CN101813778B - 汽车多线激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车多线激光雷达系统，其特点是由激光装置、球面反射镜、抛物面反射镜组成一套简单有效的光束整形系统，使激光光束在水平方向准直，在系统光轴方向发散，输出光斑为一个线状光斑，发射单次脉冲可检测垂轴方向的多个角度目标的距离。所述激光装置产生线状光束，作为雷达扫描信号，利用抛物面反射镜收集物体的回波信号，先将汇聚的回波信号经过滤光片，再入射到光电接收器阵列上，通过电机带动发射和接收光路部分整体转动，完成多线目标扫描。本发明用线状光束作为雷达扫描信号、离轴抛物面式反射镜收集回波信号和光电接收器阵列接收回波信号，具有探测效率高、光路短、重量轻、体积小等优点，适合各种汽车使用。

Description

汽车多线激光雷达系统

技术领域

本发明涉及一种汽车多线激光雷达装置，属于汽车辅助驾驶系统应用领域。

背景技术

随着社会经济的发展，汽车在生活中变得越来越普遍，交通事故频发，在路上行驶需要更多的注意力，给驾驶者增加了负担。对于汽车安全性的关注不仅仅是为了司机和乘客，还有道路上的其他人。目前，安全设备已经从物理领域，如轮胎和刹车技术的进步，转向光电子领域，如今天的汽车辅助驾驶系统。辅助驾驶系统可提供基本的安全功能，更为先进的设计还可利用功能强大的传感器识别周围的交通情况、车道和行驶方向以及可能的碰撞目标，来提醒驾驶者潜在的危险情况。辅助驾驶系统的最终目标是为司机提供信息以及在特殊情况下转交车辆自动控制权限，从而可保证人车的安全。

汽车雷达是辅助驾驶系统中应用最为广泛的一种。当前汽车雷达主要包括超声波雷达、微波雷达、激光雷达；其中，超声波雷达是以一定的角度向外发射超声波，当超声波遇到物体时，超声波被反射回来，通过接收装置接收，根据超声波传播的时间计算出物体距离。因为超声波被大气传输衰减厉害，应用时一般都不超过十米；微波雷达发射毫米波主动探测，它虽然可实现远距离探测，但是主要是用于物体速度的测量，对物体距离和位置较难精确确定；汽车激光雷达克服其它雷达距离近、精度差的缺点，将是汽车辅助驾驶系统的最佳选择。当前汽车激光雷达多为定向、定点测量或者一维扫描，其虽能精确测量距离和速度，但是其一次只能测一个目标，当进行多线测量时，需要较长时间才能完成，速度达不到实际要求，没有发挥其应有的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，而提供一种可进行多线扫描的激光雷达系统，它除了具有精确测量、目标识别和测速的功能外，还具有结构简单、造价低、体积小、易于安装、探测距离远和多线快速扫描的功能。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：汽车多线激光雷达系统，包括围绕系统光轴安装的激光装置、球面反射镜、抛物面反射镜、电机、编码器、滤光片、光电接收器阵列以及轴套，其特征在于：所述激光装置的光轴和系统光轴垂直设置，球面反射镜和抛物面反射镜分别与系统光轴的方向呈45度设置；所述球面反射镜反射输出线状光束，所述线状光束在系统光轴和输出方向平面内发散，水平方向准直；滤光片放置在抛物面反射镜和其焦点位置之间，其法线方向平行于系统光轴；所述光电接收器阵列设置在抛物面反射镜焦点位置上，电机的转轴方向和系统光轴重合，在所述电机直接与编码器相连接，电机通过轴套连接抛物面反射镜。

前述的汽车多线激光雷达系统，其中，所述电机通过轴套与测距光路部分相连，所述激光装置、球面反射镜、抛物面反射镜、滤光片和光电接收器阵列通过光连接构成所述测距光路部分。

本发明上述技术方案中所述激光装置是由发射出激光脉冲的第一激光器、整形为平行光的快慢轴准直透镜和光线整形的第一柱面透镜通过光连接而成；或者是由发射出激光脉冲的第二激光器、耦合光纤、输出高斯光束的光纤输出头、整形为平行光的准直透镜和光线整形的第二柱面透镜通过光连接构成。

