CN108732552A - 一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法及激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法，涉及激光雷达技术领域，其包括激光雷达的探头为裸露安装在外部环境中的光学镜头，激光雷达机箱为内部安装有产生激光信号的元器件、接收激光信号的元器件以及处理激光信号的电子学元器件的与外界相隔离的机箱结构，以及连接二者的光纤束；该方法可实现了激光雷达中的探头与机箱的空间分离，使得激光器、探测器、电子学等放在与外界相对隔离的机箱中，进而更加容易做到控温、减振、隔尘，裸露的探头部分只是光学镜头，其表面易于清洁，抗化学腐蚀性能强，耐环境温度变化。

Description

一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法及激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，具体涉及一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法及激光雷达。

背景技术

激光雷达是智能驾驶汽车的关键传感器，市场潜力巨大，受到人们普遍关注。目前市场上的激光雷达是机械扫描式，由激光器、探测器、光学镜头、扫描机构、电子学等构成，采用飞行时间测距原理，属于直接测距。在智能驾驶用的机械扫描激光雷达中，为了适应汽车高速运动时的距离图像获取，一般采用多点式激光照明，多个激光器排列成线阵，通过激光器线阵-探测器线阵对在与线阵垂直方向的一维扫描，就可以获得汽车周围空间的整幅图像，速度比单点式照明快。目前激光雷达技术尚未定型，人们正在发展基于泛光照明的非扫描激光雷达、以及采用幅度或频率调制光源新原理的激光雷达等。无论哪种激光雷达，都是光机电一体化的整体，还不完全适应汽车自主驾驶的要求。

目前在智能驾驶汽车等应用领域，由于激光雷达必须满足车规的严苛要求才能正式安装在汽车上，现有激光雷达在适应高温、颠簸等恶劣环境方面还存在缺陷，所以有必要加以改进。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法，该方法通过光纤实现了激光雷达中的探头与机箱的空间分离，使得激光器、探测器、电子学等放在与外界相对隔离的机箱中，进而更加容易做到控温、减振、隔尘，裸露的探头部分只是光学镜头，其表面易于清洁，抗化学腐蚀性能强，耐环境温度变化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法，激光雷达的探头为裸露安装在外部环境中的光学镜头，激光雷达机箱为内部安装有产生激光信号的元器件、接收激光信号的元器件以及处理激光信号的电子学元器件的与外界相隔离的机箱结构，其中机箱中元器件产生的激光脉冲通过光纤形成发散激光束，发散激光束通过激光雷达的探头形成准直激光束并照射到目标物上，在目标物上形成点阵照明，目标物被照亮后形成激光光斑，形成的激光光斑产生反射激光束，反射激光束通过激光雷达的探头形成汇聚激光束，汇聚激光束通过光纤回传到激光雷达机箱中的元器件中，进行分析处理。

同时，本方案还提供一种依据上述实现激光雷达的探头与机箱分离的方法的激光雷达，该激光雷达包括有机箱、探头以及光纤束，所述机箱内包括有有M×N+1个激光器、激光器电源、用于对所述激光器产生脉冲触发控制信号的触发信号发生器、二维发射光纤阵列中的M×N个入射端光纤连接头、一对设置在所述第一光纤两端的光纤连接头、微透镜、二维发射光纤阵列中的M×N个出射端光纤连接头分别接收起始信号的第一光电探测器和接收停止信号的第二光电探测器、用于给所述第一光电探测器和第二光电探测器提供偏置电压的探测器电源、分别依次用于对所述第一光电探测器和第二光电探测器中的信号进行放大处理的放大电路、时间鉴别电路和时间数字转换电路，M×N个所述入射端光纤连接接头分别对应与M×N个所述激光器耦合，另一个所述激光器与一个所述光纤连接头相耦合，M×N个出射端光纤连接头分别对应与所述第二光电探测器进行耦合，其中M与N都为≥1的自然整数；所述探头包括有二维发射光纤阵列的出射端面、设置在所述出射端面上的M×N条激光器侧光纤纤芯、激光发射透镜、形成在所述激光器侧光纤纤芯和激光发射透镜之间的发散激光束、窄带滤光片、激光接收透镜、二维接收光纤阵列端面、设置在所述二维接收光纤阵列端面上的M×N条探测器侧光纤纤芯以及形成在所述探测器侧光纤纤芯和激光接收透镜之间的汇聚激光束；所述光纤束包括有M×N条发射光纤、M×N条接收光纤以及第一光纤，其中M×N条所述发射光纤的出射端连接在所述二维发射光纤阵列的出射端面上的M×N条激光器侧光纤纤芯，M×N条所述接收光纤的入射端连接在所述二维发射光纤阵列的出射端面上的M×N条探测器侧光纤纤芯。

