本实用新型涉及距离测量领域，尤其是涉及多线激光测距领域。具体涉及多线激光雷达光学装置。
背景技术：
早在20世纪70年代，美国等发达国家就开始了无人驾驶汽车的研究，而且已经取得了突破性的进展。而在国内，无人驾驶汽车研究是从20世纪80年代开始的。近些年，随着传感技术的发展，无人驾驶汽车的研制达到了新的顶峰。无人驾驶功能的实现必须依靠由众多传感器组成的传感系统，道路避障系统是无人驾驶传感系统中最为重要的部分。在经历了初期的视觉识别后，众多研究单位纷纷选择激光雷达作为避障系统的传感器。为了满足自动驾驶汽车对其距离传感器扫描范围和角度分辨率的要求，激光雷达的使用数量从一个变成多个，类型从二维平面扩展到三维立体空间，垂直扫描也从单线发展到多线。
激光雷达作为自动驾驶最有效的解决方案，世界各国都在积极开展智能汽车用激光雷达的研究工作，其中，ibeo、velodyne、sick、hokuyo等国外公司在该领域处于领先地位，它们的系列化产品在国内外各研究机构的智能汽车上得到了广泛应用。国内的激光雷达的研发厂商则主要为北京的北科天绘，上海的禾赛，深圳的速腾聚创和镭神智能，以及武汉的海达数云。其中镭神智能的多线激光雷达仍在研制中，海达数云主要还是单线的激光雷达，其余企业则研发出了成品的多线激光雷达。即便如此，目前现有的多线激光雷达仍普遍存在装调困难，难以量产的难题，而且成本很高。因此，设计一种简易的、低成本的多线激光雷达光学结构对激光雷达发展十分重要。
技术实现要素：
为克服现有技术的不足，本实用新型旨在提出一种简易的、低成本的多线激光雷达光学结构。该结构通过蜂窝状器件固定架固定激光发射器和激光接收器，减少手动装调，降低装调难度。为此，本实用新型采取的技术方案是，多线激光雷达光学装置，包括：透镜、透镜架、激光发射器、激光接收器、器件装载架、固定架、旋转台；两片相同的透镜分别固定在两个相同的透镜架上，将两个透镜架相互平行固定在旋转台上，使两片透镜的中心在同一高度，将一批激光发射器固定第一个器件装载上，并用螺丝紧固第一个器件装载架；将第一个器件装载架固定在第一个固定架上；调整第一个器件装载架的高度位置，使处于第一个器件装载架中心位置的激光发射器的发光点高度与第一个透镜的中心高度相同；第一个固定架固定在旋转台上，以面对透镜的方向为前后方向，调整第一个固定架的左右位置；调整第一个透镜架的前后方向，使处于第一个器件装载架中心位置的激光发射器的发光点与透镜的距离为该透镜的焦距；将将与所述激光发射器对应的一批激光接收器固定第二个器件装载架上，用螺丝紧固第二个器件装载架；将第二个器件装载架固定在第二个固定架上，并调整第二个器件装载架的高度位置，使处于第二个器件装载架中心位置的激光发射器的接收点高度与相第二个透镜的中心高度相同；将第二个固定架固定在旋转台上，以面对透镜的方向为前后方向，调整第二个固定架的左右位置，调整第二个透镜架的前后方向，使处于第二个器件装载架中心位置的激光接收器的接收点与第二个透镜的距离为该透镜的焦距。
进一步地，透镜可以选择常见的材质为k9、bk7的凸透镜，透镜1用于收束光线，pr为接收光功率，τa为大气中激光单程透射率，ηr为接收光学系统效率，ρt为目标反射率，pt为激光发射光功率，dlaser为接收透镜直径，θ为发射光学系统的光轴与面状目标法向的夹角，r为激光作用距离，透镜的直径应满足式(1)，
透镜架为塑料材质透镜架，激光发射器选择脉冲激光二极管，激光接收器可以选择pin型光电二极管、雪崩光电二极管等常见的激光接收器，激光接收器探测波段包含激光发射器发光波长。同时，激光接收器的直径应小于激光发射器的直径；器件装载架可以选择铝、铜材料进行加工，器件装载架上设有器件槽，用于固定激光发射器或激光接收器，器件槽头部直径为d1，尾部直径为d2，所需固定的器件头部直径为d1，尾部直径为d2，则应满足d1≥d1，d2≥d2；器件装载架上设有紧固螺栓孔、定位螺栓孔和紧固螺栓槽，紧固螺栓孔用于通过螺钉将两个器件装载架紧固到一起，定位螺栓孔的用于通过螺钉将紧固好的器件装载架固定到固定架的指定高度，紧固螺栓槽的用于防止紧固螺栓超过器件装载架的表面。
