本發(fā)明涉及激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置及激光雷達(dá)測距方法。

背景技術(shù)：

激光雷達(dá)是以發(fā)射激光束探測目標(biāo)位置等特征量的雷達(dá)系統(tǒng)。激光雷達(dá)在地球遙感方面應(yīng)用廣泛，在進(jìn)行探測時(shí)需要接收距離10km-40km左右的激光回波信號，但10km-40km激光回波信號光強(qiáng)度有6個量級的范圍。在低空的時(shí)候，每上升3km回波信號光強(qiáng)度約減少一個數(shù)量級；但在高空時(shí)，每上升10km回波信號光強(qiáng)度會減少一個數(shù)量級。為了提高探測的高度，通常增加激光器的發(fā)射功率或者提高探測器的靈敏度。但增加激光器的發(fā)射功率后，低空近距離的回波信號很強(qiáng)，容易造成接收系統(tǒng)飽和，甚至造成高靈敏度的探測器損失。

一般采用雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分時(shí)選道的方法進(jìn)行測距，以防止光電探測器工作在飽和區(qū)?，F(xiàn)有技術(shù)中采用雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中,通過分光鏡將接收光路分成近場和遠(yuǎn)場兩個通道，這樣通過分光將各通道的回波信號的功率進(jìn)行分流，使得檢測近場和遠(yuǎn)場的回波信號功率都能在光電檢測器的飽和范圍之內(nèi)。

該光學(xué)接收裝置運(yùn)用了分光鏡，當(dāng)該裝置裝配完成后，該光學(xué)接收裝置的分光比是固定的，這樣不能滿足自適應(yīng)近距離和遠(yuǎn)距離的探測需求。

有鑒于此，現(xiàn)有技術(shù)有待改進(jìn)和提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明目的在于提供一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置及激光雷達(dá)測距方法，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置不能滿足自適應(yīng)近距離和遠(yuǎn)距離的探測需求的技術(shù)問題，簡化了現(xiàn)有技術(shù)中雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用了一個聚焦透鏡和一個光電探測器，使得該裝置具有光路簡單、體積小的特性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，包括依次連接設(shè)置的：

用于進(jìn)行激光探測時(shí)，接收激光的回波信號的望遠(yuǎn)鏡；用于對光信號準(zhǔn)直的準(zhǔn)直透鏡；用于對背景光進(jìn)行帶通濾光的窄帶濾光片；用于通過衰減傳輸光功率實(shí)現(xiàn)對光信號的控制的可變光衰減器；用于對光信號進(jìn)行聚焦的聚焦透鏡；用于根據(jù)光信號的光強(qiáng)度來輸出對應(yīng)的電信號的光電探測器；

所述望遠(yuǎn)鏡出射的發(fā)散光通過所述準(zhǔn)直透鏡后聚集為平行出射光；平行出射光通過所述窄帶濾光片后僅通過發(fā)射激光的窄波段范圍的光信號；光信號通過所述可變光衰減器后光信號為平行出射光，光信號的光功率衰減為可變光衰減器加入電壓值的函數(shù)；光信號通過所述聚焦透鏡后，光信號由平行入射光聚集為聚焦出射光；所述光電探測器接收聚焦的光信號，并將光信號對應(yīng)的電信號進(jìn)行顯示。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，在所述望遠(yuǎn)鏡和所述準(zhǔn)直透鏡之間還包括用于限制視場范圍的視場光闌。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，所述可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，所述視場光闌位于所述望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)位置。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，所述視場光闌的孔徑大小限定了光信號接收視場大小。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，所述光電探測器位于所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)位置。

所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，其中，所述可變光衰減器為磁光VOA或液晶VOA。

一種激光雷達(dá)測距方法，其特征在于，該方法包括：

A、激光雷達(dá)發(fā)射器向目標(biāo)發(fā)射激光信號；

B、在激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的可變光衰減器上加入電壓V，確定通過可變光衰減器光信號的衰減量；

C、用所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置接收激光回波信號；

D、根據(jù)接收激光信號的光強(qiáng)度、發(fā)射器發(fā)射的激光信號的光強(qiáng)度、目標(biāo)距離及其他影響激光信號的光強(qiáng)度的參數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)到光學(xué)接收器間的距離。

