TWI794091B

TWI794091B - 重合光源的光學雷達

Info

Publication number: TWI794091B
Application number: TW111117317A
Authority: TW
Inventors: 裴靜偉; 蔡松達; 廖浩雲
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-02-21
Also published as: TW202344864A

Abstract

一種重合光源的光學雷達，包含一發射一主光束與一輔助光束的發光單元、一感測光信號且產生一感測信號的接收單元、一光學單元，及一連接於該發光單元與該接收單元的控制單元。該輔助光束的光信號強度小於一閥值。該光學單元用於導引該主光束沿一去程由該發光單元朝一目標物行進，及沿一回程由該目標物朝該接收單元行進，且還用於導引該輔助光束僅能單向朝該接收單元行進，使該輔助光束與該回程的主光束同步到達該接收單元。該控制單元根據該感測信號，解析該目標物的一特徵量。藉此，通過重合的主光束與輔助光束，提升光信號強度及辨識率。

Description

重合光源的光學雷達

本發明是有關於一種光學雷達，特別是指一種重合光源的光學雷達。

光學雷達（Lidar），英文全名為Light Detection And Ranging，主要是利用光來量測目標物的距離或相對移動的速度，而被廣泛應用在工業製造、交通系統或物流領域中，在汽車輔助駕駛的應用逐漸普及後，更是受到重視。

惟，由於光會隨著飛行時間、距離及環境的影響而衰減，以致於辨識率不如預期。目前巿場主要以增加發光功率、或使用靈敏度更高的光感測器、或複雜的訊號放大電路系統提升辨識率，不但成本高、構造複雜，且往往也伴隨體積增大的缺點。

參閱圖1，說明中國專利公開號第107167813號專利案所揭露之一種習知的光學雷達1，主要包含一發射第一光線的第一發光器11、一發射第二光線的第二發光器12，及用於接收第一光線或第二光線的接收器13。藉此，根據該第一光線行進至一目標物2再反射至該接收器13的飛行時間，計算出該目標物的距離或移動的速度。或在需要校正時，通過該第二發光器12與該接收器13距離固定、且光速已知的條件，根據第二光線的飛行時間，校准光學雷達的誤差值。

中國專利公開號第107167813號專利案，雖然使用了第一光線與第二光線，但是，第二光線用於校准，並不會與第一光線同時存在，因此，在第一光線衰減的情形下，同樣會有辨識率低的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種能夠提升光信號強度及辨識率的重合光源的光學雷達。

於是，本發明重合光源的光學雷達，包含一發光單元、一接收單元、一光學單元，及一控制單元。

該發光單元用於同步發射一主光束與一輔助光束，該輔助光束的光信號強度被設計成小於一閥值。

該接收單元用於感測光信號，且在光信號強度大於該閥值時，產生一感測信號。

該光學單元與該發光單元相間隔，且用於導引該主光束沿一去程由該發光單元朝該目標物行進，及沿一回程由該目標物朝該接收單元行進，該光學單元還用於導引該輔助光束僅能單向朝該接收單元行進，且重合於該回程的主光束。

該控制單元連接於該發光單元與該接收單元，用於觸發該發光單元，及接收該感測信號，並根據該感測信號，解析該目標物的特徵量。

本發明之功效在於：通過光信號強度小於該閥值的輔助光束，在不足以單獨被檢測的情形下，重合於該主光束，進而達到提升光信號強度及提高辨識率的目的。

參閱圖2、圖3與圖4，本發明重合光源的光學雷達的一實施例，適用於探測一目標物2的特徵量。該特徵量至少包含距離、速度。由於通過已知的光速、光的行進時間，計算出與該目標物2的距離，或該目標物2相對移動的速度，並不是本案技術特徵，且本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

該光學雷達包含一發光單元3、一接收單元4、一光學單元5，及一控制單元6。

在本實施例中，該發光單元3包括一發射器31、一分光器32、一光衰減器33、一入光光纖34、一主光纖35，及一輔助光纖36。

該發射器31用於發射雷射脈衝光。

該分光器32用於將雷射脈衝光分流成該主光束L1與該輔助光束L2。在本實施例中，該主光束L1與該輔助光束L2的分光比率介於9.5:0.5~8.5:1.5，較佳的，為9：1。

該光衰減器33用於減弱該輔助光束L2的光信號強度，而控制該輔助光束L2的光信號強度小於一閥值V ₀(如圖6)。

在本實施例中，該入光光纖34、該主光纖35與該輔助光纖36耦合於該發射器31、該分光器32與該光衰減器33，而形成一光鏈。其中：

該入光光纖34耦合於該發射器31與該分光器32間，用於導引雷射脈衝光進入該分光器32。

該主光纖35耦合於該分光器32，用於傳輸該主光束L1朝預定方向行進。

該輔助光纖36耦合於該分光器32與該光衰減器33間，且由該光衰減器33延伸，用於傳輸該輔助光束L2朝預定方向行進，且通過與該輔助光束L2的色散作用，延遲該輔助光束L2行進至該接收單元4的時間。

