CN104049255B - 一种基于编码调制的激光三维雷达装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于编码调制的激光三维雷达装置，脉冲激光器发射单束激光，经过激光整形单元进行准直、均衡和扩束，形成均匀的线光源；通过光编码器，对不同坐标的激光进行强度调制，调制后的激光通过发射镜头照射到远处N*N个被测点上，并反射；窄线宽光滤波器接收回波激光，接收镜头对通过窄线宽光滤波器的回波激光进行成像后，通过光传像阵列传输到阵列式光电探测器上；信号采集处理电路将阵列式光电探测器生成的回波信号波形进行采样、存储和解调，得到N*N个被测点的像素飞行时间；将姿态单元的数据进行坐标变换和三维图像构建和校正，得到待测目标的三维点云数据。较现有的三维雷达，本发明简化了传统的机械扫描结构，精度高、稳定性好。

Description

一种基于编码调制的激光三维雷达装置
技术领域
本发明涉及激光三维雷达领域，具体涉及一种基于编码调制的激光三维雷达装置。
背景技术
激光三维雷达相对于传统二维雷达，能够提供更加丰富的目标空间信息，在工业、军事等领域有广泛应用。
传统的激光三维雷达通过发射单光束脉冲激光，再由单探测器单元接收回波激光，利用光飞行时间来测量被测物与雷达之间的距离。为了实现空间三维探测，需要加上机械扫描结构改变激光的出光和接收方向。为了提高探测精度和速度，必须提高激光器的重复频率和机械结构的翻转速率。而提高这两者性能的成本都很高，因此出现了采用阵列激光源和接收器的激光三维雷达，利用N元的探测器，一次能够测量N个点的距离信息。但是N源探测器无法再不改变出光和接收方向的情况下完成大视场的空间探测，因此依然需要增加机械扫描结构。要想进一步提高探测和速度，依然需要提升激光器的重复频率和机械结构的翻转速率。
目前基于光飞行时间的激光三维雷达在探测器阵列规模、激光器频率和扫描器机械结构扫描速度、精度、稳定度等方面均存在着难以突破的瓶颈。研究一种成像速度快、精度高且稳定度高结构简单的激光三维雷达，成为了研究的重要方向。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是，提供一种基于编码调制的激光三维雷达装置，通过光编码方法，使N元的探测器阵列能够同时探测N*N个目标的三维信息，改进了现有技术的不足。尤其是一种使用低像素的阵列式光电探测器实现大幅宽对地探测的激光三维雷达。适用于需要同时对大幅度目标进行探测的成像场合。
技术方案：一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，包括位置和姿态单元、脉冲激光器、激光整形单元、光编码器、发射镜头、高速激光发射探测单元、窄线宽光滤波器、接收镜头、光传像阵列、阵列式光电探测器和信号采集处理电路；
脉冲激光器发射单束激光，该单束激光经过激光整形单元进行准直、均衡和扩束，形成均匀的线光源，通过光编码器，将窄条形激光通过强度调制编码为所需的窄条形正交编码激光，调制后的激光通过发射镜头照射到远处N*N个被测点上，并反射；接收镜头通过窄线宽光滤波器接收回波激光进行成像，之后，通过光传像阵列传输到阵列式光电探测器上；信号采集处理电路将阵列式光电探测器生成的回波信号波形进行采样和存储，并将回波信号利用原始编码进行相关解调，还原出每个编码所对应的完整波形，进而分别得到N*N个被测点的像素飞行时间；将姿态单元的数据进行坐标变换和三维图像构建和校正，得到待测目标的三维点云数据。
所述的位置和姿态单元1在测量工作过程中实时提供本体的位置信息和姿态信息。
所述的脉冲激光器2具有高瞬时功率、窄脉宽、窄线宽特征，作为系统发射光源，需要与光编码器、阵列式光电探测器、窄线宽光滤波器、信号采集处理电路采集速率配合，激光重复频率由光编码器决定。
所述的激光整形单元3包括激光准直镜、均衡器和扩束镜，目的是将出射的高斯圆形激光整形成狭窄均匀的窄条形激光。
所述的光编码器4将窄条形激光通过强度调制编码为所需的窄条形编码激光。
所述的发射镜头5将调制好的激光通过投影镜头，投射到被测目标表面。