所述激光雷達(dá)測距方法，其中，步驟B還包括：

根據(jù)探測回波信號的距離對可變光衰減器上加入的電壓V進(jìn)行調(diào)節(jié)。

所述激光雷達(dá)測距方法，其中，所述可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。

有益效果：本發(fā)明提出了一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置及激光雷達(dá)測距方法，該裝置采用了一個聚焦透鏡和一個光電探測器，簡化了現(xiàn)有技術(shù)中雙通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置中采用兩個聚焦透鏡和兩個光電探測器的結(jié)構(gòu)，使得該裝置具有光路簡單、體積小的特性；通過可變光衰減器控制光信號的衰減量，能自適應(yīng)近距離和遠(yuǎn)距離的探測需求，防止光電探測器工作在飽和區(qū)或者探測器損失；可變光衰減器中的電壓值是連續(xù)可調(diào)的，因此分光比也是連續(xù)可調(diào)的，分光精度明顯提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中激光雷達(dá)測距方法的流程圖。

圖3為本發(fā)明中激光雷達(dá)測距接收裝置的光路結(jié)構(gòu)具體實(shí)施例的示意圖。

圖1符號說明：21望遠(yuǎn)鏡；22視場光闌；23準(zhǔn)直透鏡；24窄帶濾光片；25可變光衰減器；26聚焦透鏡；27光電探測器。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置及激光雷達(dá)測距方法，為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

當(dāng)進(jìn)行激光雷達(dá)測距應(yīng)用時(shí)，將激光發(fā)射器發(fā)射的激光束對準(zhǔn)進(jìn)行探測的目標(biāo)，激光束探測到有障礙物時(shí)進(jìn)行反射，激光雷達(dá)中的光學(xué)接收裝置接收該回波信號并得出回波信號光強(qiáng)度，根據(jù)回波距離與回波信號光強(qiáng)度、發(fā)射激光強(qiáng)度和其它相關(guān)參數(shù)的關(guān)系得出障礙物的距離，這樣，即實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)的測距。

通過激光雷達(dá)測距的實(shí)施例，對本發(fā)明的激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的說明。

如圖1所示，為本發(fā)明的一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，該裝置包括：依次設(shè)置在同一光路上的望遠(yuǎn)鏡21、視場光闌22、準(zhǔn)直透鏡23、窄帶濾光片24、可變光衰減器25、聚焦透鏡26和光電探測器27。望遠(yuǎn)鏡21出射的光信號從左至右依次通過視場光闌22、準(zhǔn)直透鏡23、窄帶濾光片24、可變光衰減器25、聚焦透鏡26、光電探測器27。

用于進(jìn)行激光探測時(shí)接收激光的回波信號的望遠(yuǎn)鏡21，是由兩個凹面反射鏡和一個凸面反射鏡構(gòu)成的反射望遠(yuǎn)鏡，光信號進(jìn)入該望遠(yuǎn)鏡時(shí)照射到凹面反射鏡上，經(jīng)過凹面反射鏡和凸面反射鏡的兩次反射，光信號在望遠(yuǎn)鏡的焦點(diǎn)處進(jìn)行匯聚。

如圖1所示，在望遠(yuǎn)鏡21的出射光信號側(cè)放置一個視場光闌22，該視場光闌22位于望遠(yuǎn)鏡21焦點(diǎn)位置，用于限制光信號的視場范圍。所述視場光闌22的孔徑大小限定了光信號接收視場大小。通過望遠(yuǎn)鏡聚焦出射的光信號，在經(jīng)過視場光闌時(shí)，只有在視場光闌孔徑范圍內(nèi)的光信號才可以通過，而超過視場光闌孔徑邊緣的光信號被阻擋，實(shí)際即是阻擋大視角的光信號進(jìn)入該光學(xué)接收裝置。激光有方向性好的特點(diǎn)，激光發(fā)射后發(fā)散角非常小，激光射出20km光斑直徑只有20-30cm，因此，激光的回波信號的光斑直徑也很小，在接收該回波信號時(shí)只需小的光信號接收視場，通過加入一定孔徑大小的視場光闌來控制光信號接收視場的大小，從而也避免了大量的背景光被接收。

如圖1所示，在視場光闌出光右側(cè)放置一個準(zhǔn)直透鏡23，視場光闌22位于準(zhǔn)直透鏡23的焦點(diǎn)處，通過該準(zhǔn)直透鏡23后對光信號準(zhǔn)直，即將發(fā)散入射光聚集為平行出射光。準(zhǔn)直透鏡23即為普通的凸透鏡。

