一种远距离探测的激光雷达及其探测方法技术

本发明专利技术涉及激光雷达技术领域，提供了一种远距离探测的激光雷达及其探测方法。激光雷达中光纤激光器2固定在激光雷达主体1内表面，所述光纤激光器2通过单模光纤3将光能传输给出射光斑变换器4；所述出射光斑变换器4用于将出射光斑变换成圆形光斑；所述光路组件5用于耦合所述出射光斑变换器4、接收探测器6和所述光路出入射组件9，使得所述出射光斑变换器4的出射光经过所述光路组件5抵达光路出入射组件9；而从光路出入射组件9接收回来的光信号能经过所述光路组件5传输给所述接收探测器6。本发明专利技术加入光斑变换系统，将椭圆形光斑变换成圆形光斑，易于实现空间各方向的均匀探测。

A lidar for long distance detection and its detection method

【技术实现步骤摘要】
一种远距离探测的激光雷达及其探测方法
本专利技术涉及激光雷达
，特别是涉及一种远距离探测的激光雷达及其探测方法。
技术介绍
激光雷达可用于获取目标环境的二维或三维点云参数，在很多领域有着广泛的应用。选择激光雷达的探测光源，主要考虑三个参数，分别是发光面尺寸、光源发散角和光源功率。目前，激光雷达的探测光源主要有半导体激光器和固体激光器，其中，半导体激光器的发光面尺寸较大，光源发散角也大，光源功率不高，但成本便宜，主要用于近距离且低成本的探测应用领域。固体激光器的发光面尺寸较小，光源发散角也小，光源功率很高，成本也很高，主要应用于远距离且成本较高的探测应用领域，但模块整体尺寸过大，未能大批量推广应用。除上述两种探测光源，业界还采用光纤作为光源发射部分。普遍通用的技术方案是将半导体激光器的光能量耦合进多模光纤，通过多模光纤实现光能量的均匀输出，解决了半导体激光器光能量不均匀的问题，但依然只能满足近距离测量的技术要求。鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本
亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于单模光纤激光器的激光雷达，能够用于远距离探测，且存在尺寸小、高性价比特点。本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种远距离探测的激光雷达，包括激光雷达主体1、光纤激光器2、单模光纤3、出射光斑变换器4、激光雷达主体内的光路组件5、接收探测器6和光路出入射组件9构成，具体的：光纤激光器2固定在激光雷达主体1内表面，所述光纤激光器2通过单模光纤3将光能传输给出射光斑变换器4；所述出射光斑变换器4用于将出射光斑变换成圆形光斑；所述光路组件5用于耦合所述出射光斑变换器4、接收探测器6和所述光路出入射组件9，使得所述出射光斑变换器4的出射光经过所述光路组件5抵达光路出入射组件9；而从光路出入射组件9接收回来的光信号能经过所述光路组件5传输给所述接收探测器6。优选的，单模光纤3为小弯曲半径光纤；其中，当进行光纤绕模时，在不损失光能量的同时，使用所述小弯曲半径光纤，以便占用激光雷达主体1中小的安装固定空间。优选的，单模光纤3的纤芯半径为9±1um，光斑发散角为8±1度；其中，所述小弯曲半径具体为7.5mm～10mm。优选的，出射光斑变换器4包括斜角光纤出射插针4-1和斜角光纤补偿棱镜4-2；其中，所述斜角光纤出射插针4-1是将单模光纤3的斜角端面，嵌入陶瓷材料或者半导体材料制作成斜角模具，从而得到所述光纤出射插针4-1；所述斜角光纤补偿棱镜4-2用于将斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑调整为圆形光斑。优选的，将单模光纤3端面磨成斜角，所述斜角为斜8±1度，从而得到单模光纤3的斜角端面。优选的，所述斜角光纤补偿棱镜4-2具体为，与斜角光纤出射插针4-1耦合的一端为斜角，另一端出光面为平角，起到将从斜角光纤出射插针4-1出来的椭圆光斑变换为圆形光斑的作用。优选的，所述光路组件5包括出射光学透镜51、光路折叠反射镜52、光路折叠棱镜53和滤波片54和接收光学透镜55，具体的：经过出射光斑变换器4变换之后的发散的圆形光斑，经过出射光学透镜51变成准直圆形光斑，光线经过出射光学透镜51后平行向前输出，经过光路折叠反射镜52之后，光线传输至光路折叠棱镜53，将光线反射至所述光路出入射组件9；光线在从目标物体反射回来后，经由所述光路出入射组件9传输到所述滤波片54，并再经过接收光学透镜55聚焦后，被所述接收探测器6采集到。优选的，所述光路折叠棱镜53和滤波片54粘接在一起；其中，光路折叠棱镜53大小根据光路折叠反射镜52反射出来的光斑大小设定，使得所述光路折叠棱镜53的反射面与所述光路折叠反射镜52反射出来的光斑大小相差小于预设距离。优选的，所述光路出入射组件9包括旋转电机91、旋转反射镜92、补偿透镜93和弧形出光面94，具体的：旋转反射镜92和补偿透镜93通过连接件固定在一起，再安装固定在旋转电机91上面，通过电机的控制，实现旋转反射镜92和补偿透镜93的同步旋转；所述旋转电机91的驱动电路与主控电路板8电气连接；其中，所述补偿透镜93是光线出光面采用凸面，光线入光面采用凹面的凹凸柱面结构，其中，水平方向上补偿光路出入射组件9中弧形出光面94所引起的光斑发散效应，竖直方向上作为平行玻璃板，保证了光路正常传输。第二方面，本专利技术还提供了一种远距离探测的激光雷达的探测方法，使用第一方面所述的远距离探测的激光雷达，所述激光雷达还包括信号接收电路板7和主控电路板8；所述光纤激光器2和信号接收电路板7分别与所述主控电路板8电气相连；所述信号接收电路板7用于解析接收探测器6中的光信号，并将解析结果发送给所述主控电路板8；所述主控电路板8还用于根据获取到的解析结果控制光纤激光器2的工作功率，方法包括：主控电路板8控制光纤激光器2按照预设的起始状态进入工作；主控电路板8控制旋转电机91，带动旋转反射镜92和补偿透镜93转动，并实时获取，经过接收探测器6和信号接收电路板7传递过来的解析结果；根据所述解析结果，调整光纤激光器2的工作功率，以及控制所述旋转电机91完成目标对象的探测过程。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术加入光斑变换系统，将椭圆形光斑变换成圆形光斑，易于实现空间各方向的均匀探测。在本专利技术优选方式中，采用基于单模光纤的光纤激光器作为激光雷达的探测光源，发光面尺寸小(例如纤芯9um)，光源发散角小(例如数值孔径约为0.14)，光源功率高，光源部分尺寸较小，可实现远距离目标探测，且空间分辨率高，整体模块尺寸较小。本专利技术的激光雷达采用发射和接收光学系统共光轴的光学设计，在进行空间旋转探测的时候，仅需要旋转扫描反射镜，系统的动平衡更易实现，转动也更稳定。本专利技术优选方案中的出射窗口采用圆筒形状，对整体光斑起到发散作用，会增大光学系统的发散角；本专利技术采用了补偿透镜，对出射光口的光发散进行反向补偿，压缩了光斑的发散角。【附图说明】为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术实施例提供的基于单模光纤激光器的激光雷达原理示意图；图2为本专利技术实施例提供的出射光斑变换器示意图；图3是本专利技术实施例提供的一种远距离探测的激光雷达探测方法流程示意图；图4是本专利技术实施例提供的一种光路出入射组件圆柱筒结构示意图；图5为本专利技术实施例提供的变换前后的光斑形状对比示意图；图6为本专利技术实施例提供的光纤激光器和滤波片的传输光波长带宽对比示意图；其中：1：激光雷达主体；2：光纤激光器；3：单模光纤；4：出射光斑变换器；5：光路组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种远距离探测的激光雷达，其特征在于，包括激光雷达主体(1)、光纤激光器(2)、单模光纤(3)、出射光斑变换器(4)、激光雷达主体内的光路组件(5)、接收探测器(6)和光路出入射组件(9)构成，具体的：/n光纤激光器(2)固定在激光雷达主体(1)内表面，所述光纤激光器(2)通过单模光纤(3)将光能传输给出射光斑变换器(4)；/n所述出射光斑变换器(4)用于将出射光斑变换成圆形光斑；/n所述光路组件(5)用于耦合所述出射光斑变换器(4)、接收探测器(6)和所述光路出入射组件(9)，使得所述出射光斑变换器(4)的出射光经过所述光路组件(5)抵达光路出入射组件(9)；而从光路出入射组件(9)接收回来的光信号能经过所述光路组件(5)传输给所述接收探测器(6)。/n

