CN105403169A - 一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置及数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置及数据采集方法，所述装置包括激光发射模块和激光接收模块，还包括用于调整激光光路的反射镜；用于将激光反射形成照向目标物的扫描光束的光扫描模块；用于接激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号的功率合成模块；用于控制光扫描模块的电机匀速旋转、生成激光发射驱动信号、接收单通道电信号并对单通道电信号进行采样量化的系统控制及回波处理模块。该激光轮廓扫描装置简单，利于装置的小型化和低成本设计，且能够保证旋转扫描镜的旋转角度和激光发射时刻的严格同步，保证了数据实时高精度的采集。

Description

一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置及数据采集方法

技术领域

本发明涉及激光雷达测量技术领域，具体涉及一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置及基于该装置的数据采集方法。

背景技术

激光轮廓扫描装置(也称激光雷达)自问世以来，被广泛应用于航天、军事领域，近些年随着激光技术的普及和成本的降低，激光装置的应用正快速的向民用、商用拓展，在交通信息监测、汽车辅助驾驶(如自动驾驶)、工业自动控制、区域安全监控等领域都发挥着重要作用。

激光装置作为关键的数据采集设备在交通领域中具有广阔的应用前景，其能够准确探测车辆位置、运动状态、轮廓外形，可用于车型自动分类、交通流量调查、客流密度检测、货车体积测量等系统。为了能够准确识别运动车辆、行人的状态、轮廓，激光传感器的测距频率要达到数十K次每秒，测距精度达到厘米级别，且发射的激光光束要求达到一级安全激光等级。在交通系统中，常常设置大量的数据采集点，对激光传感器的成本以及小型化也提出了严格的要求。综上，所述智能交通系统需要一种高速(每秒数十K次测距)、高精度(厘米级精度)、符合一级激光安全的小型化、低成本的激光轮廓扫描装置。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种性能高且成本低的用于数据采集的激光轮廓扫描装置和基于该装置的数据采集方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，包括用于产生激光的激光发射模块和用于接收经目标物反射回来的激光回波信号的激光接收模块，还包括用于调整激光光路以使调整后的激光到达光扫描模块的反射镜；用于将激光反射形成照向目标物的扫描光束的光扫描模块；用于接收激光基准信号和激光回波信号，并将激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号的功率合成模块；用于控制光扫描模块的电机匀速旋转、生成激光发射驱动信号、接收单通道电信号并对单通道电信号进行采样量化的系统控制及回波处理模块；所述光扫描模块还包括旋转扫描镜和码盘，所述电机、旋转扫描镜和码盘同轴连接；所述系统控制及回波处理模块分别与电机和码盘连接；所述激光基准信号为激光发射模块产生的激光经光电转换后形成的电信号，所述激光回波信号为激光接收模块接收到的激光经光电转换后形成的电信号。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述激光发射模块包括依次连接的激光驱动电路、激光二极管和光电二极管；系统控制及回波处理模块与激光驱动电路连接，激光发射模块通过光电二极管与功率合成模块连接。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述激光接收模块包括雪崩二极管和用于对信号进行放大、整形和去噪处理的信号预处理电路；激光接收模块通过信号预处理电路与功率合成模块连接。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述信号预处理电路包括前置跨阻放大器。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述系统控制及回波处理模块包括相互连接的微控制单元和数字信号处理单元；所述微控制单元分别与电机、码盘和激光发射模块连接，所述数字信号处理单元与功率合成模块连接。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述微控制单元包括FPGA芯片，所述数字信号处理单元包括单通道模数转换芯片ADC。

进一步，如上所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，所述微控制单元包括微控制器MCU，所述数字信号处理单元包括单通道模数转换芯片ADC和数字信号处理器。

一种基于所述用于数据采集的激光轮廓扫描装置的一种用于数据采集方法，包括以下步骤：

系统控制及回波处理模块通过脉冲调制信号PWM控制光扫描模块的电机匀速旋转，电机带动旋转扫描镜和码盘同轴旋转，码盘记录旋转扫描镜的旋转角度增量Δθ；

当所述旋转角度增量Δθ满足时，码盘向系统控制及回波处理模块发送脉冲信号，系统控制及回波处理模块根据所述脉冲信号生成激光发射驱动信号，驱动触发激光发射模块发射激光；

激光发射模块将激光进行光电转换得到激光基准信号，将激光基准信号发送至功率合成模块，功率合成模块接收激光基准信号，并记录激光基准信号的发射时间；

激光经反射镜和旋转扫描镜后照向目标物，激光接收模块接收经目标物反射后的激光，并将接收到的激光进行光电转换得到激光回波信号，将激光回波信号发送至功率合成模块，功率合成模块接收激光回波信号，并记录激光回波信号的回波时间；

