CN105785343A - 空间多光束激光发射装置、多通道接收装置和探测装置 - Google Patents

Abstract

一种空间多光束的激光发射装置，包括：激光发射机，用于发射多束激光；发射光学系统，用于偏转并发射所述多束激光，使多束激光对准目标。以及空间多通道激光接收装置和探测装置。上述装置可以有效提高激光雷达的点云密度。

Description

空间多光束激光发射装置、多通道接收装置和探测装置

技术领域

本发明属于激光雷达探测与信号处理领域，进一步涉及空间多通道激光探测装置，以及激光发射与激光接收装置。

背景技术

激光探测技术主要应用于三维测量，能直接获取目标的三维空间信息，进而实现空间目标的三维重建。激光探测技术在数米到数千米距离范围内，测量精度在数毫米至分米量级，可以应用于国民经济的很多领域。

如图1所示，现有技术的空间激光探测装置主要是通过激光器发射单束激光，准直后通过光学系统，经扫描机构实现出射激光的偏转到达目标，再经光学系统接收，成像在单个探测器光敏面上，光电检测和转换后实现目标的探测和测量。由于空间目标探测距离与激光飞行时间相关，远距离探测空间目标时有效激光重频受限于测量距离，显著影响激光探测空间目标的点密度。

单束激光雷达在远距离的点云密度太稀，当用于机载激光雷达时，在数千米高空工作获取的激光点间隔明显增大，已无法满足实际应用的需求。设激光重复频率为f_PRF、扫描频率为f_RSF、扫描视场为θ、飞行高度为H，扫描方向的点云间隔为：

S＝2·H·tan(θ/2)·f_RSF/f_PRF

从公式中得出，点云密度与飞行高度、扫描频率和激光重频有关。

飞行方向的点云间隔计算式为S＝v/f_RSF，v为平台移动速度，若降低扫描频率f_RSF，飞行方向点云间隔增大。因此，只能通过提高激光重复频率f_PRF来减小扫描方向激光点间隔。

假设平台高度3km，单束激光探测的理论有效激光重复频率约为：

3×10⁸/(3000×2)＝50K。

可见，有效激光重复频率限制了远距离激光点云的密度，激光重复频率提高必须与测量距离相匹配。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种空间多通道激光探测装置。

为实现上述目的，本发明提供一种空间多光束的激光发射装置，包括：

激光发射机，用于发射多束激光；

发射光学系统，用于偏转并发射所述多束激光，使多束激光对准目标。

根据本发明的一具体实施方案，所述激光发射机包括一个激光器，通过激光器光束分光发射多束激光，或者所述激光发射机包括多个激光器，同步或分时发射多束激光。

根据本发明的一具体实施方案，所述多束激光之间有固定的夹角。

根据本发明的一方面，提供一种空间多通道激光接收装置，包括：

光电探测单元，用于探测经目标反射的多束激光信号，所述光电探测单元包括与反射的多束激光信号一一对应的多个通道。

根据本发明的一具体实施方案，所述通道为一维或二维分布。

根据本发明的一方面，提供一种空间多通道激光探测装置，包括：

激光发射机，用于发射多束激光；

光电探测单元，用于探测经目标反射的所述多束激光信号，所述光电探测单元包括与反射的多束激光信号一一对应的多个通道。

根据本发明的一具体实施方案，所述光电探测单元在每个通道内设置至少一个探测器或者设置单个、多元或阵列形式的探测器。

根据本发明的一具体实施方案，多束激光与反射的多束激光信号的光路同轴或者互相平行。

根据本发明的一具体实施方案，发射光学系统，用于偏转并发射所述多束激光，使多束激光对准目标；接收光学系统，用于接收经目标反射的所述多束激光信号；

优选的，两个光学系统为同轴光路的同一光学系统。

根据本发明的一具体实施方案，所述发射光学系统和/或接收光学系统设置有扫描机构，用于改变激光束的指向；优选的所述多束激光指向与空间多通道激光探测装置的运动方向呈一定角度；优选的扫描结构为振镜扫描机构、转镜扫描机构或者双楔镜扫描机构。

通过上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)通过发射多光束以及多通道探测，可以有效提高激光点云密度，实现激光雷达点云的均匀分布；

