CN104360350A - 用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法 - Google Patents

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史光远
田欣
周辉
黄科
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Abstract

本发明提出一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法，该脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在探测距离2米至15米处的回波能量的接收率在10%-75%之间。本发明可实现较高的扫描频率，且可以提高测距动态范围。

Description

用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法
技术领域
本发明涉及一种激光雷达技术领域，尤其涉及一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法。
 
背景技术
目前，国际上用于1:2000以上大比例测图的激光雷达产品主要有中国北科天绘R-Angle-0150、瑞士Reigl-VQ250、加拿大Optech-V100等。这类产品中仅采用了单组激光发射单元和回波探测单元来采集点云数据，因此为了满足测图分辨率指标，这类产品均使用了高频率的固体激光器作为光源来提高系统的脉冲频率，同时还需配合使用极高转速的电机来提高系统的扫描频率。由于固体激光器本身具有价格昂贵、使用寿命短等缺陷，而高速电机对系统的角度分辨率、稳定性和功耗又具有不利的影响，目前这些产品的性能基本达到极限。
测图距离是大比例测图的重要技术指标，因此需要对激光发射单元和回波探测单元进行优化设计。为实现远距离目标的探测，提高激光发射单元中激光器的峰值功率、设计复杂的发射光学系统压缩光束发散角或增大回波探测单元中接收光学系统的通光孔径是有效措施，但是这也将导致近距离的回波能量非常大。当回波能量的幅值超过了放大电路的量程范围，会出现能量“过曝”的现象，使得近距离的目标无法识别，严重制约到激光雷达的测距动态范围。解决此类问题的方法一般是通过增大电路的量程范围来提升测距动态范围，但该方法对放大器芯片的要求非常高，具有明显的局限性。     
本发明提出了提高激光雷达脉冲频率和扫描频率的有效方法，并通过光学结构的优化设计来提高激光雷达的测距动态范围，目前针对上述工作的研究成果少有报道。
 
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中无法有效提升激光雷达的测图性能的缺陷，提供一种可提高激光雷达脉冲频率和扫描频率的有效方法，并通过光学结构的优化设计来提高激光雷达的测距动态范围的用于大比例尺测图的脉冲激光雷达及其方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达，该脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N                                               2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；
所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米探测距离范围内的回波能量的接收率在10%-75%之间。
本发明所述的脉冲激光雷达中，每个激光发射单元包括多个半导体激光器。
本发明所述的脉冲激光雷达中，每个激光发射单元包括一个固体激光器。
本发明还提供一种实现脉冲激光雷达大比例尺测图的方法，包括以下步骤：
S1、在激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；
S2、计算不同探测距离处的回波能量接受率；
S3、根据回波能量的接收率调节激光发射单元中发射光学系统与回波探测单元中接收光学系统之间的相对距离，以控制回波能量的接收率在10%-75%之间。
本发明所述的方法中，步骤S2中具体通过利用光线追迹软件计算不同探测距离处的回波能量接收率。
本发明所述的方法中，步骤S1中在每个激光发射单元设置多个半导体激光器，以实现高脉冲频率。
本发明所述的方法中，该方法中脉冲激光雷达的控制端通过并行驱动或分时驱动的方式驱动N组激光发射和回波探测单元工作，当激光头旋转一圈时，扫描出N条螺旋线，以增加激光雷达的扫描频率。
本发明产生的有益效果是：在激光雷达中采用多组激光发射单元和回波探测单元，并对激光雷达的发射光学系统和接收光学系统的相对距离进行优化设计，使得近距离探测的回波能量被部分接收，防止出现能量“过曝”现象导致近距离的目标无法识别，以此来提高激光雷达的测距动态范围；
进一步地，通过并行驱动或分时驱动的方式扫描点云数据，在较低的电机转速下能够实现较高的扫描频率，因此激光雷达具有角分辨率精度高、稳定性强、功耗低等优势；
进一步地，在激光雷达的激光发射单元中采用多个半导体激光器，以提高系统的脉冲频率，具有成本低、体积小、寿命长等优势。
 
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1 是本发明实施例采用2组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图中1、2表示两组激光发射单元和回波探测单元；
图2 是图1实施例激光雷达的“双螺旋线”点云扫描轨迹；
图3 是本发明实施例采用3组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图中3、4、5表示三组激光发射单元和回波探测单元；
图4是 图3实施例激光雷达的“三螺旋线”点云扫描轨迹；
图5 激光雷达近距离能量被部分接收的示意图；
图6 利用Tracepro仿真半导体激光器的激光束空间能量分布； 
图7 利用Tracepro计算不同探测距离处能量接收率的光线追迹示意图，图中7表示不同探测距离上接收光学系统的等效接收面；
图8 探测距离与等效接收面上的能量接收率的关系；
图9 探测距离与探测指数SD的关系，图中9表示近距离区间内探测指数SD变化，10表示中远距离区间内探测指数SD变化；
图10 探测距离与信噪比SNR的关系，图中9表示近距离区间内探测指数SD变化，10表示中远距离区间内探测指数SD变化。
 
