CN105277949A - 一种三维成像激光雷达系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达系统，具体涉及一种三维成像激光雷达系统。它包括：激光雷达运动部分和激光雷达固定部分，激光雷达运动部分上设置保护上盖，激光雷达固定部分下设置安装底座，其中激光雷达运动部分包括，激光发射组件、激光接收组件、发射光学组件、接收光学组件、信号处理模块；激光雷达固定部分包括扫描机构、数据通讯模块和扫描机构驱动电路，在扫描机构内设置水银滑环、角位置编码模块、角位置编码器读数头、力矩电机转子、力矩电机定子。本发明的效果是：本发明利用多组在空间上呈扇形分布的激光发射模块和激光接收模块，配合电气上的时序控制，产生具有一定张角的多束激光，实现垂直方向上的一维扫描。

Description

一种三维成像激光雷达系统

技术领域

本发明属于雷达系统，具体涉及一种三维成像激光雷达系统。

背景技术

成像激光雷达主要由发射模块、接收模块、信号处理模块、光学组件、扫描机构等组成。其基本工作原理如下：发射模块发出的激光束经光学组件处理后，在一定视场范围内射向目标地物；激光束遇到目标后发生漫反射，其中沿原路返回的部分经光学组件处理后送入接收模块并转换为电信号；信号处理模块测定激光束从发射到接收的时差或相移，得到目标地物的距离；扫描机构驱动前述模块进行规律扫描运动，并配合相应的算法实现对目标地物的方位识别。

成像激光雷达通常采用的实现方法有：(1)采用单元激光发射、接收模块通过两组机械传动机构带动的摆镜实现二维扫描，从而实现对某一平面内的目标探测，如中国专利CN201310117381.3；(2)采用单元激光发射、接收模块通过转镜旋转实现二维扫描，从而实现对某一平面内的目标探测，如国防科技大学的脉冲半导体激光器激光雷达；(3)采用多元激光发射、接收模块在垂直面内以一定的视场角对外发射，实现垂直方向线扫描，同时在水平方向进行旋转，从而实现对目标的三维探测，如中国专利CN200780030113.4和CN201310202414.8。

上述实现方法中，方法(1)和方法(2)只能实现平面内的二维扫描；方法(3)能够实现目标三维成像，但只能提供目标的深度信息，而没有提供目标的灰度信息。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种三维成像激光雷达系统。

本发明是这样实现的：一种三维成像激光雷达系统，包括：激光雷达运动部分和激光雷达固定部分，激光雷达运动部分上设置保护上盖，激光雷达固定部分下设置安装底座，其中激光雷达运动部分包括，激光发射组件、激光接收组件、发射光学组件、接收光学组件、信号处理模块，其中激光发射组件和发射光学组件用于发射激光信号并进行光学准直，接收光学组件和激光接收组件用于对目标反射的激光信号进行聚焦并进行光电转换，信号处理模块用于对发射和接收的信号进行处理；激光雷达固定部分包括扫描机构、数据通讯模块和扫描机构驱动电路，数据通讯模块用于与外部进行通讯并进行数据处理，扫描机构驱动电路用于根据数据通讯模块的处理结果驱动扫描机构，在扫描机构内设置水银滑环、角位置编码模块、角位置编码器读数头、力矩电机转子、力矩电机定子，其中力矩电机转子和力矩电机定子配合产生驱动力，角位置编码模块和角位置编码器读数头配合读取角位置并进行编码转化，水银滑环用于与激光雷达运动部分进行电气连接。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述激光发射组件由驱动电路和半导体激光器组成，驱动电路在外部激励信号控制下产生电流脉冲，用来驱动半导体激光器发出激光脉冲。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述发射光学组件由发射光学透镜组和发射反射镜组成，用于将激光器发射的激光束进行准直。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述激光接收组件由APD(AvalanchePhotodiode)探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、时刻鉴别电路、峰值保持电路组成，用于将反射回来的激光脉冲转换为电信号，然后进行放大、滤波、时刻鉴别和峰值保持处理，供后续采集和解算使用。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述接收光学组件由滤光片、接收光学透镜组和接收反射镜组成，用于将反射激光脉冲进行聚焦。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述信号处理模块由A/D转换电路、TMU时间测量电路、微处理器组成，用于对激光接收模块提供的信号进行反射强度采集和飞行时间测量。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述数据通讯模块由USB驱动电路、以太网驱动电路、角位置编码驱动电路、微处理器组成，用于对所有参数进行打包处理并与上位机通讯。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述扫描机构由力矩电机、电机驱动电路组成，用于驱动激光雷达系统的运动部分。