如圖1所示，準(zhǔn)直后的光信號入射到窄帶濾光片24上，該窄帶濾光片24對背景光進(jìn)行帶通濾光。激光雷達(dá)接收的回波信號除了發(fā)射激光波段的回波信號外，還包括外界其它光信號，需去除探測信號波段外的背景光。窄帶濾光片允許特定波段的光信號通過，而偏離這個波段以外的光信號被阻止。因此，可以選擇發(fā)射激光的窄波段范圍的窄帶濾光片，光信號通過該窄帶濾光片后可以僅通過發(fā)射激光的窄波段范圍的光信號，能夠在該光學(xué)接收裝置中去除干擾的背景光。濾光片一般是塑料或玻璃片再加入特殊染料而成。

如圖1所示，在窄帶濾光片24右側(cè)放置一個可變光衰減器25。可變光衰減器25通過衰減傳輸光功率實(shí)現(xiàn)對光信號的控制，可以由電壓控制光信號的衰減量。光信號通過所述可變光衰減器后光信號為平行出射光。發(fā)光功率＝光強(qiáng)*接收光信號的范圍(角度)。在該裝置中可變光衰減器接收光信號的角度范圍是恒定的，因此，可以直接通過衰減傳輸?shù)墓鈴?qiáng)實(shí)現(xiàn)對光信號的控制?？勺児馑p器(Variable optical attenuator)可為磁光VOA、液晶VOA、高光電系數(shù)材料VOA等。

在測距時(shí)，如果通過窄帶濾光片24后的光信號的光強(qiáng)度為I₀，當(dāng)可變光衰減器上加電壓V，光信號的光功率衰減為可變光衰減器加入電壓值的函數(shù)，出射光信號的光強(qiáng)度是電壓V的函數(shù)，該出射光信號的光強(qiáng)度為I′＝I₀(V)。

當(dāng)目標(biāo)處于近場時(shí)，光信號的回波信號光強(qiáng)度很強(qiáng)，可能會造成光電探測器27工作在飽和區(qū)或者探測器損失，因此，有必要通過該可變光衰減器25減小光電探測器27接收到的回波信號光強(qiáng)度。當(dāng)近場測距時(shí)，通過窄帶濾光片24后的光信號的光強(qiáng)度為I_0近場，可變光衰減器25中加入電壓V后，光信號的光強(qiáng)度為I'_近場＝I_0近場(V)，且滿足I'_近場＜I_0近場，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)衰變量，即可根據(jù)需要加入不同的電壓值。如圖3所示，I_0近場表示測距的目標(biāo)較近時(shí)，通過窄帶濾光片24后的光信號的光強(qiáng)度為I_0近場，I_0近場(V)代表通過衰減器的作用，是電壓的函數(shù)；I’的光強(qiáng)度應(yīng)小于探測器允許的輔入最大光強(qiáng)，大于探測器的閾值光強(qiáng)，才能保證能正常工作。

當(dāng)目標(biāo)處于遠(yuǎn)場時(shí)，光信號的回波信號光強(qiáng)度較弱，不需對光強(qiáng)進(jìn)行衰減，此時(shí)衰減量可調(diào)節(jié)為0。當(dāng)遠(yuǎn)場測距時(shí)，通過窄帶濾光片24后的光信號的光強(qiáng)度為I_{0遠(yuǎn)場}，可變光衰減器25的衰減量為0，光信號的光強(qiáng)度為I′_{遠(yuǎn)場}＝I_{0遠(yuǎn)場}。

距離對回波信號光強(qiáng)度的影響很大，I_{0遠(yuǎn)場}＜＜I_0近場，如果不增加可變光衰減器25可能會造成光電探測器27失靈，增加可變光衰減器27后，可使得I'_{遠(yuǎn)場}、I'_近場的值相近，都能落入光電探測器的探測范圍之內(nèi)。

激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的分光比γ與可變光衰減器25上加入的電壓的關(guān)系為：

式1中激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的分光比γ為可變光衰減器25上加入的電壓V的函數(shù)，加入的電壓是連續(xù)可調(diào)的，因此，分光比也是連續(xù)可調(diào)的，分光精度明顯提高。

當(dāng)回波信號經(jīng)過可變光衰減器25后，通過可對光信號進(jìn)行聚焦的聚焦透鏡26，將光信號聚焦到光電探測器27上，所述光電探測器27位于聚焦透鏡26的焦點(diǎn)位置。光信號通過所述聚焦透鏡后，光信號由平行入射光聚集為聚焦出射光。該聚焦透鏡即為普通的凸透鏡。

