一种固态激光雷达系统技术方案

本发明专利技术公开一种固态激光雷达系统，包括激光器、探测器、发射光学系统、接收光学系统和控制处理单元，其中发射光学系统还包括第一光开关、第一光纤阵列、准直透镜和发射激光振镜，接收光学系统还包括第二光开关、第二光纤阵列、汇聚透镜和接收激光振镜。本发明专利技术利用光开关的光路选择和时分复用功能，一个激光器和一个探测器即可实现多线测量；利用第一光纤阵列和准直透镜、第二光纤阵列与汇聚透镜的配合，实现对空间第一个维度的扫描；利用发射激光振镜和接收激光振镜对激光的偏转作用，实现对空间与第一个维度垂直的第二个维度的扫描。本发明专利技术成本低、体积小，且无需机械扫描机构带动激光雷达系统旋转。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光雷达领域，具体涉及一种固态激光雷达系统。
技术介绍
激光雷达技术在导航、地图测绘、卫星定位等领域有着广泛应用。在汽车无人驾驶领域中，激光雷达起着地图测绘和场景定位的关键作用。激光雷达可分为普通激光雷达和固态激光雷达。普通激光雷达一般需要机械旋转机构，通过旋转带动激光雷达系统进行空间旋转扫描；固态激光雷达不需要机械旋转机构，利用光学方式直接改变输出激光的发射方向，达到对空间进行扫描的目的。现有的普通激光雷达的机械旋转机构，一般体积比较大，不方便安装，并且长期稳定性差。同时，由于通过机械旋转机构进行扫描，为达到高的空间分辨率，获得高的点云数据，一般需要多线测量，同时使用多个激光器和探测器，成本比较高。现有的固态激光雷达技术，一般采用光学相控阵列技术对空间进行扫描，这种技术对光学器件的要求比较高，目前在汽车无人驾驶等民用方面并没有好的应用方案。
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固态激光雷达系统，通过采用光学激光振镜来偏转激光的传输方向，达到对待测物体进行扫描测量的目的，不需要机械旋转机构来带动激光雷达系统进行扫描。本专利技术的另一个目的在于提供一种固态激光雷达系统，通过采用光开关进行光路选择和时分复用，实现仅采用一对激光器和探测器，即可实现对待测物体的多线测量，获得高的分辨率和点云数据。为实现上述目的，本专利技术提供一种固态激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；探测器，接收反射激光；发射光学系统，将激光器发射的激光以不同的角度向待测物体发射；接收光学系统，将待测物体表面的反射激光接收并传输到探测器中；控制处理单元，控制激光器、发射光学系统和接收光学系统的工作状态，根据激光器发射激光和探测器接收反射激光的时间差来计算待测物体的距离，根据发射光学系统的工作状态即发射激光的角度来获得待测物体的方向信息，根据多次测量得到包含距离和方向信息的点云数据即可得到待测物体的空间三维信息。其中，发射光学系统还包括第一光开关、第一光纤阵列、准直透镜和发射激光振镜，第一光开关将激光器发射的激光在第一光纤阵列中不同的光纤之间进行交替导通，导通的激光经准直透镜准直后，被发射激光振镜以不同的角度向待测物体发射出去；接收光学系统还包括第二光开关、第二光纤阵列、汇聚透镜和接收激光振镜，在待测物体表面反射回来的激光，经接收激光振镜偏转方向后，被汇聚透镜耦合进第二光纤阵列中的光纤中，第二光开关将耦合有反射回来的激光的这根光纤与探测器导通。激光振镜一般集成有角度传感器，控制处理单元可根据角度传感器测量的角度偏转信息来计算照射在激光振镜上的激光的偏转方向。控制处理单元也可以根据激光振镜的驱动信号电路的偏置电压以及激光振镜的偏转角度与偏置电压的线型关系来测量照射在激光振镜上的激光的偏转方向。根据本专利技术的一个实例性的实施例，所述发射激光振镜和接收激光振镜的工作方式为镜面周期性连续旋转。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，本专利技术中采用的发射激光振镜和接收激光振镜是一维激光振镜，镜面旋转的中心轴与准直透镜的主光轴垂直，与准直透镜的焦平面平行。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述接收激光振镜为一维激光振镜，镜面旋转的中心轴与汇聚透镜的主光轴垂直，与汇聚透镜的焦平面平行。根据本专利技术的另一个实例性的实施例，所述发射激光振镜和接收激光振镜是同一种规格和型号的激光振镜，且在任一时刻，处于相同的工作状态。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是一一对应的，第一光开关将激光器与第一光纤阵列中的某根光纤导通的同时，第二光开关将第二光纤阵列中与第一光纤阵列中导通的光纤对应的那根光纤与探测器导通。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的光纤出射端面在准直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，所述第一光纤阵列中的光纤在出射端面成线型排列。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的光纤的入射端面在汇聚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，所述第二光纤阵列中的光纤在入射端面成线型排列。