功率合成模块将激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号并发送至系统控制及回波处理模块；

系统控制及回波处理模块将单通道信号进行采样量化后存储。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的用于数据采集的激光轮廓扫描装置及基于该装置的数据采集方法，通过光扫描模块、系统控制及回波处理模块和激光发射模块的时序控制，能够保证高速旋转的旋转扫描镜的旋转角度和激光发射时刻的严格同步，保证了数据的实时高精度的采集，采用功率合成器和单通道模数转换芯片ADC进行信号处理的方式，在不降低系统性能的条件能够有效降低成本，且整个装置的控制及数据采集存储可以均有系统控制及回波处理模块的ADC芯片和FPGA芯片来完成，有利于装置的小型化和低成本设计。

附图说明

图1为具体实施方式中一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置的结构示意图；

图2为具体实施方式中一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置的各模块的结构示意图；

图3为具体实施方式中数据采集方法的流程图；

图4为实施例中激光轮廓扫描装置的工作流程图；

图5为实施例中激光发射与激光接收的示意图；

图6为实施例中激光扫描装置的工作时序示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1示出了本发明具体实施方式中提供的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，由图中可以看出，该装置主要包括激光发射模块10、反射镜、激光接收模块20、光扫描模块30、功率合成模块40和系统控制及回波处理模块50。

其中，所述激光发射模块10用于发射激光即产生激光光源；还包括用于调整激光光路以使调整后的激光到达光扫描模块30的反射镜；光扫描模块30用于将接收到的激光反射形成照向目标物的扫描光束，扫描光速到达目标物后，经目标反射回来的激光被激光接收模块20接收；功率合成模块40用于接收激光发射模块10发送的激光基准信号和激光接收模块20发射的激光回波信号，并将激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号，将合成后的单通道电信号发送至系统控制及回波处理模块50；系统控制及回波处理模块50用于控制光扫描模块30的电机31匀速旋转、生成激光发射驱动信号、接收单通道电信号并对单通道电信号进行采样量化；其中，激光基准信号为激光发射模块10将其产生的激光经光电转换后形成的电信号，激光回波信号为激光接收模块20将其接收到激光将光电转换后形成的电信号。

由图中可以看出，系统控制及回波处理模块50分别与光扫描模块30、激光发射模块10和功率合成模块40连接，功率合成模块40分别与激光发射模块10和激光接收模块20连接。

本实施方式中，所述激光轮廓扫描装置各部分的结构示意图如图2所示，所述激光发射模块10包括依次连接的激光驱动电路11、激光二极管12和光电二极管13；系统控制及回波处理模块50与激光驱动电路11连接，激光发射模块10通过光电二极管13与功率合成模块40连接。系统控制及回波处理模块50通过向激光驱动电路11发送激光发射驱动信号实现对激光发射的控制，光电二极管13将激光转换为电信号(激光基准信号)后发送至功率合成模块40。

光扫描模块30除包括电机31外，还包括旋转扫描镜32和码盘33，所述电机31、旋转扫描镜32和码盘33同轴连接。所述系统控制及回波处理模块50分别与电机31和码盘33连接，系统控制及回波处理模块50通过脉冲调制信号PWM信号控制电机31匀速旋转，电机31带动旋转扫描镜32和码盘33旋转，码盘33用于记录旋转扫描镜32的旋转角度增量，当该旋转角度增量达到一定值(360°/码盘的分辨率)时，码盘33会向系统控制及回波处理模块50发送一脉冲信号，系统控制及回波处理模块50根据该脉冲信号生成激光发射驱动信号，驱动激光发射模块10发射激光，从而保证了旋转扫描镜32的旋转角度与激光发射时刻的严格同步。

所述激光接收模块20包括雪崩二极管21和用于对信号进行放大、整形和去噪处理的信号预处理电路22，信号预处理电路22包括前置跨阻放大器和其它信号预处理电路；激光接收模块20通过信号预处理电路22与功率合成模块40连接。雪崩二极管21用于接收目标物反射后的激光，并将激光由光信号转换为电信号(激光回波信号)后发送至信号预处理电路22，信号预处理电路22对激光回波信号进行放大去噪等处理后发送至功率合成模块40。

功率合成模块40接收激光基准信号和激光回波信号后，将激光基准信号和激光回波信号合成单通电信号后发送至系统控制及回波处理模块50。

所述系统控制及回波处理模块50包括相互连接的微控制单元51和数字信号处理单元52；所述微控制单元51分别与电机31、码盘33和激光发射模块10连接，所述数字信号处理单元52与功率合成模块40连接。微控制单元51通过向光扫描模块30的电机31发送脉冲调制信号来控制电机的匀速旋转，根据接收到的码盘33发送的脉冲信号来生成激光发射驱动信号，用来触发激光的发射；数字信号处理单元52接收功率合成模块40发送的单通道电信号，并对单通道电信号进行采样量化处理。

