CN108226904B - 一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法 - Google Patents

一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法，通过不断调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，使得每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点，可有效获得激光脉冲的发射时序以及与像素位置的映射关系。按照该时序发射激光脉冲时，可对目标实现稳定、均匀的扫描，克服李萨如扫描的中心疏、四周密的缺点，从而使得扫描结果更加清晰。

Description

一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法
技术领域
本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法。
背景技术
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，其成像方式有非扫描成像和扫描成像两种。
非扫描成像没有机械扫描装置，具有高帧频、宽视场、坚固、体积小等特点，是未来激光雷达的一个发展趋势。但非扫描成像要求激光器的发射功率足够大，二维接收探测器技术复杂，价格昂贵，采用图像增强电荷耦合器件(ICCD)接收的激光非扫描成像需要配合距离选通技术才能获得相应距离信息，且获得的目标距离精度较低；而采用雪崩光电二极管(APD)探测器的大面阵阵列技术受加工工艺严重制约，难以获取。
扫描成像激光雷达传统的扫描方式技术成熟，能够实现高分辨率，其中一种扫描成像方式为李萨如扫描成像方式。
《光学学报》2014年6月第34卷第6期的作者为李晓莹、梁晓伟、乔大勇等的《基于李萨如扫描的微型激光投影显示技术》，介绍了关于李萨如扫描成像过程。当一束激光照射在谐振式MEMS二维微型扫描镜上时，反射光斑会随着扫描镜在x轴和y轴两个方向上做正弦谐振运动，进而在投影区域形成李萨如图像，其扫描的轨迹图如图2所示。
采用李萨如图像扫描的轨迹与时间具有一一对应的关系，但是，该种扫描方式存在试场中心扫描速度快、试场边缘扫描速度慢的问题，势必使得扫描结果不均匀，从而使得激光测距效果不佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光雷达及其激光脉冲时序调整方法，用以解决李萨如图形扫描方式的扫描不均匀造成的激光测距效果不佳的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的一种激光脉冲时序调整方法，包括如下方法方案：
方法方案一，在采用李萨如扫描方式进行扫描时，根据被扫描图像要求的分辨率，计算图像每个像素的中心位置；
计算一个周期内的李萨如扫描点的坐标位置，并判断距离每个像素中心位置小于设定阈值的范围内是否存在至少一个李萨如扫描点：
若没有李萨如扫描点，则调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，直至每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点；
根据调整得到的相邻脉冲之间的最小时间间隔，得到激光脉冲的发射时序。
方法方案二，在方法方案一的基础上，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率和y轴谐振频率是整数，两者之比且是两个互质的整数之比。
方法方案三，在方法方案二的基础上，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率满足：
其中，fx为x轴谐振频率；fr为扫描帧频，为x轴谐振频率与y轴谐振频率的最大公约数；Ry为y方向上的分辨率。
本发明还提供了一种激光雷达，包括如下雷达方案：
雷达方案一，包括脉冲激光器、扫描微镜、接收探测器和控制处理模块；
所述脉冲激光器用于发出激光脉冲至扫描微镜；
所述扫描微镜用于将接收的激光脉冲进行反射，对目标进行李萨如图形扫描；
所述接收探测器用于接收所述目标反射或折射回来的回波，并发送至控制处理模块；
所述控制处理模块用于执行指令实现如下方法：
发射触发脉冲给激光器，使脉冲激光器发出激光脉冲；并根据所述回波，得到脉冲激光雷达与所述目标之间的距离；
