CN217954744U - 激光雷达接收系统及具有其的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种激光雷达接收系统及具有其的激光雷达，涉及激光雷达技术领域，为解决现有激光雷达会使得接收到的信号的信噪比劣化的问题而设计。该激光雷达接收系统包括沿光路返回方向依次设置的接收镜头和光电探测器，沿远离接收镜头的方向，光电探测器偏离接收镜头的焦平面。本实用新型使得大角度的入射光线无法照射至光电探测器，保证光电探测器能够最大限度地接收中心反射信号光，同时，接收镜头在汇聚近端光线时，汇聚光会在焦平面之前，而光电探测器设置在焦平面的后端，因此更容易避开杂散信号，从而有效提升接收到的信号的信噪比。

Description

激光雷达接收系统及具有其的激光雷达

技术领域

本实用新型涉及激光雷达技术领域，具体而言，涉及一种激光雷达接收系统及具有其的激光雷达。

背景技术

激光扫描检测技术的原理为：基于对激光束飞行时间的测量，并按照定义好的时间间隔发出激光脉冲，通过定时器计算发射脉冲和接收脉冲之间的时间间隔来得到与被测目标之间的距离。脉冲激光束经过测距传感器内部的扫描组件形成扫描，探测目标的轮廓曲线由所接收到的一系列脉冲系列来确定。

目前，激光扫描传感器的光路一种使用收发分离光路，一种使用同轴光路。具体地，同轴光路为发射光在接收透镜中心发射，照射探测物后反射，然后接收信号。由于激光雷达安装的窗口罩自身发射回波，以及存在雨、雪、雾对近端较强信号反射造成干扰的问题，会使接收回波照射到窗口罩或者近端的雨、雪、雾产生触发距离的现象，同时，受到接收探测器自身信号延迟的影响，导致在使用SiPM(Silicon photomultiplier，硅光电倍增管)、APD(Avalanche Photo Diode，雪崩二极管)等探测器件时，无法完成近距的测距，所以，导致同轴二维扫描激光雷达的测距能力无法实现突破。并且，使用远距离测距的收发异轴的方案还是会有近端雨、雪、雾的干扰问题，同时，收发异轴的转动需要用到磁环传输影响整机的使用寿命，或者，使用大面阵探测器导致成本居高不下。因此，解决或者改进上述问题和弊端对激光测距设备的光、机、电、算设计和优化极为重要。

传统的降低测距盲区的方案有以下几种：1、使用不同放大倍数的放大器，进行逐步放大，然后中间抽取信号，设置不同的阈值，以保证近端距离的测试；2、通过向探测器施加强弱不同的电压改变探测器的灵敏度，以保证近端距离的测试；3、在接收光路内部分光，一部分给PIN(Positive-Intrinsic-Negative，P型半导体-杂质-N型半导体)探测器，主分光给SiP M；4、采用一强一弱多次发射的方式；5、使用两个阈值比较器接收光路，一高一低，以降低近端盲区；6、在接收镜头内部添加光阑，利用光阑对光束的限制实现对杂散信号的降低。这些方案虽然能够降低激光雷达的测距盲区，但是，接收到的信号的信噪比较低。

实用新型内容

本实用新型的第一个目的在于提供一种激光雷达接收系统，以解决现有激光雷达会使得接收到的信号的信噪比劣化的技术问题。

本实用新型提供的激光雷达接收系统，包括沿光路返回方向依次设置的接收镜头和光电探测器，沿远离所述接收镜头的方向，所述光电探测器偏离所述接收镜头的焦平面。

进一步地，所述光电探测器偏离所述焦平面的距离为L，L＝(1/5～1/2)×f，其中，f为所述接收镜头的焦距。

进一步地，所述接收镜头包括沿光路返回方向依次设置的正透镜组和负透镜组，所述正透镜组被配置为对由探测目标返回的信号光进行聚焦，所述负透镜组被配置为将由所述正透镜组聚焦后的光线射向所述光电探测器。

进一步地，所述负透镜组包括沿光路返回方向依次设置的一片平凹透镜和一片双凹透镜，所述平凹透镜的凹面朝向所述正透镜组。

进一步地，所述正透镜组包括一片平凸透镜，所述平凸透镜的平面朝向所述负透镜组。

进一步地，所述光电探测器为阵列探测器，所述阵列探测器包括多个像元，所述多个像元呈M行N列排布，每行列均能够单独控制开启和关断，其中，M和N均为整数，且M＞1，N＞1。

