CN102884444A - 激光雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明得到一种兼具宽的二维视野、大的接收孔径、针对短脉冲光的响应性的激光雷达装置。该激光雷达装置设置了：激光光源，产生脉冲激光；扫描器，一边对铅笔状的发送光束进行二维扫描一边向目标发送发送脉冲并输出扫描角度信息；接收透镜，接收所到来的接收光；长条受光元件阵列，将接收光变换为接收信号而输出；互阻放大器阵列，放大接收信号；加法电路，对来自互阻放大器阵列的各元件的接收信号进行相加；距离检测电路，测量来自加法电路的输出信号的到目标为止的光往复时间；以及信号处理部，通过一边与扫描角度信息相对应一边使扫描器进行二维扫描动作，从而根据光往复时间以及光速来求出到目标上的多点为止的距离，并测量目标的三维形状。

Description

激光雷达装置
技术领域
本发明涉及一种激光雷达装置，该激光雷达装置针对目标发送接收激光来测量到目标上的多点为止的距离，并根据与该多点有关的距离信息来测量目标的三维形状。
背景技术
作为以往的这种激光雷达装置，例如已知非专利文献1所述的装置。
在该以往的激光雷达装置中，通过在接收系统中使用纵横比大的长条型受光元件来保持用于加大受光量的大的接收孔径，且对于受光元件的长度方向无扫描（scanless）地确保宽的线状的接收视野，进而通过在线状的视野内使用MEMS扫描器只对发送光束进行高速一维扫描来高速地测量目标的剖面形状。
非专利文献1：今城等，“受信スキヤン レス型CW変調方式3D ImagingLADARの開発（无接收扫描型CW调制方式3D成像LADAR的开发）”，第27次激光传感座谈会预稿集，pp.18-19,2009
非专利文献2：平井等，“パルス方式3 D ImagingLADAR の開発（脉冲方式3D成像LADAR的开发）”，第27次激光传感座谈会预稿集，pp.90-91，2009
发明内容
然而，在以往技术中存在如下的课题。能够实现宽的视野的只是受光元件的长度方向，因此能够进行高速摄像的只是目标的剖面形状。因而，为了测量三维形状而采用了如下结构：关于与受光元件的长度方向正交的方向，对发送光束和接收视野这双方进行扫描。如果在为了加大受光量而设为大的接收孔径的状态下扫描接收视野，则将会扫描具有大的接收孔径的大的接收透镜。但是，在对大的接收透镜进行高速扫描时，存在如下问题点：作为结果，针对扫描器的负荷变高，由于扫描器驱动部的磨耗等而扫描器的寿命变短，进而作为其结果，作为装置整体的寿命变短。
此时，如果能够将无扫描状态下的接收视野还扩展到与受光元件的长度方向正交的方向，则不需要在该正交的方向上扫描接收视野，只对直径小的发送光束进行二维扫描即可，能够避免上述问题点。但是，在这种情况下，存在下面所示的问题点。
为了在与受光元件的长度方向正交的方向上也实现宽的视野，需要关于长条型受光元件的尺寸以加长短边侧的形式接近于正方形。在这种情况下，伴随着受光元件的尺寸变大而受光元件的电容量增大，作为其结果，产生受光元件的响应频率带宽下降这样的问题点。当产生这种带宽下降时，特别是在使用发送接收光脉冲的类型的测距的情况下，存在如下问题点：针对短脉冲的响应性下降，测距精度下降。
本发明是为了解决如前所述的课题而作出的，目的在于得到一种能够新实现兼具无接收扫描下的宽的二维视野、大的接收孔径、以及针对短脉冲光的响应性的激光雷达装置。
与本发明有关的激光雷达装置具备：激光光源，根据触发信号产生脉冲激光，并作为发送脉冲而输出；扫描器，一边对所述发送脉冲的铅笔状的发送光束进行受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向的二维扫描，一边将发送脉冲朝向目标发送，并且输出扫描角度信息；接收透镜，接收所述发送脉冲被所述目标散射之后到来的接收光；长条受光元件阵列，将所述接收光变换为由电信号区域构成的接收信号而输出，将长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上排列为阵列状；互阻放大器阵列，放大所述接收信号；加法电路，对来自所述互阻阵列的各元件的接收信号进行相加；距离检测电路，测量来自所述加法电路的输出信号的到目标为止的光往复时间；以及信号处理部，通过一边与所述扫描角度信息相对应一边使所述扫描器进行二维扫描动作，从而根据所述光往复时间以及光速来求出到所述目标上的多点为止的距离，并测量所述目标的三维形状。