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例的用于大比例尺测图的脉冲激光雷达实质上是一台高重频、可360°高速旋转的脉冲激光测距仪，主要有激光发射单元、回波探测单元、测距计时单元和扫描旋转单元等。其中，激光发射单元主要由激光器和发射光学系统组成，发射光学系统用于压缩初始激光束的发散角，使其能够远距离传输；回波探测单元由探测器和接收光学系统组成，接收光学系统用于收集发射激光束经目标面反射后的回波能量，并将能量汇聚在探测器上，因此激光发射单元和回波探测单元的设计决定了激光雷达的测距范围；测距计时单元用于记录脉冲激光发射的起始时间和回波信号的终止时间，通过测量出时间差解算出距离信息，再通过扫描旋转单元，使得激光雷达能够对周围的目标进行360°扫描，获取三维数据信息。本发明可用于1:2000以上大比例尺测图的脉冲激光雷达的设计。
本发明实施例中，脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布。每组包括一个激光发射单元和一个回波探测单元。在激光雷达中采用多组激光发射单元和回波探测单元，可通过并行驱动或分时驱动的方式扫描点云数据，以实现多线扫描，因此在较低的电机转速下能够实现较高的扫描频率，从而使激光雷达具有角分辨率精度高、稳定性强、功耗低等优势。
如图1所示，本发明的一个实施例中，采用2组激光发射单元和回波探测单元，图中1、2表示两组激光发射单元和回波探测单元；图2所示，本发明的另一个实施例中，采用3组激光发射单元和回波探测单元，图中3、4、5表示三组激光发射单元和回波探测单元。根据需要可以选择不同的组数来提高扫描频率。
进一步地，在激光雷达的激光发射单元中采用多个半导体激光器，利用时分复用技术周期性驱动激光器发射激光束，以提高系统的脉冲频率。当然也可以直接使用固体激光器或光纤激光器来实现，但是固体激光器和光纤激光器的价格较高，因此若采用半导体激光器取代固体激光器或光纤激光器作为光源，则具有成本低、体积小、寿命长等优势。
所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米的探测距离范围内的回波能量的接收率在10%-75%之间。对激光雷达的发射光学系统和接收光学系统的相对距离进行优化设计，可使得近距离探测的回波能量被部分接收，防止出现能量“过曝”现象导致近距离的目标无法识别，以此来提高激光雷达的测距动态范围。
本发明实施例中，根据大比例尺测图的分辨率指标可计算出激光雷达扫描频率和脉冲频率，以对激光发射单元和回波探测单元进行设计：
激光雷达的点云扫描轨迹是由离散点构成的螺旋线，螺旋线的点密度与测图分辨率存在直接的联系。设大比例尺测图的分辨率为和载车的移速V，为满足分辨率需求，激光雷达的扫描频率H必须满足：
                                       （1）
在激光头部内设置N组（N2）激光发射单元和回波探测单元，以旋转轴为中心，沿激光头部外径以/N圆心角进行排布。通过并行驱动或分时驱动N组激光发射和回波探测单元工作，即激光头旋转一圈，可以扫描出N条螺旋线，进而可增加激光雷达的扫描频率；或者是在一定的扫描频率下，降低电机的转速，提高角分辨率精度和系统稳定性。激光雷达的驱动电机的转速h为：
                                      （2）
在距离L处，测图分辨率与激光雷达的角分辨率满足下式：
                                  （3）
激光雷达的脉冲频率F与角分辨率δ如下关系：
                                   （4）
为满足测图分辨率指标，激光雷达中采用n个脉冲频率为f的半导体激光器，通过时分复用技术周期性驱动激光器发射激光束来提高系统的脉冲频率，则半导体激光器的数量n为：
                                      （5）
根据上述推导，在80m处实现0.1m的分辨率，在车速20km/h的工作效率下，激光雷达的扫描频率为60Hz，若采用2组激光发射单元和回波探测单元，则两组以π为圆心角排布，电机的旋转频率为30Hz；激光雷达的脉冲频率为300KHz，需要12个发射频率为25KHz的半导体激光器，每组激光发射单元由6个半导体激光器构成。图1是采用2组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图2是激光雷达的“双螺旋线”点云扫描轨迹。
本发明的另一实施例中，可采用3组激光发射单元和回波探测单元，每组以2π/3为圆心角排布，电机的旋转频率为30Hz；激光雷达的脉冲频率为450KHz，需要18个发射频率为25KHz的半导体激光器，每组激光发射单元由6个半导体激光器构成，可在车速30km/h的工作效率下，实现0.1m分辨率（80m）。图3是采用3组激光发射单元和回波探测单元的激光雷达示意图，图4是激光雷达的“三螺旋线”点云扫描轨迹。
本发明还通过优化发射光学系统和接收光学系统相对距离，来提高系统的测距动态范围：
在大比例尺测图中，为了实现远距离探测，最有效的方法是提高激光发射单元中激光器的峰值功率、设计复杂的发射光学系统压缩光束发散角或增大回波探测单元中接收光学系统的通光孔径。根据激光雷达方程，回波能量的幅值与探测距离的平方成反比关系，因此在满足远距离探测的情况下，将导致近距离的回波能量非常大。当回波能量的幅值超过了后续放大电路的量程范围，出现能量“过曝”的现象，将使得近距离的目标无法识别，严重制约激光雷达的测距动态范围。
在激光雷达中，发射光学系统和接收光学系统存在一定的位置间隔，只有当接收光学系统的视场角大于激光束的发散角，较远距离处的激光回波能量才能被完全接收；而在近距离处，回波能量只能被部分接收，如图5所示。通过利用该特点，通过优化发射光学系统和接收光学系统的相对距离，对近距离回波能量的接收率进行控制，从而可以避免了能量“过爆”现象的发生。
考虑到后续放大电路的匹配问题，因此需要精确计算不同探测距离处回波能量的幅值，可采用Tracepro、Lighttools、ZEMAX、ASAP等光线追迹软件Tracepro来计算不同探测距离处的回波能量接收率。本发明中采用光线追迹软件Tracepro来辅助计算。