进一步，所述激光器为激光二极管、固体激光器或光纤激光器中的一种。

进一步，二维发射光纤阵列的所述出射端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤纤芯，其中M与N都为≥1的自然整数。

进一步，所述二维接收光纤阵列端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤纤芯，其中M与N都为≥1的自然整数。

进一步，所述开孔为通过采用微细加工技术形成的小孔结构。

进一步，所述第一光电探测器和第二光电探测器为采用雪崩光电二极管探测器或P型-本征-N型半导体构成的二极管探测器中的一种。

进一步，所述微透镜为用于将来自光纤的信号耦合至所述第一光电探测器和第二光电探测器中的微细透镜结构。

进一步，所述激光发射透镜为由一个透镜构成或由几个透镜形成的透镜组构成。

进一步，所述激光器电源为可提供快速脉冲驱动能力的电源结构。

与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：

1、实现了探头与机箱的空间分离，使得激光器、探测器、电子学等放在与外界相对隔离的机箱中，更加容易做到控温、减振、隔尘，裸露的探头部分只是光学镜头，表面易于清洁，抗化学腐蚀性能强，耐环境温度变化；

2、空间分离后的探头尺寸小，安放位置所受限制小，有利于车形的整体设计。

3、通过光纤束实现探头与机箱的分离，利用光纤束的柔软性，可随意调节分离空间的大小和方向。

附图说明

图1为本实施例中的激光雷达结构原理示意图。

图中的附图标记说明：

1-激光器电源，2-触发信号发生器，3-激光器，4-入射端光纤连接头，5-发射光纤，6-出射端面，7-激光器侧光纤纤芯，8-发散激光束，9-激光发射透镜，10-准直激光束，11-目标物，12-激光光斑，13-第一光纤，14-第一光纤A端连接头，15-微透镜，16-第一光电探测器，17-探测器电源，18-信号放大电路，19-时间鉴别电路，20-时间数字转换电路，21-反射激光束，22-窄带滤光片，23-激光接收透镜，24-汇聚激光束，25-入射端面，26-探测器侧光纤纤芯，27-光纤，28-出射端光纤连接头，29-第二光电探测器，30-探头，31-光纤束，32-机箱，33-第一光纤B端连接头。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本方案是针对目前在智能驾驶汽车等应用领域，由于激光雷达必须满足车规的严苛要求才能正式安装在汽车上，现有激光雷达在适应高温、颠簸等恶劣环境方面还存在缺陷的问题，而提出的一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法，该方法可实现了激光雷达中的探头与机箱的空间分离，使得激光器、探测器、电子学等放在与外界相对隔离的机箱中，进而更加容易做到控温、减振、隔尘，裸露的探头部分只是光学镜头，其表面易于清洁，抗化学腐蚀性能强，耐环境温度变化。

本实施例首先提供一种实现激光雷达上的探头与机箱分离的方法，该方法为激光雷达的探头为裸露安装在外部环境中的光学镜头，激光雷达机箱为内部安装有产生激光信号的元器件、接收激光信号的元器件以及处理激光信号的电子学元器件的与外界相隔离的机箱结构，其中机箱中元器件产生的激光脉冲通过光纤形成发散激光束，发散激光束通过激光雷达的探头形成准直激光束并照射到目标物上，在目标物上形成点阵照明，目标物被照亮后形成激光光斑，形成的激光光斑产生反射激光束，反射激光束通过激光雷达的探头形成汇聚激光束，汇聚激光束通过光纤回传到激光雷达机箱中的元器件中，进行分析处理。

