CN103278808B - 一种多线扫描式激光雷达装置 - Google Patents

Abstract

本发明中提供一种多线扫描式激光雷达装置，包括由旋转支撑连接的运动部与固定部，所述运动部内部平行设有激光发射光学系统与激光接收光学系统；所述固定部内部设有驱动电机，所述驱动电机通过旋转轴与所述旋转支撑固接；所述激光发射光学系统、激光接收光学系统与驱动电机分别与驱动控制系统电连接。达到了对成像目标物实现多线三维扫描的目的，提高成像速度与成像质量。

Description

一种多线扫描式激光雷达装置

技术领域

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及的是一种利用共心球形透镜组实现的多线扫描式激光雷达装置。

背景技术

激光雷达主要由发射系统、接收系统、信号处理、随动控制系统和显示系统构成。其工作原理如下：激光器发射激光，通过光学调制器、波束控制器和光学扫描系统射向空间，在扫描系统的控制下，激光束按照特定的方式在空间扫描，当激光光斑照射到目标时，发生散射现象，散射回来的一部分的光电信号，通过光学接收系统在光学探测器上被检测，后经混频转换为电信号，再经过放大，信息处理，最终显示目标信号。

成像激光雷达是具有对目标三维成像能力的激光雷达。国外自20世纪60年代发明激光雷达以来，就对成像激光雷达展开了深入的研究，并且在军用领域和民用领域进行了广泛的运用。目前在美国，成像激光雷达已作为新一代的精确自动制导传感器，用来制导先进的巡航导弹、航空导弹、灵巧弹药等。美国的休斯公司、Scwhatz公司、SPanta公司、洛雷尔系统公司以及法国的汤姆逊公司在20世纪80年代末至90年代初还分别研制出半导体激光成像雷达，用于战场巡查、低空飞行器下视和防撞以及主动激光制导等。

成像激光雷达根据成像方式可分为两种：一种为单元探测器配合扫描系统的扫描式成像激光雷达；另一种是非扫描成像激光雷达。虽然非扫描成像激光雷达具有结构简单、成像速度快等优点，但其焦平面阵列发展并不成熟，尤其在国内，面阵探测器很难得到，因此目前激光雷达多采用扫面成像工作体制。

目前的激光雷达技术主要是要将散射回来的一部分的光电信号经混频转换为电信号才能显示目标信号，转换中有信号的损失而导致目标信息不准确。另外，目前扫面成像的激光雷达的成像方式有一定的局限性：其多采用非共心球面镜头，激光器组和其对应的APD接收器件放在焦平面上，这样会造成，光轴外的激光器组与光轴上激光器组的像差不相同，从而导致测量的误差不同。

发明内容

本发明中的目的是提供一种利用共心球形透镜组实现的多线扫描且不需要混频的多线扫描式激光雷达装置。

激光雷达测距仪的原理如下。

激光雷达的最大可测距离R_max是重要的性能之一。设激光器的发射功率为P_t,目标距离为R，激光束在目标处的光束截面积是S_L,目标被照表面与光束截面的夹角为α,则该表面的照度为：

E=Pcosα/S_L

其中P=R_tτ₀τ_α为到达目标的激光功率。设目标的反射率为ρ,它被照射的单位面积所发射的光功率为：

P_e=ρPcosα/S_L

接收物镜入瞳面积S_e对目标被照射面积中心张立体角为S_e/R²。假设目标能均匀的漫反射，则它每单位面积向单位立体角内反射的功率为P_e/2π。考虑到发射接收光学系统的透过率τ₀大气透过率τ_α则接收到的激光回波功率为：

$P_r=\frac{P_e}{2\mathrm{\π}}\·{\mathrm{\τ}}_0\·{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}\·\frac{S_e}{R^2}\·S$

式中S为被照射且在测距机市场内的目标面积。

如果激光束完全射在目标上，则：

$P_r=\frac{{\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}}{2\mathrm{\π}}\·\frac{\mathrm{\ρ}P\cos \mathrm{\α}}{S_L}\·\frac{S_e}{R^2}\·S$

