接收系统、包括其的激光雷达以及回波接收的方法
阅读说明：本技术 接收系统、包括其的激光雷达以及回波接收的方法 (Receiving system, laser radar comprising same and echo receiving method ) 是由 吴世祥 王瑞 向少卿 于 2019-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种可用于激光雷达的接收系统,包括：接收透镜,配置成可接收障碍物反射的光束并进行汇聚；具有“开”和“关”状态的光调制器,所述光调制器设置在所述接收透镜的光路下游,并接收由所述接收透镜汇聚的光束；探测器,所述探测器设置在所述光调制器的下游,其中,所述光调制器配置成当处于“开”状态时,其允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上；当处于“关”状态时,不允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上。(The invention relates to a receiving system for a laser radar, comprising: the receiving lens is configured to receive and converge the light beams reflected by the obstacles; an optical modulator having "on" and "off states, the optical modulator being disposed downstream of the optical path of the receiving lens and receiving the light beam converged by the receiving lens; a detector disposed downstream of the optical modulator, wherein the optical modulator is configured to allow the focused light beam to be incident on the detector when in an "on" state; when in the "off" state, the focused beam is not allowed to impinge on the detector.)
技术领域
本发明大致涉及光电技术领域，尤其涉及一种可用于激光雷达的接收系统、包括其的激光雷达以及激光雷达的回波接收处理的方法。
背景技术
激光雷达LiDAR是激光主动探测传感器设备的一种统称，其工作原理大致如下：激光雷达的发射器发射出一束激光，激光光束遇到物体后，经过漫反射，返回至激光接收器，雷达模块根据发送和接收信号的时间间隔的一半乘以光速即可计算出发射器与物体的距离。Lidar系统要实现远距离测远性能，需要提高信噪比。在很多系统中，如采用SiPM等具有单光子灵敏度的探测器进行探测时，环境光引起的散粒噪声成为了系统中主要噪声来源，因此控制环境光变得尤为重要。
扫描式固态激光雷达系统发射端可通过MEMS镜、OPA等扫描机构实现发射光束的扫描；接收端可以通过阵列探测器旁轴光路接收，或者可以通过前述扫描结构同轴光路接收。阵列探测器接收通常需要较大尺寸的探测器阵列，如APD或SiPM阵列，成本高，目前尚难以商业获得，阵列探测器成本很高；扫描机构同轴接收，有效接收口径受限于扫描机构可提供的接收口径，且必然存在接收效率损失、以及内部杂光等问题。因此，目前并没有一种较好的方式来作为固态雷达系统的解决方案。
背景技术部分的内容仅仅是发明人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
本发明提一种可用于激光雷达的接收系统、包括其的激光雷达以及激光雷达的回波接收处理的方法。
根据本发明的一个方面，提供一种可用于激光雷达的接收系统，其包括：
接收透镜，配置成可接收障碍物反射的光束并进行汇聚；
具有“开”和“关”状态的光调制器，所述光调制器设置在所述接收透镜的光路下游，并接收由所述接收透镜汇聚的光束；
探测器，所述探测器设置在所述光调制器的下游，
其中，所述光调制器配置成当处于“开”状态时，其允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上；当处于“关”状态时，不允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上。