在上述方法中，激光雷达主要由探头、机箱以及光纤束三个部分组成。与目前的激光雷达相比，多出了具有一定长度且可自由弯曲的光纤束。探头由激光发射透镜、激光探测透镜，以及二维发射光纤阵列的光纤连接头、二维接收光纤阵列的光纤连接头组成。光纤束由发射光纤束、接收光纤束和第一光纤组成，发射、接收光纤束是光纤阵列的一部分，其一端进入探头，另外一端进入机箱分别与激光器或者探测器耦合，激光雷达的其余部分全部在机箱内。

工作原理为，激光器耦合到二维发射光纤阵列的入射端，通过光纤束传输后，在二维发射光纤阵列的出射端，将激光通过激光发射透镜将激光照射到目标物上，形成激光点阵光斑。目标物上的反射光通过激光探测透镜后，将激光照射到二维接收光纤阵列的入射端，通过光纤束传输后，在二维接收光纤阵列的出射端与探测器耦合，相当于高性能、多像素的探测器阵列。在这里，利用光纤柔软容易弯曲的特点，实现了激光器、探测器、电子学等与激光发射透镜和激光接收透镜的空间分离，从而将娇气的激光器、探测器、电子学等放在相对隔离的环境中，使控温、减振、隔尘变得更加容易，以便激光雷达顺利通过车规。同时这里采用激光点阵照明与探测方式，具有无需扫描或者减少扫描要求的特点。

参照附图1所示，为本实施例中的激光雷达结构原理示意图。本实施例中的激光雷达包括有机箱32、探头30以及光纤束31。机箱32内包括有M×N+1个激光器3、激光器电源1、用于对激光器3产生脉冲触发控制信号的触发信号发生器2、二维发射光纤阵列中的M×N个入射端光纤连接头4、一对设置在第一光纤13两端的第一光纤A端连接头14和第一光纤B端连接头33、微透镜15、二维发射光纤阵列中的M×N个出射端光纤连接头28、分别接收起始信号的第一光电探测器16和接收停止信号的第二光电探测器29、用于给第一光电探测器16和第二光电探测器29提供偏置电压的探测器电源17、分别依次用于对第一光电探测器16和第二光电探测器29中的信号进行放大处理的放大电路18、时间鉴别电路19和时间数字转换电路20，上述M×N个入射端光纤连接头4分别对应与M×N个激光器3耦合，另一个激光器3与第一光纤A端连接头14相耦合，M×N个出射端光纤连接头28分别通过微透镜15对应与第二光电探测器29进行耦合，其中M与N都为≥1的自然整数；探头30包括有二维发射光纤阵列的出射端面6、设置在出射端面6上的M×N条激光器侧光纤纤芯7、激光发射透镜9、形成在激光器侧光纤纤芯7和激光发射透镜9之间的发散激光束8、窄带滤光片22、激光接收透镜23、二维接收光纤阵列入射端面25、设置在二维接收光纤阵列入射端面25上的M×N条探测器侧光纤纤芯26以及形成在探测器侧光纤纤芯26和激光接收透镜23之间的汇聚激光束24；光纤束31包括有M×N条发射光纤5、M×N条接收光纤27以及用于传输起始信号激光的第一光纤13，其中M×N条发射光纤5的入射端连接M×N个入射端光纤连接接头4，出射端连接在二维发射光纤阵列的出射端面6上的M×N条激光器侧光纤纤芯7，M×N条接收光纤27的入射端连接在二维接收光纤阵列的入射端面25上的M×N条探测器侧光纤纤芯26，出射端连接M×N个出射端光纤连接头28。