进一步地，所述光电探测器的类型为MPPC、SiPM、SPAD和APD中的任意一种。

本实用新型激光雷达接收系统带来的有益效果是：

通过使光电探测器沿远离接收镜头的方向偏离接收镜头的焦平面一段距离，从而使得该激光雷达接收系统在工作时，一方面，大角度的入射光线经接收镜头接收后，会因为离焦原因，而朝向偏离光电探测器的接收面以外散开，使得大角度的入射光线无法照射至光电探测器，同时，由于光电探测器离焦设置，使得中心视场接收的光线先通过聚焦，经过焦点后又散开，而散开的光线与光电探测器的外轮廓吻合，从而保证光电探测器能够最大限度地接收中心反射信号光；另一方面，由于近端汇聚的雨、雪、雾反射噪声信号比远端的目标信号要强，同时，接收镜头在汇聚近端光线时，汇聚光会在焦平面之前，而光电探测器设置在焦平面的后端，因此更容易避开杂散信号。

该激光雷达接收系统通过上述设置，能够有效提高接收到的信号的信噪比，且该设置仅对光电探测器的位置进行改变，无需设置其他部件，从而使得激光雷达接收系统的体积大大降低。而且，由于无需设置光阑，还避免了光阑对有效光信号的抑制，从而防止了对目标信号的强度的减弱。另外，该激光雷达接收系统能够同时对杂散信号和目标信号进行接收，不仅无需设置分光片和阈值比较器等部件，而且，还无需进行多次发射，在降低激光雷达接收系统的成本的同时，还提高了激光雷达接收系统的工作效率。

本实用新型的第二个目的在于提供一种激光雷达，以解决现有激光雷达会使得接收到的信号的信噪比劣化的技术问题。

本实用新型提供的激光雷达，包括MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)振镜、发射单元、主控单元和上述激光雷达接收系统，其中，所述MEMS振镜、所述发射单元和所述激光雷达接收系统均与所述主控单元电连接。

进一步地，所述激光雷达还包括供电单元，所述供电单元被配置为向所述激光雷达的用电部件提供电能。

本实用新型激光雷达带来的有益效果是：

激光雷达在工作时，发射单元发射光信号至MEMS振镜，MEMS振镜扫描发射，穿过窗口片有部分光沿光路返回，主要光源透过窗口片照射至探测目标，信号返回后由激光雷达接收系统接收，并将回波信号发送至主控单元，由主控单元对探测信号进行计时得到探测距离，将多个角度的探测距离进行排列汇总形成点云。

通过在激光雷达中设置上述激光雷达接收系统，相应地，该激光雷达具有上述激光雷达接收系统的所有优势，在此不再一一赘述。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的激光雷达的原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统在接收正常角度光线时的光路示意图；

图4为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统在接收大角度光线时的光路示意图；

图5为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统的光电探测器的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统的光电探测器采集到的接收信号的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的激光雷达接收系统提升测距强度的方法的流程示意图。

附图标记说明：

010-激光雷达接收系统；020-MEMS振镜；030-发射单元；040-主控单元；

100-接收镜头；200-光电探测器；300-焦平面；

110-平凸透镜；120-平凹透镜；130-双凹透镜；

210-像元。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1为本实施例提供的激光雷达的原理示意图。如图1所示，本实施例提供了一种激光雷达，包括MEMS振镜020、发射单元030、主控单元040和激光雷达接收系统010，其中，MEMS振镜020、发射单元030和激光雷达接收系统010均与主控单元040电连接。

激光雷达在工作时，发射单元030发射光信号至MEMS振镜020，MEMS振镜020扫描发射，穿过窗口片有部分光沿光路返回，主要光源透过窗口片照射至探测目标，信号返回后由激光雷达接收系统010接收，并将回波信号发送至主控单元040，由主控单元040对探测信号进行计时得到探测距离，将多个角度的探测距离进行排列汇总形成点云。

本实施例中，激光雷达还包括供电单元，其中，供电单元被配置为向激光雷达的用电部件提供电能。

通过在激光雷达中设置供电单元，能够实现向激光雷达中用电部件的供电，从而便于激光雷达的使用。

需要说明的是，激光雷达的工作原理为本领域技术人员可以根据现有技术获得的，本实施例并未对此进行改进，故不再展开描述。

下述文字中，将对激光雷达接收系统010的具体结构及工作原理进行说明。

图2为本实施例提供的激光雷达接收系统010的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的激光雷达接收系统010，包括沿光路返回方向依次设置的接收镜头100和光电探测器200，其中，沿远离接收镜头100的方向，光电探测器200偏离接收镜头100的焦平面300。

