CN218240411U - 一种大范围测量的激光雷达光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大范围测量的激光雷达光学系统，在发射系统中安装主副激光发射二极管，通过电子控制电路循环切换主副激光发射二极管，以满足不同距离物体的测距。同时在接收透镜处添加柱面补偿区域，补偿光学外罩产生的偏移误差，使接收透镜接收到的光更多的打在激光接收器上，在扩大测量范围的同时，使最终的测量更加准确。

Description

一种大范围测量的激光雷达光学系统

技术领域

本实用新型涉及激光测量技术领域，更具体的说是涉及一种大范围测量的激光雷达光学系统。

背景技术

激光雷达主要包含脉冲式激光雷达，相位式激光雷达和三角法激光雷达。其中，脉冲式激光雷达包括激光发射接收模块，主要用于中远距离的激光测距，脉冲式激光测距的过程是：测距仪发射的激光经被测量物体反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间乘积的一半就是测距仪和被测量物体之间的距离，然后将此距离信息传送到电子芯片上进行处理，电子软件根据接收到的信号，控制雷达做下一步操作。

在激光雷达产品中，会因系统本身存在许多使用限制，比如远距离测量能力良好的激光雷达在测量近距离物体时有较大误差，近距离测量能力良好的激光雷达无法测量远距离物体。激光雷达可测量距离与光学系统的设计有关，常规的光学系统无法同时满足近距离和远距离测距。

目前市面上的单个激光雷达，无法同时满足近距离和远距离物体的测量。要想实现远近距离的测量，往往需要多个激光雷达组合，如此一来，产品的成本较高，并且体积较大。

因此，如何扩大激光雷达测量范围，并且减小设备体积，降低设备成本是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种大范围测量的激光雷达光学系统，在发射系统中安装主副激光发射二极管，通过电子控制循环切换主副激光发射二极管，满足远近距离的测量，同时在接收透镜处胶合添加柱面补偿透镜作为柱面补偿区域，补偿近距离测量时接收光路偏折的距离，使接收透镜接收到的光更多的打在激光接收器上，在扩大测量范围的同时，使最终的测量更加准确，使安装有该光学系统的激光雷达可实现远近距离大范围测量。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种大范围测量的激光雷达光学系统，包括激光发射光学系统、激光接收光学系统、光学外罩和电子控制板；

所述激光发射光学系统和所述激光接收光学系统设置于所述光学外罩内，且均电连接所述电子控制板；

所述激光发射系统包括主副激光发射二极管；所述激光接收系统设置有柱面补偿区域；所述主副激光发射二极管电连接所述电子控制板。

上述技术方案产生的技术效果，激光发射光学系统和激光接收光学系统主要用于测量被测物距离，向被测物发射光信号并接收反射的光信号，电子控制板控制循环切换主副激光发射二极管，采集适合主副激光发射二极管测距距离的被测物的反射光信号，根据该反射光信号计算所测距离。激光发射系统设置主副光源，可以实现单一系统同时具备远距离物体和近距离物体的测量能力，同时意味着至少有一个光源是离轴的，因此在接收系统根据实际系统确定柱面补偿区域位置。

优选的，所述激光接收光学系统还包括接收透镜和激光接收器，被测物体反射的激光依次经过光学外罩、接收透镜和柱面补偿区域，被激光接收器接收，所述激光接收器电连接所述电子控制板；所述柱面补偿区域位于所述接收透镜一侧的上部，采用镜面补偿透镜胶合在所述接收透镜上作为所述柱面补偿区域。

优选的，所述主副激光发射二极管包括主激光发射二极管和副激光发射二极管；所述激光发射系统还包括发射透镜，所述主激光发射二极管和副激光发射二极管通过所述发射透镜发射激光；所述主激光发射二极管和所述副激光发射二极管并列设置，所述主激光发射二极管正对所述发射透镜光轴，所述副激光发射二极管位于远离接收系统的所述发射透镜光轴一侧；副激光发射二极管不在发射透镜光轴上，放置在远离接收系统的一端，使近距离的发射激光经被测物体反射后能够成功打在激光接收器上，满足1米内近距离的测量要求；

上述技术方案产生的技术效果，所述的激光雷达在近距离测量时，因被测物体较近，且光源发散角固定，反射回来的激光光路会向远离激光接收器的方向偏移，激光接收器固定不动的情况下，采用远离接收透镜的副激光发射二极管可以保证下移的接收激光光路打在激光接收器上；

