CN214954085U

CN214954085U - 收发一体式激光测距头及扫描雷达

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Publication number: CN214954085U
Application number: CN202120536452.7U
Authority: CN
Inventors: 方强; 方笑尘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-11-30
Anticipated expiration: 2031-03-15

Abstract

本实用新型公开了一种收发一体式激光测距头及扫描雷达，包括光隔离器、光学镜头、N个光发射窗口以及与光发射窗口一一对应的光接收窗口，其中，N≥1；所述光隔离器和所述光学镜头位于所述光发射窗口发出的光的传播光路上；所述光隔离器和所述光学镜头设置顺序可以互换；所述N个光接收窗口的排列方式与所述N个光发射窗口相同，与某个所述光发射窗口对应的所述光接收窗口的子窗口的光接收区位于所述光发射窗口附近与所述光隔离器对该所述发射窗口产生的相应返回光对应的位置上；本实用新型消除环形器的使用，降低了成本、串扰和插入损耗；在实际使用场景中，本实用新型可以同时实现多点测量，满足更宽广的应用需求。

Description

收发一体式激光测距头及扫描雷达

技术领域

本实用新型属于激光测距及激光雷达技术领域，尤其涉及一种收发一体式激光测距头及扫描雷达。

背景技术

现有的收发一体式激光测距头由激光器、探测器、光纤环行器、准直镜头组成，其工作过程是：激光器发出的光由环行器的输入端输入后由环行器的公共端输出，经准直镜头准直后射向被测物体，反射的光再经扫描器、准直镜头后进入环行器的公共端，由输出端进入探测器。这种激光测距头体积小调试方便，但环形器会带来附近插入损耗和串扰，还会增加成本。

另外，现有的收发一体式扫描雷达就是在上述测距头后加上一个扫描系统构成。与其它形式的激光扫描雷达相比，收发一体雷达系统的好处是系统装配简单、体积小、光利用率高。但是，在该系统中，由于测距光存在飞行时间，扫描系统会使返回的光的接收位置相对光的发出位置产生偏离，测量距离越远，偏离越大，由于激光发射纤芯很小，这就极大的限制了这种雷达的测距范围，只能应用于近距离场景的探测。

实用新型内容

为了解决现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种收发一体式激光测距头，使激光测距头的成本降低、串扰降低，同时，本实用新型的另一目的是提供一种基于该收发一体式激光测距头的扫描雷达，使收发一体式扫描雷达的综合指标大幅提高，拓展激光扫描雷达的应用范围。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是，一种收发一体式激光测距头，包括光隔离器、光学镜头、N个光发射窗口以及与光发射窗口一一对应的光接收窗口，其中，N≥1；

所述光隔离器和所述光学镜头位于所述光发射窗口发出的光的传播光路上；所述光隔离器和所述光学镜头设置顺序可以互换；

每个光接收窗口至多含两个子窗口，每个子窗口至少包含一个光接收区；

与某个所述光发射窗口对应的所述光接收窗口的子窗口的光接收区位于所述光发射窗口附近与所述光隔离器对该所述发射窗口产生的相应返回光对应的位置上。

进一步的，所述光隔离器包括偏振分束镜和偏振旋转器；所述偏振分束镜使经过它的两正交偏振光产生空间位置分离，或者空间角分离；所述偏振旋转器使通过它的线偏振光返回后偏振方向旋转90度。

进一步的，所述偏振分束镜为晶体平行平板分束器，用于使两个正交的线偏振光产生空间位置分离；

或者所述偏振分束镜为楔形晶体片，用于使两个正交线偏振光产生空间角度分离；

所述偏振旋转器是四分之一波片或者是45度法拉第旋转器。

进一步的，所述光隔离器由依次设置的楔形晶体片、45度法拉第旋转器和楔形晶体片组成。

进一步的，所述光隔离器由晶体平行平板分束器、45度法拉第旋转器、二分之一波片和平行平板分束器组成；所述45度法拉第旋转器和所述二分之一波片位于两所述晶体平行平板分束镜之间；所述45度法拉第旋转器和所述二分之一波片的位置顺序可以互换。

所述光发射窗口为激光发射芯片谐振腔的输出窗口或者是光纤的端面；

所述光接收窗口为探测器的光敏面或者是光纤器件的端面。

本实用新型的另一目的是提供一种包含上述收发一体激光测距头的扫描雷达，由至少一个所述收发一体激光测距头和一个扫描系统组成；所述扫描系统位于所述收发一体激光测距头后面的收发光路上；

当激光扫描雷达含有两个或两个以上所述收发一体激光测距头时，所述收发一体激光测距头的收发光路以一定的夹角在所述扫描系统内交会。

进一步的，所述光接收窗口的光接收区，与所对应的光发射窗口发出并由光隔离器产生的返回光偏离一定的距离，使由最近测量距离上物体返回的光与所述光接收区部分重叠，使最远测量距离处物体返回的光与所述光接收区完全重叠。