(2)通过应用于激光雷达地理空间信息采集和获取，该发明可有效弥补单束激光雷达设备，因激光点密度不足而无法满足实际应用的需求。

附图说明

图1为现有技术的空间激光探测装置结构示意图；

图2为本发明一具体实施例的空间多通道激光探测装置结构示意图；

图3a为本发明一具体实施例的一个激光器光束分光实现多光束示意图；

图3b为本发明一具体实施例的多个激光器实现多光束示意图；

图4为本发明一具体实施例的平行光路发射和接收视场交叠计算原理图；

图5为本发明一具体实施例的多激光束二维排布示意图；

图6为本发明一具体实施例的多通道探测单元排布示意图；

图7为本发明一具体实施例的双楔镜扫描机构激光点云形成机理示意图；

图8为本发明一具体实施例的采用双楔镜扫描机构计算多通道扫描轨迹原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。下述参照附图对本发明实施例的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

根据本发明总体上的发明构思，提供一种空间多通道激光探测装置，通过多通道探测，可以有效提高激光点云密度，实现激光雷达点云的均匀分布。

以下将对探测装置的各组成部分进行详细说明。

结合图2，本实施例的空间多通道激光探测装置，包括激光发射机、发射光学系统、接收光学系统、光电探测单元和光电检测与转换五部分。激光发射机发射多束激光，经发射光学系统到达目标，目标反射信号经接收光学系统成像在探测器光敏面上，光电检测与转换实现多通道回波信号的光电检测和转换。

结合图3a和3b，本实施例的空间多通道激光探测装置，可以由一个激光器光束分光实现，也可以由多个激光器同步或分时发射实现。

结合图4，本实施例的空间多通道激光探测装置，多束激光发射与接收可以通过同轴光路实现，也可以通过平行光路实现，以单束激光发射与接收视场相交为例，平行光路的发射与接收视场相交的计算关系如下：

设激光发散角(即发射光束所呈的固定的夹角)为α，接收视场角β，发射和接收视场交叠角ω，由图中可以得到发射和接收交叠区域尺寸：

$D=Ltan\frac{\mathrm{\β}}{2}+Ltan\frac{\mathrm{\α}}{2}-d---\left(1\right)$

交叠视场表示为：

$\mathrm{\ω}\≈\frac{Ltan\frac{\mathrm{\β}}{2}+Ltan\frac{\mathrm{\α}}{2}-d}{L}---\left(2\right)$

激光雷达远距离成像，相对较小的激光发散角与接收视场角，可表示为tanβ≈β，tanα≈α，则交叠视场表示为：

$\mathrm{\ω}\≈\frac{L\frac{\mathrm{\β}}{2}+L\frac{\mathrm{\α}}{2}-d}{L}---\left(3\right)$

当L＞＞d，有

激光雷达在远距离成像时，发射和接收视场接近完全交叠。

结合图5，作为一种具体实施的示例，本实施例的空间多通道激光探测装置，多束激光可以成n×n排列，通道间视场有对应间隔角度γ，多束激光与平台运动方向成一定夹角ω，使投射的激光光斑间达到最小间距，保证扫描视场内激光点的分布和密度。另外，多束激光还可以采用1×n或m×n排列形式。

结合图6，本实施例的空间多通道激光探测装置，每个通道探测器可以是单个、多元或阵列形式，作为一种具体实施的示例，图中每个通道对应2x2探测器(例如截面为正方形的探测器边长为0.66mm，间隔为0.06mm)，每个探测器均可以接收激光到目标的反射回波信号，同时可以一定程度补偿激光像斑的视场偏移。

结合图7，本实施例的空间多通道激光探测装置，扫描机构可以是多种形式，另外，还可以用振镜、转镜扫描机构来代替双楔镜扫描机构。作为一种具体实施的示例，图7选用双楔镜扫描机构说明激光点云形成机理；当楔镜1和楔镜2相位相差180°，即楔镜1的厚边与楔镜2的薄边对应时，定义为楔镜1和楔镜2的0°相位角，随着楔镜旋转，双楔镜间的相位发生变化；初始状态为楔镜1由初始的0°相位，绕Z轴顺时针转过90°，则楔镜1的相位角为-90°，楔镜2相位角为0°，作为楔镜1和楔镜2的初始状态，当楔镜以一定转速相对运动时，可以得到一种均匀分布的多通道扫描轨迹。

