一种基于光纤阵列的激光雷达系统技术方案

本发明专利技术公开一种基于光纤阵列的激光雷达系统，包括：激光器、包含第一光纤阵列和发射透镜的发射光学系统、第一光开关、探测器、包含第二光纤阵列和接收透镜的接收光学系统、第二光开关、旋转扫描机构和控制处理单元。第一光开关连接激光器和第一光纤阵列，第二光开关连接探测器和第二光纤阵列，系统利用光开关，在不同的时刻将激光器发射的激光通过第一光纤阵列中不同的光纤发射出去，并由第二光纤阵列中对应的光纤接收发射激光并将其传输到探测器中，通过旋转扫描机构对空间进行旋转扫描，控制处理单元根据发射激光和接收到反射激光的时间差来测量待测物体的距离。本发明专利技术利用光纤阵列进行发射激光和接收发射激光，体积小，成本低。

A laser radar system based on optical fiber array

The invention discloses a laser radar system based on optical fiber array includes a laser, comprising a first optical fiber array and emission lens transmitting optical system, optical switch, the first detector, including second optical fiber array and a receiving lens receiving optical system, second optical switches, rotary scanning mechanism and control processing unit. The first optical switch is connected with the laser and the first optical fiber array, second optical switch connection detector and second optical fiber array system using optical switch, at different times of the laser emitted by the laser through the first optical fiber array in different optical fiber transmitted, and the corresponding optical fiber array composed of second fiber laser transmitter and receiver and transmits it to the detector, by rotating the rotary scanning scanning mechanism of space, the control unit according to the laser and receives the reflected laser time difference to measure the distance of objects. The invention uses the optical fiber array to transmit the laser and receive the transmitted laser, the volume is small, the cost is low.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光雷达领域，具体涉及一种基于光纤阵列的激光雷达系统。
技术介绍
激光雷达技术有着多年的研究历史，最初应用于国防、航空航天等领域。近年来随着激光技术和信息处理技术的发展，激光雷达在地图测绘、机器人空间定位、汽车无人驾驶等方面有着越来越多的应用。激光雷达技术在具体的技术方案上有相位测量法、脉冲测量法、三角测量法等，其中脉冲测量法由于测量距离远、测量精度高，受到了广泛的关注。脉冲测量法的具体实现方式为：激光器发射激光，经过准直处理后照射在待测物体表面，有一部分激光在物体表面会被反射，并被探测器接收。根据测量发射激光和接收反射激光的时间差来计算待测物体与激光器之间的距离。采用脉冲测量法的激光雷达，每发出一个脉冲信号进行一次测量，即得到待测物体的一个位置信息，在机器人空间定位、汽车无人驾驶等应用中，为得到所处环境的完整信息，需要大量的环境测量数据。现有的激光雷达技术方案，一般采用多线程测量技术，即增加发射激光的激光器和接收反射激光的探测器的个数，来增加测量的效率。以现有应用于汽车无人驾驶领域中的64线激光雷达为例，采用64个激光器和64个探测器。现有技术的问题在于：1)成本很高：多线程测量需要采用数量众多的激光器和探测器，而目前激光器和探测器的价格都比较高。2)系统体积大：每个激光器和探测器都需要与之匹配的电路，大量激光器和探测器的使用，会导致激光雷达系统的体积庞大。3)不方便使用：占用空间大，不具有隐蔽性，同时在安装固定上都有很高的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。本专利技术的一个目的在于提供一种激光雷达系统，采用光纤进行激光的发射和传输，而光纤具有体积小的特点，利用光纤组成光纤阵列来发射激光，可以实现激光雷达探头的微型化。本专利技术的另一个目的在于提供一种激光雷达系统，采用光开关的时分复用功能，可以利用一个激光器实现多路激光信号的发射，同时将多路反射信号传送到同一个探测器中。