状态，包括启停控制、转向控制、转动角度控制等。

作为一种优选实施例，所述控制系统优选由采集卡、工控机和驱动电路等部分组成，图中未示出。其中，采集卡可以连接所述的接收光路系统23，用于采集接收光路系统23输出的电信号，并转换处理成相应的数字信号，发送至工控机。

工控机作为整个激光雷达的控制核心，一方面生成控制信号，发送至驱动电路，以驱动电机45运行，进而实现对遮挡板31、32、33、34的开合控制；另一方面根据采集卡输出的数字信号确定出激光雷达的发射光轴的调整方向和角度，进而生成相应的控制信号，通过驱动电路控制可调电控镜架14动作，以调节反射镜13的角度或位置，进而实现发射光轴的调整。第三方面，在激光雷达的收发光轴准直操作结束并投入正常使用后，对采集卡输出的数字信号进行存储，并根据所述数字信号，利用现有的雷达信号探测方法生成目标探测结果，并进行存储和显示。

下面结合图1-图3，对本实施例的激光雷达在收发光轴准直过程中主要涉及的步骤简要阐述如下：

（1）启动激光发射系统向大气发射激光光束。

（2）控制遮挡板31向上旋转90°打开。此时，大气回波信号由望远镜20处于第一象限Ⅰ的接收光窗接收，传输至接收光路系统23，生成与接收信号的光强度相对应的电信号，经由采集卡采集后，发送至工控机记录。然后，控制遮挡板31向下旋转90°关闭。

（3）控制遮挡板32向上旋转90°打开，通过望远镜20处于第二象限Ⅱ的接收光窗接收大气回波信号，并传输至接收光路系统23生成电信号后，经由采集卡发送至工控机。然后，控制遮挡板32向下旋转90°关闭。

（4）工控机对比第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ的接收信号，判断第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ所接收到的光信号的强度大小；若第一象限Ⅰ的光强大，则调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第二象限Ⅱ的方向调整；反之，若第二象限Ⅱ的光强大，则调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第一象限Ⅰ的方向调整。

（5）重复上述步骤（2）-（4），直到第一象限Ⅰ和第二象限Ⅱ所接收到的光信号的强度相等或基本相等。

（6）控制遮挡板33向上旋转90°打开，通过望远镜20处于第三象限Ⅲ的接收光窗接收大气回波信号，并传输至接收光路系统23生成电信号后，经由采集卡发送至工控机进行记录。然后，控制遮挡板33向下旋转90°关闭。

（7）控制遮挡板34向上旋转90°打开，通过望远镜20处于第四象限Ⅳ的接收光窗接收大气回波信号，并传输至接收光路系统23生成电信号后，经由采集卡发送至工控机。然后，控制遮挡板34向下旋转90°关闭。

（8）工控机对比第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ的接收信号，判断第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ所接收到的光信号的强度大小；若第三象限Ⅲ的光强大，则调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第四象限Ⅳ的方向调整；反之，若第四象限Ⅳ的光强大，则调整可调电控镜架14将激光雷达的发射光轴向第三象限Ⅲ的方向调整。

（9）重复上述步骤（6）-（8），直到第三象限Ⅲ和第四象限Ⅳ所接收到的光信号的强度相等或基本相等。

（10）完成激光雷达的发射光轴与接收光轴的校准过程。

在对激光雷达的发射光轴与接收光轴完成校准后，激光雷达便可进入正常工作模式。在激光雷达正常工作时，控制系统可以控制转动机构驱动四块遮光板31-34全部打开，利用望远镜20的整个接收光窗22接收大气回波信号。

本实施例在激光雷达的望远镜20上设置四象限遮光机构30，除了可以用于收发光轴的校准过程外，还可以使激光雷达具有自动采集背景信号的功能。即，在需要采集激光雷达的背景信号时，控制系统控制转动机构驱动四块遮光板31-34全部关闭，通过接收光路系统23接收望远镜20采集到的光信号，并转换成相应的电信号，经由采集卡采集并转换成后，生成激光雷达的背景信号，即，雷达底噪。

本实施例的激光雷达结构简单，使用方便，自动化程度高，光轴校准精度好且校准效率高，在激光雷达的业务化应用上可以起到重要的推动作用。

当然，以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前能够提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种激光雷达，包括：

激光器，其用于发射激光光束；

望远镜，其包括镜筒，镜筒内设置有接收光窗，用于接收激光光束发射到大气后的回波信号；

其特征在于，还包括四象限遮光机构，其包括：

四象限遮光板，其安装在所述望远镜的镜筒上，位于所述接收光窗的上方，其包括四块遮光板，分别用于对应遮挡所述接收光窗的四个分区，所述四个分区以接收光窗的两个相互垂直的直径划分而成，形成四个象限；

转动机构，其连接所述四象限遮光板，分别控制所述四块遮光板转动，独立开合；

控制系统，其用于控制所述转动机构的运行状态。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述四象限遮光机构还包括：

托板，其安装在所述望远镜的镜筒上，在所述镜筒的上方形成承载面，所述转动机构安装在所述托板的承载面上。

3.根据权利要求2所述的激光雷达，其特征在于，所述转动机构包括四组，分别对应连接所述四块遮光板，每一组转动机构均包括：

转轴，其连接其中一块遮挡板；

定位座，其安装在所述托板的承载面上，其上安装有轴承，所述转轴安装于所述轴承中；

电机，其安装在所述托板上，由所述控制系统控制其运行状态；

主动轮，其与所述电机轴接，由所述电机驱动其转动；

从动轮，其与所述主动轮相啮合，并与所述转轴轴接，在所述电机驱动所述主动轮转动时，主动轮驱动所述从动轮转动，进而带动所述遮挡板开合。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述电机安装在所述托板的承载面的下方，电机的驱动轴穿过所述承载面延伸到承载面的上方并与所述主动轮轴接，所述主动轮的轴线与从动轮的轴线垂直。

5.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，在所述每一组转动机构中，所述定位座均包括两个，分置于所述转轴的两端。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光雷达，其特征在于，还包括：

扩束镜，其用于压缩所述激光器发射的激光光束的发散角；

反射镜，其用于将通过所述扩束镜发出的激光光束射入到大气中；

可调电控镜架，其上安装所述反射镜，用于调节所述反射镜的角度或位置，以改变激光光束向大气的出射方向；

接收光路系统，其将所述望远镜接收到的回波信号转换成电信号，并发送至所述控制系统；

其中，所述控制系统在进行发射光轴与接收光轴校准时，控制所述转动机构驱动所述四块遮光板在不同的时间段唯一打开，并通过所述接收光路系统接收所述望远镜四个象限的电信号，根据所述电信号控制所述可调电控镜架调节所述反射镜，进而调节激光光束的出射方向；所述控制系统在光路调节完毕，激光雷达正常工作时，控制所述转动机构驱动所述四块遮光板全部打开。

7.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，还包括：

发射系统载板，其安装在所述望远镜的镜筒上，位于望远镜的一侧；所述激光器、扩束镜、反射镜和可调电控镜架均安装在所述发射系统载板上。

8.根据权利要求6所述的激光雷达，其特征在于，所述控制系统包括：

采集卡，其采集所述接收光路系统输出的电信号，并转换生成数字信号；

工控机，其接收所述采集卡输出的数字信号，并分别生成用于控制所述转动机构和可调电控镜架动作的控制信号；

驱动电路，其接收所述工控机输出的控制信号，以驱动所述转动机构或可调电控镜架动作。

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