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CN111880189B - 连续光距离选通激光雷达 - Google Patents

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Abstract

一种连续光距离选通激光雷达装置，可以对一定距离的目标进行激光探测，以增强雷达探测效果。其特征是激光光源前部安装有用于控制发射光源线偏振角度的光学零件，和在接收装置前配备有只允许线偏振光通过的光学零件，且其光学偏振的偏转角度可以按需随时间控制偏转角度；激光光源发射的线偏振角度与接收装置的线偏振角度特性接近或等于90度，且同方向旋转或改变；且旋转90度的时间约等于光飞行到目标并返回的时间。本发明可通过控制线偏振光学元件的偏转速度，实现对特定目标区域的散射光信号强度最大化，进而实现对不同距离的目标进行距离选通测量，抑制近距离散射光强度，以增强激光雷达的探测效果，且测量可以是连续进行，光学效率较高。

Description

连续光距离选通激光雷达
技术领域
本发明属于光电探测技术领域，特别涉及一种连续波距离选通激光雷达，可以使连续波激光雷达对一定距离的目标进行距离选通探测，抑制近距离散射光信号，以实现距离选通的效果。
背景技术
在光电技术领域，为了对感兴趣距离的目标进行激光雷达探测，通常使用脉冲光源和时间选通的开关方式，控制发射光源的发射时间和接收装置的快门时间，或者按一定时间间隔控制接收器件的增益倍数。由于距离选通的时间和光飞行时间相关，因此传统距离选通的方案，需要纳秒量级甚至更精密的时间控制电路实现，各部件只有严格时间对准，才能完成距离选通的功能，实现成本较高，低成本难以实现，且使用时间门控的方式，无法利用连续激光光源的发射方式，只能使用脉冲光源和短时间快门的测量方式。
经检索现有公开的技术，专利CN106444094B，公布了一种以普克耳盒的的纳秒级光开关，经过适当配置，也可在一定程度上实现距离选通的功能，但其缺点是此装置只能使用脉冲光源，只能使用某种特定的光波长，否则偏振棱镜的功能将不起作用，无法通过光开关来实现距离选通。此方案无法使用相对低价的连续激光光源。另外检索了CN201911230693.2、CN201910801487.6、CN201910445116.9、CN201910296642.3等公开的发明专利，均无法实现本文公开的方案的功能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，降低实现距离选通激光雷达装置的成本，且在连续光激光雷达设备上也可实现距离选通测量功能，本发明提供一种连续光距离选通激光雷达装置，利用偏振原理，可抑制雷达近距离的非目标物散射光，可以实现对一定距离的目标进行距离选通测量功能。
本发明提供了一种连续光距离选通激光雷达，包括激光发射装置，散射光或反射光接收装置，其特征在于，还包括以下零件：在激光发射装置安装有用于控制激光发射光源线偏振角度的光学零件，和在接收装置前配备有只允许偏振光通过的光学零件，且上述两种光学零件，其光学偏振的偏转角度可以按需随时间控制偏转角度。
用于控制激光发射光源线偏振角度的光学零件和只允许偏振光通过的光学零件，其特征在于，偏振偏转角度是由机械旋转光学零件控制的，也可以是由电磁控制或电场控制的偏振偏转晶体来控制偏振偏转角度。
上述两种光学零件的光学偏振的偏转角度，其特征在于激光发射的偏振角度与接收装置的光学偏振角度特性接近或等于90度，且同方向旋转或改变。
上述的光学偏振的偏转角度可以按需随时间控制偏转角度，角度的旋转90度所花费的时间，接近或等于所述的激光雷达探测距离的光飞行时间的2倍，也就是线偏振激光从发射到被探测物体，再到被接收装置接收，光的飞行时间接近或等于偏转装置旋转90度所花费的时间。
用于控制激光发射装置的激光线偏振角度的光学零件，对于已经是线偏振的激光光源，可使用半波片控制偏振角度的旋转。
电磁控制或电场控制的偏振偏转晶体，其特征是此晶体可通过外部施加的电场或者磁场来控制光束偏振角度，从而实现通过外部信号控制光束的偏振偏转角度。
两种控制光学线偏振角度旋转光学零件，可使用一个光学零件替代，特别适用于自发自收的光路系统。
两种控制光学线偏振角度旋转光学零件，可采用线偏振角度控制于0度90度两个位置附近交替切换的方式，也可以采用连续旋转的方式。