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于光纤阵列的激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；探测器，探测反射回来的激光，并将探测到的信号输入控制处理单元；第一光开关，将激光器输入的激光信号进行时分复用，连接激光器和第一光纤阵列，在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通，起到一个激光器给多个测量线路提供激光的作用；第二光开关，连接探测器和第二光纤阵列，在不同的时刻将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通，起到一个探测器对多路反射激光进行探测的作用；发射光学系统，包含第一光纤阵列和发射透镜，发射透镜将第一光纤阵列中不同光纤发射的激光进行准直，并分别以与水平面成不同的夹角发射出去；；接收光学系统，包含第二光纤阵列和接收透镜，接收透镜将反射回来的激光接收，并汇聚到第二光纤阵列中与第一光纤阵列此刻导通的光纤相对应的那根光纤中；光纤以及多路光纤组成的光纤束，将第一光开关和第二光开关分别与发射光学系统以及接收光学系统相连接；旋转扫描机构，通过旋转带动发射光学系统和接收光学系统旋转，使激光雷达对空间不同位置进行扫描测量，并将旋转时的角度信息发送给控制处理单元；控制处理单元，控制激光器发射激光并记录发射时间，控制第一光开关和第二光开关的开关状态以及光路选择，控制旋转扫描机构进行旋转，记录探测器输入探测信号的时间并对进行数据处理。其中，第一光纤阵列和第二光纤阵列由光纤组成；第一光开关在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通，并由发射透镜将导通的激光准直后以与水平面成不同的夹角发射出去；反射回来的激光经过接收透镜汇聚到第二光纤阵列的对应光纤中，第二光开关将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通；控制处理单元根据某一时刻控制的激光器发射激光和探测器接收到反射激光的时间差，可以得出此时刻激光雷达所测量的待测物体的距离，根据此时刻旋转扫描机构的角度信息可以得出待测物体在水平方向的方位角；控制处理单元控制第一光开关在激光器输入和多路输出光纤，第二光开关在多路输出光纤和探测器输入之间高速切换工作，同时控制旋转扫描机构旋转，可以得到有关待测物体的空间测量数据。在本专利技术中，激光器发射的激光为脉冲激光，为了行文简洁，以下不再赘述。激光雷达是一种对周围环境的测量工具，环境由众多的待测物体组成，为方便表述，在本专利技术的具体实施例中，周围环境以待测物体替代。在本专利技术中，所述第一光纤阵列和第二光纤阵列中的光纤数量大于2根。在本专利技术中，所述旋转扫描机构为电机旋转平台，在水平方向旋转。将发射光学系统和接收光学系统固定在平台上，电机旋转平台的旋转将带动发射光学系统和接收光学系统的旋转，从而使得激光雷达系统在水平方向进行旋转扫描测量。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一光纤阵列和第二光纤阵列中的光纤数量为2个至128个之间的任一个。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一光纤阵列和第二光纤阵列中的光纤成线状排列。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一光纤阵列和第二光纤阵列中的光纤成网格状排列。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一光纤阵列中光纤的出射端面在发射透镜的第一焦平面上。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第二光纤阵列中光纤的入射端面在接收透镜的第二焦平面上。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述发射透镜为准直透镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述接收透镜为汇聚透镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述发射光学系统包括第一光纤阵列、第一微透镜阵列和发射透镜，第一微透镜阵列由多个第一微透镜组成。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一微透镜为准直透镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第一微透镜阵列中的第一微透镜与第一光纤阵列中的光纤是一一对应的，每个第一微透镜的主光轴与发射透镜的主光轴平行，同时通过所对应的光纤出射端面的中心。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述接收光学系统包括第二光纤阵列、第二微透镜阵列和接收透镜，第二微透镜阵列由多个第二微透镜组成。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第二微透镜为汇聚透镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述第二微透镜阵列中的第二微透镜与第二光纤阵列中的光纤是一一对应的，每个第二微透镜的主光轴与接收透镜的主光轴平行，同时通过所对应的光纤的入射端面的中心。