进一步的，所述扫描系统为一维扫描系统；所述一维扫描系统或者为单轴扫描振镜，或者为单轴旋转多棱反射镜；或者为单轴旋转平台。

进一步的，所述扫描系统为两维扫描系统；所述两维扫描系统由单轴器件按技术要求组合而成，所述单轴器件包括单轴旋转平台、单轴旋转多棱反射镜及单轴扫描振镜；或者所述两维扫描系统为一个双轴MEMS扫描振镜；或者是排列在同一个平面上的、可同步工作的多个双轴MEMS扫描振镜组成的阵列。

与现有技术相比，本实用新型提出的收发一体式激光测距头至少具有以下有益效果：通过合理的结构设计，取消了系统中环形器的使用，降低了成本，并且有效的解决了其所带来的串扰和插入损耗的问题；在实际使用场景中，本实用新型可以同时实现多点测量，满足更宽广的应用需求。

另外，本实用新型还提出了一种收发一体式激光扫描雷达，与现有技术相比，本实用新型的激光扫描雷达能够消除了测距距离的限制，进而有效增强了收发一体结构雷达与其它结构雷达的竞争力；本实用新型的激光扫描雷达还具有以下优点：

本实用新型提出的收发一体雷达结构，使系统的体积大幅减小、同时提高接收信号的信噪比。

进一步的，本实用新型提出的收发一体雷达结构中，通过设置光接收区的位置，可以大幅压缩回光信号的动态范围，使电子系统的时间简单、成本低，还可以在现有电子器件技术水平下，大幅增加测距范围，这在机载、车载雷达中具有重要意义。

进一步的，本实用新型提出的激光扫描雷达光路调试简单，便于量产，具有非常广阔的市场应用前景。

进一步的，可以采用光纤通信行业中成熟的器件构造激光扫描雷达，降低成本，增加系统可靠性。

进一步的，在本实用新型提出的雷达结构中，利用光纤，可以将光电子器件的有源部分与无源部分分离，便于灵活安装及增加可靠性，例如，雷达的体积非常小的主要由无源器件构成的探头部分设置在雷达载体的外部，而雷达的有源部分设置在雷达载体内部，可使激光雷达有源部分的工作环境大幅改善，这种方式可以大大简化维修过程。

附图说明

图1为本实用新型提出的激光扫描雷达(测距头)的一种实施结构示意图。

图2为本实用新型提出的激光扫描雷达(测距头)的第二种实施结构示意图。

图3为本实用新型提出的激光扫描雷达(测距头)的第三种实施结构示意图。

图4为本实用新型提出的激光扫描雷达(测距头)的第四种实施结构示意图。

图5为本实用新型提出的激光扫描雷达(测距头)的第五种实施结构示意图。

图6为本实用新型提出的采用多个收发一体激光测距头的激光雷达结构示意图。

其中：SCK-1表示1号光发射窗口；RCK-11、RCK-12分别表示1号光接收窗口的第一、第二光接收区；LN表示光学镜头；PZFSQ1、PZFSQ11、PZFSQ12分别表示晶体平行平板式偏振分束器；PZFSQ2、PZFSQ21及PZFSQ22分别表示楔形晶体片式偏振分束器；XGQ表示偏振旋转器；FLD表示45度法拉第旋转器；HWP表示二分之一波片；SMJ表示扫描系统；CJT、CJT-1、CJT-M分别表示收发一体激光测距头。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本实用新型提出的收发一体激光测距头及扫描雷达进行详细说明。

本实用新型的核心想法有两点：一是提出一种新的收发一体式激光测距头结构，再一是利用该收发一体式激光测距头构建激光扫描雷达，并且，在本实用新型的某些具体实施方式中，通过优化设置雷达中收发一体测距头的光接收区的位置，大幅压缩雷达中返回光信号的动态范围。

本实用新型的收发一体式激光测距头的技术方案是：由N个光发射窗口、与发射窗口一一对应的光接收窗口、光隔离器及光学镜头组成；其中：N个光发射窗口按一定规律排列；光隔离器和光学镜头位于N个光发射窗口发出的光的传播光路上；光隔离器和光学镜头设置顺序可以互换；N个光接收窗口中每个窗口至多含两个子窗口，每个子窗口至少包含一个光接收区；N个光接收窗口的排列方式与N个光发射窗口相同，与某个光发射窗口对应的光接收窗口的子窗口的光接收区位于光发射窗口附近与光隔离器对该发射窗口产生的相应返回光对应的位置上。

该测距头方案利用了光隔离器的固有特性。光隔离器是利用偏振器件的非互易特性，使返回隔离器的光偏离原光路，在隔离器中，回向返回光被作为无用光被剥离掉，在这里，返回光被利用起来，刚好实现了结构紧凑的发射和接收一体式结构。