該接收單元4用於感測光信號，且預設有該閥值V ₀(如圖6)，在光信號強度大於該閥值V ₀(如圖6)時，產生一感測信號S。

該光學單元5與該發光單元3相間隔，且用於導引該主光束L1沿一去程由該發光單元3朝該目標物2行進，及沿一回程由該目標物2朝該接收單元4行進，該光學單元5還用於導引該輔助光束L2僅能單向朝該接收單元4行進，且重合於該回程的主光束L1。在本實施例中，該光學單元5包括一可轉動且用於反射該主光束L1朝該目標物2行進的鏡射組51、一用於反射該輔助光束L2朝該接收單元4行進的反射鏡52，及二聚焦透鏡53。其中一該聚焦透鏡53設置在該主光束L1之去程的路徑上，且用於聚集該去程的主光束L1，另一該聚焦透鏡53設置在該主光束L1之回程的路徑上，且用於聚集該回程的主光束L1。

該控制單元6包括一連接於該接收單元4的信號放大器61，及一連接於該信號放大器61與該發光單元3的控制模組62，及一適用於與一伺服器7相互通訊的通訊模組63。

該控制模組62用於觸發該發光單元3，及接收該感測信號S，並根據該感測信號S，解析該目標物2的特徵量。

該通訊模組63適用於傳輸該目標物2的特徵量給該伺服器7。該伺服器7可以是遠端的服務器，或近端的設備，如手機、電腦、平板等電子裝置。

值得說明的是，在信號強度符合需求的情形下，該信號放大器61為非必要元件，設置該信號放大器61的好處在於，可以進一步放大感測信號S，使感測的靈敏度更高。

應當注意的是，該發射器31的數目不限於1個，在本實施例的其它變化例中，也可以如圖5所示，是2個發射器31。藉此，可以省略如圖3所示的分光器32與入光光纖34，且該主光纖35直接耦合於其中一該發射器31而形成一光鏈，該輔助光纖36耦合於另一該發射器31與該光衰減器33，且由該光衰減器33延伸，而形成另一光鏈。

參閱圖2~圖4，當該控制模組62控制該發射器31發射光束時，除了會通過該光鏈中的分光器32，將光束分成該主光束L1與該輔助光束L2，還會通過該光衰減器33減弱該輔助光束L2的光信號強度。藉此，在該光學單元5的導引下，該主光束L1會先沿該去程朝該目標物2行進，再沿該回程由該目標物2朝該接收單元4行進，同時，該輔助光束L2也會朝該接收單元4行進，且重合於該回程的主光束L1。

參閱圖6，可以清楚的看出，該主光束L1的光信號強度低於該閥值V ₀，而無法被該接收單元4判讀，但是，在該輔助光束L2重合於該主光束L1後，光信號強度則大於該閥值V ₀，而能夠被該接收單元4判讀。藉此，該接收單元4會產生該感測信號S，並傳送給該控制單元6的控制模組62，使該控制模組62根據該感測信號S，解析並計算該目標物2的特徵量。

參閱圖2與圖7，由於該輔助光束L2的光信號強度小於該閥值V ₀，因此，在該發射器31發射光束後，若沒有回程的主光束L1，而僅有雜訊存在，該輔助光束L2的光信號強度，也無法被該接收單元4所判讀，而能夠有效避免誤判的情形。

值得說明的是，當該發光單元3發射光束時，該主光束L1與該輔助光束L2會同步行進，此時，對應的輔助光纖36會通過與該輔助光束L2的色散作用，延遲該輔助光束L2行進至該接收單元4的時間，藉此，該主光束L1雖然會因為飛行時間而延遲到達該接收單元4的時間，但是，在前述色散作用下，該主光束L1與該輔助光束L2仍然能夠同時行進至該接收單元4。

另外，該主光束L1行進至該接收單元4的時間，除了會因為該去程與該回程的飛行時間而延遲外，還會因為該發光單元3、該光學單元5與該接收單元4等環境因素而延遲，因此，該控制模組62在計算該主光束L1的飛行時間時，需要去除環境的延遲時間來獲得實際的飛行時間。關於系統的校準並不是本案技術特徵，且學界或業界已公開多種校準技術，本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知擴充細節，因此不多加說明。

參閱圖2與圖8，以一介質鏡(圖未示)及支撐該介質鏡(圖未示)的支架(圖未示)為該目標物，在不導入該輔助光束L2的情形下，觀察光束反射後的點雲，可以清楚的看出，該介質鏡因為會反射光線，所以，該介質鏡的形狀(藍色區塊)很明顯，表示光訊號強度足夠，但是，在藍色區塊的邊緣(即支架部分)，有一個從80cm~130cm的距離梯度(綠色區塊與紅色區塊)，這表示，光訊號強度太低，無法確定距離。

參閱圖2與圖9，在導入該輔助光束L2後，同樣觀察光束反射後的點雲，可以清楚的看出，該介質鏡的形狀(藍色區塊)很明顯，表示光訊號強度足夠，但是，在藍色區塊邊緣的梯度減小了，只有約70cm~80cm的距離梯度(綠色區塊)，這也印證了該輔助光束L2與該主光束L1重合後，可以有效提高光訊號強度，而辨識出支架的部分，達到提高分辨率的目的。