图3为本实施例提供的激光雷达接收系统010在接收正常角度光线时的光路示意图，图4为本实施例提供的激光雷达接收系统010在接收大角度光线时的光路示意图。如图3和图4所示，通过使光电探测器200沿远离接收镜头100的方向偏离接收镜头100的焦平面300一段距离，从而使得该激光雷达接收系统010在工作时，一方面，大角度的入射光线经接收镜头100接收后，会因为离焦原因，而朝向偏离光电探测器200的接收面以外散开，具体请参见图4，使得大角度的入射光线无法照射至光电探测器200，同时，由于光电探测器200离焦设置，使得中心视场接收的光线先通过聚焦，经过焦点后又散开，而散开的光线与光电探测器200的外轮廓吻合，从而保证光电探测器200能够最大限度地接收中心反射信号光；另一方面，由于近端汇聚的雨、雪、雾反射噪声信号比远端的目标信号要强，同时，接收镜头100在汇聚近端光线时，汇聚光会在焦平面之前，具体请参见图4，而光电探测器200设置在焦平面的后端，因此更容易避开杂散信号。

该激光雷达接收系统010通过上述设置，能够有效提高接收到的信号的信噪比，且该设置仅对光电探测器200的位置进行改变，无需设置其他部件，从而使得激光雷达接收系统010的体积大大降低。而且，由于无需设置光阑，还避免了光阑对有效光信号的抑制，从而防止了对目标信号的强度的减弱。另外，该激光雷达接收系统010能够同时对杂散信号和目标信号进行接收，不仅无需设置分光片和阈值比较器等部件，而且，还无需进行多次发射，在降低激光雷达接收系统010的成本的同时，还提高了激光雷达接收系统010的工作效率。

需要说明的是，本实施例中，如图3所示，焦平面300指的是经过焦点F、且与光路返回方向相垂直的平面；在图3和图4的视角下，左端为焦平面300的前端，也即焦点F的前端，右端为焦平面300的后端，也即焦点F的后端。

请继续参照图3，本实施例中，光电探测器200偏离焦平面300的距离为L，L＝(1/5～1/2)×f，其中，f为接收镜头100的焦距。

通过将光电探测器200偏离焦平面300的距离设置为上述L，在减少光电探测器200接收的杂散光的同时，还能够增加光电探测器200接收的有效光，从而保证本实施例激光雷达接收系统010处于较佳工况。

需要说明的是，本实施例中，图中的f仅仅是对接收镜头100的焦距进行示意，实际情况下，焦距通过相应计算获得，其与接收镜头100中的透镜参数相关。其中，如何对焦距进行计算为本领域技术人员所熟知的现有技术，故不再展开描述。

请继续参照图3和图4，本实施例中，接收镜头100包括沿光路返回方向依次设置的正透镜组和负透镜组，其中，正透镜组被配置为对由探测目标返回的信号光进行聚焦，负透镜组被配置为将由正透镜组聚焦后的光线射向光电探测器200。

该接收镜头100中，正透镜组和负透镜组组合形成一个正焦距镜头，利用该接收镜头100，能够实现对光线的顺利接收。

请继续参照图3和图4，本实施例中，负透镜组包括沿光路返回方向依次设置的一片平凹透镜120和一片双凹透镜130，其中，平凹透镜120的凹面朝向正透镜组。

这种负透镜组的设置形式，不仅能够实现对光线的有效聚焦，而且，结构简单，成本低廉。

请继续参照图3和图4，本实施例中，正透镜组包括一片平凸透镜110，平凸透镜110的平面朝向所述负透镜组。

图5为本实施例提供的激光雷达接收系统010的光电探测器200的结构示意图。如图5所示，本实施例中，光电探测器200为阵列探测器，具体地，阵列探测器包括多个像元210，多个像元210呈M行N列排布，每行列均能够单独控制开启和关断，其中，M和N均为整数，且M＞1，N＞1。

通过将光电探测器200设置为阵列探测器，使得光电探测器200的各行各列均可以独立开启和关断，从而使得激光雷达接收系统010在使用中，可以通过实际光路测试，调节行列的关断，以保证光电探测器200尽量不会收到杂散信号。

另外，光电探测器200为阵列探测器的设置形式，还可以通过控制阵列探测器行列的开关，控制光电探测器200的接收强度，使得本实施例激光雷达接收系统010能够通过对探测信号的强弱的调节，增加光电探测器200的动态范围。

需要说明的是，传统的接收光路为了抑制杂散光，通常采用添加光阑的方式对杂散光进行抑制，但是，该设置会同时降低有效信号的强度。而本申请中，通过使用阵列探测器，能够定量地测试出信噪比的强度，从而选择性地开启和关断像元210。

请继续参照图5，本实施例中，M＝28，N＝28，该光电探测器200的28行和28列均有单独控制单元，通过控制共56个行列保证光电探测器200尽量不会受到杂散信号。在其他实施例中，M和N还可以为其他取值。

作为一个具体实施例，光电探测器200的边长尺寸为1mm，像元210大小为25μm，间隙为10μm；接收镜头100的焦距f为25mm，光电探测器200设置在焦点后端5mm的位置处，也就是说，L＝5mm。