在某一实施例中，光隔离器包括偏振分束镜和偏振旋转器；偏振分束镜使经过它的两正交偏振光产生空间位置分离，或者空间角分离；偏振旋转器使通过它的线偏振光返回后偏振方向旋转90度。

其中：常用偏振分束镜包括晶体平行平板分束器和楔形晶体片，前者使两个正交的线偏振光产生空间位置分离，后者使两个正交线偏振光产生空间角度分离；常用的偏振旋转器是四分之一波片和45度法拉第旋转器。

本实用新型提出的一种基于上述收发一体式激光测距头的扫描雷达技术方案是：由至少一个所述收发一体激光测距头和一个扫描系统组成。其中：扫描系统位于所述收发一体激光测距头后面的收发光路上；当激光扫描雷达含有两个或两个以上所述收发一体激光测距头时，所述诸收发一体激光测距头的收发光路以一定的夹角在扫描系统内交会。

优选的，在该激光雷达系统中，其收发一体激光测距头的光接收窗口的光接收区，与所对应的光发射窗口的由光隔离器产生的返回光，偏离一定的距离，使由最近测量距离上物体返回的光与光接收区部分重叠，使最远测量距离处物体返回的光与光接收区完全重叠；这种设置可以使用于测距的返回光信号的动态范围被压缩；激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

图1至图5给出了5种采用单个收发一体式激光测距头的扫描雷达系统结构示意图。

图6为采用多个收发一体式激光测距头的扫描雷达系统结构示意图，由M(M大于等于2)个多光束测距模块和一个激光扫描系统组合结构，其中，CJT-1、CJT-M为多光束测距头，它们共用激光扫描系统SMJ，它们的收发光路以一定的夹角在扫描系统内交会。

在有些雷达系统中，扫描系统是一维扫描系统。在某些具体实施例中，一维扫描系统可选择单轴扫描振镜，也可选择单轴旋转多棱反射镜；还可选择单轴旋转平台，根据需要选用。

在本实用新型某些实施例的雷达系统中，扫描系统是两轴扫描系统。两维扫描系统可以由单轴旋转平台、单轴旋转多棱反射镜及单轴扫描振镜等单轴器件按技术要求组合而成；也可以选择一个双轴MEMS扫描振镜；还可以是排列在同一个平面上的、可以同步工作的多个双轴MEMS扫描振镜组成的阵列。

需要说明的是，本实用新型所提出的收发一体式激光测距头，当只作为固定的测距头使用时，其光接收区的位置及大小仅由光学系统参数决定；当该收发一体式测距头与扫描系统一起构成扫描激光雷达时，其光接收区的设置位置及大小，除了受光学系统参数影响外，还取决于扫描系统的工作方式和工作参数，因为在扫描雷达系统中，不同探测距离处返回的探测光在探测面上的位置是不同的，接收区需考虑到这种变化的影响；更进一步，在扫描激光雷达中，通过光接收区位置和大小的适当设置，可以压缩返回光的动态范围，提高激光雷达的特性、降低雷达电子系统的设计难度和成本。

参见图1所示的扫描雷达的激光测距头部分，在该实施例中，偏振分束镜PZFSQ1为晶体平行平板。某个光发射窗口，比如1号发射窗口SCK-1，发出的光通过偏振分束镜PZFSQ1后变成两束正交的线偏振光，两束光的传播方向相同。当偏振旋转器XGQ是四分之一波片时，使其快轴与两束线偏振的振动方向成45度角，这两束光透过后变成圆偏振光，经光学镜头LN准直后成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过四分之一波片时变成线偏振光，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ1变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。当偏振旋转器XGQ是45度法拉第旋转器时，这两束光透过后还是线偏振光，但偏振方向旋转了45度，经光学镜头LN准直后成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过45度法拉第旋转器后，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ1变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，通过调整线偏振光与晶体平行平板分束镜的晶体光轴方向，可以只形成一个探测光束和一个光接收子窗口，构成一个单光束测距系统，该测距头就可以构成一个N个光束的收发一体激光测距头。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，或者是消偏光，通过调整线偏振光与晶体平行平板分束镜的晶体光轴方向，可以形成两个探测光束和两个子接收窗口，构成一个双光束测距系统，该测距头就构成一个2N个光束的收发一体激光测距头，同时测距的采样数提高一倍。

如果该测距头只用作固定测距头或慢速工作的雷达测距头，其光接收区的参数只由光学系统参数决定。在某个实施例中，平行平板晶体分束器的厚度为两毫米，这时测距返回信号到光发射区的距离约0.2毫米，光接收区的中心与光发射区的中心距离设置为0.2毫米，光接收区的大小，要大于等于发射区的大小，为了降低噪声水平，通常光接收区大小等于光发射区大小。