结合图8，作为一种具体实施的示例，选用双楔镜扫描机构，多通道扫描轨迹可以通过多束激光入射向量和出射向量的计算模型得到。

设多束激光入射向量为楔镜1的镜面倾斜角为α₁，旋转角为κ₁，则楔镜1倾斜旋转矩阵和绕中心轴旋转矩阵分别表示为：

和

图中为入射向量进入楔镜1后的折射向量，依据折射定律可以表示为：

其中，

n₁为空气的折射率，n₂为玻璃的折射率。

由于空气夹层的两镜面平行，可知光线在经过空气夹层后方向不会改变，因此光线在楔镜1和楔镜2内的方向平行，可以看作楔镜2内光线的出射方向，即：

${\stackrel{\→}{A}}_{1i}={\stackrel{\→}{A}}_{2i}---\left(5\right)$

设楔镜2的镜面倾斜角为α₂，旋转角为κ₂，则楔镜2倾斜旋转矩阵和绕中心轴旋转矩阵分别表示为：

和

依据折射定律，光线经楔镜2的折射向量可以表示为：

其中，

n₁为空气的折射率，n₂为玻璃的折射率。

由公式(4)、(5)和(6)可以得到多通道双楔镜扫描轨迹，通过轨迹仿真可以为激光雷达探测装置的设计提供指导。

实验对比：

以机载激光雷达为例，按照“机载激光雷达数据获取技术规范(CH/T8024-2011)”点云密度要求，1∶2000比例尺数字高程模型的原始激光点云密度每平方米不少于1个点。

表1

如表1所示，为一种转镜扫描的单通道激光雷达参数与点密度关系，当飞行速度为250km/h时，要实现点云密度1dot/m²，最高飞行高度为1000m，此时激光发射频率100kHz，扫描转速1000r/min。考虑激光接收和点云精度，一般取有效扫描角度为60°，则单通道激光雷达的有效扫描幅宽为1.155km，在连续作业情况下的效率为289km²/h。

当多通道激光探测装置采用4×4的激光束时，相当于点云密度在扫描和飞行方向增加约4倍，当飞行速度为250km/h时，保证点云密度1dot/m²，可以将飞行高度抬高到4500m，此时激光发射频率为30kHz(×4束激光)，扫描转速为260r/min(×4)，同样取有效扫描角度为60°，则多通道激光雷达的有效扫描幅宽为5.196km，在连续作业情况下的效率为1299km²/h，相当于单通道激光雷达约4.5倍作业效率。

可见，本发明的空间多通道激光探测装置，在增加激光点云密度的同时，可以显著提高激光雷达的作业效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间多光束的激光发射装置，其特征在于包括：

激光发射机，用于发射多束激光；

发射光学系统，用于偏转并发射所述多束激光，使多束激光对准目标。

2.根据权利要求1所述的空间多光束的激光发射装置，其特征在于，所述激光发射机包括一个激光器，通过激光器光束分光发射多束激光，或者所述激光发射机包括多个激光器，同步或分时发射多束激光。

3.根据权利要求1所述的空间多光束的激光发射装置，其特征在于，所述多束激光之间有固定的夹角。

4.一种空间多通道激光接收装置，其特征在于包括：

光电探测单元，用于探测经目标反射的多束激光信号，所述光电探测单元包括与反射的多束激光信号一一对应的多个通道。

5.根据权利要求3所述的空间多通道激光接收装置，其特征在于，所述通道为一维或二维分布。

6.一种空间多通道激光探测装置，其特征在于包括：

激光发射机，用于发射多束激光；

光电探测单元，用于探测经目标反射的所述多束激光信号，所述光电探测单元包括与反射的多束激光信号一一对应的多个通道。

7.根据权利要求6所述的空间多通道激光探测装置，其特征在于，所述光电探测单元在每个通道内设置至少一个探测器或者设置单个、多元或阵列形式的探测器。

8.根据权利要求6所述的空间多通道激光探测装置，其特征在于，多束激光与反射的多束激光信号的光路同轴或者互相平行。

9.根据权利要求6所述的空间多通道激光探测装置，其特征在于还包括：

发射光学系统，用于偏转并发射所述多束激光，使多束激光对准目标；

接收光学系统，用于接收经目标反射的所述多束激光信号；

优选的，两个光学系统为同轴光路的同一光学系统。

10.根据权利要求9所述的空间多通道激光探测装置，其特征在于，所述发射光学系统和/或接收光学系统设置有扫描机构，用于改变激光束的指向；优选的所述多束激光指向与空间多通道激光探测装置的运动方向呈一定角度；优选的扫描结构为振镜扫描机构、转镜扫描机构或者双楔镜扫描机构。