CN107807362A - 基于二维doe元件的激光雷达及其扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二维DOE元件的激光雷达及其扫描方法，该激光雷达包括：激光发射单元，用于发射准直脉冲光；二维DOE元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在水平和垂直方向上分成M×N束的面阵列照明光束；激光回波信号接收单元，内置面阵列信号探测器，用于接收面阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；信号处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于接收和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号。本发明采用单激光器结构，具有低成本、高灵敏度的特点。

Description

基于二维DOE元件的激光雷达及其扫描方法

技术领域

本发明是一种激光雷达及其扫描方法,特别涉及一种基于二维DOE元件的激光雷达及其扫描方法，属于激光探测技术领域。

背景技术

激光雷达(Lidar)是传统雷达与激光技术相结合的产物。以微波雷达原理为基础，将激光束作为新的探测信号，充分发挥了激光亮度高，具有良好的方向性、单色性和相干性的特点，使激光雷达具备了频率快、峰值功率高、波长范围广、体积小等技术优势。激光雷达系统结合全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)，可以快速、准确地获取测量点的高精度三维坐标数据，建立数字线划地图、数字正射影像图、数字高程模型等，在各个领域得到广泛应用，已成为当今科学研究、理论创新的热点，倍受关注。但不论是车载还是船载甚至是机载的激光雷达，其原理都是将三维激光扫描仪加上POS系统装载车上。目的就是为了能在更长，更远的范围内建立DTM模型。

目前来看，车载激光雷达领域，以老牌企业Velodyne技术最为成熟，产品种类最为丰富。此外，像国外的Waymo、Quanergy以及速腾聚创、巨星科技、镭神智能等自主品牌，也在积极布局，开发新技术、新产品，共同推动车载激光雷达进入小型化、低成本化时代。用于自主驾驶的车载激光雷达，由最早的单线测距逐渐向多线测距发展，由二维扫描向三维扫描发展，测量精度越来越高，反应时间越来越短，可靠性和稳定性也越来越高。

在先技术之一(参见“新体制成像激光雷达发展评述”倪树新，激光与红外，2006.36(Z1):732-736)，MIT Lincoln lab从2002年开始研发非扫描型3D成像激光雷达，该系统的发射机采用LD泵浦被动调Q的Nd:YAG激光器，使用APD阵列作为探测器，距离分辨率为0.15m，该系统具有很高的灵敏度，探测距离较远，能够对隐藏的军事目标成像处理。

在先技术之二(参见“大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证”刘立人，周煜，职亚楠等人，光学学报，31(9)：0900112-1-5，2011)中科院上海光机所研制出一种模拟探测距离为50km的φ300mm口径的合成孔径激光成像雷达(Synthetic ApertureLidar,SAL)演示样机。该演示样机能够在14米传输距离上实现动态二维SAL成像，测试成像分辨率值优于1.4mm(方位向)(距离向)。这是国内第一次报道大尺度SAL图像的动态输出。

在先技术之三(参见“Intergration of a Terrestrial Laser Scanner withGPS采用GPS的陆地激光扫描集成技术”，Talaya J,Alamus R and Bosch E,et al.,IMUOrientation Sensors,ISPRS 2004,July 12～23,Istanbul Turkey)利用德国SICK公司生产的LMS200系列激光测距设备实现高质量的自主驾驶，其激光雷达其为单线测距雷达，基于飞行时间的测量，运用非接触式测量原理，通过计算激光返回时间计算距离值，它可在180度的范围内以5度的间隔进行快速扫描采样，并将采样结果发送到处理器。