其中，所述系统控制及回波处理模块50的一种具体实现方式为：微控制单元51包括FPGA芯片，数字信号处理单元52包括单通道模数转换芯片ADC；另一种实现方式为：所述微控制单元51包括微控制器MCU，所述数字信号处理单元52包括单通道模数转换芯片ADC和数字信号处理器。第一种实现方式中，ADC芯片负责对激光基准信号和激光回波信号采样量化，FPGA芯片通过对光扫描模块30、激光发射模块10的时序控制来控制整个系统的运行，同时可以使用FPGA芯片内部的DSP核对数字化的激光脉冲波形进行处理，计算得到激光测距数值；第二中实现方式中，采用微控制器MCU和数字信号处理器DSP来替代FPGA，微控制器MCU通过对光扫描模块30、激光发射模块10的时序控制来控制整个系统的运行，数字信号处理器DSP对数字化的激光脉冲波形进行处理，计算得到激光测距数值。

采用本实施方式中所提供的激光轮廓扫描装置，通过系统控制及回波处理模块50对扫描模块30和激光发射模块10的时序控制，能够保证扫描模块30的旋转扫描镜31与激光发射时刻的严格同步，为数据的准确采集和处理提供了基础。

图3示出了基于本发明实施例中提供的用于数据采集的激光轮廓扫描装置的一种数据采集方法的流程图，该方法主要包括以下步骤：

系统控制及回波处理模块50通过脉冲调制信号PWM控制光扫描模块30的电机31匀速旋转，电机31带动旋转扫描镜32和码盘33同轴旋转，码盘33记录旋转扫描镜32的旋转角度增量Δθ；

当所述旋转角度增量Δθ满足时，码盘33向系统控制及回波处理模块50发送脉冲信号，系统控制及回波处理模块50根据所述脉冲信号生成激光发射驱动信号，驱动触发激光发射模块10发射激光；

激光发射模块10将激光进行光电转换得到激光基准信号，将激光基准信号发送至功率合成模块40，功率合成模块40接收激光基准信号，并记录激光基准信号的发射时间；

激光经反射镜和旋转扫描镜32后照向目标物，激光接收模块20接收经目标物反射后的激光，并将接收到的激光进行光电转换得到激光回波信号，将激光回波信号发送至功率合成模块40，功率合成模块40接收激光基准信号，并记录激光基准信号的发射时间；

功率合成模块40将经过光电转换的激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号并发送至系统控制及回波处理模块50；

系统控制及回波处理模块50将单通道信号进行采样量化后存储，完成一次数据采集。

下面结合具体实施例对本发明提供的用于数据采集的激光轮廓扫描装置进行进一步详细说明。

实施例

本实施例中基于图2中所示的激光轮廓扫描装置对采用该装置进行数据采集的过程进行进一步说明。

本实施例中，光扫描模块30的码盘33采用的是1000线的单圈绝对码盘，其有A、Z两路信号输出，见图6。A信号是角度变化信号，用于记录旋转扫描镜32的旋转角度增量，码盘33每旋转一固定角度度会生成一个脉冲方波；Z信号是单圈计数信号，码盘33每旋转一圈生成一个脉冲方波，码盘33每旋转一圈表示装置已经发射了1000个激光脉冲，完成了1000个目标物的用于测距的数据采集。

系统控制及激光回波处理模块50采用单通道ADC芯片和FPGA芯片，ADC芯片负责对激光基准信号和激光回波信号采样量化，FPGA芯片通过对光扫描模块、激光发射模块的时序控制来控制整个系统的运行，后续在数据处理时使用FPGA芯片内部的DSP核对数字化的激光脉冲波形进行处理，计算得到激光测距数值。

图4示出该装置工作的简易流程图，图5示出了激光发射和激光接收的示意图，图6示出了装置工作过程中的各部分的时序图：首先FPGA信号处理板通过PWM信号(脉冲调制)控制电机匀速旋转，电机和旋转扫描镜与码盘同轴，当扫描镜旋转的角度增量达到码盘会向FPGA信号处理板发出一个方波脉冲(见图6中所示的角度脉冲A，码盘每旋转一个角度Δθ，就会产生一个角度脉冲A，FPGA信号处理板就会根据此信号生成激光发射驱动信号(见图6中所示的激光触发脉冲，第二行激光触发时序图为第一行激光触发的放大图)，用来触发激光发射模块发射激光，激光发射的同时，发射模块中的激光二极管会产生激光发射基准脉冲，激光一方面经反射镜、旋转扫描镜(如图5所示)后照向目标物，另一方面将激光转换为激光基准信号Tstart后传送至功率合成模块接收，作为回波延时的计算基准；激光遇到目标物反射后，激光接收模块(反射后的激光经聚焦镜到达雪崩二极管)接收激光回波，对其进行放大、滤波等预处理后将其转换为激光回波信号Tstop后发送至功率合成模块；功率合成模块将激光基准信号Tstart和激光回波信号Tstop合成为单通道电信号，由单通道ADC芯片对单通道电信号进行采样量化后存储，完成一个测量点的数据采集过程，为后续目标物距离的计算提供数据。当码盘继续旋转，角度增量达到Δθ后，再次触发激光发射进行下一个待测点的数据采集。

