本發(fā)明屬于激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光測(cè)距、二維和三維成像的收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

激光測(cè)距雷達(dá)是以激光為載波的雷達(dá)，通過對(duì)回波信號(hào)所攜帶的目標(biāo)調(diào)制信息的解調(diào)來(lái)獲取目標(biāo)的特征參數(shù)，如距離、目標(biāo)表面反射率等信息。三維成像激光雷達(dá)則可進(jìn)一步在單點(diǎn)測(cè)距的基礎(chǔ)上獲得目標(biāo)的三維輪廓等更為豐富的目標(biāo)特征信息，軍民領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。如戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)上近程全天候的目標(biāo)探測(cè)、分類、識(shí)別和跟蹤，直升飛機(jī)或低空飛行器的障礙物回避和地形跟蹤，巡航導(dǎo)彈上目標(biāo)和地形探測(cè)、目標(biāo)分辨、識(shí)別和跟蹤，地形跟隨和障礙物回避和中段航路的位置修正等。激光雷達(dá)技術(shù)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用更是如火如荼，尤其是無(wú)人汽車、自動(dòng)駕駛(谷歌無(wú)人車)和城市的三維街景構(gòu)建(如谷歌街景)，三維成像雷達(dá)技術(shù)已成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的寵兒。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)，是一種具有平行軸系統(tǒng)共軸化和準(zhǔn)直與接收透鏡共用同一透鏡曲率的激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)，能夠減小統(tǒng)體積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的發(fā)射天線和接收天線一體化。

本發(fā)明的一種收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)，包括發(fā)射天線和接收天線，發(fā)射天線和接收天線共同包括一個(gè)透鏡組，該透鏡組一方面作為發(fā)射天線中激光光束的發(fā)射組件，另一方面作為接收天線中激光信號(hào)的接收組件。

較佳的，所述發(fā)射天線的光軸和所述接收天線的光軸互相平行。

較佳的，所述發(fā)射天線包括兩個(gè)直角棱鏡，用于將發(fā)射天線發(fā)射的激光通過兩次的光路折轉(zhuǎn)送入所述透鏡組，以此對(duì)激光進(jìn)行發(fā)射。

較佳的，所述兩個(gè)直角棱鏡上下布置，兩者的反射面相對(duì)且平行。

較佳的，所述兩個(gè)直角棱鏡分別定義為第一直角棱鏡(4)、第二直角棱鏡(5)；所述第一直角棱鏡(4)的反射面與發(fā)射天線的光軸成45度角。

較佳的，所述發(fā)射天線包括第一準(zhǔn)直透鏡(3)，用于將發(fā)射天線中激光光源發(fā)射的激光光束進(jìn)行壓縮后送入兩個(gè)直角棱鏡組成的折轉(zhuǎn)光路。

較佳的，所述接收天線包括第二接收透鏡(7)和探測(cè)器(8)；第二接收透鏡(7)接收所述透鏡組的透射光線并將其聚焦到所述探測(cè)器(8)的光敏面上。

進(jìn)一步的，還包括光纖(2)，用于對(duì)發(fā)射天線的激光光源(1)出射的激光光斑進(jìn)行整形后輸出。

較佳的，所述探測(cè)器(8)采用雪崩二極管。

較佳的，激光光源(1)采用激光二極管光源。

較佳的，所述直角棱鏡為長(zhǎng)方體棱鏡，反射面位于長(zhǎng)方體的對(duì)角面上。

本發(fā)明具有如下有益效果：

本發(fā)明通過發(fā)射天線和接收天線的有機(jī)配置，在減小了系統(tǒng)體積的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)的發(fā)射天線和接收天線一體化即將平行軸系統(tǒng)共軸化；共軸光路避免了激光測(cè)距機(jī)常用的平行軸光路體制存在的待測(cè)點(diǎn)與發(fā)射、接收光軸與之間的夾角隨距離變化的問題，因而測(cè)量精度隨測(cè)量距離變化。

同時(shí)，準(zhǔn)直透鏡與接收透鏡共用一個(gè)透鏡曲率，節(jié)省了發(fā)射系統(tǒng)透鏡的數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，同時(shí)將發(fā)射源外置，減小了對(duì)于接收系統(tǒng)的遮擋，綜合利用了平行軸和共軸系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

附圖說(shuō)明

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式一的收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式二的收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖3所示為直角棱鏡為長(zhǎng)方體棱鏡時(shí)收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