在先技术之四(参见“Static calibration and analysis of the VelodyneHDL-64E S2for high accuracy mobile scanning激光雷达Velodyne HDL-64E S2用于高精度移动扫描的静态标定与分析,Glennie C and Lichti D D.,Remote Sensing,2(6):1610-1624,2010”和“Feature-based self-calibration of Velodyne HDL-32E LiDARfor terrestrial mobile mapping applications用于地理移动信息成像的基于特征值的Velodyne HDL-32E激光雷达自标定技术,Chan T O and Lichti D D.,The InternationalSymposium on Mobile Mapping technology,2013”)采用64线激光雷达用于无人驾驶汽车上，进行三维实时成像和导航，自动识别信号灯和检测障碍物，其结构为非常紧凑的传感器吊舱，吊舱由64个2D线扫描仪组成。64个激光器分布在27度的垂直领域，整个27度视场360度旋转。64个激光器中每16个分成一组，一共四组，而激光探测器每姐32个，一共两组。其激光器输出波长为905纳米，具有2毫弧度的发散角。

在先技术之五(参见“Mobile laser scanning in fluvial geomorphology:mapping and change detection of point bars河流地貌中的移动激光扫描：边滩的成像与变化监测,Alho P,Vaaja Mand Kukko A,et al.,Zeitschrift Fur GeomorphologieSupplementary Issues,55(2):31-50,2011”)是英国的StreetMapper 360车载激光雷达系统，为车载激光雷达的顶级配置产品，它集成了Riegl的VQ-250型激光扫描仪，安装在车顶上，再配合两台AVT Pike F421C型高速彩色数码成像系统，可完成汽车的障碍检测和路况信息获取。该系统可快速测定道路，测距精度可达5毫米，测程近300米，单扫描仪每秒可测30万个点，测量频率将近300kHz，综合测点精度可达厘米量级。该信息采用TERRAOoffice软件进行数据预处理，使用RiWORLD进行激光数据的预处理，而数据后处理软件国际上常用芬兰的TerraSolid公司的产品。

在先技术之六，北京北科天绘2016年5月份发布的R-Fans 16线激光雷达，俯仰视场为30度，测量距离为1-100米，扫描帧频＞15Hz，激光点频＞300kHz。深圳速腾聚创在2016年10月份发布的RS-LiDAR16线激光雷达，它采用混合固态的形态，测量距离100米，精度2cm，水平360度，垂直30度(±15度)，实时出点数32万点每秒。从数据而言，甚至略优于Veledyne的16线产品。上海禾赛光电科技在2016年10月份推出的禾赛32线混合固态激光雷达，探测距离150米，测量频率640kHZ，扫描频率5-20HZ，水平视场角360度，垂直视场角-16°至14°；除此之外，深圳镭神智能公司也即将推出16线激光雷达。

上述激光雷达用于军事用途的成像扫描成本高、通用性不强，而民用的激光雷达需要复杂的扫描机构，成本同样过高，体积过大，上述技术所采用的成像方式各有不同，至今未有让人满意的低成本、紧凑型的激光扫描雷达问世。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于二维DOE元件的激光雷达及其扫描方法。本发明采用单激光器结构，具有低成本、高灵敏度的特点，解决了多激光器带来的高成本、结构臃肿的问题，在未来市场推广极具市场竞争力。

本发明的技术方案：一种基于二维DOE元件的激光雷达，该激光雷达包括：

激光发射单元，用于发射准直脉冲光；

二维DOE元件(或称为二维衍射元件)，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在水平和垂直方向上分成M×N束的面阵列照明光束；

激光回波信号接收单元，内置面阵列信号探测器，用于接收面阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；

信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；

信号处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于接收和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号。

上述的基于二维DOE元件的激光雷达中，所述的信号处理单元具体是，用于根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

前述的基于二维DOE元件的激光雷达中，所述的二维DOE元件具有不等间距、周期重复的面阵列二元相位光栅。

前述的基于二维DOE元件的激光雷达中，所述的二维DOE元件为达曼光栅。

上述的基于二维DOE元件的激光雷达的扫描方法，激光发射单元向二维DOE元件发射准直脉冲光，经过二维DOE元件后，准直脉冲光的波前位相被调制，在水平和垂直方向上分成M×N束强度相等的面阵列照明光束，照明光束照射到目标，经目标反射后被激光回波信号接收单元内部具有M×N像元的面阵列信号探测器接收，面阵列信号探测器的每个像元与面阵列照明光束一一对应，根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