根据本发明的另一个方面，所述光调制器包括数字微镜阵列，所述数字微镜阵列包括多个微反射单元，每个微反射单元可单独控制并可在“开”和“关”状态之间切换，当其中一个微反射单元处于“开”状态时，其允许入射到其上的光束被反射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，其停止将入射到其上的光束反射到所述探测器上。
根据本发明的另一个方面，所述光调制器包括光阀，当所述光阀处于“开”状态时，允许入射到其上的光束通过，并入射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，阻止入射到其上的光束通过。
根据本发明的另一个方面，所述的接收系统还包括延迟透镜，所述延迟透镜设置在所述光调制器与所述探测器之间，配置成可将来自所述光调制器的光束汇聚到所述探测器上。
根据本发明的另一个方面，所述光调制器设置在所述接收透镜的焦平面处，所述接收系统还包括设置在所述接收透镜与所述光调制器之间的透镜阵列。
根据本发明的另一个方面，所述接收系统包括N个光调制器和N个探测器，N大于1，其中每个光调制器具有相应的视场，任意两个光调制器的视场不完全重合。
本发明的一个发明还提供一种激光雷达，包括：
发射系统，所述发射系统配置成可向激光雷达外部发射探测光束；和
接收系统，包括：
接收透镜，配置成可接收来自激光雷达外部的光束并进行汇聚；
包括“开”和“关”状态的光调制器，所述光调制器设置在所述接收透镜的光路下游，并接收由所述接收透镜汇聚的光束；
探测器，所述探测器设置在所述光调制器的下游，
其中，所述光调制器配置成当处于“开”状态时，其允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上；当处于“关”状态时，不允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上。
根据本发明的另一个方面，所述光调制器包括数字微镜阵列，所述数字微镜阵列包括多个微反射单元，每个微反射单元可单独控制并可在“开”和“关”状态之间切换，当其中一个微反射单元处于“开”状态时，其允许入射到其上的光束被反射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，其停止将入射到其上的光束反射到所述探测器上。
根据本发明的另一个方面，所述光调制器包括光阀，当所述光阀处于“开”状态时，允许入射到其上的光束通过，并入射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，阻止入射到其上的光束通过。
根据本发明的另一个方面，所述接收系统还包括延迟透镜，所述延迟透镜设置在所述光调制器与所述探测器之间，配置成可将来自所述光调制器的光束汇聚到所述探测器上，
所述光调制器设置在所述接收透镜的焦平面处，所述接收系统还包括设置在所述接收透镜与所述光调制器之间的透镜阵列。
根据本发明的另一个方面，所述接收系统包括N个光调制器和N个探测器，N大于1，其中每个光调制器具有相应的视场，任意两个光调制器的视场不完全重合。
本发明的另一个方面还提供一种利用如上所述的激光雷达进行回波接收处理的方法，包括：
以预设模式控制所述光调制器在“开”和“关”状态之间切换；
接收并放大所述探测器产生的电信号；
根据所述放大的电信号，产生激光雷达的点云。
本发明的基于光调制器的固态激光雷达接收光学系统方案,其可以较好的抑制环境光噪声。光调制器可以包括数字微镜阵列(反射式)、液晶(透射式)和光阀(shutter，透射式)等，其主要功能是对光具有开和关功能的器件。本发明实施例的方案将光调制器放置在接收透镜焦平面附近，这样每个微单元可独立选通单个感兴趣视场角。本发明的实施例中，将探测器(如SiPM，或者APD)放置在系统的孔径光阑处，其可以接收所有感兴趣视场角的光束。通过光调制器实现瞬时视场控制，SiPM实现光能量探测，这样，单个SiPM即可实现一个较大范围视场角的探测。由于DMD单元非常小(约5.4～13.6um)，因此瞬时视场角是可控的，即环境光可控。环境光可控主要指的是利用光调制器其尺寸非常小，跟能实现同样视场的探测器例如APD或者SiPM相比尺寸小很多，此时接收到的环境光相比就很少；而该系统中SiPM可以选用大感光尺寸，单元数变多，因此，探测动态范围也将变大。此外，系统所用的SiPM探测器数量也可以大幅度减少，降低成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的一种可用于激光雷达的接收系统的示意图；
图2示出了单通道探测小视场的一个实施例；
图3示出了多通道探测大视场的一个实施例；
图4示出了根据本发明一个优选实施例的一种可用于激光雷达的接收系统的示意图；
图5示出了根据本发明一个实施例的一种激光雷达的示意图；和