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述准直透镜为平凸透镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述汇聚透镜为开普勒望远镜。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述发射光学系统、接收光学系统和旋转扫描机构组成独立的旋转扫描探头，在空间上与激光器、探测器、第一光开关、第二光开关和控制处理单元分离。本专利技术与现有技术的区别在于：本专利技术利用光开关进行时分复用设计，利用光纤阵列来进行多路激光信号的发射和接收，只需要一个激光器和一个探测器，即可实现多线程测量，降低了系统的成本。本专利技术由于光纤具有体积细小的特点，使得激光雷达系统微型化，减小了体积。本专利技术利用光纤进行激光信号的传输，使得发射光学系统和接收光学系统在空间上可以与激光器、探测器等分离，组成独立的旋转扫描探头。通过下文中参照附图对本专利技术所作的描述，本专利技术的其他目的和优点将显而易见，并可帮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤阵列的激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；发射光学系统，包含第一光纤阵列和发射透镜，发射透镜将第一光纤阵列中不同光纤发射的激光进行准直，并分别以与水平面成不同的夹角发射出去；第一光开关，连接激光器和第一光纤阵列，在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通；探测器，探测反射回来的激光，并将探测到的信号输入控制处理单元；接收光学系统，包含第二光纤阵列和接收透镜，接收透镜将反射回来的激光接收，并汇聚到第二光纤阵列中与第一光纤阵列此刻导通的光纤相对应的那根光纤中；第二光开关，连接探测器和第二光纤阵列，在不同的时刻将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通；旋转扫描机构，通过旋转带动发射光学系统和接收光学系统旋转，使激光雷达对空间不同位置进行扫描测量，并将旋转时的角度信息发送给控制处理单元；控制处理单元，控制激光器发射激光并记录发射时间，控制第一光开关和第二光开关的开关状态以及光路选择，控制旋转扫描机构进行旋转，记录探测器输入探测信号的时间并对进行数据处理。其特征在于：所述第一光纤阵列和第二光纤阵列由光纤组成；所述第一光开关在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通，并由发射透镜将导通的激光准直后以与水平面成不同的夹角发射出去；反射回来的激光经过接收透镜汇聚到第二光纤阵列的对应光纤中，第二光开关将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通；控制处理单元根据某一时刻控制的激光器发射激光和探测器接收到反射激光的时间差，可以得出此时刻激光雷达所测量的待测物体的距离，根据此时刻旋转扫描机构的角度信息可以得出待测物体在水平方向的方位角；控制处理单元控制第一光开关在激光器输入和多路输出光纤，第二光开关在多路输出光纤和探测器输入之间高速切换工作，同时控制旋转扫描机构旋转，可以得到有关待测物体的空间测量数据。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤阵列的激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；发射光学系统，包含第一光纤阵列和发射透镜，发射透镜将第一光纤阵列中不同光纤发射的激光进行准直，并分别以与水平面成不同的夹角发射出去；第一光开关，连接激光器和第一光纤阵列，在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通；探测器，探测反射回来的激光，并将探测到的信号输入控制处理单元；接收光学系统，包含第二光纤阵列和接收透镜，接收透镜将反射回来的激光接收，并汇聚到第二光纤阵列中与第一光纤阵列此刻导通的光纤相对应的那根光纤中；第二光开关，连接探测器和第二光纤阵列，在不同的时刻将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通；旋转扫描机构，通过旋转带动发射光学系统和接收光学系统旋转，使激光雷达对空间不同位置进行扫描测量，并将旋转时的角度信息发送给控制处理单元；控制处理单元，控制激光器发射激光并记录发射时间，控制第一光开关和第二光开关的开关状态以及光路选择，控制旋转扫描机构进行旋转，记录探测器输入探测信号的时间并对进行数据处理。其特征在于：所述第一光纤阵列和第二光纤阵列由光纤组成；所述第一光开关在不同的时刻将激光器发射的激光在第一光纤阵列的不同光纤之间导通，并由发射透镜将导通的激光准直后以与水平面成不同的夹角发射出去；反射回来的激光经过接收透镜汇聚到第二光纤阵列的对应光纤中，第二光开关将第二光纤阵列中有反射回来的激光的光纤所在线路与探测器导通；控制处理单元根据某一时刻控制的激光器发射激光和探测器接收到反射激光的时间差，可以得出此时刻激光雷达所测量的待测物体的距离，根据此时刻旋转扫描机构的角度信息可以得出待测物体在水平方向的方位角；控制处理单元控制第一光开关在激光器输入和多路输出光纤，第二光开关在多路输出光纤和探...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐龙舟，
申请(专利权)人：上海博未传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31