上述的基于二维DOE元件的激光雷达的扫描方法中，所述的激光回波信号接收单元实现收发视场的准确匹配的方法为：

根据标量衍射理论，在正入射条件下激光经过达曼光栅后的衍射角度可以表示为：

其中，α为出射光的衍射角度，m为出射光的衍射级次，λ为入射的光波长，d为达曼光栅周期；在角度α<5°条件下，相邻两个衍射级次夹角，即垂直方向角分辨率为：水平方向同样；

为了保证发射阵列光与面阵列信号探测器的像元一一对应，根据成像关系，相邻两个照明光角度与探测器像元之间需要满足如下关系

f*Δα＝δ

其中，f为接收光学系统焦距，δ为探测器像元之间距离；

当满足上述条件时即可实现激光回波信号接收单元的收发视场自动匹配。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过激光发射单元发射准直脉冲光，在激光发射单元的发射路线上设置有二维DOE元件，二维DOE元件将激光发射单元发出的准直永冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在垂直方向上分成M×N束的面阵列照明光束，照明光速照射到目标，经目标反射后被激光回波信号接收单元内部具有M×N像元的高灵敏度面阵列信号探测器接收，面阵列信号探测器的每个像元与面阵列照明光束一一对应。通过测量准直脉冲光(即激光信号)在激光发射单元与激光回波信号接收单元之间的往返时间t，即可得到目标距离L＝c×t/2，其中c为光在空气中的传播速度，从而处理得到目标上M×N的点云图像。由于采用二维DOE元件和面阵列信号探测器的组合，单次激光脉冲发射就可实现M×N个点的距离测量，从而实现了面阵距离信息的并行获取，激光发射重复频率为N Hz时，获得目标上M×N的点云图像。

(2)所述的二维DOE元件优选具有M×N分束的二元达曼光栅元件，达曼光栅是一种具有不等间距、周期重复的二元相位光栅，既可以将单束准直脉冲光分成M×N束线面阵列照明光，还可以通过对光栅周期内的空间坐标位置和相位的设计优化，使衍射输出光具有同样的光强度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是具有25×25分束的达曼光栅；

图3是二值达曼光栅内部结构。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：基于二维DOE元件的激光雷达，如附图1所示，该激光雷达包括：

该激光雷达包括：

激光发射单元，用于发射准直脉冲光；

二维DOE元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在水平和垂直方向上分成M×N束的面阵列照明光束；

激光回波信号接收单元，内置面阵列信号探测器，用于接收面阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；

信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；

信号处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

作为优选,二维DOE元件具有M×N分束的不等间距、周期重复的面阵列二元相位光栅,优选具有M×N分束的二维DOE元件为达曼光栅。

基于上述衍射光学的激光雷达的扫描方法，激光发射单元向二维DOE元件发射准直脉冲光，经过二维DOE元件后，准直脉冲光的波前位相被调制，在水平和垂直方向上分成M×N束强度相等的面阵列照明光束，照明光束照射到目标，经目标反射后被激光回波信号接收单元内部具有M×N像元的面阵列信号探测器接收，面阵列信号探测器的每个像元与面阵列照明光束一一对应，根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

通过测量激光信号在激光发射单元与激光回波信号接收单元之间的往返时间t，即可得到目标距离L＝ct/2，其中c为光在空气中的传播速度。由于采用的是面阵列信号探测器接收，单次激光脉冲发射就可实现垂直方向上M×N个点的距离测量，从而实现了距离信息的一定空间范围内的面阵并行获取。

所述的激光发射单元中脉冲激光等强度分束技术拟采用二元达曼光栅元件实现激光等强度分束。达曼光栅是一种具有不等间距、周期重复的二元相位光栅。通过对光栅周期内的空间坐标位置和相位的设计优化，使衍射输出光具有同样的光强度，达曼光栅分束实现如下图2所示。

对于图3所示的二值达曼光栅的振幅型达曼光栅，

谱平面上的振幅分布为

光强分布如公式(4)所示，

P(m)＝|T_a(m)|² (4)