其中，在采用李萨如扫描方式进行扫描时，根据被扫描图像要求的分辨率，计算图像每个像素的中心位置；
计算一个周期内的李萨如扫描点的坐标位置，并判断距离每个像素中心位置小于设定阈值的范围内是否存在至少一个李萨如扫描点：
若没有李萨如扫描点，则调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，直至每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点；
根据调整得到的相邻脉冲之间的最小时间间隔，得到激光脉冲的发射时序。
雷达方案二，在雷达方案一的基础上，所述控制处理模块包括控制模块和信号处理模块；
所述控制模块用于发射触发脉冲给脉冲激光器，并根据所述信号处理模块传送的时间差计算得到激光雷达与所述目标之间的距离；
所述信号处理模块用于根据所述回波，计算发出激光脉冲与接收回波的时间差，并将所述时间差传送给所述控制模块。
雷达方案三，在雷达方案二的基础上，所述控制模块通过驱动模块驱动所述扫描微镜对目标进行李萨如图扫描；
所述控制模块通过脉冲激光驱动电路驱动所述激光器发出激光脉冲至扫描微镜。
雷达方案四，在雷达方案二的基础上，所述控制模块为FPGA。
雷达方案五，在雷达方案一的基础上，所述脉冲激光器与扫描微镜之间的光路上设置有用于将脉冲激光器发出的激光脉冲进行准直的光束准直透镜。
雷达方案六，在雷达方案二的基础上，所述目标与接收探测器之间的光路上设置有用于收集回波的接收透镜。
雷达方案七，在雷达方案二的基础上，所述接收探测器为APD接收探测器。
雷达方案八，在雷达方案二的基础上，所述扫描微镜为双轴MOEMS扫描微镜。
雷达方案九，在雷达方案二的基础上，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率和y轴谐振频率是整数，两者之比且是两个互质的整数之比。
雷达方案十，在雷达方案九的基础上，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率满足：
其中，fx为x轴谐振频率；fr为扫描帧频，为x轴谐振频率与y轴谐振频率的最大公约数；Ry为y方向上的分辨率。
本发明的有益效果：
本发明的激光脉冲时序调整方法，是一种非等时间间隔的激光脉冲发射时序方法，通过不断调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，使得每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点，可有效获得激光脉冲的发射时序以及与像素位置的映射关系。按照该时序发射激光脉冲时，可对目标实现稳定、均匀的扫描，克服李萨如扫描的中心疏、四周密的缺点，从而使得扫描结果更加清晰，成像效果较好。
进一步地，本发明的激光雷达，利用一个双轴MOEMS扫描微镜替代传统的光机扫描机构，MOEMS扫描微镜体积小，从而有效减小了激光雷达的体积和重量；同时，利用一个单元APD探测器，以李萨如图形扫描方式实现目标成像，具有体积小、重量轻、扫描速度快、成像帧频高等优点，可克服传统扫描机构体积庞大、重量较重、扫描帧频低的缺点。
进一步地，本发明的激光雷达，采用双轴MOEMS扫描微镜，配合上述介绍的激光脉冲时序调整方法来对目标进行扫描，通过设定MOEMS扫描微镜不同的驱动频率来改变激光扫描成像雷达的分辨率和帧频，具有较大扫描视场的同时，还具有较高的分辨率和帧频。
附图说明
图1是本发明的激光雷达的机构示意图；
图2是李萨如图形扫描的轨迹图。
具体实施方式
本发明提供了一种激光雷达，该激光雷达是一种微小型激光雷达，该激光雷达的最佳实施例对应的机构示意图如图1所示，该图中实线表示电信号，虚线表示光信号。
该激光雷达包括可编程门阵列FPGA 1和信号处理模块12，这两个模块为该激光雷达的核心控制、处理单元。
其中，可编程门阵列FPGA 1用于发射触发脉冲，同时，该触发脉冲信号同时兼做激光测距的计时开始信号，将该开始信号给信号处理模块12。信号处理模块12接收目标9反射或散射回来的回波，并计算开始信号与接收回波之间的时间差，以及回波信号的强度并传送给可编程门阵列FPGA 1。可编程门阵列FPGA1可根据该时间差等数据，进行读取、计算和转换，得到激光雷达与目标之间的距离，以及目标回波信号的强度，实现激光成像。
该激光雷达还包括脉冲激光器4、MOEMS扫描微镜8、APD接收探测器11。
