CN106066475B - 一种三维激光雷达测距系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维激光雷达测距系统，系统从上至下依次设置有：用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部；用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构；用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部；所述激光雷达旋转部和激光雷达固定部通过所述旋转机构连接。本发明利用机械旋转扫描机构产生具有一定张角的激光，实现垂直方向上的一维扫描，利用旋转扫描机构，实现水平方向上的一维扫描，从而实现一定范围的三维扫描，实现对目标地物的方位识别。
Description
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，尤其涉及一种三维激光雷达测距系统。
背景技术
激光是一种新型光源，与普通光相比，具有很好的单色性、方向性、相干性和高亮度等特点。激光雷达是利用了激光的优良性能，集激光技术、光学技术和微弱信号探测技术于一体而发展起来的一种现代化光学探测手段。由于激光雷达具有探测灵敏度高、空间分辨率高等优点，已成为目前对大气、海洋和陆地进行高精度遥感探测的有效方法，广泛的应用。
激光雷达是以发射激光束探测目标的位置、速度等特征量的雷达系统。从工作原理上讲，与微波雷达没有根本的区别 ：向目标发射探测信号 (激光束)，然后将接收到的从目标反射回来的信号 (目标回波)与发射信号进行比较，作适当处理后，就可获得目标的有关信息，如目标距离、方位、高度、速度、姿态、甚至形状等参数，从而对飞机、导弹等目标进行探测、跟踪和识别。
目前的这两类系统通常都受到其不能容易地重新配置的缺点的影响。一旦系统已经建立，那么视野一般被固定并且仅能通过更换成像光学器件或机械扫描装置来改变。具有自动变焦的系统非常复杂并且因而昂贵。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种三维激光雷达测距系统，旨在解决现有技术中激光雷达测距系统建立后，视野一般被固定并且仅能通过更换成像光学器件或机械扫描装置来改变，具有自动变焦的激光雷达测距系统非常复杂而且成本高的缺陷。
本发明的技术方案如下：
一种三维激光雷达测距系统，其中，系统从上至下依次设置有：
用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部；
用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构；
用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部；
所述激光雷达旋转部和激光雷达固定部通过所述旋转机构连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述激光雷达旋转部上设置有用于向待测目标发射激光信号并进行光学准直的激光发射组件和发射光学组件；
用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的并进行光电转换，将转换后的激光信号发送至所述激光雷达固定部进行处理的接收光学组件和光电探测器；
所述激光发射组件、所述发射光学组件、所述接收光学组件、所述光电探测器依次连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述激光雷达固定部上设置有用于控制发射激光脉冲、对所述光电探测器输出的信号进行采集和飞行时间测量的信号处理模块；
用于驱动所述旋转机构的水平旋转扫描机构；
用于获取所述激光雷达旋转部旋转的角位置的水平旋转角位置传感器；
所述信号处理模块、所述水平旋转扫描机构、所述水平旋转角位置传感器依次连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述激光发射组件上设置有用于产生驱动激光器发出激光脉冲的电流脉冲的驱动电路；
用于发射激光束信号的激光器；
所述驱动电路驱动所述激光器发射激光脉冲。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述发射光学组件上设置有用于将所述激光器发射的激光束进行准直的发射光学透镜组；
用于改变激光束的发射角度的发射反射镜；
所述发射光学透镜组、所述发射反射镜分别与所述激光器连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述激光雷达旋转部上还设置有用于将激光器发射的激光束分成两路光束的分束器，所述分束器与所述激光器连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述接收光学组件上设置有用于将转换后的激光信号发送至所述激光雷达固定部进行处理的后继接收光学单元；