可选用德国Osram公司SPL_LL90_3半导激光器，峰值功率Pt为40W；接收光学系统有效面积Ar为46mm2，接收光学系统的视场角φ为5mrad；发射光学系统和接收光学系统相对位置为46mm；选用加拿大EXCELITAS公司C30902雪崩光电二极管（APD），其电流响应度Ri=10A/W；选用荷兰Philips公司NE5210跨阻放大器，差分阻值Rf为7KΩ，量程范围3V；电路带宽为150MHz。
方法步骤如下：
1)采用Tracepro对激光发射单元和回波探测单元进行建模。根据所选激光器的光束特征，利用Tracepro的Surface Source Property Generator仿真器对激光束的能量空间分布进行建模，图6所示为半导体激光器快、慢轴方向上激光束的空间能量分布；同时将激光器模型、发射光学系统、探测器模型和接收光学系统导入至Tracepro中。
2)根据接收光学系统的视场角φ，在不同距离L处设置接收光学系统的等效接收面，接收面孔径D为：
                                   （6）
3)利用软件的光线追迹功能，计算在理想情况下不同探测距离处等效接收面上的能量接收率β，如图7所示。探测距离与能量接收率的关系如图8所示，可见随着探测距离的增大，能量接收率逐渐增大，15m之后能量接收率几乎保持不变，说明激光束的回波能量能够被完全接收。
4)计算激光雷达的测距动态范围：根据激光雷达方程，将照射目标视为朗伯面，经发射光学系统准直后的激光束近似看作为准平行光，则探测器上接收到的光功率为：
                                    （7）
其中β表示能量接受率，τa是单程大气透射率，μ是发射和接收光学系统的透过率，Pt是激光器的峰值功率，γ是目标面的反射率，是接收系统的有效接收面积，是入射光与目标面法线的夹角，L是测量距离。
APD探测器的电流响应度为，得APD探测器输出的光电流：
                                  （8）
根据电路噪声理论，APD探测器的输出噪声包括光信号散粒噪声、背景光散粒噪声、暗电流散粒噪声、热噪声等。
光信号散粒噪声的均方为：
                               （9）
背景光散粒噪声的均方为：
                              （10）
                           （11）
其中为背景光功率，Esun的正午时太阳光谱的辐射照度，θi是目标面与入射太阳光的夹角，θr接收光学天线的视场角，为光谱宽度。
暗电流散粒噪声的均方为：
                              （12）
热噪声的均方为：
                                     （13）
其中为噪声频谱带宽，Ma为APD的电流倍增因子，为噪声系数吗，Rl是探测器负载电阻，K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度。
APD将回波光功率转换成光电流，再经跨阻放大电路转化成电压信号。根据基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律，可得跨阻放大电路中运放的等效输入噪声电压Ena在输出端产生噪声电压的均方根为
                              （14）
运放的等效输入噪声电路Ina在输出端产生噪声电压的均方根为
                                 （15）
反馈电阻的热噪声电压在输出端产生噪声电压的均方根为：
                             （16）
其中Rf是跨阻放大器的阻值。
跨阻放大电路输出有效光信号的电压值为
                            （17）
由式（8）、（9）、（10）、（12）、（13）、（14）、（16）、（17）可得有激光回波信号时跨阻放大器输出总噪声电压的均方为
                     （18）
同理，无激光回波信号时跨阻放大器输出总噪声电压的均方为
                       （19）
由式（17）、（18）可得跨阻放大电路输出电压的信噪比为
                                   （20）
由式（17）、（18）、（19）可得跨阻放大电路输出电压的探测指数为
                              （21）
其中TNR是阈噪比，表示探测阈值与无激光回波信号时噪声均方根的比值。
虚警概率是无激光回波时噪声的幅值大于探测阈值的概率，当阈噪比TNR大于4时，虚警概率小于0.003%；探测概率是有激光回波信号时信号与噪声之和大于探测阈值的概率，当SD大于4时，探测概率大于99.998%。
通过计算探测概率SD的值，可以估算出激光雷达最远可探测距离；通过计算跨阻放大电路输出有效光信号的电压Vns值，可以估算出激光雷达最近可探测距离，从而可以计算出系统的测距动态范围。
当目标反射率取0.15时，探测距离与探测指数SD的关系如图9所示，探测距离与信噪比SNR的关系如图10所示，图中实线部分表示2m至15m探测距离处探测指数SD的值；虚线部分表示探测距离15m至150m探测距离处信噪比SNR的值。
大比例测图的主要对象是路面、桥梁和楼房等，考虑到实际目标的反射率γ基本在0.15到0.6之间，得到最近可探测距离为2m，最远可探测距离为300m，因此激光雷达的测距动态范围高达150倍。
为了证明通过本发明得到的激光雷达具有技术优势和发展前景，将本发明中上述采用3组激光发射单元和回波探测单元的实施例所能实现的技术参数与国际上现有的激光雷达的性能作参数对比。比较结果如下表1所示，可见，在相同测图分辨率的前提下，该实施例在脉冲频率、扫描频率、探测距离及动态范围、载体车速等方面均达到了领先水平。实施例中通过采用了3组激光发射单元和回波探测单元实现“三螺旋线”点云扫描，因此在30Hz的电机转速下能够实现了90Hz的扫描频率；每组激光发射单元中采用6个脉冲频率为25KHz半导体激光器，三组共18个半导体激光器以实现450KHz的脉冲频率，并且大幅度降低了激光器的成本；通过对发射光学系统和接收光学系统的相对距离进行优化，增大了系统的测距动态范围。
 