此时，显然有S_L=S.cosα。因而有，

$P_r=\frac{{\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\ρP}{S}_e}{2\mathrm{\π}{R}^2}$

因为最大可探测距离R_max与系统可探测的最小功率P_min对应，因而有：

$R_{\max }={\left[\frac{{\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\ρP}{S}_e}{2\mathrm{\π}{P}_{\min }}\right]}^{1/2}$

若激光束有一部分射到目标以外（扩展目标），则有：

S_L＞S.cosα

此时S_L可用激光束的发散角表示。若平面发散角θ对应的立体角为Ω，则：

Ω=0.25πθ²

S_L=0.25πθ²R²

$R_{\max }={\left[\frac{{\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}\mathrm{\ρP}.S{.S}_e}{0.25{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{\θ}}^2{P}_{\min }}\right]}^{1/4}$

由以上分析可知，当测距激光束全部投射到目标表面时，最大可测距离取决于目标的反射率、激光器发射的功率、接收物镜的入瞳面积、大气和光学系统的透射率以及系统的最小可探测功率。而当测距光束并非完全投射到目标表面时，系统的最大可测距离除了与上述因素有关以外，还与目标被光束照射的面积、光束的投射角以及激光器输出的发散度密切相关。

定义“目标截面”为：σ_T=ρS/Ω_b

式中Ω_b自目标反射的激光束发散立体角，则在测距光束有部分射在目标以外时，对漫反射目标有：

σ_T=ρS/2π

此时R_max的表达式可写为：

$R_{\max }={\left[\frac{{\mathrm{\τ}}_0{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\α}}{\mathrm{\σ}}_{T}P\cos \mathrm{\α}.S_e}{0.125\mathrm{\π}{\mathrm{\θ}}^2{P}_{\min }}\right]}^{1/4}$

根据上述原理，本发明为了实现多线扫描且不需要混频的目的，本发明采用的技术方案是：

一种多线扫描式激光雷达装置，包括由旋转支撑连接的运动部与固定部，所述运动部的内部平行设有激光发射光学系统与激光接收光学系统；所述固定部的内部设有驱动电机，所述驱动电机通过旋转轴与所述旋转支撑固接；所述激光发射光学系统、激光接收光学系统与驱动电机分别与驱动控制系统电连接。

进一步，所述激光发射光学系统包括布设在同心轴上的发射透镜组与支架，所述支架的内侧沿径向固设有至少两个激光器。

所述激光接收光学系统包括布设在同心轴上的接收透镜组与支架，所述支架的内侧沿径向固设有至少两个探测器。

所述驱动控制系统包括控制器、时序控制电路与数据处理电路，所述控制器的输出端通过时序控制电路分别与所述的激光发射光学系统、激光接收光学系统、驱动电机的输入端连接；所述激光发射光学系统、激光接收光学系统、驱动电机的输出端均通过数据处理电路与控制器的输入端连接。

更进一步，所述发射透镜组与接收透镜组均是由第一弧形透镜、第二弧形透镜、第三弧形透镜、第四弧形透镜、第五弧形透镜与第六弧形透镜依次布置在同心轴上构成，它们之间形成8个镜面。

最优的是，所述第一弧形透镜、第二弧形透镜与第三弧形透镜形成的3个镜面的弧形半径依次减小，其开口方向与所述支架的弧形开口方向相反；所述第三弧形透镜与第四弧形透镜成轴对称布置，它们中间形成的镜面为平面；所述第六弧形透镜与第五弧形透镜之间留有间隙，它们与第四弧形透镜形成的4个镜面的弧形半径依次增大，其开口方向与所述支架的弧形开口方向相同。

为了保证每个激光器与对应的探测器APD相平行，故要使激光发射光学系统与激光接收光学系统应该尽量靠近、且平行放置。

本装置的激光发射光学系统中的激光器选用的是OSRAMSPLLL90_3,其发射功率为70W，发射透镜组所构成的光学系统的焦距约为140mm，出瞳参数设为30mm，经过计算出射的光能量大约为25w，出射的光束发散角约为1.5mrad。