在图1所示的利用该收发一体式激光测距头的激光雷达系统中，收发一体式测距头的光接收窗口的光接收区的设置，除了与晶体平行平板分束器的参数有关外，还取决于雷达系统的采样率、扫描系统的扫描方式及扫描系统的扫描速度。在该雷达系统中，光接收窗口的子窗口到相对应的光发射窗口的距离等于晶体平行平板分束器的光束位移量。光接收子窗口的尺寸参数由系统采样率、扫描系统扫描方式和扫描系统扫描速度决定。在某实施例中，采用2毫米厚的平行平板晶体，形成了约0.2毫米的光束偏移，这就是扫描系统静止时返回光斑中心与发射窗口中心之间的距离。在扫描激光雷达中，激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

当雷达系统的扫描系统工作在单向扫描方式时，若采用单个光接收区，该接收区的位置和大小需要同时覆盖最近测量距离和最远测量距离物体返回的光斑。当雷达系统的扫描系统工作在双向扫描方式时，若采用单个光接收区，该接收区的位置和大小需要同时覆盖两个最远测量距离物体返回的光斑。当雷达系统的扫描系统工作在双向扫描方式时，若采用两个光接收区，这两个接收区的位置和大小需要分别在两个扫描方向造成的光斑偏离方向上同时覆盖最近测量距离和最远测量距离处物体返回的光斑。

当雷达系统需要压缩返回光动态范围时，若采用单个光接收区，该接收区的位置和大小需要部分覆盖最近测量距离处物体反射回的光斑并完全覆盖最远测量距离物体返回的光斑。当雷达系统的扫描系统工作在双向扫描方式时，需采用两个光接收区，这两个接收区的位置和大小需要分别在两个扫描方向造成的光斑偏离方向上部分覆盖最近测量距离处物体反射回的光斑并完全覆盖最远测量距离物体返回的光斑。这种方式可以降低近处测量区域上返回光的接收量，保持远处测量区域上返回光全部接收，从而缩小返回光的动态范围。

参见图2所示的扫描雷达的激光测距头CJT部分，在该实施例中，偏振分束镜PZFSQ2为楔形晶体片。某个光发射窗口，比如1号发射窗口SCK-1，发出的光通过偏振分束镜PZFSQ2后变成两束正交的线偏振光，两束光的传播方向有一定夹角。当偏振旋转器XGQ是四分之一波片时，使其快轴与两束线偏振的振动方向成45度角，这两束光透过后变成圆偏振光，经光学镜头LN准直后成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过四分之一波片时变成线偏振光，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ2变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。当偏振旋转器XGQ是45度法拉第旋转器时，这两束光透过后还是线偏振光，但偏振方向旋转了45度，经光学镜头LN准直后成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过45度法拉第旋转器后，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ2后变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，通过调整线偏振光与楔形晶体片晶体光轴的方向，可以只形成一个探测光束和一个光接收区，构成一个单光束测距系统，该测距头就可以构成一个N个光束的收发一体激光测距头。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，或者是消偏光，通过调整线偏振光与楔形晶体片分束镜的晶体光轴方向，可以形成两个探测光束和两个光接收区，构成一个双光束测距系统，该测距头就可以构成一个2N个光束的收发一体激光测距头，同时测距的采样数提高一倍。

当该收发一体式测距头只做固定点和慢速测距时，其光接收区的参数只由光学系统参数决定。在该系统中，光接收窗口的子接收窗口到相对应的光发射区的距离等于楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差与楔形晶体片到光接收区的距离的乘积。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是6毫米，接收窗口与光接收区的距离是0.209毫米，这就是子窗口的接收中心与发射窗口的发射中心的距离。光接收区的大小，要大于等于发射区的大小，为了降低噪声水平，通常光接收区大小等于光发射区大小。

在图2所示的利用该收发一体式激光测距头的激光雷达系统中，收发一体式测距头的光接收窗口的光接收区的设置，除了与光学系统有关外，还取决于激光雷达系统采样率、扫描系统扫描方式和扫描系统扫描速度。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是6毫米，接收窗口与光接收区的距离是0.209毫米，这就是扫描系统静止时返回光斑中心与发射窗口中心之间的距离。在扫描激光雷达中，激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

参见图3所示的扫描雷达的激光测距头CJT部分，在该实施例中，偏振分束镜PZFSQ2为楔形晶体片。某个光发射窗口，比如1号发射窗口SCK-1，发出的光经光学镜头LN准直，通过偏振分束镜PZFSQ2后变成两束正交的线偏振光，两束光的传播方向有一定夹角。当偏振旋转器XGQ是四分之一波片时，使其快轴与两束线偏振的振动方向成45度角，这两束光透过后变成圆偏振光，成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过四分之一波片时变成线偏振光，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ2变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。当偏振旋转器XGQ是45度法拉第旋转器时，这两束光透过后还是线偏振光，但偏振方向旋转了45度，成一定夹角射向探测区，由被测物体返回的光再次通过45度法拉第旋转器后，其偏振方向相对原偏振方向旋转90度，再经过偏振分束镜PZFSQ2后变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，通过调整线偏振光与楔形晶体片晶体光轴的方向，可以只形成一个探测光束和一个光接收区，构成一个单光束测距系统，该测距头就可以构成一种N个光束的收发一体激光测距头。