图6示出了根据本发明一个实施例的一种利用激光雷达进行回波接收处理的方法。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了根据本发明一个实施例的一种可用于激光雷达的接收系统10的示意图，下面参考图1详细描述。
如图1所示，接收系统10包括接收透镜组11、光调制器12、以及探测器13。其中接收透镜组11配置成可接收光束(例如来自激光雷达外部障碍物的反射光束)，并将光束进行汇聚，使其入射到光路下游的光调制器12上。光调制器12包括“开”状态和“关”状态，并可在“开”状态和“关”状态之间切换。所述探测器13设置在所述光调制器12的下游。其中当所述光调制器12处于“开”状态时，其允许所述汇聚的光束入射到所述探测器13上；当处于“关”状态时，不允许所述汇聚的光束入射到所述探测器上。图1中示出的所述光调制器12例如可以是数字微镜阵列(DMD)。所述数字微镜阵列包括多个微反射单元，每个微反射单元可单独控制并可在“开”和“关”状态之间切换，当其中一个微反射单元处于“开”状态时，其允许入射到其上的光束被反射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，其将入射到其上的光束吸收，或者反射到光吸收部上，从而避免将入射到其上的光束反射到所述探测器13上。所述探测器13例如是光电探测器，诸如光电二极管、雪崩光电二极管、或SiPM或SPAD，其接收入射的光束，并根据入射光束的强度或者光子的数目，产生电信号并输出。
或者可替换的，所述光调制器12包括液晶快门或光阀，当所述液晶快门或光阀处于“开”状态时，允许入射到其上的光束通过，并入射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，阻止入射到其上的光束通过。因此，光调制器12可以是反射式的光学元件，例如数字微镜阵列，也可以是透射式的光学元件，例如液晶快门或光阀。
以数字微镜阵列为例，其表面包括由成千上万个微反射镜面单元，每个反射镜面存在“开”和“关”两个状态，分别对应两个不同的反射角度，且每个反射镜面可单独控制其状态。由于微反射单元位于接收透镜焦平面上，则意味着每个微反射单元对应特定的视场角，开启该单元，则可选择接收该视场角的光束，而其它视场角的光束不被接收，这样，数字微镜阵列同时起到了视场选择和视场光阑的作用，其与探测器和延迟透镜组共同组合实现了类似阵列探测器的功能，且具有视场可控的作用，因此可控制环境光。
图1示出了光调制器12包括数字微镜阵列，并且示意性地示出了其中的两个微镜：微镜12-1和微镜12-2。其中微镜12-1例如对应于第一组入射光束L1，第一组入射光束L1经过接收透镜11被汇聚到微镜12-1上；微镜12-2对应于第二组入射光束L2，第二组入射光束L2经过接收透镜11被汇聚到微镜12-2上。当微镜12-1处于“开”状态时，其将入射到其上的第一组入射光束L1进一步反射到探测器13上；当微镜12-2处于“开”状态时，其将入射到其上的第二组入射光束L2进一步反射到探测器13上。优选的，微镜12-1和微镜12-2的状态是互斥的，即在同一时刻，其中只能仅有一个处于“开”状态。可替换的，在同一时刻，多个微镜可以同时处于“开”状态。
第一组入射光束L1例如对应于第一视场，第二组入射光束L2对应于第二视场。因此通过控制微镜12-1和微镜12-2的开和闭，可以控制探测器13所探测的视场，即接收系统10的探测视场。
现有的激光雷达中，通常接收端的探测器的数目与发射端的激光器的数目是相同的。例如64线的激光雷达通常具有64个激光器和64个APD，激光器和APD是一一对应的关系，一个激光器发射的探测光束，经障碍物反射后的雷达回波由对应的APD进行接收。而根据图1所示的技术方案，可以使得从光调制器12出射的多个光束(对应于不同的激光器)均入射到同一个探测器上。因此可以利用较少数目的探测器来实现多线激光雷达的感光探测接收，接收无需扫描机构，且可控制环境光。
根据本发明的一个实施例，接收系统10还包括延迟透镜14，例如可进行二次光斑汇聚。所述延迟透镜14设置在所述光调制器12与所述探测器13之间，配置成可将来自所述光调制器12的光束汇聚到所述探测器13上。
根据本发明的一个优选实施例，所述光调制器12设置在所述接收透镜11的焦平面处，从而接收透镜11可以将入射的平行光束汇聚到光调制器上。
如图4所示，根据本发明的一个优选实施例，所述接收系统还包括设置在所述接收透镜11与所述光调制器12之间的透镜阵列15，用于进行光束汇聚。图4中，在接收透镜11的焦面后端，通过一组透镜阵列15实现视场拼接,数字微镜阵列、延迟透镜、探测器组成的接收模块位于透镜阵列后端，透镜阵列主要是提供给接收模块尤其是给数字微镜阵列提供空间布置。
图2示出了单通道探测小视场的一个实施例。如图2所示，接收系统10包括一个光调制器12和一个探测器13。