对于位相为π/2+θ和π/2-θ的位相型达曼光栅，谱平面上的振幅分布为：

T_p(0)＝[2T_a(0)-1]sinθ+icosθ，m＝0 (5)

T_p(m)＝sinθT_a(m)，m≠0 (6)

光强分布为：

P(m)＝|T_p(m)|² (7)

利用优化算法对光栅内部突变点坐标{al,bl}进行优化，使得m个衍射级次的光强相等，即可实现等强度分束。

所述的面阵信号探测器接收单元要实现收发视场的准确匹配，根据标量衍射理论，在正入射条件下激光经过达曼光栅后的衍射角度可以表示为：

其中，α为出射光的衍射角度，m为出射光的衍射级次，λ为入射的光波长，d为达曼光栅周期。在小角度近似条件下(α<5°)，相邻两个衍射级次夹角，即垂直方向角分辨率为：水平方向同样。

为了保证发射阵列光与面阵探测器像元一一对应，根据成像关系，相邻两个照明光角度与探测器像元之间需要满足如下关系

f*Δα＝δ (9)

其中，f为接收光学系统焦距，δ为探测器像元之间距离。当满足上述条件时可以实现收发视场自动匹配。

Claims (6)

1.一种基于二维DOE元件的激光雷达，其特征在于：该激光雷达包括：

激光发射单元，用于发射准直脉冲光；

二维DOE元件，设置在激光发射单元的发射端，用于将激光发射单元发出的准直脉冲光的波前位相进行调制，将准直脉冲光在水平和垂直方向上分成M×N束的面阵列照明光束；

激光回波信号接收单元，内置面阵列信号探测器，用于接收面阵列照明光束照射目标后反射的激光信号；

信号控制单元，与激光发射单元和激光回波信号接收单元相连，用于控制激光发射单元和激光回波信号接收单元；

信号处理单元，与激光回波信号接收单元相连，用于接收和处理激光回波信号接收单元接收到的激光信号。

2.根据权利要求1所述的基于二维DOE元件的激光雷达，其特征在于：所述的信号处理单元具体是，用于根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

3.根据权利要求1所述的基于二维DOE元件的激光雷达，其特征在于：所述的二维DOE元件具有不等间距、周期重复的面阵列二元相位光栅。

4.根据权利要求2所述的基于二维DOE元件的激光雷达，其特征在于：所述的二维DOE元件为达曼光栅。

5.根据权利要求1-4所述的基于二维DOE元件的激光雷达的扫描方法，其特征在于：激光发射单元向二维DOE元件发射准直脉冲光，经过二维DOE元件后，准直脉冲光的波前位相被调制，在水平和垂直方向上分成M×N束强度相等的面阵列照明光束，照明光束照射到目标，经目标反射后被激光回波信号接收单元内部具有M×N像元的面阵列信号探测器接收，面阵列信号探测器的每个像元与面阵列照明光束一一对应，根据激光信号从激光发射单元到激光回波信号接收单元的往返时间，计算出激光发射单元与被测目标之间M×N的距离，从而处理得到目标上M×N的点云图像。

6.根据权利要求5所述的基于二维DOE元件的激光雷达的扫描方法，其特征在于：所述的激光回波信号接收单元实现收发视场的准确匹配的方法为：

根据标量衍射理论，在正入射条件下激光经过达曼光栅后的衍射角度可以表示为：

<mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>

其中，α为出射光的衍射角度，m为出射光的衍射级次，λ为入射的光波长，d为达曼光栅周期；在角度α<5°条件下，相邻两个衍射级次夹角，即垂直方向角分辨率为：水平方向同样；

为了保证发射阵列光与面阵列信号探测器的像元一一对应，根据成像关系，相邻两个照明光角度与探测器像元之间需要满足如下关系

f*Δα＝δ

<mrow> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;delta;</mi> <mi>d</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> </mrow>

其中，f为接收光学系统焦距，δ为探测器像元之间距离；

当满足上述条件时即可实现激光回波信号接收单元的收发视场自动匹配。