一种双视场避障激光雷达发射系统的制作方法

1.本发明属于激光探测技术领域，特别涉及一种双视场避障激光雷达发射系统。


背景技术：

2.直升机是一种便捷、高效的飞行器，具备优良的低空飞行特性和起降方便等优势，在侦察测绘、物资运输、抗灾救援等军用、民用领域得到了广泛地应用。由于直升机自身结构特征和低空复杂的地形环境影响，直升机平台的生存能力较差。威胁直升机自身安全的一个重要因素就是在山地、高原、沙漠、森林等复杂地形条件下，或遇到雨雪、沙尘、大雾等导致的低能见度条件下，直升机的起飞、飞行、降落、着陆的环境充满未知性，驾驶员的视觉能力受到严重限制，无法快速有效的了解机身外部环境，无法对航迹上的树林、电线、塔楼等危险目标和障碍进行有效的规避，从而导致事故的发生。为保障直升机的飞行安全，应对电力线缆、天线，以及夜间、极端天气、沙尘等恶劣条件的威胁，国内外对直升机避障系统进行研究；
3.目前直升机避障雷达大多采用机械旋转式的激光雷达，存在的问题是，可靠性难以保证，且设备体积庞大。


技术实现要素：

4.为解决现有的直升机避障雷达所面临问题，本发明提出了一种双视场避障激光雷达发射系统。
5.本发明提供了一种双视场避障激光雷达发射系统，包括激光发射系统、激光偏转系统、激光接收系统和信号处理系统；
6.所述激光发射系统，用于发射大视场激光光束与小视场激光光束；
7.所述激光偏转系统位于发射激光光路上，用于对激光光束进行扫描，使发射激光光束带有方位和俯仰信息；
8.所述激光接收系统位于目标物反射激光光路上，用于接收经所述目标物反射的反射大视场激光与小视场激光激光光束；
9.信号处理系统，位于所述发射大视场激光与小视场激光光路上和所述反射大视场激光与小视场激光光路上，用于记录所述发射大视场激光与小视场激光光束的发射信号和经所述反射大视场激光与小视场激光光束的回波信号。
10.进一步，所述激光发射系统包括激光器光纤开关、分束组件和光纤准直器阵列，
11.所述光纤开关、分束组件和光纤准直器阵列依次位于所述激光器的发射大视场激光与小视场激光光路上；
12.所述分束组件包括第一光纤分束器和第二光纤分束器，所述第一光纤分束器和所述第二光纤分束器分别位于所述光纤开关传输的不同光通道上，所述光纤准直器阵列位于第一光纤分束器与第二光纤分束器出射光路上。
13.进一步，所述激光器为高频脉冲激光器；
14.所述光纤光开关为1
×
2棱镜型光开关，用于切换第一光纤分束器、第二光纤分束器的光通道。
15.所述第一光纤分束器为大视场光束分束器；用于将光束分成n束；
16.所述第二光纤分束器为小视场光束分束器；用于将光束分成m束，且m＜n；
17.所述光纤准直器阵列，用于将所述第一光纤分束器与所述第二光纤分束器的子光束进行准直。
18.进一步，所述第一光纤分束器与所述第二光纤分束器均包括延时器，所述延时器用于将经所述第一光纤分束器或所述第二光纤分束器分束后的激光进行等间隔延时。
19.进一步，所述激光偏转系统包括激光偏转镜和光束反射镜；
20.所述激光偏转镜位于所述光纤准直器阵列的出射光路上，所述光束反射镜位于所述激光偏转镜的出射光路上，并将激光反射到所述目标物上；
21.进一步，所述激光接收系统包括回光接收系统、光束偏转镜和探测器；
22.所述回光接收系统包括大视场接收光学系统与小视场接收光学系统，所述第一接收光学系统与第二接收光学系统均位于目标物的反射光路上，所述光束偏转镜位于所述大视场接收光学系统与所述小视场接收光学系统的出射光路上；
23.所述探测器位于所述光束偏转镜的出射光路上；
24.所述探测器的信号输出端与所述信号处理系统电性连接，
25.所述大视场接收光学系统，用于接收大视场扫描光束回波；
26.所述小视场接收光学系统，用于接收小视场扫描光束回波；
27.进一步，所述探测器为apd探测器；
28.进一步，所述探测器的材料为si、ingaas、inp；
29.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
30.1)本发明中激光偏转系统包括激光偏转镜和光束反射镜，作为光束扫描装置，提升了避障雷达的可靠性，显著降低了系统的体积；
31.2)本发明中激光发射系统包括激光器、光纤开关、第一光纤分束器、第二光纤分束器、光纤准直器阵列，通过第一光纤分束器、第二光纤分束器并行光束扫描，将激光重复频率提升数倍，显著提升了点云密度，可实现对远距离精细障碍物的探测；
32.3)本发明中激光接收系统包括大视场接收光学系统、小视场接收光学系统、光束偏转镜和探测器，采用大视场接收光学系统和小视场接收光学系统双视场扫描的方式，既可对大的障碍物进行快速探测，又可以采用小视场扫描的方式对正前方区域进行精细探测。
附图说明
33.以下附图仅对本发明作示意性的说明和解释，并不用于限定本发明的范围，其中：
34.图1：本发明雷达系统组成原理图；
35.图2：本发明雷达系统工作原理图；
36.图3：本发明激光接收系统原理图；
37.图中：101-激光发射系统；102-激光偏转系统；103-激光接收系统；104-信号处理系统；105-目标物；201-激光器；202-光纤开关；203-第一光纤分束器；204-第二光纤分束