根据本发明的一个优选实施例，所述接收系统10包括N个光调制器12和N个探测器13，N大于1，其中每个光调制器具有相应的视场，任意两个光调制器的视场不完全重合。如图3所示，其中示出了接收系统包括三个光调制器和三个探测器。其中每个光调制器和探测器分别对应于一定的视场，多个视场叠加起来形成更大的探测视场。例如在接收透镜的焦平面处放置多个数字微镜阵列，每个数字微镜阵列与后续的延迟透镜14和探测器13负责一个相对较小的视场探测，多个接收模组在光路中拼接可实现大视场的探测。
如图5所示，本发明还涉及一种激光雷达100，包括发射系统20和如上所述的接收系统10。其中发射系统20配置成可向激光雷达外部发射探测光束。如图5所示，发射系统20例如包括激光器21、发射透镜22以及扫描器23。其中激光器21发射出激光束，经发射透镜22整形后入射到扫描器23，由扫描器23进行扫描并出射探测光束。接收系统10包括：接收透镜11、光调制器12、探测器13。其中图5中所示的接收系统10对应于图3所示的接收系统。本领域技术人员容易理解，图5中的接收系统10也可以是图1、图2、或图4的接收系统，这些都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个实施例，光调制器12包括数字微镜阵列，所述数字微镜阵列包括多个微反射单元，每个微反射单元可单独控制并可在“开”和“关”状态之间切换，当其中一个微反射单元处于“开”状态时，其允许入射到其上的光束被反射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，其停止将入射到其上的光束反射到所述探测器上。
根据本发明的一个实施例，所述光调制器12包括液晶快门或光阀，当所述液晶快门或光阀处于“开”状态时，允许入射到其上的光束通过，并入射到所述探测器上；当其处于“关”状态时，阻止入射到其上的光束通过。
根据本发明的一个实施例，所述接收系统还包括延迟透镜，所述延迟透镜设置在所述光调制器与所述探测器之间，配置成可将来自所述光调制器的光束汇聚到所述探测器上，所述光调制器设置在所述接收透镜的焦平面处，所述接收系统还包括设置在所述接收透镜与所述光调制器之间的透镜阵列。
根据本发明的一个实施例，所述接收系统10包括N个光调制器和N个探测器，N大于1，其中每个光调制器具有相应的视场，任意两个光调制器的视场不完全重合。
本发明还涉及一种利用激光雷达进行回波接收处理的方法200，如图6所示，该方法200例如通过如上所述的激光雷达100来实施。下面参考图6详细描述。
在步骤S201，以预设模式控制所述光调制器在“开”和“关”状态之间切换。
在步骤S202，接收并放大所述探测器产生的电信号。
在步骤S203，根据所述放大的电信号，产生激光雷达的点云。
本发明的实施例提供了一种固态接收光学系统的方案(发射端可以是机械的、扫描式的，或者flash的)。其中，如图1所示，激光雷达接收来自目标障碍物的反射光，通过接收透镜组会聚到光调制器(例如数字微镜阵列的反射镜面)上，再通过延迟透镜组，将反射光会聚至探测器上，该探测器与接收透镜组共轭，因此，不同视场角度的光束均可被该探测器接收。
本发明的实施例中，可以通过光调制器实现视场选择，控制环境光，单元探测器实现接收并且可以增大动态范围(例如对于SPAD，当感光尺寸小时，则感光单元数也少，当信号光或环境光较强时，则可能会将所有单元饱和)。替代阵列探测器的昂贵成本。例如以前需要多个探测器构成线阵或者面阵，本发明中通过单个探测器就可以实现。
另外，本发明的激光雷达接收系统通过DMD实现了固态接收方案，无机械运动部件，可靠性高。同时，DMD的每个反射镜单元可控，其可对应雷达系统非常小的视场，环境光可控，因此可实现高的信噪比；而探测器可使用较大尺寸的感光面，因此，当采用SiPM等单光子探测器时，其可提供大的动态范围。
本发明的基于光调制器的固态激光雷达接收光学系统方案,其可以较好的抑制环境光噪声。光调制器可以包括数字微镜阵列(反射式)、液晶(透射式)和光阀(shutter，透射式)等，其主要功能是对光具有开和关功能的器件。本发明实施例的方案将光调制器放置在接收透镜焦平面附近，这样每个微单元可独立选通单个感兴趣视场角。本发明的实施例中，将探测器(如SiPM，或者APD)放置在系统的孔径光阑处，其可以接收所有感兴趣视场角的光束。通过光调制器实现瞬时视场控制，SiPM实现光能量探测，这样，单个SiPM即可实现一个较大范围视场角的探测。由于DMD单元非常小(约5.4～13.6um)，因此瞬时视场角是可控的，即环境光可控。环境光可控主要指的是利用光调制器其尺寸非常小，跟能实现同样视场的探测器例如APD或者SiPM相比尺寸小很多，此时接收到的环境光相比就很少；而该系统中SiPM可以选用大感光尺寸，单元数变多，因此，探测动态范围也将变大。此外，系统所用的SiPM探测器数量也可以大幅度减少，降低成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。