在该系统中，如果发射窗口SCK-1发出的光是线偏振光，或者是消偏光，通过调整线偏振光与楔形晶体片分束镜的晶体光轴方向，可以形成两个探测光束和两个光接收区，构成一个双光束测距系统，该测距头就可以构成一种2N个光束的收发一体激光测距头，同时测距的采样数提高一倍。

当该收发一体式测距头只做固定点和慢速测距时，其光接收区的参数只由光学系统参数决定。在该系统中，光接收窗口的子接收窗口到相对应的光发射区的距离等于楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差与光学镜头焦距的乘积。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是15毫米，接收窗口与光接收区的距离是0.523毫米，这就是子窗口的接收中心与发射窗口的发射中心的距离。光接收区的大小，要大于等于发射区的大小，为了降低噪声水平，通常光接收区大小等于光发射区大小。

在图3所示的利用该收发一体式激光测距头的激光雷达系统中，收发一体式测距头的光接收窗口的光接收区的设置，除了与光学系统有关外，还取决于激光雷达系统采样率、扫描系统扫描方式和扫描系统扫描速度。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是15毫米，接收窗口与光接收区的距离是0.523毫米，这就是扫描系统静止时返回光斑中心与发射窗口中心之间的距离。在扫描激光雷达中，激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

在该技术方案中，一种优选的实用的光隔离器由依次设置的楔形晶体片、45度法拉第旋转器和楔形晶体片组成。

参见图4所示的扫描雷达的激光测距头CJT部分，在该实施例中，偏振分束镜PZFSQ21、PZFSQ22为楔形晶体片,45度法拉第旋转器FLD设置在两者之间。某个光发射窗口，比如1号发射窗口SCK-1，发出的光经光学镜头LN准直，通过偏振分束镜PZFSQ21后变成两束正交的线偏振光，两束光的传播方向有一定夹角；再经过45度法拉第旋转器FLD，两束光的偏转旋转45度，再经过PZFSQ22，两束光又合成一束传播方向平行的光，射向探测区，由被测物体返回的光再次通过PZFSQ22、45度法拉第旋转器FLD和PZFSQ21后，变成两束光，分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。

在该系统中，无论发射窗口SCK-1发出的光是何种偏转态的光，都构成一个单光束测距系统，该测距头就可以构成一种N个光束的收发一体激光测距头。这种系统的好处是对光源的偏转态没有特殊要求，并且，即使被测物体是消偏振表面，也不会对探测系统的特性产生影响。该测距头就可以构成一种N个光束的收发一体激光测距头。

当该收发一体式测距头只做固定点和慢速测距时，其光接收区的参数只由光学系统参数决定。在该系统中，光接收窗口的子接收窗口到相对应的光发射区的距离等于楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差与光学镜头焦距的乘积。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是15毫米，接收框框与光接收区的距离是0.523毫米，这就是子窗口的接收中心与发射窗口的发射中心的距离。光接收区的大小，要大于等于发射区的大小，为了降低噪声水平，通常光接收区大小等于光发射区大小。

在图4所示的利用该收发一体式激光测距头的激光雷达系统中，收发一体式测距头的光接收窗口的光接收区的设置，除了与光学系统有关外，还取决于激光雷达系统采样率、扫描系统扫描方式和扫描系统扫描速度。在某个实施例中，楔形晶体片对两个线偏振光产生的角偏转之差为2度，楔形晶体片到光接收区的距离是15毫米，接收框框与光接收区的距离是0.523毫米，这就是扫描系统静止时返回光斑中心与发射窗口中心之间的距离。在扫描激光雷达中，激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

在该技术方案中，另一种优选的实用的光隔离器由晶体平行平板分束器、45度法拉第旋转器、二分之一波片和平行平板分束器组成。其中，45度法拉第旋转器和二分之一波片位于两晶体平行平板分束镜之间；45度法拉第旋转器和二分之一波片的设置顺序可以互换。

参见图5所示的扫描雷达的激光测距头CJT部分，在该实施例中，偏振分束镜PZFSQ11、PZFSQ12为晶体平行平板,。某个光发射窗口，比如1号发射窗口SCK-1，发出的光通过偏振分束镜PZFSQ11后变成两束正交的线偏振光，两束光的传播方向相同，这两束光通过45度法拉第旋转器FLD和二分之一波片HWP后，偏振方向旋转90，通过偏振分束镜PZFSQ12后何为一束，经光学镜头LN准直后成一定夹角射向探测区。由被测物体返回的光再次通过偏振分束镜PZFSQ12、二分之一波片HWP和45度法拉第旋转器FLD后偏振方向保持不变，直接通过偏振分束镜PZFSQ11后分别进入光接收窗口的两个光接收区RCK-11和RCK-12。