器；205-光纤准直器阵列；206-激光偏转镜；207-光束反射镜；301-大视场接收光学系统；302-小视场接收光学系统；303-光束偏转镜；304-探测器。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
39.如图1-图3所示，本发明提供了一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射系统101、激光偏转系统102、激光接收系统103和信号处理系统104；
40.所述激光发射系统101，用于发射大视场激光光束与小视场激光光束；
41.所述激光偏转系统102位于发射激光光路上，用于对激光光束进行扫描，使发射激光光束带有方位和俯仰信息；
42.所述激光接收系统103位于目标物反射激光光路上，用于接收经所述目标物105反射的反射大视场激光与小视场激光激光光束；
43.信号处理系统104，位于所述发射大视场激光与小视场激光光路上和所述反射大视场激光与小视场激光光路上，用于记录所述发射大视场激光与小视场激光光束的发射信号和经所述反射大视场激光与小视场激光光束的回波信号；
44.进一步，所述激光发射系统101包括激光器201、光纤开关202、分束组件和光纤准直器阵列205，
45.所述光纤开关202、分束组件和光纤准直器阵列205依次位于所述激光器201的发射大视场激光与小视场激光光路上；
46.所述分束组件包括第一光纤分束器203和第二光纤分束器204，所述第一光纤分束器203和所述第二光纤分束器204分别位于所述光纤开关202传输的不同光通道上，所述光纤准直器阵列205位于第一光纤分束器203与第二光纤分束器204出射光路上；
47.进一步，所述激光器201为高频脉冲激光器，用于发射激光光束；
48.所述光纤光开关202为1
×
2棱镜型光开关，用于切换第一光纤分束器203、第二光纤分束器204的光通道。
49.所述第一光纤分束器203为大视场光束分束器；用于将光束分成n束；
50.所述第二光纤分束器204为小视场光束分束器；用于将光束分成m束，且m＜n；
51.所述光纤准直器阵列205，用于将所述第一光纤分束器203与所述第二光纤分束器204的子光束进行准直；
52.进一步，所述第一光纤分束器203与所述第二光纤分束器204均包括延时器，所述延时器用于将经所述第一光纤分束器203或所述第二光纤分束器204分束后的激光进行等间隔延时，
53.需要说明的是，所述第一光纤分束器203与所述第二光纤分束器204均包括具有光延时功能的延时器，
54.所述第一光纤分束器203用于将n束子光束分别进行等间隔延时，间隔延时长为所述激光器201发射周期的1/n；
55.所述第二光纤分束器204用于将m束子光束分别进行等间隔延时，间隔延时长为所述激光器201发射周期的1/m；
56.第一光纤分束器203与所述第二光纤分束器204的延时器为光纤延时器或机械延时器；
57.进一步，所述激光偏转系统102包括激光偏转镜206和光束反射镜207；
58.所述激光偏转镜206位于所述光纤准直器阵列205的出射光路上，所述光束反射镜207位于所述激光偏转镜206的出射光路上，并将激光光束反射到所述目标物105上；
59.进一步，所述激光接收系统103包括回光接收系统、光束偏转镜303和探测器304；
60.所述回光接收系统包括大视场接收光学系统301与小视场接收光学系统302，所述第一接收光学系统301与第二接收光学系统302均位于目标物105的反射光路上，所述光束偏转镜303位于所述大视场接收光学系统301与所述小视场接收光学系统302的出射光路上；
61.所述探测器304位于所述光束偏转镜303的出射光路上；
62.所述探测器304的信号输出端与所述信号处理系统104电性连接，
63.所述大视场接收光学系统301，用于接收大视场扫描光束回波；
64.所述小视场接收光学系统302，用于接收小视场扫描光束回波；
65.进一步，所述探测器304为apd探测器；
66.进一步，所述探测器304的材料为si、ingaas、inp；
67.需要说明的是，探测器304材料与所述激光器201发射的波长相关，一般为si、ingaas、inp等；
68.工作过程：高重频激光器201发射一束脉冲激光，然后经第一光纤分束器203和第二光纤分束器204将高重频脉冲激光进行分光，分成多束超短激光脉冲，经过光纤准直器阵列205将所述第一光纤分束器203与所述第二光纤分束器204的子光束进行准直，激光偏转镜206和光束反射镜207对激光束进行扫描，使发射激光束带有方位和俯仰信息，当激光投射到目标物105上后发生漫反射，激光接收系统103接收漫反射光，通过测量激光光束在空中的飞行时间，计算得出目标物的距离信息，通过对每个点的精确测距，完成对空间的三维感知；
69.本发明采用激光偏转镜206和光束反射镜207对激光束进行扫描，可靠性较机械旋转装置大大提升，采用大小双视场既可以实现大的视场探测，又可以对电缆等精细目标进行探测，可代替现有的直升机避障系统。