本发明上述技术方案中所述的第一激光器是窗口输出的脉冲半导体激光器；第二激光器是带尾纤的脉冲光纤激光器。

本发明上述技术方案中所述的光电接收器阵列是由光纤耦合带窗口的光电接收管阵列构成；或者是由集成的光电接收管阵列构成。

前述的汽车多线激光雷达系统，其中，输出线状光束在系统光轴和输出方向平面内发散，水平方向准直。

本发明由电机带动激光器、球面反射镜、抛物面反射镜、滤光片、光电接收器阵列围绕系统光轴高速转动。

本发明具有以下有益效果：

(1)汽车多线激光雷达系统包括线状光斑发射部件，由激光器、球面反射镜、抛物面反射镜组成一套简单有效的光束整形系统，使激光光束在水平方向准直，在系统光轴方向发散，输出光斑为一个线状光斑，发射单次脉冲可检测垂轴方向的多个角度目标的距离；

(2)激光回波信号接收部件采用光电接收器阵列，同时采用线阵测时法，只需一次探测即可得到多点距离，可达到很高的效率；

(3)采用离轴高次抛物面式主反射镜与次反射镜补偿的设计方案，其结构简单，口径适用范围大。作为激光发射部件，此部分为离轴双反射系统；作为回波信号接收部件，此部分为离轴抛物面聚焦系统，替换传统上使用平面反射镜和玻璃透镜组成的聚焦系统。这个设计方案缩短光路长度，减少设备重量、体积。

(4)本发明用线状光束作为雷达扫描信号、离轴抛物面式反射镜收集回波信号和光电接收器阵列接收回波信号，具有探测效率高、光路短、造价低、重量轻、体积小、轻便、易于安装等优点，具有巨大的经济效益和社会效益，适合各种汽车使用。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明第一激光器的结构示意图。

图3是本发明第二激光器的结构示意图。

图4是本发明光电接收器阵列的一种实施例的结构示意图。

图5是本发明光电接收器阵列的另一种实施例的结构示意图。

图中：1-光电接收器阵列；2-滤光片；3-激光装置；4-抛物面反射镜；5-球面反射镜；6-轴套；7-电机；8-编码器；9-回波信号；10-线状光束；11-系统光轴；12-第一激光器；13-快慢轴准直透镜；14-第一柱面透镜；15-光纤输出头；16-准直透镜；17-第二柱面透镜；18-第二激光器；19-耦合光纤；20-耦合光纤阵列；21-光电接收管阵列；22-电信号引出端；23-光电接收管的管壳；24-光电接收管的感光面；25-玻璃窗口。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，汽车多线激光雷达系统包括激光装置3、球面反射镜5、抛物面反射镜4、电机7、编码器8、滤光片2、光电接收器阵列1、轴套6、线状光束10、回波信号9和系统光轴11。激光装置3的光轴和系统光轴11垂直，球面反射镜5和抛物面反射镜4与系统光轴11的方向呈45度设置，输出线状光束10在系统光轴和输出方向平面内发散，水平方向准直。滤光片2放置在抛物面反射镜4和其焦点位置之间，法线方向平行于系统光轴11，光电接收器阵列1放置在抛物面反射镜4焦点位置上，编码器8和电机7连接，该电机7的转轴方向和系统光轴11重合。

在电机7上通过轴套6还连接测距光路部分，通过电机带动发射和接收光路部分即测距光路部分整体转动。本实施例中，所述激光装置、球面反射镜、抛物面反射镜、滤光片和光电接收器阵列通过光连接构成所述测距光路部分。

下面对本发明的具体部件作出进一步的详细说明：

(1)激光装置3；激光装置3输出线状激光束，它可由脉冲半导体激光器和脉冲光纤激光器通过光束整形实现，其具体实施方案如下：

方案一，见图2，利用脉冲半导体激光器12作为激光光源，发射出的激光脉冲通过快慢轴准直透镜13整形为平行光，通过第一柱面透镜14整形，输出在水平方向准直，在系统光轴11方向发散的光束。

方案二，见图3，利用脉冲光纤激光器18作为激光光源，发射出的激光脉冲通过耦合光纤19传输，使用光纤输出头15输出高斯光束，经过准直透镜16准直为平行光，经过第二柱面透镜17整形，输出在水平方向准直，在系统光轴11方向发散的光束。

上述方案一和方案二实施方式中所用到的激光器及光学元件均为普通器件，市场上可选产品比较多，具体结构及作用不再详述。

(2)光电接收器阵列1。光电接收器阵列1的功能是接收不同角度物体的回波信号9，将其转换为电脉冲信号，其具体实施方案如下：

一实施例，见图4，利用光纤的紧凑性，将光纤的一端排列为线阵，光纤的另外一端和光电接收管耦合，组成光电接收管阵列21。

另一实施例，见图5，使用集成光电接收管阵列，回波信号9通过玻璃窗口25，聚焦在光电接收管的管壳23处光电接收管的感光面24上，直接转换为电信号，通过电信号引出端22输出。