当该收发一体式测距头只做固定点和慢速测距时，其光接收区的参数只由光学系统参数决定。在该系统中，光接收窗口的子接收窗口到相对应的光发射区的距离等于晶体平行平板分束器的光束位移量。在某实施例中，采用2毫米厚的平行平板晶体，形成了约0.2毫米的光束偏移，这就是子窗口的接收中心与发射窗口的发射中心的距离。光接收区的大小，要大于等于发射区的大小，为了降低噪声水平，通常光接收区大小等于光发射区大小。

在图5所示的利用该收发一体式激光测距头的激光雷达系统中，收发一体式测距头的光接收窗口的光接收区的设置，除了与光学系统有关外，还取决于激光雷达系统采样率、扫描系统扫描方式和扫描系统扫描速度。在某实施例中，采用2毫米厚的平行平板晶体，形成了约0.2毫米的光束偏移，这就是扫描系统静止时返回光斑中心与发射窗口中心之间的距离。在扫描激光雷达中，激光发射窗口发射的光由最近测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_min/(C×T_s)，激光发射窗口发射的光由最远测量距离处物体返回的通过光隔离器产生的返回光由扫描系统产生的距离偏移量为：2d_sL_max/(C×T_s)；其中：T_s为两个相邻光脉冲的发射时间间距，d_s为扫描系统在T_s时间上在光接收窗口所在平面上扫过的距离，L_min为最近测量距离，L_max为最远测量距离。

在该收发一体式激光测距头技术方案中，优选的，光发射区或者是激光发射芯片谐振腔的输出窗口；是光纤的端面；光接收区或者是探测器的光敏面；是光纤器件的端面。

采用光纤作为发射和接收窗口，可以直接利用光纤行业成熟的器件，降低成本，增加系统可靠性，减小体积。还可以通过活动光纤接口，将无源光测距头部分与有源激光及信号处理部分分离，增加系统安装灵活性和维修灵活性。

也可以定制激光器与探测器集成在一起的器件，降低系统成本。

在某个具体的实施方案中，采用图1所述扫描雷达结构中的收发一体式测距头的结构研制了一种单光束激光测距头，技术参数为：(1)激光器发射光束为线偏振光，发射光纤芯径0.01毫米，数值孔径0.1；(2)光学透镜焦距15毫米；(3)晶体平行平板分束器厚度2毫米，偏振旋转器XGQ采用四分之一波片；(4)接收光纤芯径0.01毫米，数值孔径0.1；(5)发射光纤与接收光纤中心间距0.2毫米。

在某个实施例中，我们采用图1所示扫描雷达结构研制了一种雷达。雷达系统总体技术参数为：(1)水平扫描角60度，垂直扫描角40度；(2)最近测量距离1米，最远测量距离280米；(3)帧频率20Hz，每帧扫描120线，每帧采样数2.4万。关键器件技术指标：(1)双轴MEMS振镜双向扫描，快轴扫描频率1.2KHz，慢轴扫描频率0到100Hz，快轴扫描角30度，慢轴扫描角20度；(2)激光器为线偏振输出激光器，其发光区域直径0.01毫米，数值孔径0.1，最大光脉冲发射频率500000Hz；(3)偏振分束器PZFSQ1平板厚度2.0毫米，使返回光的偏离量为0.2毫米，偏振旋转器XGQ采用四分之一波片；(4)光学镜头焦距15毫米；(5)激光脉冲的发射间距为2微秒，采样率设定为每线200个点，对应的采用角度为0.3度，采样点在接收面上的间距为0.0785毫米；(6)采用单根接收光纤，测量距离为280米处返回光斑的偏移量为73.27微米，接收光纤的中心与发射光纤中心相距0.2毫米，为保证接收光纤接收区覆盖最远处返回光所在区域，接收光纤芯径为158微米，数值孔径0.1。

在某个实施例中，我们希望上述实施例中所接收的返回光信号的动态范围可以大幅压缩，我们采用的方法是在光接收窗口处采用两根光接收光纤，即将上述(6)中的单根光纤换成两根光纤，由于测量距离为1米处返回光斑的偏移量为0.26微米，光斑大小为10微米，两根光纤的芯径取为74微米，数值孔径0.1，两根光纤间距84微米，两根光纤分别接收两个扫描方向上的光，两根光纤的对称中心与光发射光纤的间距是0.2毫米。为了更好的抑制噪声光，两根光纤的芯可采用矩形结构，尺寸为84微米×10微米。在该实施例中，距离1米处物体的返回光斑的能大约只有0.62％被接收，显然，该雷达近处回波能量被极大的抑制，返回光的动态范围被压缩160倍！