根据与本发明有关的激光雷达装置，能够实现以往困难的、兼具无扫描下的宽的二维的接收视野和针对短脉冲的响应性。由此，在测量三维形状的情况下，也只对光束径小的发送光束进行扫描即可，在扫描器中能够使用尺寸小的扫描器、例如MEMS扫描器，作为结果，即使高速扫描时针对扫描器的负荷也少，能够实现长寿命的扫描器动作。
附图说明
图1是表示与本发明的实施例1有关的激光雷达装置的结构的图。
图2是表示与本发明的实施例1有关的激光雷达装置的长条受光元件阵列的结构的图。
图3是表示与本发明的实施例2有关的激光雷达装置的结构的图。
附图标记说明
1：激光光源；2：扫描器；3：接收透镜；4：长条受光元件阵列；5：互阻放大器阵列；6：加法电路；7：距离检测电路；8：信号处理部；9：光束成形透镜；10：距离检测电路阵列；11：多路转接器。
具体实施方式
下面使用附图说明本发明的激光雷达装置的优选实施例。
实施例1
参照图1以及图2来说明与本发明的实施例1有关的激光雷达装置。图1是表示与本发明的实施例1有关的激光雷达装置的结构的图。另外，图2是表示与本发明的实施例1有关的激光雷达装置的长条受光元件阵列的结构的图。此外，以后在各图中相同标记表示相同或者相当部分。
在图1中，与本发明的实施例1有关的激光雷达装置设置有：激光光源1、扫描器2、接收透镜3、长条受光元件阵列4、互阻放大器阵列5、加法电路6、距离检测电路7、以及信号处理部8。
在图1中，激光光源1与扫描器2之间、接收透镜3与长条受光元件阵列4之间是由空间构成的光回路。
另外，信号处理部8与激光光源1之间、信号处理部8与扫描器2之间、长条受光元件阵列4与互阻放大器阵列5之间、互阻放大器阵列5与加法电路6之间、加法电路6与距离检测电路之间、距离检测电路7与信号处理部8之间是通过电线电缆来连接。
在图1中，激光光源1具有如下功能：根据来自信号处理部8的触发信号产生脉冲激光，并将其作为发送脉冲而发送。另外，扫描器2通过信号处理部8来驱动，该扫描器2具有如下功能：一边对于发送脉冲的发送光束在作为发送脉冲的照射方向的受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向这二维上进行扫描，一边将发送脉冲朝向目标发送，并且将扫描角度信息发送给信号处理部8。
另外，接收透镜3具有如下功能：接收在发送脉冲被目标散射之后到来的接收光，并送到长条受光元件阵列4上。长条受光元件阵列4具有如下功能：通过构成阵列的多个元件，将接收光变换为由电信号区域构成的接收信号，并将该接收信号发送给互阻放大器阵列5。
互阻放大器阵列5的各元件具有如下功能：对来自长条受光元件阵列4的各元件的接收信号分别进行放大之后发送给加法电路6。加法电路6具有如下功能：对来自互阻放大器阵列5的各元件的输出信号进行相加并发送给距离检测电路7。
距离检测电路7具有如下功能：测量来自加法电路6的输出信号的到目标为止的光往复时间，并发送给信号处理部8。信号处理部8具有如下功能：管理激光光源1、扫描器2以及距离检测电路7的动作定时，一边使到目标为止的光往复时间与扫描器2的角度信息对应，一边使扫描器2进行受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向的二维扫描动作，得到目标上的多点为止的距离信息，从而测量目标的三维形状。
在图1中，长条受光元件阵列4的一个元件（长条受光元件）是小到能够对短的脉冲进行响应的程度的元件尺寸，但是纵横比大。由此，关于长度方向，即使只通过该一个元件也能够实现宽的线状的视野。进而，如图1所示，通过将该一个元件在与受光元件的长度方向正交的方向上排列为阵列状，从而关于与受光元件的长度方向正交的方向也实现宽的视野。此外，长条受光元件阵列4既可以如图2(a)所示地由单一的元件构成，也可以如图2(b)所示地由二维阵列构成。
接着，参照附图说明与该实施例1有关的激光雷达装置的动作。
首先，从激光光源1根据来自信号处理部8的触发信号来产生脉冲激光，并将其作为发送脉冲而发送。另外，通过信号处理部8来驱动扫描器2，一边对于发送脉冲的发送光束进行作为发送脉冲的照射方向的受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向的二维扫描，一边将发送脉冲朝向目标发送，并且将扫描角度信息发送给信号处理部8。此时，将发送光束设为铅笔状的光束以使得在目标上的照射光点尺寸成为所期望的像素分辨率以下。
发送脉冲在目标上散射，发送脉冲被目标散射之后到来的接收光经由接收透镜3送到长条受光元件阵列4上。