本实施例中，光电探测器200的具体类型可以为MPPC、SiPM、SPAD和APD中的任意一种。

使用上述光电探测器200为阵列探测器时的激光雷达接收系统010规避杂散光，包括如下步骤：使窗口片与探测目标的距离大于设定距离；利用光电探测器200采集接收信号，接收信号包括前端信号和后端信号，其中，前端信号为杂散信号，杂散信号包括窗口片反射信号和激光雷达接收系统010内部的反射信号，后端信号为目标信号；控制光电探测器200的行列的开启和关断，分别检测前端信号和后端信号的变化，关断前端信号强的行列，使得前端信号减弱；开启后端信号强的行列，使得后端信号增强，最终留下前端信号最弱、后端信号最强的行列。

这种选择性地关断光电探测器200行列的方式，能够最大限度地降低收到杂散光的行列像元210，同时，能够开启接收有效信号的行列像元210，使得信噪比得到最大程度的提升，进而达到提升测距强度的目的。

图6为本实施例提供的激光雷达接收系统010的光电探测器200采集到的接收信号的示意图。如图6所示，前端信号为杂散信号，后端信号为目标信号，横坐标为时间。通过上述设置，使得被接收到的信号大部分为后端的目标信号，实现了信噪比的最大化，从而达到了提升测距强度的目的。

本实施例中，控制光电探测器200的行列的开启和关断的步骤中，从光电探测器200的边缘行列向其内部进行关断控制。如此设置，在提升测距强度的同时，还能够提高光路测试效率。

图7为本实施例提供的激光雷达接收系统提升测距强度的方法的流程示意图。如图7所示，为提升测距强度方法的一个具体实施例，包括如下步骤：S100：探测器安装完成，安装窗口片，照射到指定距离探测目标上,探测目标和窗口片距离5米以上；S200：采集接收信号强度，接收信号有两个，前端信号为窗口片和内部反射信号，此为杂散信号，后端信号为探测目标信号，此为目标信号；S300：对阵列探测器进行控制，从边缘行列开始向内进行关断控制，找到窗口片反射信号最强的行列；S400：关断反射信号强的行列，开启目标信号强的行列，以最终留下前端信号最弱、后端信号最强的行列。

综上所述，本申请提供的激光雷达接收系统及具有其的激光雷达，一方面，基于MEMS振镜020的激光雷达，通过改变光电传感器与接收镜头100的距离，能够更好地降低杂散光，其中，杂散光包括：1、激光雷达接收系统010内部反射产生的；2、近端雨、雪、雾产生的；3、大角度的阳光噪声光源的干扰；另一方面，基于使用阵列探测器的激光雷达，能够控制接收强弱，通过选择性地关断行列的方式，最大限度地降低收到杂散光的行列像元210，同时，能够开启接收有效信号的行列像元210，最大限度地提升信噪比，从而提升测距强度。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“左”、“右”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光雷达接收系统，其特征在于，包括沿光路返回方向依次设置的接收镜头(100)和光电探测器(200)，沿远离所述接收镜头(100)的方向，所述光电探测器(200)偏离所述接收镜头(100)的焦平面(300)。

2.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述光电探测器(200)偏离所述焦平面(300)的距离为L，L＝(1/5～1/2)×f，其中，f为所述接收镜头(100)的焦距。

3.根据权利要求1所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述接收镜头(100)包括沿光路返回方向依次设置的正透镜组和负透镜组，所述正透镜组被配置为对由探测目标返回的信号光进行聚焦，所述负透镜组被配置为将由所述正透镜组聚焦后的光线射向所述光电探测器(200)。

4.根据权利要求3所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述负透镜组包括沿光路返回方向依次设置的一片平凹透镜(120)和一片双凹透镜(130)，所述平凹透镜(120)的凹面朝向所述正透镜组。

5.根据权利要求3所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述正透镜组包括一片平凸透镜(110)，所述平凸透镜(110)的平面朝向所述负透镜组。

6.根据权利要求1-5任一项所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述光电探测器(200)为阵列探测器，所述阵列探测器包括多个像元(210)，所述多个像元(210)呈M行N列排布，每行列均能够单独控制开启和关断，其中，M和N均为整数，且M＞1，N＞1。

7.根据权利要求6所述的激光雷达接收系统，其特征在于，所述光电探测器(200)的类型为MPPC、SiPM、SPAD和APD中的任意一种。

8.一种激光雷达，其特征在于，包括MEMS振镜(020)、发射单元(030)、主控单元(040)和权利要求1-7任一项所述的激光雷达接收系统，其中，所述MEMS振镜(020)、所述发射单元(030)和所述激光雷达接收系统均与所述主控单元(040)电连接。

9.根据权利要求8所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括供电单元，所述供电单元被配置为向所述激光雷达的用电部件提供电能。

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