在某个实施例中，我们希望上述实施例中雷达的每帧的采样率增加一倍，由于激光发射频率受到最远测量距离限制，激光发射频率不能提高，但我们可以采用下述方案进行改造：(1)调整激光源的偏振方向，使通过偏振分束器PZFSQ1后形成等强度的两束光，两束光沿水平方向分布；(2)使两束光的偏移分离量是探测面采样间距的(X+0.5)倍，X≥1；在该系统中，采用间距在接收面上的距离是0.0785毫米，该间距取为0.196毫米，也就是，偏振分束器PZFSQ1的厚度为1.96毫米；(3)设置两个子光接收窗口，分别与两束回光对应；当每个子窗口采用一个接收区，接收区为光纤，其数值孔径为0.1，芯径为0.58毫米，两接收光纤分别位于发射光纤的两边，间距是0.196毫米。

在某个实施例中，我们希望上述采用率增加了一倍的雷达的两个子接收窗口的光的动态范围尽可能压缩，我们采用的方法是在每个子接收窗口处采用两根光接收光纤，即将上述单根光纤换成两根光纤，由于测量距离为1米处返回光斑的偏移量为0.26微米，光斑大小为10微米，两根光纤的芯径取为74微米，数值孔径0.1，两根光纤间距84微米，两根光纤分别接收两个扫描方向上的光，两根光纤的对称中心与光发射光纤的间距是0.2毫米。为了更好的抑制噪声光，两根光纤的芯可采用矩形结构，尺寸为84微米×10微米。在该实施例中，距离1米处物体的返回光斑的能大约只有0.62％被接收，显然，该雷达近处回波能量被极大的抑制，返回光的动态范围被压缩160倍！

在某个实施例中，我们希望上述实施例中雷达的水平市场角增加到120度，这时我们在雷达中增加一个收发一体式激光测距头，两测距头输出光路夹角为30度，采用图6所示结构，两个光路在两轴扫描镜的镜面上交会。

在某个实施例中，我们采用图4所示扫描激光雷达结构研制了一种雷达，雷达系统总体技术参数为：(1)水平扫描角60度，垂直扫描角40度；(2)最近测量距离1米，最远测量距离280米；(3)帧频率20Hz，每帧扫描120线，每帧采样数2.4万。关键器件技术指标：(1)双轴MEMS振镜双向扫描，快轴扫描频率1.2KHz，慢轴扫描频率0到100Hz，快轴扫描角30度，慢轴扫描角20度；(2)激光器为随机偏振输出激光器，其发光区域直径0.01毫米，数值孔径0.1，最大光脉冲发射频率500000Hz；(3)光学镜头焦距15毫米；(4)偏振分束镜PZFSQ21、PZFSQ22对正常光和异常光产生的角度差是0.6度，在光接收平面上产生的与发射光距离是157微米；(5)激光脉冲的发射间距为2微秒，采样率设定为每线200个点，对应的采用角度为0.3度，采样点在接收面上的间距为0.0785毫米；(6)采用两个子窗口，每个子窗口为单根接收光纤，因测量距离为280米处返回光斑的偏移量为73.27微米，每个接收光纤的中心与发射光纤中心相距0.157毫米，为保证接收光纤接收区覆盖最远处返回光所在区域，接收光纤芯径为158微米，数值孔径0.1。

在某个实施例中，我们希望上述实施例中所接收的返回光信号的动态范围可以大幅压缩，我们采用的方法是在子光接收窗口处采用两根光接收光纤，即将上述(6)中的单根光纤换成两根光纤，由于测量距离为1米处返回光斑的偏移量为0.26微米，光斑大小为10微米，两根光纤的芯径取为74微米，数值孔径0.1，两根光纤间距84微米，两根光纤分别接收两个扫描方向上的光，两根光纤的对称中心与光发射光纤的间距是0.157毫米。为了更好的抑制噪声光，两根光纤的芯可采用矩形结构，尺寸为84微米×10微米。在该实施例中，距离1米处物体的返回光斑的能大约只有0.62％被接收，显然，该雷达近处回波能量被极大的抑制，返回光的动态范围被压缩160倍！

在某个实施例中，我们希望上述实施例中雷达的每帧的水平采样率增加一倍，由于激光发射频率受到最远测量距离限制，激光发射频率不能提高，但我们可以采用下述方案进行改造：(1)采用两个光发射窗口，每个发射窗口对应光接收窗口含有两个子窗口，两个发射窗口按水平扫描方向设置；(2)使每个光发射窗口之间的距离为探测面上系统采样间距的(X+0.5)倍，X≥1；在该系统中，采用间距在接收面上的距离是0.0785毫米，为了使2根光发射光纤和多根光接收光纤能够排开，间距取为0.432毫米。