本发明的有益效果是，可通过控制偏振元件控制光线线偏振的偏转速度，实现对特定目标区域的散射光信号强度最大化，进而实现对不同距离的目标进行距离选通测量，抑制近距离散射光强度，以增强激光雷达的测量效果；另一个有益的效果是，测量是连续进行，如果运用连续光激光器作为激光发射装置，比脉冲或门控方式的距离选通方案，光学效率高。
附图说明
为了进一步说明本发明内容的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明详细说明，其中：
图1是本发明的总体原理示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，是本发明的总体原理示意图。
图1中，1是激光发射装置，2是用于控制激光发射光源线偏振角度的光学零件，3是编号2零件的旋转方向，4是指示的编号2的光学偏振方向，5及其它箭头是标识出随距离相关的偏振角度的变化规律，6是激光发射光束，7是目标区域，8是目标的散射光，9是只允许线偏振光通过的光学零件，10是编号9的偏振特性的方向，11是光接收装置。
下面举例说明本发明的实施方式。
在普通连续光激光雷达系统中，安装有激光发射装置1和光接收装置11，另外，又增加了用于控制发射激光光源线偏振角度的光学零件2和只允许线偏振光通过的光学零件9，这两种零件分别安装于1和11的前面，激光光源发射装置1所发出的激光，经过2照射到目标区域7，回向的散射光线经过9，被光接收装置11所接收，2和9的偏振特性方向是90度的。按照物理常识，目标的散射光8包含有光学线偏振方向4所指示的光，另外包括一部分因目标区域7的散射退偏比引起的少量为10的线偏振特性的方向的光线，而10与4所示的线偏振方向是相互垂直的，所以，按照这种方式，整体雷达的光学效率很低，那就需要引入另一个特性：用于控制激光发射光源线偏振角度的光学零件2和允许线偏振光通过的光学零件9的旋转。
上述这两种光学零件旋转，是指偏振特性的方向的旋转，这种旋转可以由机械带动光学零件的旋转，也可以由电磁控制或电场控制的偏振偏转晶体来控制线偏振偏转角度。2和9的线偏振偏转方向同向同速旋转。旋转的速度，可根据光速和距离确定，激光从2到目标区域7再回到9的时间，即等同于2和9旋转90度的时间，按此配置，通过2的光线在飞行到7并以散射光形式飞行到9时，光的线偏振特性正好和9一致，有最高的光学效率；在距离7更近一些或者远一些的位置，其散射光8回到9时的偏振方向，与9的偏振特性不一致，不同距离信号强度的函数，呈现与A角角度正弦值的分布规律，也可等同于目标区域7与光学零件9之间的散射光强度和距离之间的关系函数，也就是说，靠近7附近的信号接收强度，是sin(90)，靠近9附近的信号强度，是sin(0)，以上假设A是光飞行时的光学零件2和9的旋转角度，在不考虑目标区域7的退偏振比的情况下的结果。以上实施例，可作为连续激光为光源的激光雷达的距离选通测量方案。
另一种实施例，可采用光学零件2和9非连续旋转的线偏振光方式，即用于控制激光发射光源线偏振角度的光学零件2和允许线偏振光通过的光学零件9的旋转是按0～90～0～90方式切换，2和9之间的偏转特性4和10保持互为90度，切换的时间间隔，和光线从2到目标区域7再回到9的时间长度是一致的。这种实施方案的好处是控制方案更简单，更容易实现，但比较第一种实施方案，对于近距离的散射光压制效果不如第一种好，但也可以在一定程度上实现距离选通，也属于本发明的应用范畴。
以上所述仅为本发明的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，以上说明并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种连续光距离选通激光雷达装置，包括激光发射装置，散射光或反射光接收装置，其特征在于，还包括以下零部件：在激光发射装置安装发射光源偏振角度的光学零件，和在接收装置前配备有只允许偏振光通过的光学零件，且上述两种光学零件，其光学偏振角度按需随时间控制：角度的旋转90度所花费的时间，接近或等于所述的激光雷达探测距离的光飞行时间的2倍，也就是线偏振激光从发射到被探测物体，再到被接收装置接收，光的飞行时间接近或等于偏转装置旋转90度所花费的时间。
2.根据权利要求1所述的连续光距离选通激光雷达装置，发射光源偏振角度的光学零件和只允许偏振光通过的光学零件，其特征在于，偏振偏转角度是由电磁控制或电场控制的偏振偏转晶体来控制偏振偏转角度，从而实现通过外部信号控制光束的偏振偏转角度。
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