用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的望远镜。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述后继放大电路上设置有用于将激光信号转换为电信号的跨阻放大电路；
用于将电信号进行放大的及滤波的压控放大电路；
用于将电信号进行时刻鉴别的时刻鉴别电路；
用于将处理后的电信号的峰值进行保持的峰值保持电路；
所述跨阻放大电路、所述压控放大电路、所述时刻鉴别电路、所述峰值保持电路依次连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述信号处理模块上还设置有
用于对激光信号进行驱动激光驱动单元；
对激光信号进行放大的后继放大电路；
用于对后继放大电路接收的信号进行时间测量的时间测量电路；
用于对后继放大电路接收的信号进行反射强度采集的比较器；
用于对后继放大电路接收的信号进行解算的微处理器；
所述激光驱动单元、所述后继放大电路、所述时间测量电路、所述比较器、所述微处理器依次连接。
所述的三维激光雷达测距系统，其中，所述激光雷达旋转部还设置有保护上盖，所述激光雷达固定部还设置有安装底座。
本发明提供了一种三维激光雷达测距系统，本发明利用机械旋转扫描机构使激光在空间上呈扇形扫描的发射，配合时序控制，产生具有一定张角的激光，实现垂直方向上的一维扫描，利用旋转扫描机构，实现在水平方向上的一维扫描，从而实现一定范围的三维扫描，实现对实现对目标地物的方位识别。
附图说明
图1为本发明的一种三维激光雷达测距系统的较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明的一种三维激光雷达测距系统的具体应用实施例的激光雷达旋转部结构示意图。
图3为本发明的一种三维激光雷达测距系统的具体应用实施例的发射部分的光路结构示意图。
图4为本发明的一种三维激光雷达测距系统的具体应用实施例的部分控制结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种三维激光雷达测距系统的较佳实施例的流程图，如图1所示，系统从上至下依次设置有：
用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部100；用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构200；用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部300；
所述激光雷达旋转部100和激光雷达固定部300通过所述旋转机构200连接。
激光雷达旋转部包括激光发射组件，发射光学组件，接收光学组件，光电探测器，激光发射组件和发射光学组件用于向待测目标发射激光信号并进行光学准直，接收光学组件和光电探测器用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的并进行光电转换，将转换后的激光信号发送至激光雷达固定部进行处理；所述激光发射组件、所述发射光学组件、所述接收光学组件、所述光电探测器依次连接。
激光雷达固定部包括后继放大电路、信号处理模块、水平旋转扫描机构和水平旋转角位置传感器，后继放大电路用于对光电探测器发射和接收的信号进行处理，信号处理模块用于控制发射激光脉冲、对光电探测器输出的信号进行采集和飞行时间测量，水平旋转扫描机构用于驱动旋转机构，水平旋转角位置传感器用于获取激光雷达旋转部旋转的角位置，所述后继放大电路、所述信号处理模块、所述水平旋转扫描机构、所述水平旋转角位置传感器依次连接。激光雷达旋转部还设置有保护上盖，激光雷达固定部还设置有安装底座。
具体地，激光测距的工作原理为：激光发射组件发出的激光束经发射光学组件处理后，在一定视场范围内射向待测目标 ；激光束遇到待测目标后发生漫反射，其中沿原路返回的部分经接收光学组件处理后送入光电探测器并转换为电信号 ；信号处理模块测定激光束从发射到接收的时差或相移，得到距离待测目标的距离 ；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。具体地，机械旋转扫描机构使激光在空间上呈扇形扫描的发射，配合电气上的时序控制，产生具有一定张角的激光，实现垂直方向上的一维扫描，利用旋转扫描机构，实现在水平方向上的一维扫描，从而实现一定范围的三维扫描，实现对待测目标的方位识别。
进一步地实施例中，激光发射组件上设置有用于产生驱动激光器发出激光脉冲的电流脉冲的驱动电路；用于发射激光束信号的激光器；所述驱动电路驱动所述激光器发射激光脉冲。以激光器为半导体激光器为例进行介绍，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。