本发明的工作原理是：激光装置3发射激光脉冲，照射到球面反射镜5上，光束沿着系统光轴11的方向向上传输，照射到抛物面反射镜4上，水平向外发射出线状光束10，线状光束10照射到被测量物体上，物体反射激光回波信号9，回波信号9通过抛物面反射镜4汇聚，在汇聚焦点前通过滤光片2，经过滤光片的光线聚焦在光电接收器阵列1上。不同位置的物体反射回的激光回波信号9，经过抛物面反射镜4汇聚后，入射到光电接收器阵列1不同位置上。激光装置3发射一次激光，光电接收器阵列1接收到不同角度的回波信号，同时输出多路脉冲信号，完成物体的多个角度的距离测量。电机7的转轴方向和系统光轴11重合，和编码器8连接，编码器8记录电机7转动的角度位置，激光装置3、滤光片2、球面反射镜5、抛物面反射镜4和光电接收器阵列1作为一个整体，通过轴套6和电机7连接，并且高速旋转，整个测量范围可以达到360度，电机7转动一周，激光装置3发射几百甚至上千次激光脉冲，光电接收器阵列1完成相应次数的信号接收，整个运行过程随着电机7的转动周而复始的进行。

本发明中，激光回波信号接收部件采用光电接收器阵列1，同时采用线阵测时法，只需一次探测即可得到多点距离，可达到很高的效率；

在本发明的上述具体实施方式中，所述的物体是指汽车多线雷达系统所能够探测到的动态或者静态的物体，指在汽车行进的方向上，汽车多线雷达系统能够探测到的对汽车能够造成危害及事故的任何运动和静止的物体，包括车辆、人或者其他物体。

本发明是激光装置3产生线状光束，作为雷达扫描信号，利用抛物面反射镜4收集物体的回波信号9，先将汇聚的回波信号9经过滤光片2，再入射到光电接收器阵列1上，通过电机7带动发射和接收光路部分整体转动，完成多线目标扫描。本发明用线状光束作为雷达扫描信号、离轴抛物面式反射镜收集回波信号9和光电接收器阵列1接收回波信号9，具有探测效率高、光路短、重量轻、体积小等优点，适合各种汽车使用。

本发明汽车多线激光雷达包括线状光斑发射部件，由激光装置3、球面反射镜5、抛物面反射镜4组成一套简单有效的光束整形系统，使激光光束在水平方向准直，在系统光轴方向发散，输出光斑为一个线状光斑，发射单次脉冲可检测垂轴方向的多个角度目标的距离；并采用离轴高次抛物面式主反射镜与次反射镜补偿的设计方案，其结构简单，口径适用范围大。作为激光发射部件，此部分为离轴双反射系统；作为回波信号接收部件，此部分为离轴抛物面聚焦系统，替换传统上使用平面反射镜和玻璃透镜组成的聚焦系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.汽车多线激光雷达系统，包括围绕系统光轴(11)安装的激光装置(3)、球面反射镜(5)、抛物面反射镜(4)、电机(7)、编码器(8)、滤光片(2)、光电接收器阵列(1)以及轴套(6)，其特征在于：所述激光装置(3)的光轴和系统光轴(11)垂直设置，球面反射镜(5)和抛物面反射镜(4)分别与系统光轴(11)的方向呈45度设置；所述球面反射镜反射输出线状光束(10)，所述线状光束(10)在系统光轴(11)和输出方向平面内发散，水平方向准直；滤光片(2)放置在抛物面反射镜(4)和其焦点位置之间，其法线方向平行于系统光轴(11)；所述光电接收器阵列(1)设置在抛物面反射镜(4)焦点位置上，电机(7)的转轴方向和系统光轴(11)重合，在所述电机(7)直接与编码器(8)相连接，电机(7)通过轴套(6)连接抛物面反射镜(4)。

2.权利要求1所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光装置(3)是由发射出激光脉冲的第一激光器(12)、整形为平行光的快慢轴准直透镜(13)和光线整形的第一柱面透镜(14)通过光连接而成。

3.权利要求1所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述激光装置(3)是由发射出激光脉冲的第二激光器(18)、耦合光纤(19)、输出高斯光束的光纤输出头(15)、整形为平行光的准直透镜(16)和光线整形的第二柱面透镜(17)通过光连接构成。

4.权利要求2所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述第一激光器(12)是窗口输出的脉冲半导体激光器。

5.权利要求3所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述第二激光器(18)是带尾纤的脉冲光纤激光器。

6.权利要求2或3所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述光电接收器阵列(1)是由光纤耦合带窗口的光电接收管阵列(21)构成。

7.权利要求2或3所述的汽车多线激光雷达系统，其特征在于，所述光电接收器阵列(1)是由集成的光电接收管阵列构成。

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