所述的高速激光发射探测单元6用来提供激光脉冲发射时刻信息，采用高速光电二极管将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。
所述的窄线宽光滤波器7为窄带干涉滤光片，位于接收镜头前，目的是仅让工作波长的光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。
所述的接收镜头8位于窄线宽光滤波器7之后，用于收集光回波能量并聚焦在光纤传像阵列上。
所述的光传像阵列9是将光纤束按照图2所述的规律排列组成的，其作用一是将所成的线状像传导到面阵接收器上接收，二是对像点和面阵接收器单元进行对应和重排，使其能够进行后续的解调工作。
所述的阵列式光电探测器10由工作在线性模式下的APD阵列和放大阵列构成，目的是将回波光信号转化为有一定增益的电信号，并进行一定的噪声抑制。
所述的信号采集处理电路11采用高速ADC和FPGA构成的全波采样阵列。采样结果与当前位置姿态信息一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指PC机、DSP、FPGA等。
有益效果：
1)利用光编码方法，使N元的探测器阵列能够同时探测N*N个目标的三维信息，在现有的技术水平基础上提高了三维激光成像技术的成像速度和成像精度。
2)没有传统的机械扫描结构，简化了激光三维成像系统的结构，提高了系统的稳定度。
附图说明
图1为本发明示意图
图2是光传像阵列耦合规则示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1，本专利的基于编码调制的激光三维雷达包括位置和姿态单元1、脉冲激光器2、激光整形单元3、光编码器4、发射镜头5、高速激光发射探测单元6、窄线宽光滤波器7、接收镜头8、光传像阵列9、阵列式光电探测器10和信号采集处理电路11。
位置和姿态单元1在测量工作过程中实时提供本体的位置信息和姿态信息。
脉冲激光器2具有高瞬时功率、窄脉宽、窄线宽特征，作为系统发射光源，需要与光编码器、阵列式光电探测器、窄线宽光滤波器、信号采集处理电路采集速率配合，激光重复频率由光编码器决定。
激光整形单元3包括激光准直镜、均衡器和扩束镜，目的是将出射的高斯圆形激光整形成狭窄均匀的窄条形激光。
光编码器4将窄条形激光通过强度调制编码为所需的窄条形编码激光。
发射镜头5将调制好的激光通过投影镜头，投射到被测目标表面。
高速激光发射探测单元6用来提供激光脉冲发射时刻信息，采用高速光电二极管将光脉冲转化为电脉冲作为激光发射信号。
窄线宽光滤波器7为窄带干涉滤光片，位于接收镜头前，目的是仅让工作波长的光子顺利通过而尽量抑制其他波长的背景光和杂散光。
接收镜头8位于窄线宽光滤波器7之后，用于收集光回波能量并聚焦在光纤传像阵列上。
光传像阵列9是将光纤束按照图2所述的规律排列组成的，其作用一是将所成的线状像传导到面阵接收器上接收，二是对像点和面阵接收器单元进行对应和重排，使其能够进行后续的解调工作。
阵列式光电探测器10由工作在线性模式下的APD阵列和放大阵列构成，目的是将回波光信号转化为有一定增益的电信号，并进行一定的噪声抑制。
信号采集处理电路11采用高速ADC和FPGA构成的全波采样阵列。采样结果与当前位置姿态信息一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指PC机、DSP、FPGA等。
脉冲激光器2发出的脉冲激光通过激光整形单元3整形扩束形成一条线光源，使用光编码器4控制光源的通断以实现不同像素点上的编码调制，同时采用高速激光发射探测单元6利用编码器反射光实现激光器的出光检测。采用这种方式可以避免激光器出光时间对系统测量产生误差。光编码器4中的编码盘旋转时通过光电断续器产生脉冲信号，利用此信号来驱动激光器出光。编码后的激光通过发射镜头5投射至目标，在被测目标表面展开成一条狭窄的光带。使用一套由窄线宽光滤波器7、接收镜头8、光传像阵列9组成的接收系统接收回波信号。N个编码可以调制N*N个待测点，本实施例中，采用64个编码调制4096个待测点，并使用64元线性面阵APD接收阵列接收回波信号并对对接收到的信号进行高速全波采样。4096个待测点与64元线性APD接收阵列间通过光传像阵列进行耦合。