进一步地实施例中，如图2和图3所示，所述发射光学组件12上设置有用于将所述激光器11发射的激光束进行准直的发射光学透镜组121；用于改变激光束的发射角度的发射反射镜122；所述发射光学透镜组、所述发射反射镜分别与所述激光器11连接。发射光学透镜组121用于将激光器11发射的激光束进行准直。发射反射镜122可旋转扫描，用于改变激光束在垂直方向上的发射角度，实现垂直方向的一维的扫描。发射反射镜由反射镜旋转扫描机构驱动，并由角位置传感器测得角位置。
进一步地实施例中，激光雷达旋转部上还设置有用于将激光器发射的激光束分成两路光束的分束器123，所述分束器123与所述发射光学透镜组连接。分束器将激光分成两路光束，一路光束经上述发射光学组件发射，另一路光束，直接进入第一光电探测器221，将与经目标物体回射的光束信息进行比较，来获得目标物体的信息。
进一步地实施例中，所述接收光学组件21上设置有用于将转换后的激光信号发送至所述激光雷达固定部进行处理的后继接收光学单元；用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的望远镜；所述后续接收光学单元设置在所述望远镜的镜筒内部。抛物镜主镜上设置有通光孔。所述望远镜优选卡塞格林式望远镜。所述卡塞格林式望远镜包括抛物镜主镜和双曲面副镜，卡塞格林式望远镜的焦平面位于抛物镜主镜212和双曲面副镜211之间；所述后继接收光学单元由小孔光阑213、透镜组214、滤光片215组成，后继接收光学单元安装在卡塞格林式望远镜镜筒内部，以便减少背景光对探测信号影响及压缩激光雷达系统的长度 ；
所述抛物镜主镜设有通光孔中心线与卡塞格林式望远镜中心轴线共轴，胶合透镜安装在调整法兰上，胶合透镜的位置能够在卡塞格林式望远镜的中心轴线上前后调整 ；所述小孔光阑位于卡塞格林式望远镜的焦点上，其孔径可在 0.2mm-4mm 之间调谐 ；
激光雷达测距系统的探测光束通过安装在发射反射镜片发射到大气中，经目标物体反射的探测波长的回波信号光通过抛物镜主镜和双曲面副镜聚焦于小孔光阑中心，卡塞格林式望远镜视场内的回波信号光依次通过小孔光阑和透镜，滤光片，形成准备平行光信号光，进入第二光电探测器222。
所述后继放大电路上设置有用于将激光信号转换为电信号的跨阻放大电路；用于将电信号进行放大的及滤波的压控放大电路；用于将电信号进行时刻鉴别的时刻鉴别电路；用于将处理后的电信号的峰值进行保持的峰值保持电路；所述跨阻放大电路、所述压控放大电路、所述时刻鉴别电路、所述峰值保持电路依次连接。光电探测器采用APD光电探测器。
所述信号处理模块上还设置有用于对激光信号进行驱动激光驱动单元；对激光信号进行放大的后继放大电路；用于对后继放大电路接收的信号进行时间测量的时间测量电路；用于对后继放大电路接收的信号进行反射强度采集的比较器；用于对后继放大电路接收的信号进行解算的微处理器；所述激光驱动单元、所述后继放大电路、所述时间测量电路、所述比较器、所述微处理器依次连接。
激光脉冲驱动调制发射的激光脉冲信号。发射的激光触发计时器。经过目标物体回射的激光，完成计时。同时，对两个激光信号，进行比较，与计时器的信息一起获得距离信息。
水平旋转扫描机构包括力矩电机转子、力矩电机定子，力矩电机转子和力矩电机定子配合产生驱动力。水平旋转扫描机构包括 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，和角位置传感器配合读取角位置并进行编码转化。 扫描机构驱动电路用于驱动扫描机构，其中旋转的角位置由角位置传感器获得测量。角位置配合距离信息，就可获得实现对目标地物的方位，距离识别。
本发明的一种三维激光雷达测距系统的具体应用实施例的部分控制结构示意图，如图4所示，第一扫描机构在扫描机构驱动电路的作用下控制激光雷达旋转部水平旋转，第二扫描机构在扫描机构驱动电路的作用下控制反射镜垂直旋转，第一角位置传感器获取水平旋转的角度，第二角位置传感器获取垂直旋转的角度。
处理器控制激光脉冲驱动单元控制半导体激光器发射激光，发射的激光由第一光电探测器进行接收后，经第一后续放大电路放大后，向目标发射，第一计时器用于记录发射激光向目标发射的时间，发射的激光照射目标后生成回波激光，回波激光由第二光电探测器接收，并经第二后续放大电路放大，第二计时器记录回波激光返回的时间，处理器获取激光发射的时间和回波激光的返回的时间并计算时间差，根据光速计算出目标的距离，结合第一角位置传感器和第二角位置传感器测得的角度，从而获取待测目标的方位数据。