器件装载架中两个相邻的器件槽之间的最小距离为h，激光发射器3的直径为dlaser，透镜1的焦距为f，激光雷达垂直角度分辨率为a，器件槽8之间的最小距离h的取值应同时满足式(2)和(3)：
h≥dlaser(2)
h≥ftan(a)(3)
此时激光接收器处回光弥散斑的半径小于相邻两个激光接收器距离。
固定架选择铝、铜材料进行加工，其长度应该超过器件装载架的长度，且固定架上设计装载架槽，用于使器件装载架相对于固定架的竖直位置可调，两个装载架槽中心距离等于器件装载架上两个定位螺栓孔之间的距离。
旋转台选择铝、铜等材料，其上设置有固定架槽和透镜架槽，固定架槽和透镜架槽相互垂直，透镜的焦距为f，设固定架槽和透镜架槽中心垂直距离为l1，则应满足l＝f，透镜架直径为dholder，两个固定架槽的中心距离和两个透镜架槽之间的距离均为l2，则l2≥dholder，固定架槽的作用是使透镜架与固定架的水平距离可调。透镜架槽的作用是使透镜架与固定架的垂直距离可调。
本实用新型的特点及有益效果是：
本实用新型提出的简易、低成本的多线激光雷达光学结构，可获得以下有益效果：
1)简易的、低成本的多线激光雷达光学结构，可以避免调整激光发射器与激光接收器的位置和角度，降低装调的困难，极大降低生产的时间和人力成本，使多线激光雷达的量产成为可能。
2)简易的、低成本的多线激光雷达光学结构，仅通过调整透镜与激光发射器、激光接收器之间的三维位置关系，就能够使光路结构更加完善。
附图说明：
图1一种简易、低成本的多线激光雷达光学装置。
图1中，1为透镜，2为透镜架，3为激光发射器，4为激光接收器，5为器件装载架，6为固定架，7为旋转台。
图2器件装载架结构图。图2中，8为器件槽，9为紧固螺栓孔，10为定位螺栓孔，11为紧固螺栓槽。
图3器件槽位置示意图。
图4固定架示意图。
图4中，12为装载架槽。
图5旋转台示意图。
图5中，13为固定架槽，14为透镜架槽。
具体实施方式
为实现上述目的，设计一种简易的、低成本的多线激光雷达光学结构，包括：透镜1，透镜架2，激光发射器3，激光接收器4，器件装载架5，固定架6，旋转台7。
一种简易的、低成本的多线激光雷达光学结构，见图1，两片相同的透镜1分别固定在两个相同的透镜架2上。
进一步地，将两个透镜架2相互平行固定在旋转台7上，使两片透镜1的中心在同一高度。
进一步地，将一定数量的激光发射器3固定第一个器件装载架5上，并用螺丝紧固第一个器件装载架5。
进一步地，将第一个器件装载架5固定在第一个固定架6上。
进一步地，调整第一个器件装载架5的高度位置，使处于第一个器件装载架5中心位置的激光发射器3的发光点高度与第一个透镜1的中心高度相同。
进一步地，将第一个固定架6固定在旋转台7上，以面对透镜1的方向为前后方向，调整第一个固定架6的左右位置。
进一步地，调整第一个透镜架2的前后方向，使处于第一个器件装载架5中心位置的激光发射器3的发光点与透镜1的距离为透镜1的焦距。
进一步地，将一定数量的激光接收器4固定第二个器件装载架5上。
进一步地，用螺丝紧固第二个器件装载架5。
进一步地，将第二个器件装载架5固定在第二个固定架6上，并调整第二个器件装载架5的高度位置，使处于第二个器件装载架5中心位置的激光发射器4的接收点高度与相第二个透镜1的中心高度相同。
进一步地，将第二个固定架6固定在旋转台7上，以面对透镜1的方向为前后方向，调整第二个固定架6的左右位置。进一步地，