70.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射系统(101)、激光偏转系统(102)、激光接收系统(103)和信号处理系统(104)；所述激光发射系统(101)，用于发射大视场激光光束与小视场激光光束；所述激光偏转系统(102)位于发射激光光路上，用于对激光光束进行扫描，使发射激光光束带有方位和俯仰信息；所述激光接收系统(103)位于目标物反射激光光路上，用于接收经所述目标物(105)反射的反射大视场激光与小视场激光激光光束；信号处理系统(104)，位于所述发射大视场激光与小视场激光光路上和所述反射大视场激光与小视场激光光路上，用于记录所述发射大视场激光与小视场激光光束的发射信号和经所述反射大视场激光与小视场激光光束的回波信号。2.根据权利要求1所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光发射系统(101)包括激光器(201)、光纤开关(202)、分束组件和光纤准直器阵列(205)，所述光纤开关(202)、分束组件和光纤准直器阵列(205)依次位于所述激光器(201)的发射大视场激光与小视场激光光路上；所述分束组件包括第一光纤分束器(203)和第二光纤分束器(204)，所述第一光纤分束器(203)和所述第二光纤分束器(204)分别位于所述光纤开关(202)传输的不同光通道上，所述光纤准直器阵列(205)位于第一光纤分束器(203)与第二光纤分束器(204)出射光路上。3.根据权利要求2所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光器(201)为高频脉冲激光器；所述光纤光开关(202)为1
×
2棱镜型光开关，用于切换第一光纤分束器(203)、第二光纤分束器(204)的光通道。所述第一光纤分束器(203)为大视场光束分束器；用于将光束分成n束；所述第二光纤分束器(204)为小视场光束分束器；用于将光束分成m束，且m＜n；所述光纤准直器阵列(205)，用于将所述第一光纤分束器(203)与所述第二光纤分束器(204)的子光束进行准直。4.根据权利要求2所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述第一光纤分束器(203)与所述第二光纤分束器(204)均包括延时器，所述延时器用于将经所述第一光纤分束器(203)或所述第二光纤分束器(204)分束后的激光进行等间隔延时。5.根据权利要求2所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光偏转系统(102)包括激光偏转镜(206)和光束反射镜(207)；所述激光偏转镜(206)位于所述光纤准直器阵列(205)的出射光路上，所述光束反射镜(207)位于所述激光偏转镜(206)的出射光路上，并将激光反射到所述目标物(105)上。6.根据权利要求1所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述激光接收系统(103)包括回光接收系统、光束偏转镜(303)和探测器(304)；所述回光接收系统包括大视场接收光学系统(301)与小视场接收光学系统(302)，所述第一接收光学系统(301)与第二接收光学系统(302)均位于目标物(105)的反射光路上，所述光束偏转镜(303)位于所述大视场接收光学系统(301)与所述小视场接收光学系统(302)的出射光路上；
所述探测器(304)位于所述光束偏转镜(303)的出射光路上；所述探测器(304)的信号输出端与所述信号处理系统(104)电性连接，所述大视场接收光学系统(301)，用于接收大视场扫描光束回波；所述小视场接收光学系统(302)，用于接收小视场扫描光束回波。7.根据权利要求1所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述探测器(304)为apd探测器。8.根据权利要求1所述的一种双视场避障激光雷达发射系统，其特征在于，所述探测器(304)的材料为si、ingaas、inp。

技术总结
本发明属于激光探测技术领域，具体公开了一种双视场避障激光雷达发射系统包括：激光发射系统、激光偏转系统、激光接收系统和信号处理系统；激光发射系统，用于发射激光光束；激光偏转系统，用于对激光光束进行扫描，使发射激光束带有方位和俯仰信息；激光接收系统，用于对目标物反射的不同视场扫描光束回波信号进行处理；信号处理系统，用于记录所述发射激光光束和所述发射激光光束经目标物反射的回波信号，通过计时器记录的初始时间和结束时间计算出目标物的距离，所述信号处理系统与激光接收系统连接；本发明采用MEMS微扫镜可实现光束快速的扫描，可靠性提升，采用大小双视场既可对大的视场探测，又可对精细目标进行探测。又可对精细目标进行探测。又可对精细目标进行探测。


技术研发人员：卢恺 金颖 张盟飞 卢进军
受保护的技术使用者：陕西之江润博光电科技有限公司
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/3/8