【技术特征摘要】
1.一种远距离探测的激光雷达，其特征在于，包括激光雷达主体(1)、光纤激光器(2)、单模光纤(3)、出射光斑变换器(4)、激光雷达主体内的光路组件(5)、接收探测器(6)和光路出入射组件(9)构成，具体的：
光纤激光器(2)固定在激光雷达主体(1)内表面，所述光纤激光器(2)通过单模光纤(3)将光能传输给出射光斑变换器(4)；
所述出射光斑变换器(4)用于将出射光斑变换成圆形光斑；
所述光路组件(5)用于耦合所述出射光斑变换器(4)、接收探测器(6)和所述光路出入射组件(9)，使得所述出射光斑变换器(4)的出射光经过所述光路组件(5)抵达光路出入射组件(9)；而从光路出入射组件(9)接收回来的光信号能经过所述光路组件(5)传输给所述接收探测器(6)。


2.根据权利要求1所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，单模光纤(3)为小弯曲半径光纤；其中，当进行光纤绕模时，在不损失光能量的同时，使用所述小弯曲半径光纤，以便占用激光雷达主体(1)中小的安装固定空间。


3.根据权利要求2所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，单模光纤(3)的纤芯半径为9±1um，光斑发散角为8±1度；其中，所述小弯曲半径具体为7.5mm～10mm。


4.根据权利要求2所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，出射光斑变换器(4)包括斜角光纤出射插针(4-1)和斜角光纤补偿棱镜(4-2)；其中，所述斜角光纤出射插针(4-1)是将单模光纤(3)的斜角端面，嵌入陶瓷材料或者半导体材料制作成斜角模具，从而得到所述光纤出射插针(4-1)；所述斜角光纤补偿棱镜(4-2)用于将斜角光纤出射插针(4-1)出来的椭圆光斑调整为圆形光斑。


5.根据权利要求4所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，将单模光纤(3)端面磨成斜角，所述斜角为斜8±1度，从而得到单模光纤(3)的斜角端面。


6.根据权利要求4所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，所述斜角光纤补偿棱镜(4-2)具体为，与斜角光纤出射插针(4-1)耦合的一端为斜角，另一端出光面为平角，起到将从斜角光纤出射插针(4-1)出来的椭圆光斑变换为圆形光斑的作用。


7.根据权利要求1所述的远距离探测的激光雷达，其特征在于，所述光路组件(5)包括出射光学透镜(51)、光路折叠反射镜(52)、光路折叠棱镜(53)和滤波片(54)和接收光学透镜(55)，具体的：
经...

【专利技术属性】
技术研发人员：张石，李亚锋，鲁佶，
申请(专利权)人：深圳煜炜光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44