工作时，激光器电源1为激光器3提供快速驱动脉冲，触发信号发生器2产生一个触发电信号，同时控制M×N+1个激光器3产生激光脉冲，二维发射光纤阵列中的入射端光纤连接头4中的每个光纤连接头都分别与一个激光器3进行高效耦合，共M×N个光纤连接头。激光脉冲被耦合进入射端光纤连接头4后，顺着发射光纤5传输到二维发射光纤阵列的出射端面6。M×N个激光脉冲从二维发射光纤阵列的出射端面6上的激光器侧光纤纤芯7离开端面，进入自由空间，形成发散激光束8。发散激光束8通过激光发射透镜9后，变为准直激光束10。准直激光束10在自由空间中传输，照射到目标物11上，形成M×N个激光光斑，从而完成点阵照明。

第一光纤A端连接头14与激光器3进行耦合，耦合进来的激光顺着第一光纤13传输，传输到第一光纤B端连接头33后，经过微透镜15聚焦后进入第一光电探测器16，产生模拟量形式的起始信号。第一光电探测器16由探测器电源17供电。模拟量形式的起始信号被后续的信号放大电路18放大，进入时间鉴别电路19被整形后变成数字式的起始信号，最后进入时间数字转换电路20中。

目标物11被激光照明***照亮后产生激光光斑12。激光光斑12产生的反射激光束21，通过窄带滤光片22进入到激光接收透镜23，产生汇聚激光束24，在激光接收透镜23的焦平面位置入射到二维接收光纤阵列入射端面25上的探测器侧光纤纤芯26内。接收的激光通过接收光纤27传输，从二维接收光纤阵列出射端的出射端光纤连接头28出来。从光纤连接头出来的激光，经过微透镜15后，进入接收停止信号的第二光电探测器29。探测器电源17给第二光电探测器29提供偏置电压，使其正常工作。第二光电探测器29产生模拟量形式的停止信号。该微弱信号经过信号放大电路18的放大，再经过时间鉴别电路19后成为与距离信息相关的数字式的停止信号，从不同输入端进入时间数字转换电路20。时间数字转换电路20通过比较起始信号和停止信号的时间差产生飞行时间。与激光光斑12所在处距离相关的飞行时间以数字信号的形式输出，进入到计算机中进行处理，不同的激光光斑12所在处的距离集合形成人们所想要的距离图像，可以用适当的形式进行显示，例如人们熟知的激光点云，或者送控制***去控制执行器。在此需要说明的是，计算机等属于激光雷达的信息处理***，这里不再画出，为现有技术。

此外，上述提到的信号放大电路18是为将光电探测器通过光电转换产生的微弱信号进行放大的电路，一般由前置放大器和主放大器两个部分组成，为现有技术；同样时间鉴别电路19是将放大后的脉冲信号经过滤波后通过时间鉴别器给出起始信号或停止信号的电路；时间数字转换电路20是将输入的起始信号与停止信号的时间差测量出来，并以数字信号的形式输出的电路。该时间差即与距离相关的飞行时间，乘以光速即探测到的距离。它可以是由专门的时间数字转换芯片配备辅助电路组成，也可以是由现场可编程门阵列FPGA电路组成。

本实施例中的上述激光器电源1是为激光器3提供快速脉冲驱动能力的电源结构。激光器3既可以是激光二极管，也可以是固体激光器，还可以是光纤激光器，这些激光器通过电源1供电，在触发信号发生器2产生的同一个触发信号的控制下，多个激光器3同时产生多束激光脉冲。微透镜为用于将来自光纤的信号耦合至所述第一光电探测器16和第二光电探测器29中的微细透镜结构；激光发射透镜9为由一个透镜构成或由几个透镜形成的透镜组构成；第一光电探测器16和第二光电探测器29为采用雪崩光电二极管探测器或P型-本征-N型半导体构成的二极管探测器中的一种，通常雪崩光电二极管更常见。雪崩光电二极管可以工作在偏置电压略高于雪崩阈值电压的盖革模式，也可以工作在偏置电压略低于雪崩阈值电压的线性模式。第一光电探测器16用于探测起始信号。第二光电探测器29用于探测停止信号。