采用本实施例中所提供的激光轮廓扫描装置，结构简单且成本较低，通过功率合成模块40将激光基准信号和激光回波信号在时域上进行叠加后再通过单通道ADC芯片进行采用，采用单通道的ADC芯片能够进一步降低成本。激光信号的扫描控制和信号的处理均采用系统控制及回波处理模块50实现，有利于装置的小型化设计。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，包括用于产生激光的激光发射模块(10)和用于接收经目标物反射回来的激光的激光接收模块(20)，其特征在于：

还包括用于调整激光光路以使调整后的激光到达光扫描模块(30)的反射镜；

用于将激光反射形成照向目标物的扫描光束的光扫描模块(30)；

用于接收激光基准信号和激光回波信号，并将激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号的功率合成模块(40)；所述激光基准信号为激光发射模块(10)产生的激光经光电转换后形成的电信号，所述激光回波信号为激光接收模块(20)接收到的激光经光电转换后形成的电信号；

用于控制光扫描模块(30)的电机(31)匀速旋转、生成激光发射驱动信号、接收单通道电信号并对单通道电信号进行采样量化的系统控制及回波处理模块(50)；

所述光扫描模块(30)还包括旋转扫描镜(32)和码盘(33)，所述电机(31)、旋转扫描镜(32)和码盘(33)同轴连接；所述系统控制及回波处理模块(50)分别与电机(31)和码盘(33)连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述激光发射模块(10)包括依次连接的激光驱动电路(11)、激光二极管(12)和光电二极管(13)；系统控制及回波处理模块(50)与激光驱动电路(11)连接，激光发射模块(10)通过光电二极管(13)与功率合成模块(40)连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述激光接收模块(20)包括雪崩二极管(21)和用于对信号进行放大、整形和去噪处理的信号预处理电路(22)；激光接收模块(20)通过信号预处理电路(22)与功率合成模块(40)连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述信号预处理电路(22)包括前置跨阻放大器。

5.根据权利要求1所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述系统控制及回波处理模块(50)包括相互连接的微控制单元(51)和数字信号处理单元(52)；所述微控制单元(51)分别与电机(31)、码盘(33)和激光发射模块(10)连接，所述数字信号处理单元(52)与功率合成模块(40)连接。

6.根据权利要求5所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述微控制单元(51)包括FPGA芯片，所述数字信号处理单元(52)包括单通道模数转换芯片ADC。

7.根据权利要求5所述的一种用于数据采集的激光轮廓扫描装置，其特征在于：所述微控制单元(51)包括微控制器MCU，所述数字信号处理单元(52)包括单通道模数转换芯片ADC和数字信号处理器。

8.基于权利要求1所述的用于数据采集的激光轮廓扫描装置的一种数据采集方法，包括以下步骤：

系统控制及回波处理模块(50)通过脉冲调制信号PWM控制光扫描模块(30)的电机(31)匀速旋转，电机(31)带动旋转扫描镜(32)和码盘(33)同轴旋转，码盘(33)记录旋转扫描镜(32)的旋转角度增量Δθ；

当所述旋转角度增量Δθ满足时，码盘(33)向系统控制及回波处理模块(50)发送脉冲信号，系统控制及回波处理模块(50)根据所述脉冲信号生成激光发射驱动信号，驱动触发激光发射模块(10)发射激光；

激光发射模块(10)将激光进行光电转换得到激光基准信号，将激光基准信号发送至功率合成模块(40)，功率合成模块(40)接收激光基准信号，并记录激光基准信号的发射时间；

激光经反射镜和旋转扫描镜(32)后照向目标物，激光接收模块(20)接收经目标物反射后的激光，并将接收到的激光进行光电转换得到激光回波信号，将激光回波信号发送至功率合成模块(40)，功率合成模块(40)接收激光回波信号，并记录激光回波信号的回波时间；

功率合成模块(40)将激光基准信号和激光回波信号在时域上合成为单通道电信号并发送至系统控制及回波处理模块(50)；

系统控制及回波处理模块(50)将单通道信号进行采样量化后存储。