通过信号采集处理电路11对阵列式光电探测器10的每一通道的输出信号进行全波采样，采集到的波形数据与编码数据、激光出光脉冲、位置和姿态数据一起送入高速存储阵列进行存储并进行后续数据处理。
数据处理单元首先读取全波形数据与编码数据，使用去噪等预处理算法处理全波形数据后，对波形进行拟合，再利用各通道原始编码信息对各个通道进行正交解调，还原出每个通道的回波波形，进而得到每个通道回波的时间点，即可得到一次测量的线状目标的距离值。再读取激光出光脉冲数据、位置和姿态单元数据，并且利用激光出光时间点进行校正，利用位置和姿态单元数据进行坐标变换并进行三维图像构建和矫正，就可得到高精度的目标三维距离图像数据。
为降低采集到的数据冗余量，数据采集单元在检测到激光出光检测器的脉冲一段延时后才开始对波形数据进行采样。延时长短由系统最终量程决定。本实施例中，被测物体距离雷达的最小距离为600m，因此延时4us。
位置和姿态单元1为北斗+INS测量系统，可以实时提供本体的位置信息和姿态信息。
脉冲激光器2为波长1064nm，脉冲能量10mJ，脉冲宽度10ns，重复频率10kHz的半导体泵浦激光器。
激光整形单元3为通过光学器件将激光整形为均匀扇面。
光编码器4为一刻有编码信息的高速编码盘，通过高速旋转驱动脉冲激光器2出光并对激光进行调制。
发射镜头5为焦距210mm、光圈5.6成像镜头。
高速激光发射探测单元6为高速PIN光电二极管及配套电路，检测激光器出光，输出激光器出光信号。
窄线宽光滤波器7为窄带干涉滤光片，带宽2nm，中心波长1064nm，透过率80％。至于接收镜头前，实现对外界背景光的抑制。
接收镜头8参数与发射镜头5相同。
如图2所示，光传像阵列9为光纤阵列，将接收到的像按照编码规则耦合到阵列式光电探测器10上。
阵列式光电探测器10为8*8面阵式线性模式APD传感器阵列及其前置放大电路和后级放大电路。
信号采集处理电路11中ADC部分采用16片E2V公司四通道1.25Gsps采样率高速ADC，对探测器的信号进行全波采样，FPGA控制采样，并将采样结果与当前位置姿态信息一起通过高速存储阵列进行存储。处理电路指PC机、DSP、FPGA等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，包括位置和姿态单元(1)、脉冲激光器(2)、激光整形单元(3)、光编码器(4)、发射镜头(5)、高速激光发射探测单元(6)、窄线宽光滤波器(7)、接收镜头(8)、光传像阵列(9)、阵列式光电探测器(10)和信号采集处理电路(11)；
脉冲激光器(2)发射单束激光，该单束激光经过激光整形单元(3)进行准直、均衡和扩束，形成均匀的线光源，通过光编码器(4)，对不同坐标的激光进行强度调制，调制后的激光通过发射镜头(5)照射到远处N*N个被测点上，并反射；窄线宽光滤波器(7)接收回波激光，接收镜头(8)对通过窄线宽光滤波器(7)的回波激光进行成像，之后，通过光传像阵列(9)传输到阵列式光电探测器(10)上；信号采集处理电路(11)将阵列式光电探测器生成的回波信号波形进行采样和存储，并进行解调，分别得到N*N个被测点的像素飞行时间；将位置和姿态单元(1)的数据进行坐标变换和三维图像构建和校正，得到待测目标的三维点云数据。
2.如权利要求1所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，所述阵列式光电探测器(10)包括APD阵列和放大阵列。
3.如权利要求1所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，所述光传像阵列(9)包括面阵接收器。
4.如权利要求1所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，所述信号采集处理电路(11)包括高速ADC和FPGA。
5.如权利要求1所述的一种基于编码调制的激光三维雷达装置，其特征在于，所述激光整形单元(3)包括激光准直镜、均衡器和扩束镜。
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