接着，长条受光元件阵列4通过构成阵列的多个元件将接收光变换为由电信号区域构成的接收信号，并将该接收信号发送给互阻放大器阵列5。
接着，互阻放大器阵列5将来自长条受光元件阵列4的多个元件的接收信号通过相对应的各元件进行放大之后，发送给加法电路6。
接着，加法电路6对来自互阻放大器阵列5的各元件的信号进行相加而设为一个信号，并发送给距离检测电路7。
接着，距离检测电路7测量来自加法电路6的输出信号的到目标为止的光往复时间，并发送给信号处理部8。测量该往复时间的距离检测电路7的具体的电路结构在非专利文献2中所示出。该距离检测电路7当从信号处理部8输入了与用于驱动激光光源1的触发信号同步的选通信号时，输出与往复时间成比例的模拟电压。
然后，信号处理部8是通过对从距离检测电路7输出的模拟电压值进行AD变换来求出到目标为止的光往复时间。进而，根据该光往复时间和光速来测量到目标为止的距离。此时，由于将发送光束设为细的铅笔状，因此测量的目标上的区域只是1点，测量的是到该点为止的距离。
另外，信号处理部8是一边与扫描器2的角度信息、即发送光束的发送方向相对应一边使扫描器2进行受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向的二维扫描动作来进行该距离测量。由此，能够得到目标上的多点为止的距离信息，作为结果能够测量目标的三维形状。
在与本发明的实施例1有关的激光雷达装置中，为了保持针对短脉冲的响应性而将受光元件的一个元件设为长条型来限制一个元件的尺寸，并且实现了作为长条型的优点的受光元件的长度方向的宽的接收视野。进而，通过将该长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上排列为阵列状，从而对于与受光元件的长度方向正交的方向也实现了宽的视野。由此，实现了以往困难的、兼具无扫描下的宽的二维的接收视野和针对短脉冲的响应性。另外，在测量三维形状的情况下，也只对光束径小的发送光束进行扫描即可，在扫描器2中能够使用尺寸小的扫描器、例如MEMS扫描器，作为结果，即使高速扫描时针对扫描器2的负荷也少，能够实现长寿命的扫描器动作。
另外，在与本发明的实施例1有关的激光雷达装置中，受光元件以及互阻是阵列，由多个元件构成，但是对其输出通过加法电路6进行相加而设为一个。即，通过受光元件阵列4、互阻放大器阵列5、以及加法电路6来等效地构筑了单元件的接收系统，作为其结果，不需要对连接在其后级的距离检测电路7进行阵列化。由此，电路结构变得简单，能够实现装置的低成本化、高可靠化。
进而，在与本发明的实施例1有关的激光雷达装置中，存在下面所示的优点。通常在受光元件为阵列的情况下，由阵列的元件数来决定三维形状图像的像素数。但是，在本装置中，一边改变发送光束的照射点一边对每一个发送脉冲按每1像素每1像素地进行测量，决定像素数是由在测量一帧的时间内所发送的发送脉冲的数量来决定。因而，越是加大发送脉冲的重复频率来在帧测量时间内发送很多脉冲，在帧内测量的像素会越增加。因而，能够以阵列的元件数以上的像素数来进行测量。换句话说，与通常的阵列接收的情况相比，产生如下效果：能够以少的阵列元件数来实现相同像素数的测量结果，能够简化结构来实现装置的低成本化、高可靠化。能得到该效果是因为：本装置能够在装置侧掌握发送光束照射了哪个位置，因此不需要将测量位置与受光元件阵列的元件对应起来。
此外，在与本发明的实施例1有关的激光雷达装置中，在排列长条受光元件阵列4时，在阵列元件之间形成间隙。在通过接收透镜3对接收光进行聚光而入射到长条受光元件阵列4时，如果聚光到间隙，则不能变换为电信号，作为结果，此时的发送光束的照射位置有可能成为死区。在这种情况下，能够通过进一步实施下面的办法来避免该问题。在从接收透镜3的焦点距离偏离的位置处配置长条受光元件阵列4。由此，来自接收透镜3的接收光的光点以相对于聚光为点状的状态而扩大的状态照射在长条受光元件阵列4上。此时，通过将接收光的光点设定为比间隙的尺寸大，从而成为至少一个以上的长条受光元件的接收光入射的形式，能够避免产生上述的死区。此时，会从两个以上的长条受光元件输出接收信号，但是在后级中通过加法电路6来相加，因此还能够避免大幅地损失信号能量。
实施例2
参照图3说明与本发明的实施例2有关的激光雷达装置。图3表示与本发明的实施例2有关的激光雷达装置的结构的图。
在图3中，设置有激光光源1、光束成形透镜9、扫描器2、接收透镜3、长条受光元件阵列4、互阻放大器阵列5、距离检测电路阵列10、多路转接器11、以及信号处理部8。