可编程门阵列FPGA 1控制连接脉冲激光器驱动电路3，脉冲激光器驱动电路3驱动连接脉冲激光器4。为了实现对光信号的准直，脉冲激光器的光路上设置光束准直透镜5，将经过光束准直透镜5的激光脉冲传送至MOEMS扫描微镜8。
同时，可编程门阵列FPGA 1控制连接MOEMS驱动电路7，MOEMS驱动电路7驱动连接MOEMS扫描微镜8。从而通过可编程门阵列FPGA 1来控制MOEMS扫描微镜8的角度不停变化，对目标9实现李萨如图形扫描。
为了实现对回波信号的准直，在经过目标9反射或折射后的回波的光路上设置有接收透镜10，通过接收透镜10将回波汇聚至APD接收探测器11上。
APD接收探测器与信号处理模块12通讯连接，APD探测器产生的电信号作为计时停止信号输入给信号处理模块12。
该激光雷达的工作方式如下：
可编程门阵列FPGA 1按照一定的时序向脉冲激光器驱动电路3发送触发信号2，触发脉冲激光器4发出一束窄激光脉冲，激光脉冲经光束准直透镜5准直后，经MOEMS扫描微镜8反射，对目标9进行李萨如图形扫描。
其中，触发信号同时兼作激光测距的计时开始信号输入给信号处理模块12，MOEMS扫描微镜8由可编程门阵列FPGA 1产生两路一定频率的方波信号6经MOEMS驱动电路7转换后进行控制，MOEMS扫描微镜8工作在谐振状态。目标9反射或散射回来的回波经接收透镜10汇聚到APD探测器11上，APD探测器11产生的电信号作为计时停止信号13输入给信号处理模块12。
信号处理模块12通过一定的时刻鉴别方式，计算出发射信号和回波信号之间的时间差，并将获得的时间差以及回波信号的强度传送给可编程门阵列FPGA1，可编程门阵列FPGA 1通过数据读取、计算和转换，得到激光雷达与目标之间的距离，以及目标回波信号的强度，实现激光成像。
该激光雷达使用的扫描微镜为MOEMS扫描微镜，体积(含封装)小于15mm×10mm×8mm，而且重量轻、成本低、扫描速度快、稳定性高，从而有效减小了激光雷达的体积、重量和成本，解决传统光机扫描速度慢、帧频低的问题。
在该实施例中，将对信号的控制、处理交由两个模块来实现，分别为可编程门阵列FPGA 1和信号处理模块12。当然，该部分功能模块也可通过一个控制处理模块来实现，既用来发送触发脉冲，也对接接收的回波信号进行处理，以得到激光雷达与所述目标之间的距离。
除了APD探测器，也可使用现有的其他的接收探测器对回波进行接收。
而且，利用MOEMS扫描微镜采用李萨如图形扫描方式，实现对目标稳定、无盲区的高速扫描。
其中，MOEMS扫描微镜8的x轴和y轴谐振频率fx和fy决定了激光成像雷达的扫描稳定性、扫描帧频fr以及能够达到的最大分辨率。
要实现稳定、周期性扫描，fx和fy必须为整数，且可以化为两个互质的整数之比。fx和fy的最大公约数即为扫描帧频fr，谐振频率、扫描成像雷达的帧频以及分辨率还需满足下式要求：
其中，fx为x轴谐振频率；fr为扫描帧频，为x轴谐振频率与y轴谐振频率的最大公约数；Ry为y方向上的分辨率。
为了实现一定分辨率的均匀的扫描，按照如下方法实现按照一定时序发射激光脉冲。
激光器发射激光脉冲的时序决定了激光成像雷达的扫描均匀性，相邻激光脉冲之间的最小时间间隔dt决定了激光成像雷达的最大激光脉冲飞行时间。激光脉冲发射时序及其与图像像素位置的映射关系可通过以下步骤获得：
在采用李萨如扫描方式进行扫描时，根据被扫描图像要求的分辨率，计算图像每个像素的中心位置；
计算一个周期内的李萨如扫描点的坐标位置，并判断距离每个像素中心位置小于设定阈值r的范围内是否存在至少一个李萨如扫描点：
若没有李萨如扫描点，则调整设定阈值r和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔dt，直至每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点；
根据调整得到的相邻脉冲之间的最小时间间隔，得到激光脉冲的发射时序。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.一种激光脉冲时序调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
在采用李萨如扫描方式进行扫描时，根据被扫描图像要求的分辨率，计算图像每个像素的中心位置；
计算一个周期内的李萨如扫描点的坐标位置，并判断距离每个像素中心位置小于设定阈值的范围内是否存在至少一个李萨如扫描点：
若没有李萨如扫描点，则调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，直至每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点；