本装置的激光接收光学系统的结构与激光发射光学系统结构类似，区别仅仅是将激光器换成探测器APD，其接收透镜组与发射透镜组的光学参数完全相同，入瞳参数为30mm，。

本发明采用扫面成像的工作模式，将激光发射光学系统、激光接收光学系统中的激光器和探测器一一对应地平行布置在固定部内部。激光发射光学系统与激光接收光学系统唯一的区别是将激光器换成探测器APD，激光器与探测器APD一一对应，每一组激光器和探测器都是一个独立的激光测距仪。其中发射透镜与接收透镜采用相同的结构，参数也采用完全一致的参数设计。

本发明激光发射光学系统与激光接收光学系统中的发射透镜组与接收透镜组是由具有良好的光学性能的弧形透镜构成。为了要保证各个激光测距仪的性能应该基本相同，发射出去的光斑形状应该大致相同，所以本发明运用共心光学弧形透镜来达到这样的效果，因为共心光学弧形透镜本身的场曲和畸变可以忽略，当把球差矫正以后，整体的像差就会较小，从而达到各个激光器和探测器组成的激光测距仪的性能基本相同。

本发明的驱动控制系统的控制器是由TMS320C6205主芯片构成，控制器用来控制时序控制电路与数据处理电路，时序控制电路用来产生两路控制信号分别用来激光发射光学系统中的激光器、激光接收光学系统中的探测器与驱动电机。激光器、探测器反馈俯仰角以及测试距离给控制器，电机反馈方位角给控制器。

由于激光雷达的水平扫描角度是由驱动电机的转角给出，竖直扫描角度θ是由当前所触发的激光测距仪的俯仰角给出，测试距离r是由当前激光测距仪给出。因此，驱动控制系统中的控制器即可获取点云数据并可通过外部接口即可传给上位机。

由于物体的背向散射可能会影响相邻两组激光测距仪的测量结果，为了避免相邻激光测距仪之间信号的串扰，各个激光测距仪是分别测距的。即各个激光测距仪的工作时序是由时序控制电路来控制，即通过时序控制电路来控制测距仪组中的激光器与探测器及驱动电机，使相邻两组激光测距仪的空间位置尽量错开，从而避免相互间的干扰。

所以本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

1、本发明提出了一种新的可以用于多线扫面式激光雷达的光学结构以及对应的机械电子结构，达到了对成像目标物实现多线三维扫描的目的，提高成像速度与成像质量。

2、本发明利用共心球形透镜组本身的场曲和畸变可以忽略，当把球差矫正以后，整体的像差就会较小，从而达到各个激光器和探测器组成的激光测距仪的性能基本相同，从而实现了多线扫描且不需要混频的，减少信号的损失，提高目标信息的准确性。