表1
  R-Angle-0150 Reigl-VQ250 Optech-V100 本发明的实施例2
激光器类型 固体激光器 固体激光器 固体激光器 半导体激光器
激光器数量 1 1 1 18
脉冲频率 300KHz 200KHz 500KHz 450KHz
探测距离 [1m, 150m] [1m, 200m] [1.5m, 300m] [2.5m, 300m]
动态范围 150 200 200 150
扫描频率 60Hz 40Hz 100Hz 90Hz
电机转速 60Hz 40Hz 100Hz 30Hz
测图分辨率 0.1m 0.1m 0.1m 0.1m
车速 20km/h 15km/h 35km/h 30km/h
价格（每台） 95W 120W 180W <50W
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于大比例尺测图的脉冲激光雷达，其特征在于，该脉冲激光雷达的激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N                                               2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；
所述激光发射单元包括激光器和发射光学系统，回波探测单元包括探测器和接收光学系统，所述发射光学系统和接收光学系统之间的距离满足：在2米至15米探测距离范围内的回波能量的接收率在10%-75%之间。
2.根据权利要求1所述的脉冲激光雷达，其特征在于，每个激光发射单元包括多个半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的脉冲激光雷达，其特征在于，每个激光发射单元包括一个固体激光器或光纤激光器。
4.一种实现脉冲激光雷达大比例尺测图的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在激光头部内设置N组激光发射单元和回波探测单元，其中N2，所述N组激光发射单元和回波探测单元以旋转轴为中心，沿激光头部外径以2π/N圆心角排布；
S2、计算不同探测距离处的回波能量接受率；
S3、根据回波能量的接收率调节激光发射单元中发射光学系统与回波探测单元中接收光学系统之间的相对距离，以控制2至15米探测距离范围内回波能量的接收率在10%-75%之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2中具体通过利用光线追迹软件计算不同探测距离处的回波能量接收率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中在每个激光发射单元设置多个半导体激光器，以实现高脉冲频率。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法中脉冲激光雷达的控制端通过并行驱动或分时驱动的方式驱动N组激光发射和回波探测单元工作，当激光头旋转一圈时，扫描出N条螺旋线，以增加激光雷达的扫描频率。
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