根据调整得到的相邻脉冲之间的最小时间间隔，得到激光脉冲的发射时序。
2.根据权利要求1所述的激光脉冲时序调整方法，其特征在于，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率和y轴谐振频率是整数，两者之比且是两个互质的整数之比。
3.根据权利要求2所述的激光脉冲时序调整方法，其特征在于，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率满足：
其中，fx为x轴谐振频率；fr为扫描帧频，为x轴谐振频率与y轴谐振频率的最大公约数；Ry为y方向上的分辨率。
4.一种激光雷达，其特征在于，包括脉冲激光器、扫描微镜、接收探测器和控制处理模块；
所述脉冲激光器用于发出激光脉冲至扫描微镜；
所述扫描微镜用于将接收的激光脉冲进行反射，对目标进行李萨如图形扫描；
所述接收探测器用于接收所述目标反射或折射回来的回波，并发送至控制处理模块；
所述控制处理模块用于执行指令实现如下方法：
发射触发脉冲给激光器，使脉冲激光器发出激光脉冲；并根据所述回波，得到脉冲激光雷达与所述目标之间的距离；
其中，在采用李萨如扫描方式进行扫描时，根据被扫描图像要求的分辨率，计算图像每个像素的中心位置；
计算一个周期内的李萨如扫描点的坐标位置，并判断距离每个像素中心位置小于设定阈值的范围内是否存在至少一个李萨如扫描点：
若没有李萨如扫描点，则调整设定阈值和/或相邻激光脉冲之间的最小时间间隔，直至每个像素中心位置小于设定阈值的范围内存在至少一个李萨如扫描点；
根据调整得到的相邻脉冲之间的最小时间间隔，得到激光脉冲的发射时序。
5.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述控制处理模块包括控制模块和信号处理模块；
所述控制模块用于发射触发脉冲给脉冲激光器，并根据所述信号处理模块传送的时间差计算得到激光雷达与所述目标之间的距离；
所述信号处理模块用于根据所述回波，计算发出激光脉冲与接收回波的时间差，并将所述时间差传送给所述控制模块。
6.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述控制模块通过驱动模块驱动所述扫描微镜对目标进行李萨如图形 扫描；
所述控制模块通过脉冲激光驱动电路驱动所述激光器发出激光脉冲至扫描微镜。
7.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述控制模块为FPGA。
8.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述脉冲激光器与扫描微镜之间的光路上设置有用于将脉冲激光器发出的激光脉冲进行准直的光束准直透镜。
9.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述目标与接收探测器之间的光路上设置有用于收集回波的接收透镜。
10.根据权利要求5所述的激光雷达，其特征在于，所述接收探测器为APD接收探测器。
11.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述扫描微镜为双轴MOEMS扫描微镜。
12.根据权利要求4所述的激光雷达，其特征在于，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率和y轴谐振频率是整数，两者之比且是两个互质的整数之比。
13.根据权利要求12所述的激光雷达，其特征在于，所述李萨如扫描方式的x轴谐振频率满足：
其中，fx为x轴谐振频率；fr为扫描帧频，为x轴谐振频率与y轴谐振频率的最大公约数；Ry为y方向上的分辨率。
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Assignor: CHINA AIRBORNE MISSILE ACADEMY

Contract record no.: X2021980006142

Denomination of invention: A lidar and its laser pulse timing adjustment method

Granted publication date: 20190712

License type: Common License

Record date: 20210714