3、本发明将激光发射光学系统、激光接收光学系统中的激光器和探测器一一对应地平行布置在固定部内部，方便了本装置的移动或测量操作，提高了可操作性。

4、本发明的激光发射光学系统与激光接收光学系统中的发射透镜组与接收透镜组的光学结构保证了激光测距仪中各个的像差近似相同，提高了轴外点的成像质量。

5、本发明通过时序控制电路来控制激光器测距仪的收发，从而减少相邻激光测距仪之间的信号串扰问题，提高测量结果。

附图说明

图1是本发明多线扫描式激光雷达装置；

图2是本发明中的激光发射光学系统；

图3是本发明中的激光接收光学系统；

图4是本发明中的驱动控制系统的原理框图。

图中：1-运动部，2-激光发射光学系统，3-激光接收光学系统，4-旋转支撑，5-固定部，6-旋转轴，7-驱动电机，G1-G6－弧形透镜，S1-S8-镜面，K-支架，L、L1-L12-激光器，A、A1-A12-探测器，8-数据处理电路，9-时序控制电路，10-控制器，11-上位机。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种多线扫描式激光雷达装置，包括由旋转支撑4连接的运动部与1固定部5，所述运动部1内部平行设有激光发射光学系统2与激光接收光学系统3；所述固定部5内部设有驱动电机7，所述驱动电机7通过旋转轴6与旋转支撑4固接；所述激光发射光学系统2、激光接收光学系统3与驱动电机7分别与驱动控制系统电连接。驱动控制系统包括控制器、时序控制电路与数据处理电路，所述控制器的输出端通过时序控制电路9分别与激光发射光学系统2、激光接收光学系统3、驱动电机7的输入端连接；所述激光发射光学系统2、激光接收光学系统3与驱动电机7的输出端均通过数据处理电路与控制器的输入端连接。

本发明就是通过控制器来控制驱动电机的转动，从而通过旋转支撑来带动固定部转动，既而使激光发射光学系统与激光接收光学系统同步进行转动，实现多线扫描成像、测距等；或是通过控制器发信号给时序控制电路，时序控制电路来控制由激光器与探测器组成的激光测仪的工作时序，从而达到对激光发射光学系统与激光接收光学系统转动而实现多线扫描成像的目的。

如图2所示是本发明中的激光发射光学系统，激光发射光学系统包括在同心轴上布设的发射透镜组与支架K，支架K的内侧沿径向固设有十二个激光器L1、激光器L2、激光器L3、激光器L4、激光器L5、激光器L6、激光器L7、激光器L8、激光器L9、激光器L10、激光器L11、激光器L12；发射透镜组是由第一弧形透镜G1、第二弧形透镜G2、第三弧形透镜G3、第四弧形透镜G4、第五弧形透镜G5与第六弧形透镜G6依次布置在同心轴上构成，它们之间形成8个镜面：镜面S1、镜面S2、镜面S3、镜面S4、镜面S5、镜面S6、镜面S7、镜面S8。第一弧形透镜G1、第二弧形透镜G2与第三弧形透镜G3形成的镜面S1、镜面S2、镜面S3的弧形半径依次减小，其开口方向与支架K的弧形开口方向相反；第三弧形透镜G3与第四弧形透镜G4成轴对称布置，它们中间形成的镜面S4为平面；所述第六弧形透镜G6与第五弧形透镜G5之间留有间隙，它们与第四弧形透镜G4形成的镜面S5、镜面S6、镜面S7、镜面S8的弧形半径依次增大，其开口方向与支架K的弧形开口方向相同。

具体参数可设计为：镜面S1的半径为60mm，镜面S2半径51.478mm，镜面S3半径为29.083mm，镜面S4为平面，镜面S5半径为-29.083mm，镜面S6半径为-37.188mm，镜面S7半径为-43.334mm,镜面S8半径为-64.370mm，圆弧形支架K的内侧半径为-140.017mm。

其中镜面S1到镜面S2间玻璃厚度为8.521mm，材料折射率为1.59、阿贝数为48.5、孔径为24mm；镜面S2到镜面S3的玻璃厚为22.396mm，材料的折射率1.75、阿贝数为52.3、孔径为24mm；镜面S3到镜面S4的玻璃厚为29.083mm，材料的折射率1.43、阿贝数为95.0、孔径为18.636mm；镜面S4到镜面S5的玻璃厚为29.083mm，材料的折射率1.43、阿贝数为95.0、孔径为18.636mm；镜面S5到镜面S6的玻璃厚为8.106mm，材料的折射率1.77、阿贝数为49.6、孔径为24mm；镜面S6到镜面S7的厚为6.146mm，材料为空气；镜面S7到镜面S7的玻璃厚为21.035mm，材料的折射率1.64、阿贝数为59.7、孔径为24mm；镜面S8到支架K的内侧弧面距离为76.025mm。