所述的激光雷达在远距离测量时，因被测物体远，且光源发散角固定，反射回来的激光光路会向靠近激光光源的方向偏移，同时光学外罩的存在也会使接收激光光路向靠近激光光源的方向偏移，激光接收器向靠近激光光源的方向偏移，柱面补偿区域主要用于补偿近距离偏折的光路，保证接收激光光路打在激光接收器上。

1米以上的远距离测量采用主激光发射二极管；1米以下的近距离测量时，采用副激光发射二极管。

优选的，所述电子控制板控制自动循环切换点亮所述主激光发射二极管和所述副激光发射二极管，激光接收光学系统的激光接收器接收反射光信号，并根据预设信号强度范围，从所述反射光信号中筛选出有效光信号，传输至外部设备进行距离计算，使最终检测结果更加精确，扩大了测量距离的范围。当主激光发射二极管发射光信号照射至近距离物体时，返回的光信号强度较强，超出预设信号强度范围；当副激光发射二极管发射光信号照射至远距离物体时,返回的光信号强度较弱，接受到的光信号小于预设信号强度范围。根据预设信号强度范围筛选出的反射光信号，基本符合采用主激光发射二极管进行远距离测距和采用副激光发射二极管进行近距离测距的设计要求。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型公开提供了一种大范围测量的激光雷达光学系统，在发射系统中安装主副激光发射二极管，电子软件通过循环切换主副激光发射二极管，筛选出满足信号强度范围的光信号，以满足不同距离物体的测距。电子控制电路控制自动循环切换主激光发射二极管和副激光发射二极管，主激光发射二极管主要用于远距离测量；副光源不处于光轴中心，能满足1m以内的近距离物体的测距。为提高激光雷达的测距能力，在接收透镜处添加离焦的柱面补偿区域，通过胶合柱面补偿透镜实现，当测量近距离物体时，光由于入射角度的问题，使得近距离的接收光路发生偏折，柱面补偿区域可以改变光的角度，使得接收的激光信号能够正常打在激光接收器上，使电子控制板能够接收到足够的激光信号，然后根据预设的信号强度范围对接收的激光信号进行筛选，筛选出符合测距范围的有效光信号，完成测距，使最终检测结果更加精确，在不增加激光雷达体积的情况下，扩大了测量距离的范围。

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附图为本实用新型提供的大范围测量激光雷达光学系统整体结构示意图；

图2附图为本实用新型提供的激光雷达发射系统光路示意图；

图3附图为本实用新型提供的激光雷达接收系统光路示意图；

图4附图为本实用新型提供的激光雷达主副激光发射二极管光源切换电路示意图。

附图中：11-主激光发射二极管，12-副激光发射二极管，2-发射透镜，3-光学外罩，4-接收透镜，5-柱面补偿区域，6-激光接收器。

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。

本实用新型实施例公开了一种大范围测量的激光雷达光学系统，包括安装在光学外罩内的激光发射光学系统和激光接收光学系统；激光发射系统包括主激光发射二极管、副激光发射二极管和发射透镜，主激光发射二极管和副激光发射二极管通过发射透镜发射激光；激光接收光学系统包括依次设置的接收透镜、离焦的柱面补偿区域和激光接收器，柱面补偿区域设置在接收透镜上，采用柱面补偿透镜胶合在接收透镜上作为柱面补偿区域，被测物体反射的激光依次经过光学外罩、接收透镜和柱面补偿区域，被激光接收器接收；主激光发射二极管、副激光发射二极管和激光接收器均电连接电子控制板；电子控制板循环控制开启主激光发射二极管或副激光发射二极管，从而实现远距离测量或近距离测量。

电子控制板循环切换主副激光发射二极管，完成远近距离的测量；接收系统中添加离焦的柱面补偿区域，使接收透镜接收到的激光更多的打在激光接收器上，使雷达的接收能力增强，实现大范围测距。