如上所述的一种三维成像激光雷达系统，其中，所述角位置编码模块由光栅和读数头组成，用于对激光雷达运动部分与固定部分的相对角位置进行测量。

本发明的效果是：本发明利用多组在空间上呈扇形分布的激光发射模块和激光接收模块，配合电气上的时序控制，产生具有一定张角的多束激光，实现垂直方向上的一维扫描，同时采用扫描机构驱动上述多激光束水平周向旋转，从而实现三维扫描和成像；此外，通过对目标反射信号的强度进行处理，获取三维成像的灰度信息，从而为分析目标的反射率提供依据。

附图说明

图1是本发明一种三维成像激光雷达的三维结构示意图；

图2是本发明内部正面安装结构示意图；

图3是本发明内部左侧面安装结构示意图；

图4是本发明内部右侧面安装结构示意图；

图5是本发明固定部分内部安装结构示意图；

图6是本发明激光发射组件及发射光学组件示意图；

图7是本发明激光接收模块11示意图；

图8是本发明激光接收组件及接收光学组件示意图；

图9是本发明激光发射、接收时序示意图。

图中：1.激光雷达运动部分，2.激光雷达固定部分，3.激光发射组件，4.激光接收组件，5.扫描机构，6.发射光学组件，7.接收光学组件，8.信号处理模块，9.数据通讯模块，10.扫描机构驱动电路，11.激光接收模块，12.激光发射模块，13.水银滑环，14.角位置编码器模块，15.角位置编码器读数头，16.力矩电机转子，17.力矩电机定子，18.安装底座，19.保护上盖，20.发射反射镜，21.发射光学透镜组，22.滤光片，23.接收光学透镜组，24.接收反射镜。

具体实施方式

一种三维成像激光雷达系统，包括激光发射组件3、发射光学组件6、激光接收组件4、接收光学组件7、扫描机构5、信号处理模块8、数据通讯模块9、水银滑环13、角位置编码模块14、安装底座18、保护上盖19。

所述激光发射组件3安装于保护上盖19的内部，位于信号处理模块8上，包含多个(优选32)组成和功能相同的激光发射模块12，激光发射模块12由驱动电路和半导体激光器组成，电气上与信号处理模块8相连，并在信号处理模块8提供的偏置高压和触发脉冲作用下，产生脉冲电流，驱动激光器发出激光脉冲，激光脉冲波长优选905nm；各激光发射模块12在空间上呈扇形分布，确保其发射的多束激光在空间上形成一定张角的扇面，如图6所示。

所述发射光学组件6安装于保护上盖19的内部，位于力矩电机的转子上，由发射光学透镜组21和发射反射镜20组成，其中发射光学透镜组21由多片球面镜(优选数量为3)按照一定的位置关系装配，用于将激光器发射的激光束进行准直；发射反射镜20将准直后的激光束进行45°反射，从而改变激光束出射的角度并实现在较小的空间内增大透镜组的焦距，如图6所示。