如图3所示是本发明中的激光接收光学系统，其与图2中的激光发射光学系统结构类似，接收透镜组与发射透镜组的光学参数也完全相同，区别仅仅是将激光器换成探测器A，探测器的数量与激光器的数量相同且一一对应，为探测器A1、探测器A2、探测器A3、探测器A4、探测器A5、探测器A6、探测器A7、探测器A8、探测器A9、探测器A10、探测器A11、探测器A12。

如图4所示是本发明中的驱动控制系统的原理框图。驱动控制系统包括控制器10、时序控制电路9与数据处理电路8，所述控制器10的输出端通过时序控制电路9分别与激光发射光学系统的激光器Ｌ、激光接收光学系统的探测器Ａ、驱动电机7的输入端连接；所述激光器Ｌ、探测器Ａ与驱动电机7的输出端均通过数据处理电路8与控制器10的输入端连接；由当前时间t激活的激光器Ｌ与探测器Ａ组成的激光测距仪给出俯仰角度θ(t)及当前的距离r(t)由驱动电机7给出水平的方位角构成本装置的多线三维扫描的矢量数据（θ(t)，r(t)），控制器10通过其数据接口按照通信协议传输给上位机11供工作人员查询、存储等。

由图1-图4可知，本发明中由激光器Ｌ与探测器Ａ组成的各组激光测距仪的工作时序由时序控制电路来控制。即当激光器L1发射的时候，其他激光器都处于准备状态，且只有与L1相对应的探测器A1被激活工作。另外，考虑到光飞行的时间，并不能都在A1接收到L1发射的光脉冲以后其他测距仪组才工作，这样会使系统的工作频率过慢。所以为了达到每相邻两次激活的测距仪俯仰角度相差较大，而最大限度的避免相邻激光器组之间的串扰问题。本法明采用的方案是，当L1发出光脉冲以后，激活A1；然后L7发出光脉冲，激活A7,然后依次就是L2－A2;L8－A8；L3－A3；L9-A9；L4－A4；L10－A10；L5－A5；L11－A11；L6－A6；L12-A12；L1－A1；L7－A7；……如此依次循环。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多线扫描式激光雷达装置，其特征在于：包括由旋转支撑连接的运动部与固定部，所述运动部的内部平行设有激光发射光学系统与激光接收光学系统；所述固定部的内部设有驱动电机，所述驱动电机通过旋转轴与所述旋转支撑固接；所述激光发射光学系统、激光接收光学系统与驱动电机分别与驱动控制系统电连接；所述激光发射光学系统包括布设在同心轴上的发射透镜组与支架，所述激光接收光学系统包括布设在同心轴上的接收透镜组与支架，所述发射透镜组和接收透镜组均是由第一弧形透镜、第二弧形透镜、第三弧形透镜、第四弧形透镜、第五弧形透镜与第六弧形透镜依次布置在同心轴上构成，它们之间形成8个镜面；所述第一弧形透镜、第二弧形透镜与第三弧形透镜形成的3个镜面的弧形半径依次减小，其开口方向与所述支架的弧形开口方向相反；所述第三弧形透镜与第四弧形透镜成轴对称布置，它们中间形成的镜面为平面；所述第六弧形透镜与第五弧形透镜之间留有间隙，它们与第四弧形透镜形成的4个镜面的弧形半径依次增大，其开口方向与所述支架的弧形开口方向相同。

2.根据权利要求1所述一种多线扫描式激光雷达装置，其特征在于：所述激光发射光学系统的支架内侧沿径向固设有至少两个激光器。

3.根据权利要求1所述一种多线扫描式激光雷达装置，其特征在于：所述激光接收光学系统的支架内侧沿径向固设有至少两个探测器。

4.根据权利要求1所述一种多线扫描式激光雷达装置，其特征在于：所述驱动控制系统包括控制器、时序控制电路与数据处理电路，所述控制器的输出端通过时序控制电路分别与所述的激光发射光学系统、激光接收光学系统、驱动电机的输入端连接；所述激光发射光学系统、激光接收光学系统、驱动电机的输出端均通过数据处理电路与控制器的输入端连接。