光電探測器27接收聚焦的光信號，并將光信號對應(yīng)的電信號進(jìn)行顯示。該光電探測器27用于根據(jù)光信號的光強(qiáng)度來輸出對應(yīng)的電信號，供后續(xù)電路使用。光電探測器27位于所述聚焦透鏡26的焦點(diǎn)位置。將電信號轉(zhuǎn)化為對等的光信號的光強(qiáng)度，根據(jù)該探測的光信號的光強(qiáng)度與發(fā)射器發(fā)射的激光信號的光強(qiáng)度與目標(biāo)距離及其他影響光信號的光強(qiáng)度的參數(shù)的關(guān)系，可以計(jì)算出目標(biāo)到光學(xué)接收器間的距離。這些參數(shù)包括：激光束特性、光學(xué)系統(tǒng)效率、光信號的衰變量等。

基于上述所述為一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置，提供了一種基于上述實(shí)話例所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的激光雷達(dá)測距方法，本發(fā)明實(shí)施例還提供了一種激光雷達(dá)測距方法，進(jìn)一步的進(jìn)行解釋說明，如圖2所示，為本發(fā)明的激光雷達(dá)測距方法的流程圖，該方法包括如下步驟：

S100、激光雷達(dá)發(fā)射器向目標(biāo)發(fā)射激光信號。

激光雷達(dá)測距實(shí)際是通過激光碰到障礙物后進(jìn)行反射，根據(jù)激光信號的光強(qiáng)度的損失來確定目標(biāo)的距離。因此，進(jìn)行測距時(shí)，應(yīng)該將激光雷達(dá)發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)并發(fā)射激光信號。

S200、在激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的可變光衰減器上加入電壓V，確定通過可變光衰減器光信號的衰減量。

如果發(fā)射器的發(fā)射功率很大，當(dāng)目標(biāo)為低空物體時(shí)，則導(dǎo)致回波信號很強(qiáng)，光電探測器容易達(dá)到飽和甚至造成高靈敏度的探測器的損失。可變光衰減器由電壓控制光信號的衰減量。當(dāng)光學(xué)接收裝置中的可變光衰減器上加入電壓時(shí)，可以衰減接收的回波光信號的光功率，使得接收的光功率處于光電探測器的探測范圍內(nèi)；當(dāng)目標(biāo)處于高空物體時(shí)，回波光信號的會衰減，此時(shí)不用給可變光衰減器上加入電壓，光電探測器接收的回波光信號的光功率是實(shí)際的光功率，使得接收的回波光信號的光功率仍然處于光電探測器的探測范圍內(nèi)。對可變光衰減器上加入的電壓V可以根據(jù)探測回波信號的距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。

S300、用所述激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置接收激光回波信號。

激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置用于接收回波光信號，并通過光學(xué)接收裝置中的光學(xué)器件對光信號進(jìn)行優(yōu)化并輸出。該激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置的結(jié)構(gòu)，具體如上所述。

S400、根據(jù)接收激光信號的光強(qiáng)度、發(fā)射器發(fā)射的激光信號的光強(qiáng)度、目標(biāo)距離及其他影響激光信號的光強(qiáng)度的參數(shù)，計(jì)算出目標(biāo)到光學(xué)接收器間的距離。

目標(biāo)到光學(xué)接收器間的距離的計(jì)算不僅與激光信號的光強(qiáng)度相關(guān)，還與激光束特性、光學(xué)系統(tǒng)效率、光信號的衰變量等。距離與這些參數(shù)間具有確定的關(guān)系，當(dāng)各個參數(shù)確定時(shí)，可以計(jì)算出位置的目標(biāo)與光學(xué)接收器間的距離。

綜上所述，本發(fā)明公開的一種激光雷達(dá)光學(xué)接收裝置及激光雷達(dá)測距方法，該裝置具有光路簡單、穩(wěn)定性好的特征；且該光學(xué)接收裝置采用可變光衰減器控制光信號的衰減量，能自適應(yīng)近距離和遠(yuǎn)距離的探測需求，防止光電探測器工作在飽和區(qū)或者探測器損失；可變光衰減器中的電壓值是連續(xù)可調(diào)的，因此分光比也是連續(xù)可調(diào)的，分光精度明顯提高。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的應(yīng)用不限于上述的舉例，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。