进一步地，调整第二个透镜架2的前后方向，使处于第二个器件装载架5中心位置的激光接收器4的接收点与第二个透镜1的距离为透镜1的焦距。
进一步地，透镜1可以选择常见的材质为k9、bk7的凸透镜。透镜1的作用是收束光线，设pr为接收光功率，τa为大气中激光单程透射率，ηr为接收光学系统效率，ρt为目标反射率，pt为激光发射光功率，dlaser为接收透镜直径，θ为发射光学系统的光轴与面状目标法向的夹角，r为激光作用距离，透镜1的直径应满足以下式(1)，
如采用材质为k9玻璃的凸透镜，直径为30mm，焦距为50mm。
进一步地，透镜架2可以选择常见的塑料材质透镜架。如采用塑料材质的透镜架，且内径为30mm，外径为34mm，中心高度为25mm。
进一步地，激光发射器3可以选择常见的脉冲激光二极管，脉冲激光二极管体积小、峰值功率高，适用于多线激光雷达应用。如采用型号为splpl90_3的脉冲激光二极管，其头部直径为4.9mm，尾部直径为5.7mm。
进一步地，激光接收器4可以选择pin型光电二极管、雪崩光电二极管等常见的激光接收器。在选择激光接收器4时，应保证其探测波段包含激光发射器3发光波长。同时，激光接收器4的直径应小于激光发射器3的直径。如采用型号为ad500-8的雪崩光电二极管，其头部直径为4.7mm，尾部直径为5.6mm。
进一步地，器件装载架5可以选择铝、铜等常见材料进行加工。器件装载架5在加工时应遵循以下原则：见图2，器件槽8的作用是固定激光发射器3或激光接收器4，设器件槽8头部直径为d1，尾部直径为d2，所需固定的器件头部直径为d1，尾部直径为d2，则应满足d1≥d1，d2≥d2。紧固螺栓孔9的作用是通过螺钉将两个器件装载架5紧固到一起，定位螺栓孔10的作用是通过螺钉将紧固好的器件装载架5固定到固定架6的指定高度。紧固螺栓槽11的作用是防止紧固螺栓超过器件装载架5的表面。
进一步地，器件槽8的位置和角度在加工时应遵循以下原则：见图3，设器件装载架5中两个相邻的器件槽8之间的最小距离为h，激光发射器3的直径为dlaser，透镜1的焦距为f，激光雷达垂直角度分辨率为a。在多线激光雷达中，不同测量路的光信号极易产生串扰，当h的取值应同时满足式(2)和(3)时，可有效避免串扰，
h≥dlaser(2)
h≥ftan(a)(3)
如采用铝材料进行加工，器件装载架5的紧固螺栓孔9之间距离为34mm，定位螺栓孔10之间的距离为41mm。其中一组器件装载架5的器件槽8的头部直径为4.9mm，尾部直径为5.7mm，另一组器件装载架5的器件槽8的头部直径为4.7mm，尾部直径为5.6mm。
进一步地，固定架6可以选择铝、铜等常见材料进行加工。固定架6的长度应该超过器件装载架5的长度，且固定架6上应设计装载架槽12，见图4，使器件装载架5相对于固定架6的竖直位置可调。两个装载架槽12中心距离应当等于器件装载架5上两个定位螺栓孔10之间的距离。如采用铝材料进行加工，两个装载架槽12中心距离为41mm。两个装载架槽12中心连线的中心高度为25mm。
进一步地，旋转台7可以选择铝、铜等常见材料进行加工。旋转台7应设计固定架槽13和透镜架槽14，见图5，固定架槽13和透镜架槽14应该相互垂直，设透镜1的焦距为f，设固定架槽13和透镜架槽14中心垂直距离为l1，则应满足l＝f。设透镜架2直径为dholder，两个固定架槽13的中心距离和两个透镜架槽14之间的距离均为l2，则l2≥dholder，固定架槽13的作用是使透镜架6与固定架6的水平距离可调。透镜架槽14的作用是使透镜架6与固定架6的垂直距离可调。如采用铝材料进行加工，固定架槽13和透镜架槽14中心垂直距离为50mm，两个固定架槽13的中心距离和两个透镜架槽14之间的距离均为34mm。