經由以上的說明，可將前述實施例的優點歸納如下：

1、本發明能夠通過光信號強度小於該閥值V ₀的輔助光束L2，在不足以單獨被檢測的情形下，重合於該主光束L1，進而達到提升光信號強度及辨識率的目的。

2、本發明只需使用二個發射器31與一個光衰減器33、或使用一個發射器31、一個分光器32與一個光衰減器33，就可以獲得同步的主光束L1與輔助光束L2，並達到提升光信號強度，及提高辨識率的目的，不但設備成本低，且光路設計精簡，而能夠提升實用性。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2:目標物 3:發光單元 31:發射器 32:分光器 33:光衰減器 34:入光光纖 35:主光纖 36:輔助光纖 4:接收單元 5:光學單元 51:鏡射組 52:反射鏡 53:聚焦透鏡 6:控制單元 61:信號放大器 62:控制模組 63:通訊模組 7:伺服器 L1:主光束 L2:輔助光束 S:感測信號 V ₀:閥值

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，中國專利公開號第107167813號專利案所揭露之一種習知的光學雷達；圖2是一示意圖，說明本發明重合光源的光學雷達的一實施例；圖3是該實施例的一光鏈示意圖；圖4是該實施例的一電路方塊圖；圖5是一類似於圖3的光鏈示意圖，但該實施例包含二發射器；圖6是一光信號強度圖，說明該實施例的光信號強度大於一閥值；圖7是一類似於圖6的光信號強度圖，但光信號強度小於該閥值；圖8是一光強度分佈圖，說明光束的點雲分佈；及圖9是一類似於圖8的光強度分佈圖，但距離梯度較小。

2:目標物

4:接收單元

5:光學單元

51:鏡射組

52:反射鏡

53:聚焦透鏡

L1:主光束

L2:輔助光束

Claims

一種重合光源的光學雷達，適用於探測一目標物的特徵量，該光學雷達包含：一發光單元，用於同步發射一主光束與一輔助光束，該輔助光束的光信號強度被設計成小於一閥值；一接收單元，用於感測光信號，且在光信號強度大於該閥值時，產生一感測信號；一光學單元，與該發光單元相間隔，且用於導引該主光束沿一去程由該發光單元朝該目標物行進，及沿一回程由該目標物朝該接收單元行進，該光學單元還用於導引該輔助光束僅能單向朝該接收單元行進，且重合於該回程的主光束；及一控制單元，連接於該發光單元與該接收單元，用於觸發該發光單元，及接收該感測信號，並根據該感測信號，解析該目標物的特徵量。
如請求項1所述的重合光源的光學雷達，其中，該發光單元包括一用於發射雷射脈衝光的發射器、一分光器、一主光纖，及一輔助光纖，該分光器用於將雷射脈衝光分流成該主光束與該輔助光束，該主光纖耦合於該分光器，用於傳輸該主光束朝預定方向行進，該輔助光纖耦合於該分光器，用於傳輸該輔助光束朝預定方向行進。
如請求項2所述的重合光源的光學雷達，其中，該主光束與該輔助光束的分光比率介於9.5:0.5~8.5:1.5，較佳的，為9：1。
如請求項2所述的重合光源的光學雷達，其中，該發光單元還包括一入光光纖，該入光光纖耦合於該發射器與該分光器間，用於導引雷射脈衝光進入該分光器。
如請求項1所述的重合光源的光學雷達，其中，該發光單元包括二發射器、一耦合於其中一該發射器的主光纖，及一耦合於另一該發射器輔助光纖，該主光纖用於傳輸該主光束朝預定方向行進，該輔助光纖用於傳輸該輔助光束朝預定方向行進。
如請求項2或5所述的重合光源的光學雷達，其中，該發光單元還包括一光衰減器，該光衰減器用於控制該輔助光束的光信號強度小於該閥值，該輔助光纖還進一步耦合於該光衰減器，且由該光衰減器延伸。
如請求項2或5所述的重合光源的光學雷達，其中，該輔助光纖通過與該輔助光束的色散作用，延遲該輔助光束行進至該接收單元的時間，使該主光束與該輔助光束能夠同步行進至該接收單元。
如請求項1所述的重合光源的光學雷達，其中，該光學單元包括一可轉動且用於反射該主光束朝該目標物行進的鏡射組、一用於反射該輔助光束朝該接收單元行進的反射鏡，及二聚焦透鏡，其中一該聚焦透鏡設置在該主光束之去程的路徑上，且用於聚集該去程的主光束，另一該聚焦透鏡設置在該主光束之回程的路徑上，且用於聚集該回程的主光束。
如請求項1所述的重合光源的光學雷達，其中，該控制單元包括一連接於該接收單元的信號放大器，及一連接於該信號放大器與該發光單元的控制模組。
如請求項9所述的重合光源的光學雷達，其中，該控制單元還包括一適用於與一伺服器相互通訊的通訊模組，該通訊模組適用於傳輸該目標物的特徵量給該伺服器。