综上所述，本发明提供了一种三维激光雷达测距系统，系统从上至下依次设置有：用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部；用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构；用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部；所述激光雷达旋转部和激光雷达固定部通过所述旋转机构连接。本发明利用机械旋转扫描机构产生具有一定张角的激光，实现垂直方向上的一维扫描，利用旋转扫描机构，实现水平方向上的一维扫描，从而实现一定范围的三维扫描，实现对目标地物的方位识别。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，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，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 (6)
1.一种三维激光雷达测距系统，其特征在于，系统从上至下依次设置有：
用于向待测目标发射激光并接收目标反射的激光信号的激光雷达旋转部；
用于驱动所述激光雷达旋转部的旋转机构；
用于对获取的目标反射的激光信号进行处理以及驱动旋转机构的激光雷达固定部；
所述激光雷达旋转部和激光雷达固定部通过所述旋转机构连接；
所述激光雷达旋转部上设置有用于向待测目标发射激光信号并进行光学准直的激光发射组件和发射光学组件；
用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的并进行光电转换，将转换后的激光信号发送至所述激光雷达固定部进行处理的接收光学组件和光电探测器；
所述激光发射组件、所述发射光学组件、所述接收光学组件、所述光电探测器依次连接；
所述激光雷达固定部上设置有用于对所述光电探测器发射和接收的信号进行处理的后继放大电路；
用于控制发射激光脉冲、对所述光电探测器输出的信号进行采集和飞行时间测量的信号处理模块；
用于驱动所述旋转机构的水平旋转扫描机构；
用于获取所述激光雷达旋转部旋转的角位置的水平旋转角位置传感器；
所述信号处理模块、所述水平旋转扫描机构、所述水平旋转角位置传感器依次连接；
所述后继放大电路上设置有用于将激光信号转换为电信号的跨阻放大电路；
用于将电信号进行放大的及滤波的压控放大电路；
用于将电信号进行时刻鉴别的时刻鉴别电路；
用于将处理后的电信号的峰值进行保持的峰值保持电路；
所述跨阻放大电路、所述压控放大电路、所述时刻鉴别电路、所述峰值保持电路依次连接；
所述信号处理模块上还设置有
用于对激光信号进行驱动激光驱动单元；
对激光信号进行放大的后继放大电路；
用于对后继放大电路接收的信号进行时间测量的时间测量电路；
用于对后继放大电路接收的信号进行反射强度采集的比较器；
用于对后继放大电路接收的信号进行解算的微处理器；
所述激光驱动单元、所述后继放大电路、所述时间测量电路、所述比较器、所述微处理器依次连接；
第一扫描机构在扫描机构驱动电路的作用下控制激光雷达旋转部水平旋转，第二扫描机构在扫描机构驱动电路的作用下控制反射镜垂直旋转，第一角位置传感器获取水平旋转的角度，第二角位置传感器获取垂直旋转的角度；处理器控制激光脉冲驱动单元控制半导体激光器发射激光，发射的激光由第一光电探测器进行接收后，经第一后续放大电路放大后，向目标发射，第一计时器用于记录发射激光向目标发射的时间，发射的激光照射目标后生成回波激光，回波激光由第二光电探测器接收，并经第二后续放大电路放大，第二计时器记录回波激光返回的时间，处理器获取激光发射的时间和回波激光的返回的时间并计算时间差，根据光速计算出目标的距离，结合第一角位置传感器和第二角位置传感器测得的角度，从而获取待测目标的方位数据。
2.根据权利要求1所述的三维激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光发射组件上设置有用于产生驱动激光器发出激光脉冲的电流脉冲的驱动电路；
用于发射激光束信号的激光器；
所述驱动电路驱动所述激光器发射激光脉冲。
3.根据权利要求1所述的三维激光雷达测距系统，其特征在于，所述发射光学组件上设置有用于将所述激光器发射的激光束进行准直的发射光学透镜组；
用于改变激光束的发射角度的发射反射镜；
所述发射光学透镜组、所述发射反射镜分别与所述激光器连接。
4.根据权利要求2所述的三维激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光雷达旋转部上还设置有用于将激光器发射的激光束分成两路光束的分束器，所述分束器与所述激光器连接。
5.根据权利要求1所述的三维激光雷达测距系统，其特征在于，所述接收光学组件上设置有用于将转换后的激光信号发送至所述激光雷达固定部进行处理的后继接收光学单元；
用于将待测目标反射的激光信号进行聚焦的望远镜。
6.根据权利要求1所述的三维激光雷达测距系统，其特征在于，所述激光雷达旋转部还设置有保护上盖，所述激光雷达固定部还设置有安装底座。
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