1.一种多线激光雷达光学装置，其特征是，包括：透镜、透镜架、激光发射器、激光接收器、器件装载架、固定架、旋转台；两片相同的透镜分别固定在两个相同的透镜架上，将两个透镜架相互平行固定在旋转台上，使两片透镜的中心在同一高度，将一批激光发射器固定第一个器件装载上，并用螺丝紧固第一个器件装载架；将第一个器件装载架固定在第一个固定架上；调整第一个器件装载架的高度位置，使处于第一个器件装载架中心位置的激光发射器的发光点高度与第一个透镜的中心高度相同；第一个固定架固定在旋转台上，以面对透镜的方向为前后方向，调整第一个固定架的左右位置；调整第一个透镜架的前后方向，使处于第一个器件装载架中心位置的激光发射器的发光点与透镜的距离为该透镜的焦距；将与所述激光发射器对应的一批激光接收器固定第二个器件装载架上，用螺丝紧固第二个器件装载架；将第二个器件装载架固定在第二个固定架上，并调整第二个器件装载架的高度位置，使处于第二个器件装载架中心位置的激光发射器的接收点高度与相第二个透镜的中心高度相同；将第二个固定架固定在旋转台上，以面对透镜的方向为前后方向，调整第二个固定架的左右位置，调整第二个透镜架的前后方向，使处于第二个器件装载架中心位置的激光接收器的接收点与第二个透镜的距离为该透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的多线激光雷达光学装置，其特征是，进一步地，透镜可以选择常见的材质为k9、bk7的凸透镜，透镜(1)用于收束光线，pr为接收光功率，τa为大气中激光单程透射率，ηr为接收光学系统效率，ρt为目标反射率，pt为激光发射光功率，dlaser为接收透镜直径，θ为发射光学系统的光轴与面状目标法向的夹角，r为激光作用距离，透镜的直径应满足式(1)，
3.如权利要求1所述的多线激光雷达光学装置，其特征是，透镜架为塑料材质透镜架，激光发射器选择脉冲激光二极管，激光接收器可以选择pin型光电二极管、雪崩光电二极管等常见的激光接收器，激光接收器探测波段包含激光发射器发光波长，同时，激光接收器的直径应小于激光发射器的直径；器件装载架可以选择铝、铜材料进行加工，器件装载架上设有器件槽，用于固定激光发射器或激光接收器，器件槽头部直径为d1，尾部直径为d2，所需固定的器件头部直径为d1，尾部直径为d2，则应满足d1≥d1，d2≥d2；器件装载架上设有紧固螺栓孔、定位螺栓孔和紧固螺栓槽，紧固螺栓孔用于通过螺钉将两个器件装载架紧固到一起，定位螺栓孔的用于通过螺钉将紧固好的器件装载架固定到固定架的指定高度，紧固螺栓槽的用于防止紧固螺栓超过器件装载架的表面。
4.如权利要求1所述的多线激光雷达光学装置，其特征是，器件装载架中两个相邻的器件槽之间的最小距离为h，激光发射器(3)的直径为dlaser，透镜(1)的焦距为f，激光雷达垂直角度分辨率为a，器件槽(8)之间的最小距离h的取值应同时满足式(2)和(3)：
h≥dlaser(2)
h≥ftan(a)(3)
此时激光接收器处回光弥散斑的半径小于相邻两个激光接收器距离。
5.如权利要求1所述的多线激光雷达光学装置，其特征是，固定架选择铝、铜材料进行加工，其长度应该超过器件装载架的长度，且固定架上设计装载架槽，用于使器件装载架相对于固定架的竖直位置可调，两个装载架槽中心距离等于器件装载架上两个定位螺栓孔之间的距离。
6.如权利要求1所述的多线激光雷达光学装置，其特征是，旋转台选择铝、铜等材料，其上设置有固定架槽和透镜架槽，固定架槽和透镜架槽相互垂直，透镜的焦距为f，设固定架槽和透镜架槽中心垂直距离为l1，则应满足l＝f，透镜架直径为dholder，两个固定架槽的中心距离和两个透镜架槽之间的距离均为l2，则l2≥dholder，固定架槽的作用是使透镜架与固定架的水平距离可调，透镜架槽的作用是使透镜架与固定架的垂直距离可调。
技术总结