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在出射端面成线型排列所连成的直线与准直透镜的主光轴垂直。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的光纤在入射端面成线型排列所连成的直线与汇聚透镜的主光轴垂直。本专利技术是基于脉冲探测法来进行距离测量的，激光器发射的激光为脉冲激光。本专利技术与现有技术的区别在于：本专利技术采用光开关时分复用和激光振镜相结合的方式实现对待测物体表面的二维扫描。利用第一光开关导通的第一光纤阵列中光纤出射端面处于准直透镜第一焦平面的不同位置，对应的第二光纤阵列中光纤的入射端面处于汇聚透镜第二焦平面的不同位置，实现对待测物体表面的一个维度进行扫描；利用一维激光振镜对激光的偏转作用，实现对待测物体表面的另一个维度进行扫描。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，并可帮助对本专利技术有全面的理解。附图说明图1显示本专利技术的总体结构示意图。图2显示本专利技术中的第一光纤阵列与准直透镜相配合的工作原理图。图3显示本专利技术中的第二光纤阵列与汇聚透镜相配合的工作原理图。图4显示本专利技术中的第一光纤阵列与第二光纤阵列的正视图。图5显示图4中光纤阵列的右视图。图6显示图5中光纤阵列的剖视图。图7显示本专利技术中发射激光振镜和接收激光振镜的工作原理图。图8显示本专利技术中作为一种优选方案的准直透镜结构图。图9显示本专利技术中作为一种优选方案的汇聚透镜的结构图。图10显示本专利技术中准直透镜将其第一焦平面上的点光源发出的激光进行准直并偏转方向的示意图。图11显示本专利技术中汇聚透镜将入射的平行光汇聚到其第二焦平面上一点的示意图。具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本专利技术实施方式的说明旨在对本专利技术的总体专利技术构思进行解释，而不应当理解为对本专利技术的一种限制。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露的实施例的全面理解。然而明显的，一个或多个实施例在没有具体细节的情况下也可以被实施。在其它情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。图1显示的是本专利技术的总体结构示意图，包括：激光器102，发射激光；探测器114，接收反射激光；发射光学系统115，将激光器102发射的激光以不同的角度向待测物体108发射；接收光学系统116，将待测物体108表面的反射激光109接收并传输到探测器114中；控制处理单元101，控制激光器102、发射光学系统115和接收光学系统116的工作状态，根据激光器102发射激光和探测器114接收反射激光109的时间差来计算待测物体108的距离，根据发射光学系统115的工作状态即发射激光107的角度来获得待测物体108的方向信息，根据多次测量得到包含距离和方向信息的点云数据即可得到待测物体108的空间三维信息。其中，发射光学系统115还包括第一光开关103、第一光纤阵列104、准直透镜105和发射激光振镜106，第一光开关103将激光器102发射的激光在第一光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；探测器，接收反射激光；发射光学系统；接收光学系统；控制处理单元；其特征在于：发射光学系统还包括第一光开关、第一光纤阵列、准直透镜和发射激光振镜，第一光开关将激光器发射的激光在第一光纤阵列中不同的光纤之间进行交替导通，导通的激光经准直透镜准直后，被发射激光振镜以不同的角度向待测物体发射出去；接收光学系统还包括第二光开关、第二光纤阵列、汇聚透镜和接收激光振镜，在待测物体表面反射回来的激光，经接收激光振镜偏转方向后，被汇聚透镜耦合进第二光纤阵列中的光纤中，第二光开关将耦合有反射回来的激光的这根光纤与探测器导通。

【技术特征摘要】
1.一种固态激光雷达系统，包括：激光器，发射激光；探测器，接收反射激光；发射光学系统；接收光学系统；控制处理单元；其特征在于：发射光学系统还包括第一光开关、第一光纤阵列、准直透镜和发射激光振镜，第一光开关将激光器发射的激光在第一光纤阵列中不同的光纤之间进行交替导通，导通的激光经准直透镜准直后，被发射激光振镜以不同的角度向待测物体发射出去；接收光学系统还包括第二光开关、第二光纤阵列、汇聚透镜和接收激光振镜，在待测物体表面反射回来的激光，经接收激光振镜偏转方向后，被汇聚透镜耦合进第二光纤阵列中的光纤中，第二光开关将耦合有反射回来的激光的这根光纤与探测器导通。2.根据权利要求1所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述发射激光振镜和接收激光振镜的工作方式为镜面周期性连续旋转。3.根据权利要求2所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述发射激光振镜为一维激光振镜，镜面旋转的中心轴与准直透镜的主光轴垂直，与准直透镜的焦平面平行。4.根据权利要求2所述的固态激光雷达系统，其特征在于，所述接收激光振镜为一维激光振镜，旋转的中心轴与汇聚透镜的主...

【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