接着，参照附图说明与该实施例2有关的激光雷达装置的动作。
该实施例2的基本结构以及动作与上述的实施例1相同，但是下面说明不同点。
在图3中，光束成形透镜9将来自激光光源1的发送脉冲的发送光束成形为线状光束，向目标上的某个线照射一次。此时的线状的光束是与长条受光元件阵列4的一个元件所生成的线状的接收视野正交的方向。
扫描器2不是二维扫描器，而是一维的线扫描类型，在该受光元件的长度方向上对照射光束进行扫描。
距离检测电路阵列10的各元件分别连接在长条受光元件阵列4的各元件，通过多路转接器11来选择了长条受光元件阵列4的各元件的输出中的一个之后，发送给信号处理部8。
信号处理部8新具有切换功能，该切换功能用于切换通过多路转接器11选择的来自距离检测电路阵列10的各元件的输出。
在图3的激光雷达装置中，与图1的激光雷达装置不同，以线状光束照射一次目标上的某个线。另外，将来自各点的散射光使用接收透镜3聚光到与各点相对应的长条受光元件阵列4的各元件上。长条受光元件阵列4的各元件将接收光变换为由电信号构成的接收信号，将各接收信号通过互阻放大器阵列5的各元件、距离检测电路阵列10的各元件进行并行处理，从而同时检测出到所照射的目标上的各点为止的距离。
接着，通过由多路转接器11进行切换来读出来自距离检测电路阵列10的各元件的距离信息、具体地是与光往复时间成比例的模拟电压，并在信号处理部8中进行AD变换之后，根据模拟电压求出到与各元件有关的目标为止的距离。在这时候，测量目标上的发送光束照射方向的剖面形状。通过在受光元件的长度方向上进行一维扫描的同时进行该剖面形状的测量，其结果能够测量三维图像。
此外，在与本发明的实施例2有关的激光雷达装置中，具有在上述的实施例1中叙述的如下效果：为了保持针对短脉冲的响应性而将受光元件的一个元件设为长条型来限制一个元件的尺寸，且能够实现受光元件的长度方向的宽的接收视野，进而即使使扫描高速化也能够保持长寿命性。
另外，使用使距离检测电路7阵列化的距离检测电路阵列10，存在装置复杂化的课题，但是能够通过一个发送脉冲一次就获取与目标上的某一线有关的剖面形状，因此能够减少用于得到一个三维形状所需的发送脉冲的数量。因而，如果是相同的测量速率的情况则能够降低发送脉冲的重复频率，如果改变看法，则能够在相同的发送脉冲的重复频率下提高摄像速率。

Claims (2)

1.一种激光雷达装置，具备：
激光光源，根据触发信号产生脉冲激光，并作为发送脉冲而输出；
扫描器，一边对所述发送脉冲的铅笔状的发送光束进行受光元件的长度方向以及与该受光元件的长度方向正交的方向的二维扫描，一边将发送脉冲朝向目标发送，并且输出扫描角度信息；
接收透镜，接收所述发送脉冲被所述目标散射之后到来的接收光；
长条受光元件阵列，将所述接收光变换为由电信号区域构成的接收信号而输出，将长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上排列为阵列状；
互阻放大器阵列，放大所述接收信号；
加法电路，对来自所述互阻阵列的各元件的接收信号进行相加；
距离检测电路，测量来自所述加法电路的输出信号的到目标为止的光往复时间；以及
信号处理部，通过一边与所述扫描角度信息相对应一边使所述扫描器进行二维扫描动作，从而根据所述光往复时间以及光速来求出到所述目标上的多点为止的距离，并测量所述目标的三维形状。
2.一种激光雷达装置，具备：
激光光源，根据触发信号产生脉冲激光，并作为发送脉冲而输出；
光束成形透镜，将所述发送脉冲成形为线状光束而输出；
扫描器，一边对所述发送脉冲的线状的发送光束进行与受光元件的长度方向正交的方向的一维扫描，一边将发送脉冲朝向目标发送，并且输出扫描角度信息；
接收透镜，接收所述发送脉冲被所述目标散射之后到来的接收光；
长条受光元件阵列，将所述接收光变换为由电信号区域构成的接收信号而输出，将长条受光元件在与受光元件的长度方向正交的方向上排列为阵列状；
互阻放大器阵列，放大所述接收信号；
距离检测电路阵列，测量来自所述互阻阵列的各元件的输出信号的到目标为止的光往复时间；
信号处理部，通过一边与所述扫描角度信息相对应一边使所述扫描器进行一维扫描动作，从而根据所述光往复时间以及光速来求出到所述目标上的多点为止的距离，并测量所述目标的三维形状；以及
多路转接器，切换连接所述距离检测电路阵列的各元件和所述信号处理部。
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