所述激光接收组件4安装于保护上盖19的内部，位于信号处理模块8上，包含多个(与激光发射模块12对应，优选32)组成和功能相同的激光接收模块11，激光接收模块11由APD(AvalanchePhotodiode)探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、时刻鉴别电路、峰值保持电路组成，电气上与信号处理模块8相连，在信号处理模块8提供的偏置高压和增益电压作用下，将反射回来的激光脉冲转换为电信号，经过放大、滤波处理后，同时送入时刻鉴别电路和峰值保持电路，分别产生激光脉冲返回时刻信号和目标反射强度信号，供后续采集和解算使用，如图7所示；各激光接收模块11在空间上呈扇形分布，位置与激光发射模块12一一对应，如图8所示。

所述接收光学组件7安装于保护上盖19的内部，位于力矩电机的转子上，由滤光片22、接收光学透镜组23和接收反射镜24组成，其中滤光片22为带通滤波，中心波长与激光器发射的激光脉冲波长一致，优选905nm，用于将背景噪声光进行滤除而仅允许目标反射回来的激光脉冲透过；接收光学透镜组23由多片球面镜(优选数量为3)按照一定的位置关系装配，用于将目标反射回来的激光脉冲进行聚焦；接收反射镜24将聚焦后的激光脉冲进行45°反射，从而改变激光脉冲入射的角度并实现在较小的空间内增大透镜组的焦距，如图8所示。

所述扫描机构5由力矩电机、电机驱动电路组成，其中力矩电机为无刷直流电机，包括定子和转子两部分，定子安装于安装底座18内部，转子位于激光雷达转动部分的底部，用于承载转动部分所有部件并带动其周向旋转；电机驱动电路安装于安装底座18内部，电气上与信号处理模块8相连，在信号处理模块8的指令控制下起停电机并进行转速控制。

所述信号处理模块8安装于保护上盖19的内部，位于力矩电机的转子上，由A/D转换电路、TMU时间测量电路、微处理器组成，其中A/D转换电路用于对激光接收模块11峰值保持电路提供的信号进行模数转换，获取目标反射强度信息，如公式1所示；TMU时间测量电路用于对激光接收模块11时刻鉴别电路提供的信号进行激光脉冲飞行时间测量，获取目标距离信息，如公式2所示；微处理器用于对激光发射组件3、激光接收组件4、信号处理模块8的工作流程进行控制，确保在任何时刻只有一对激光发射模块12和激光接收模块11处于开启状态，而其它发射、接收模块处于关闭状态，此外为了避免不同通道之间发生串扰，空间布局上相邻的两个通道在工作时序上尽量远离，如图9所示。

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{Ur}}^2}{{\mathrm{GP}}_t}$ ……………………………………公式1

$r=\frac{1}{2}\mathrm{tc}$ ……………………………………公式2

公式中，β为反射强度，U为A/D转换结果，r为目标距离，G为放大增益，P_t为发射功率，t为激光脉冲飞行时间，c为光速。

所述数据通讯模块9安装于安装底座18内部，位于扫描机构5的底部，由USB驱动电路、以太网驱动电路、角位置编码驱动电路、微处理器组成，其中USB驱动电路通过水银滑环13与信号处理模块8连接，用于实现与信号处理模块8通讯和对信号处理模块8供电；以太网驱动电路为对外接口，用于与上位机进行通讯；角位置编码驱动电路与角位置编码模块14连接，用于获取激光雷达运动部分1与固定部分的相对角位置；微处理器用于控制USB驱动电路与信号处理模块8通讯，获取信号处理模块8采集、解算的目标距离信息和反射强度信息，同时控制角位置编码驱动电路获取激光雷达运动部分1与固定部分的相对角位置信息，再通过以太网驱动电路与上位机通讯，将目标距离信息、反射强度信息、相对角位置信息打包发送给上位机。

所述水银滑环13安装于力矩电机内部，其固定端与力矩电机的定子固连，旋转端与力矩电机的转子固连，用于实现激光雷达运动部分1与固定部分之间的电气连接；水银滑环13优选采用4线环，其中2线环用于供电，2线环用于数据通讯。

所述的水银滑环是由4组导电材料(即4个电极)按照同心圆的形式排布，称之为4线环。工作时转动部分绕圆心旋转，但电极始终与固定部分的电极接触，从而实现两只之间的电气连接。