当每个子窗口采用单个接收区时，光纤数值孔径0.1，芯径取为0.158毫米，两个接收光纤中心到对应发射光纤中心的距离设置为0.157微米。

为了压缩返回光信号的动态范围，每个子窗口采用两个接收区时，光纤数值孔径0.1，芯径取为0.084毫米，两个接收光纤的对称中心到对应发射光纤中心的距离设置为0.157微米。这时，该雷达近处回波能量被极大的抑制，返回光的动态范围被压缩160倍！

在某个实施例中，我们希望上述实施例中雷达的每帧的扫描线数增加一倍，由于激光发射频率收到最远测量距离限制，激光发射频率不能提高，但我们可以采用下述方案进行改造：(1)采用四个光发射窗口，每个窗口对应光接收窗口含有两个子窗口，其中：四个发射窗口排成两行，每行的两个发射窗和接收窗口按照上述实施例中的方式排列；(2)上述实施例中，行间距为0.333度，处于两行的发射窗口的角间距设置为0.1667度，线间距为0.043毫米；(3)两行中的两根发射光纤和对应的多根接收光纤在垂直方向错位(X+0.5)×0.043毫米安装，取0.1935毫米。

在某个实施例中，我们希望上述实施例中雷达的水平市场角增加到120度，这时我们在雷达中增加一个收发一体是激光测距头，两测距头输出光路夹角为30度，采用图6所示结构，两个光路在两轴扫描镜的镜面上交会。

在某个实施例中，将激光扫描雷达的无源探头部分与有源光电子部分分成两块，中间用光纤和电信号线连接，无源探头部分的结构尺寸可以小到40毫米×30毫米×60毫米，可以极大的增加安装灵活性。

本实用新型提供的收发一体激光测距头技术方案，可以降低系统成本、降低光的损耗、提高信噪比，并且可以应用于包括扫描雷达的各种应用中。本实用新型提出的扫描雷达方案，可以使雷达小型化、生产调试装配方便、维修方便，还可以使雷达的最高采样率可以成倍提高，有利同时提高帧频及每帧的采样率，为雷达的设计提供了极大的灵活性。

Claims

1.一种收发一体式激光测距头，其特征是：包括光隔离器、光学镜头、N个光发射窗口以及与光发射窗口一一对应的光接收窗口，其中，N≥1；

2.根据权利要求1所述的收发一体式激光测距头，其特征是：所述光隔离器包括偏振分束镜和偏振旋转器；所述偏振分束镜使经过它的两正交偏振光产生空间位置分离，或者空间角分离；所述偏振旋转器使通过它的线偏振光返回后偏振方向旋转90度。

3.根据权利要求2所述的收发一体式激光测距头，其特征是：所述偏振分束镜为晶体平行平板分束器，用于使两个正交的线偏振光产生空间位置分离；

所述偏振旋转器是四分之一波片或者是45度法拉第旋转器。

4.根据权利要求1所述的收发一体式激光测距头，其特征是：所述光隔离器由依次设置的楔形晶体片、45度法拉第旋转器和楔形晶体片组成。

5.根据权利要求1所述的收发一体式激光测距头，其特征是：所述光隔离器由晶体平行平板分束器、45度法拉第旋转器、二分之一波片和平行平板分束器组成；所述45度法拉第旋转器和所述二分之一波片位于两所述晶体平行平板分束镜之间；所述45度法拉第旋转器和所述二分之一波片的设置顺序可以互换。

6.根据权利要求1所述的收发一体式激光测距头，其特征是：所述光发射窗口为激光发射芯片谐振腔的输出窗口或者是光纤的端面；

所述光接收窗口为探测器的光敏面或者是光纤器件的端面。

7.包含权利要求1至6任一项所述收发一体激光测距头的扫描雷达，其特征是：由至少一个所述收发一体激光测距头和一个扫描系统组成；所述扫描系统位于所述收发一体激光测距头后面的收发光路上；

8.根据权利要求7所述的扫描雷达，其特征是：所述光接收窗口的光接收区，与所对应的光发射窗口发出并由光隔离器产生的返回光偏离一定的距离，使由最近测量距离上物体返回的光与所述光接收区部分重叠，使最远测量距离处物体返回的光与所述光接收区完全重叠。

9.根据权利要求7所述的扫描雷达，其特征是：所述扫描系统为一维扫描系统；所述一维扫描系统或者为单轴扫描振镜，或者为单轴旋转多棱反射镜；或者为单轴旋转平台。

10.根据权利要求7所述的扫描雷达，其特征是：所述扫描系统为两维扫描系统；所述两维扫描系统由单轴器件按技术要求组合而成，所述单轴器件包括单轴旋转平台、单轴旋转多棱反射镜及单轴扫描振镜；或者所述两维扫描系统为一个双轴MEMS扫描振镜；或者是排列在同一个平面上的、可同步工作的多个双轴MEMS扫描振镜组成的阵列。