如图1所示，主激光发射二极管11、副激光发射二极管12、发射透镜2、光学外罩3、接收透镜4、柱面补偿透镜5和激光接收器6组成激光雷达的激光发射系统和激光接收系统，其中激光接收器6自带滤光片；激光发射二极管和激光接收器连接电子控制板，测距过程是：电子控制板通过APC_GATE向激光发射二极管发送信号，循环控制主激光发射二极管和副激光发射二极管切换发射激光，经过发射透镜，透过光学外罩打在被测物体上，被测物体反射激光，激光透过光学外罩，经过接收透镜，通过柱面补偿区域补偿，打到激光接收器上，电子控制板根据预设的信号强度范围筛选激光接收器接收的反射光信号，反射光信号携带有传播时间信息，将其发送至外部设备，进行实际测量距离计算，实际测量距离＝光在空气中的传播速度*传播时间/2。当实际测量距离小于等于1米时，采用副激光发射二极管发射的光信号被反射回来的反射光信号被筛选保留，否则采用主激光发射二极管发射的光信号被反射回来的反射光信号被筛选保留。

如图2所示，激光发射系统中的光源包括主激光发射二极管11和副激光发射二极管12。其中，主激光发射二极管11位于发射透镜3的光轴上，主要测量1米以外的远距离物体；副激光发射二极管12位于远离接收透镜的一端，并不在发射透镜3的光轴上，主要测量1米以内的近距离物体。

如图3所示，激光接收系统中，反射回来的激光经过光学外罩3，再经过接收透镜4，通过柱面补偿区域5打到激光接收器6上，柱面补偿区域5和激光接收器6位于相对接收透镜光轴稍靠近发射透镜的位置。

如图4所示，为电子控制板上设置的电子控制电路，电子控制电路中LASER_P1_EN和LASER_P2_EN分别连接主激光发射二极管11和副激光发射二极管12，电子控制电路根据软件接收信号强度，通过APC_GATE向激光发射二极管发送信号，控制主副激光发射二极管的切换。

柱面补偿区域位置确定方法：

假如，激光发射光学系统发射的激光垂直于目标物体，目标物体反射的激光与发射的激光呈一定角度，通过接收透镜传输至激光接收器，目标物体与接收透镜直接的极限距离大概为100mm，目标物体与接收透镜光轴中心的垂直间距设为A，接收透镜的光轴中心与激光接收器之间的距离设为B，则设激发接收器接收到反射激光，柱面补偿区域的下边缘与接收透镜的光轴中心之间的距离为x，计算公式为：

则

靠透镜最边缘的尺寸主要考虑透镜装配，补偿区域到边缘至少要有0.8-1mm的余量用于结构装配。

但实际设计的柱面补偿区域根据接收器实际接收到的能量适当扩大缩小区域，最终区域会根据系统能量进行调节，影响因素包括接收到的能量受接收透镜和补偿区域的曲率、激光接收器(APD)的响应能量等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

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 (4)

1.一种大范围测量的激光雷达光学系统，其特征在于，包括激光发射光学系统、激光接收光学系统、光学外罩和电子控制板；

所述激光发射光学系统和所述激光接收光学系统设置于所述光学外罩内，且均电连接所述电子控制板；

所述激光发射光学系统包括主副激光发射二极管；所述激光接收系统设置有柱面补偿区域；所述主副激光发射二极管电连接所述电子控制板。

2.根据权利要求1所述的一种大范围测量的激光雷达光学系统，其特征在于，所述激光接收光学系统还包括接收透镜和激光接收器，被测物体反射的激光依次经过所述光学外罩、所述接收透镜和所述柱面补偿区域，被所述激光接收器接收，所述激光接收器电连接所述电子控制板；所述柱面补偿区域位于所述接收透镜一侧的上部，采用镜面补偿透镜胶合在所述接收透镜上作为所述柱面补偿区域。

3.根据权利要求1所述的一种大范围测量的激光雷达光学系统，其特征在于，所述主副激光发射二极管包括主激光发射二极管和副激光发射二极管；所述激光发射光学系统还包括发射透镜，所述主激光发射二极管和副激光发射二极管通过所述发射透镜发射激光；所述主激光发射二极管和所述副激光发射二极管并列设置，所述主激光发射二极管正对所述发射透镜光轴，所述副激光发射二极管位于远离接收系统的所述发射透镜光轴一侧。

4.根据权利要求3所述的一种大范围测量的激光雷达光学系统，其特征在于，所述电子控制板控制循环点亮所述主激光发射二极管和所述副激光发射二极管，激光接收光学系统接收反射光信号，并根据预设信号强度范围，从所述反射光信号中筛选出有效光信号。

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