其中，1-激光光源，2-光纖，3-第一準(zhǔn)直透鏡，4-第一直角棱鏡，5-第二直角棱鏡，6-第二準(zhǔn)直透鏡第一接收透鏡，7-第二接收透鏡，8-探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明的一種收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)，包括發(fā)射天線和接收天線，且發(fā)射天線和接收天線從功能和結(jié)構(gòu)上是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分；但是發(fā)射天線和接收天線共同包括一個(gè)透鏡組，該透鏡組一方面作為發(fā)射天線中激光光束的發(fā)射組件，另一方面作為接收天線中激光信號(hào)的接收組件。另外，本發(fā)明將發(fā)射天線的光軸和接收天線的光軸設(shè)計(jì)為互相平行的關(guān)系。該發(fā)射天線和接收天線一體化即將平行軸系統(tǒng)共軸化，減小了系統(tǒng)體積，同時(shí)共軸光路避免了激光測(cè)距機(jī)常用的平行軸光路體制存在的待測(cè)點(diǎn)與發(fā)射、接收光軸與之間的夾角隨距離變化的問題，因而測(cè)量精度隨測(cè)量距離變化；準(zhǔn)直透鏡與接收透鏡共用一個(gè)透鏡曲率，節(jié)省了發(fā)射系統(tǒng)透鏡的數(shù)量，使系統(tǒng)簡(jiǎn)單化，同時(shí)將發(fā)射源外置，減小了對(duì)于接收系統(tǒng)的遮擋，綜合利用了平行軸和共軸系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)射天線包括兩個(gè)直角棱鏡，用于將發(fā)射天線發(fā)射的激光通過兩次的光路折轉(zhuǎn)送入所述透鏡組，以此對(duì)激光進(jìn)行發(fā)射。兩個(gè)直角棱鏡上下布置，兩者的反射面相對(duì)且平行。將兩個(gè)直角棱鏡分別定義為第一直角棱鏡4、第二直角棱鏡5；所述第一直角棱鏡4的反射面與發(fā)射天線的光軸成45度角。所述發(fā)射天線包括第一準(zhǔn)直透鏡3，用于將發(fā)射天線中激光光源發(fā)射的激光光束進(jìn)行壓縮后送入兩個(gè)直角棱鏡組成的折轉(zhuǎn)光路。接收天線包括第二接收透鏡7和探測(cè)器8；第二接收透鏡7接收所述透鏡組的透射光線并將其聚焦到所述探測(cè)器8的光敏面上。還包括光纖2，用于對(duì)發(fā)射天線的激光光源1出射的激光光斑進(jìn)行整形后輸出。

激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)：由激光光源1發(fā)射光信號(hào)，經(jīng)過光纖2耦合后由第一準(zhǔn)直透鏡3進(jìn)行第一次準(zhǔn)直，再依次經(jīng)過第一直角棱鏡4、第二直角棱鏡5折轉(zhuǎn)光路，最后經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡6準(zhǔn)直后出射光信號(hào)。

激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí)：物體反射回來(lái)的光信號(hào)先后經(jīng)過第一接收透鏡6和第二接收透鏡7進(jìn)行會(huì)聚，最后將光信號(hào)會(huì)聚到探測(cè)器8的光敏面上。

實(shí)施方式一

圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式一的收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

下面對(duì)實(shí)施方式中的光學(xué)天線中的各光學(xué)元件進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

激光光源1能夠產(chǎn)生用于激光雷達(dá)系統(tǒng)的光信號(hào)，采用激光二極管光源。

光纖2用于對(duì)激光光源1發(fā)射出的光線進(jìn)行耦合，對(duì)激光光斑進(jìn)行整形。

第一準(zhǔn)直透鏡3用于將光線耦合后的光束進(jìn)行第一步準(zhǔn)直，壓縮光束束散角。

第一直角棱鏡4可以使光路折轉(zhuǎn)90°，改變光束傳播路線。如圖3所示，其中，本發(fā)明采用的直角棱鏡為長(zhǎng)方體棱鏡，在長(zhǎng)方體棱鏡內(nèi)部的對(duì)角面處鍍有反射膜。

第二直角棱鏡5可以使光路折轉(zhuǎn)90°，改變光束傳播路線。

第二準(zhǔn)直透鏡(第一接收透鏡)6既做第二發(fā)射透鏡又做第一接收透鏡。作為第二發(fā)射透鏡時(shí)使光線進(jìn)行第二步準(zhǔn)直，繼續(xù)壓縮光束束散角；作為第一接收透鏡是對(duì)物體反射回來(lái)的光信號(hào)會(huì)聚于第二接收透鏡。

第二接收透鏡7能夠?qū)⒌谝唤邮胀哥R6接收的光信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步會(huì)聚，將光信號(hào)會(huì)聚到探測(cè)器8光敏面上。

探測(cè)器8是用來(lái)實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的采集與光電轉(zhuǎn)換。探測(cè)器8類型為雪崩二極管。

實(shí)施方式二

圖2所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式二的收發(fā)天線一體化的激光雷達(dá)共軸光學(xué)系統(tǒng)示意圖。與第一實(shí)施方式相比，發(fā)射和接收天線的光學(xué)結(jié)構(gòu)不變，其區(qū)別在于激光光源不采用光纖耦合，直接用于發(fā)射光信號(hào)。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。