所述角位置编码模块14由光栅和读数头组成，用于对激光雷达运动部分1与固定部分的相对角位置进行测量；其中光栅与力矩电机的转子固连，读数头安装于安装底座18内部，与力矩电机的定子固连，电气上与数据通讯模块9相连，用于对光栅进行光电编码并以TTL脉冲的形式输出相对角度信息。

所述安装底座18用于安装激光雷达的固定部分，包括扫描机构5、数据通讯模块9、水银滑环13、角位置编码模块14，同时承载激光雷达的运动部分，包括激光发射组件3、发射光学组件6、激光接收组件4、接收光学组件7、信号处理模块8、保护上盖19，并实现对外安装。

所述保护上盖19用于透射发射、接收激光束并对激光雷达的运动部分进行保护。

本发明包括但不限于上述技术方案，所有根据本领域技术能够实现的替代方案都包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维成像激光雷达系统，其特征在于，包括：激光雷达运动部分(1)和激光雷达固定部分(2)，激光雷达运动部分(1)上设置保护上盖(19)，激光雷达固定部分(2)下设置安装底座(18)，其中激光雷达运动部分(1)包括，激光发射组件(3)、激光接收组件(4)、发射光学组件(6)、接收光学组件(7)、信号处理模块(8)，其中激光发射组件(3)和发射光学组件(6)用于发射激光信号并进行光学准直，接收光学组件(7)和激光接收组件(4)用于对目标反射的激光信号进行聚焦并进行光电转换，信号处理模块(8)用于对发射和接收的信号进行处理；激光雷达固定部分(2)包括扫描机构(5)、数据通讯模块(9)和扫描机构驱动电路(10)，数据通讯模块(9)用于与外部进行通讯并进行数据处理，扫描机构驱动电路(10)用于根据数据通讯模块(9)的处理结果驱动扫描机构(5)，在扫描机构(5)内设置水银滑环(13)、角位置编码模块(14)、角位置编码器读数头(15)、力矩电机转子(16)、力矩电机定子(17)，其中力矩电机转子(16)和力矩电机定子(17)配合产生驱动力，角位置编码模块(14)和角位置编码器读数头(15)配合读取角位置并进行编码转化，水银滑环(13)用于与激光雷达运动部分(1)进行电气连接。

2.如权利要求1所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述激光发射组件(3)由驱动电路和半导体激光器组成，驱动电路在外部激励信号控制下产生电流脉冲，用来驱动半导体激光器发出激光脉冲。

3.如权利要求2所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述发射光学组件(6)由发射光学透镜组(21)和发射反射镜(20)组成，用于将激光器发射的激光束进行准直。

4.如权利要求3所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述激光接收组件(4)由APD(AvalanchePhotodiode)探测器、跨阻放大电路、压控放大电路、时刻鉴别电路、峰值保持电路组成，用于将反射回来的激光脉冲转换为电信号，然后进行放大、滤波、时刻鉴别和峰值保持处理，供后续采集和解算使用。

5.如权利要求4所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述接收光学组件(7)由滤光片(22)、接收光学透镜组(23)和接收反射镜(24)组成，用于将反射激光脉冲进行聚焦。

6.如权利要求5所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述信号处理模块(8)由A/D转换电路、TMU时间测量电路、微处理器组成，用于对激光接收模块(11)提供的信号进行反射强度采集和飞行时间测量。

7.如权利要求6所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述数据通讯模块(9)由USB驱动电路、以太网驱动电路、角位置编码驱动电路、微处理器组成，用于对所有参数进行打包处理并与上位机通讯。

8.如权利要求7所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述扫描机构(5)由力矩电机、电机驱动电路组成，用于驱动激光雷达系统的运动部分。

9.如权利要求8所述的一种三维成像激光雷达系统，其特征在于：所述角位置编码模块(14)由光栅和读数头组成，用于对激光雷达运动部分(1)与固定部分的相对角位置进行测量。