二维发射光纤阵列的出射端面6上和二维接收光纤阵列入射端面25上都分别设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条光纤纤芯，其中M与N都为≥1的自然整数。在实际制作中，通过微细加工技术，在硅片等材料上精密加工M×N个小孔，光纤稳定地固定在小孔中，构成精密排列的二维光纤阵列。这里X方向的排列周期与Y方向的排列周期可以相同，也可以根据设计需要取不同值。M可以等于N，也可以不等于N。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种实现激光雷达的探头与机箱分离的方法，其特征在于：激光雷达的探头为裸露安装在外部环境中的光学镜头，激光雷达机箱为内部安装有产生激光信号的元器件、接收激光信号的元器件以及处理激光信号的电子学元器件的与外界相隔离的机箱结构，其中机箱中元器件产生的激光脉冲通过光纤形成发散激光束，发散激光束通过激光雷达的探头形成准直激光束并照射到目标物上，在目标物上形成点阵照明，目标物被照亮后形成激光光斑，形成的激光光斑产生反射激光束，反射激光束通过激光雷达的探头形成汇聚激光束，汇聚激光束通过光纤回传到激光雷达机箱中的元器件中，进行分析处理。

2.一种如权利要求1所述的实现激光雷达的探头与机箱分离的方法的激光雷达，其特征在于：所述激光雷达包括有机箱、探头以及光纤束，所述机箱内包括有有M×N+1个激光器、激光器电源、用于对所述激光器产生脉冲触发控制信号的触发信号发生器、二维发射光纤阵列中的M×N个入射端光纤连接头、一对设置在第一光纤两端的光纤连接头、微透镜、二维发射光纤阵列中的M×N个出射端光纤连接头、分别接收起始信号的第一光电探测器和接收停止信号的第二光电探测器、用于给所述第一光电探测器和第二光电探测器提供偏置电压的探测器电源、分别依次用于对所述第一光电探测器和第二光电探测器中的信号进行放大处理的放大电路、时间鉴别电路和时间数字转换电路，M×N个所述入射端光纤连接接头分别对应与M×N个所述激光器耦合，另一个所述激光器与所述第一光纤连接头相耦合，M×N个出射端光纤连接头分别对应与所述第二光电探测器进行耦合，其中M与N都为≥1的自然整数；所述探头包括有二维发射光纤阵列的出射端面、设置在所述出射端面上的M×N条激光器侧光纤纤芯、激光发射透镜、形成在所述激光器侧光纤纤芯和激光发射透镜之间的发散激光束、窄带滤光片、激光接收透镜、二维接收光纤阵列端面、设置在所述二维接收光纤阵列端面上的M×N条探测器侧光纤纤芯以及形成在所述探测器侧光纤纤芯和激光接收透镜之间的汇聚激光束；所述光纤束包括有M×N条发射光纤、M×N条接收光纤以及第一光纤，其中M×N条所述发射光纤的出射端连接在所述二维发射光纤阵列的出射端面上的M×N条激光器侧光纤纤芯，M×N条所述接收光纤的入射端连接在所述二维接收光纤阵列的出射端面上的M×N条探测器侧光纤纤芯。

3.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：所述激光器为激光二极管、固体激光器或光纤激光器中的一种。

4.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：二维发射光纤阵列的所述出射端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤纤芯，其中M与N都为≥1的自然整数。

5.根据权利要求4所述的一种激光雷达，其特征在于：所述二维接收光纤阵列端面上设置有呈二维排列的M×N个开孔，每一开孔中安装有一条所述光纤纤芯，其中M与N都为≥1的自然整数。

6.根据权利要求4或5所述的一种激光雷达，其特征在于：所述开孔为通过采用微细加工技术形成的小孔结构。

7.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：所述第一光电探测器和第二光电探测器为采用雪崩光电二极管探测器或P型-本征-N型半导体构成的二极管探测器中的一种。

8.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：所述微透镜为用于将来自光纤的信号耦合至所述第一光电探测器和第二光电探测器中的微细透镜结构。

9.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：所述激光发射透镜为由一个透镜构成或由几个透镜形成的透镜组构成。

10.根据权利要求2所述的一种激光雷达，其特征在于：所述激光器电源为可提供快速脉冲驱动能力的电源结构。