CN108594205A - 一种基于线激光的激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于线激光的激光雷达。所述激光雷达包括：发射模块、接收模块、处理模块和输出模块；其中，所述发射模块，用于发射出线激光到目标物体上；所述接收模块，用于通过接收所述线激光被所述目标物体反射回来的反射光信号；将所述反射光信号发送至所述处理模块；所述处理模块，用于将接收到的所述反射光信号进行计算处理，计算得出所述目标物体的测量参数；将所述测量参数发送至所述输出模块；所述输出模块，用于将所述测量参数转换为预定格式的输出结果，将所述输出结果通过通讯接口进行输出。

Description

一种基于线激光的激光雷达

技术领域

本发明实施例涉及激光雷达技术领域，尤其涉及一种基于线激光的激光雷达。

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。其工作原理是向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的信号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。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。

现有的激光雷达主要由硬件和软件组成。其中，硬件包括：激光器和图像传感器等；软件包括：数据采集、通讯处理、三维重建和可视化等。图1为现有技术中激光雷达测距的原理图。如图1所示，现有的激光雷达包括：激光器和图像传感器。f为图像传感器中接收镜头的焦距；x为被测物体被激光照射后在图像传感器上成像点位置值；s为图像传感器和激光器之间的固定距离；β为激光器发出的射线与s平面之间的夹角；q为被测物体到s平面的距离；d为激光器与被测物体之间的距离。根据三角形相似性原理可知，q＝f*s/x，d＝q/sin(β)，则d＝f*s/(x*sin(β))，即求距离d转换为求被测物体被激光照射后在图像传感器上成像点位置值x，而该值可以由图像传感器测量时所拍摄的像素位置计算得出，这样就可以通过计算x来获取到激光器与被测物体之间的距离d。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的激光雷达发出的激光为点激光。如果激光雷达发出的激光为线激光时，则无法计算出目标物体的测量参数。因此，需要通过一定的方式来尽可能地克服这一问题，但是在现有技术中还没有一种有效的解决方式。

发明内容

本发明提供一种基于线激光的激光雷达，当激光雷达发出的激光为线激光时，可以准确计算出目标物体的测量参数。

本发明实施例提供了一种基于线激光的激光雷达，所述激光雷达包括：发射模块、接收模块、处理模块和输出模块；其中，

所述发射模块，用于发射出线激光到目标物体上；

所述接收模块，用于通过接收所述线激光被所述目标物体反射回来的反射光信号；将所述反射光信号发送至所述处理模块；

所述处理模块，用于将接收到的所述反射光信号进行计算处理，计算得出所述目标物体的测量参数；将所述测量参数发送至所述输出模块；

所述输出模块，用于将所述测量参数转换为预定格式的输出结果，将所述输出结果通过通讯接口进行输出。

在上述实施例中，所述激光雷达还包括：电源模块，用于通过低压差线性稳压器LDO将输入电压转换为目标电压，将所述目标电压发送至所述发射模块、所述接收模块、所述处理模块以及所述输出模块。

在上述实施例中，所述发射模块包括：激光二极管、准直透镜和一字衍射镜；其中，

所述激光二极管，用于向所述准直透镜发射红外光；

所述准直透镜，用于将接收到的所述红外光准直为发射角为第一预设角度的点激光，将所述点激光发送至所述一字衍射镜；

所述一字衍射镜，用于将所述点激光转换为所述线激光，将转换后的所述线激光照射到所述目标物体上。

在上述实施例中，所述一字衍射镜包括：转换单元和发射镜片；其中，

所述转换单元，用于将所述点激光在水平方向上的发散角放大至预设角度，将放大后的点激光发送至所述发射镜片；

所述发射镜片，用于将所述放大后的点激光调制为第二预设角度的线激光。

在上述实施例中，所述接收模块包括：接收镜头，滤光片和CMOS传感器；其中，

所述接收镜头，用于将所述线激光被所述目标物体反射回来的初始反射光信号进行汇聚，将汇聚后的反射光信号发送至所述滤光片；

所述滤光片，用于将所述汇聚后的发射光信号进行滤光，将滤光后的反射光信号发送至所述CMOS传感器；

所述CMOS传感器，用于将所述滤光后的反射光信号进行光学处理，将处理后的反射光信号发送至所述处理模块。

在上述实施例中，所述处理模块包括：矫正子模块和分割子模块；其中，

所述矫正子模块，用于通过畸变矫正算法对接收到的所述反射光信号进行矫正，将矫正后的反射光信号发送至所述分割子模块；

所述分割子模块，用于通过亚像素算法对所述矫正后的反射光信号进行分割，将分割后的反射光信号计算处理。

在上述实施例中，所述发射模块设置在主板上；所述接收模块设置在CMOS板上；所述主板与所述CMOS板通过排线连接。

在上述实施例中，所述发射模块通过第一固定孔固定在主板上；所述接收模块通过第二固定孔固定在CMOS板上。

在上述实施例中，所述发射模块，具体用于按照预先设置的发射频率发射出线激光到目标物体上；

所述接收模块，具体用于按照预先设置的接收频率接收所述线激光被所述目标物体反射回来的反射光信号。

在上述实施例中，所述测量参数包括：所述测量参数包括：所述目标物体与所述发射模块的距离值、所述目标物体与所述发射模块的相对角度值以及所述目标物体接收到所述线激光的强度值。

本发明实施例提供了一种基于线激光的激光雷达，发射模块发射出线激光到目标物体上；接收模块接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；处理模块将接收到的反射光信号进行计算处理，计算得出所述目标物体的测量参数；输出模块将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。而现有的激光雷达发出的激光为点激光。如果激光雷达发出的激光为线激光时，则无法计算出目标物体的测量参数。因此，和现有技术相比，本发明实施例提出的基于线激光的激光雷达，当激光雷达发出的激光为线激光时，可以准确计算出目标物体的测量参数；并且，本发明实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

附图说明

图1为本发明实施例一中基于线激光的激光雷达的第一结构示意图；

图2为本发明实施例二中基于线激光的激光雷达的第二结构示意图；

图3为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的第三结构示意图；

图4为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的光路示意图；

图5为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的第四结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1为本发明实施例一中基于线激光的激光雷达的第一结构示意图。如图1所示，基于线激光的激光雷达包括：发射模块101、接收模块102、处理模块103和输出模块104；其中，

发射模块101，用于通过衍射镜发射出线激光到目标物体上；

接收模块102，用于通过CMOS器件接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；将反射光信号发送至处理模块103；

处理模块103，用于通过FPGA将接收到的反射光信号进行计算处理103，计算得出目标物体的测量参数；将测量参数发送至输出模块104；

输出模块104，用于将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。

在本发明的具体实施例中，接收模块102通过CMOS器件接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；将反射光信号发送至处理模块103；处理模块103通过FPGA将接收到的反射光信号进行计算处理，计算得出目标物体的测量参数；将测量参数发送至输出模块104；输出模块104将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。

本发明实施例提供的基于线激光的激光雷达，发射模块发射出线激光到目标物体上；接收模块接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；处理模块将接收到的反射光信号进行计算处理，计算得出目标物体的测量参数；输出模块将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。而现有的激光雷达发出的激光为点激光。如果激光雷达发出的激光为线激光时，则无法计算出目标物体的测量参数。因此，和现有技术相比，本发明实施例提出的基于线激光的激光雷达，当激光雷达发出的激光为线激光时，可以准确计算出目标物体的测量参数；并且，本发明实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

实施例二

图2为本发明实施例二中基于线激光的激光雷达的第二结构示意图。如图2所示，基于线激光的激光雷达包括：发射模块101、接收模块102、处理模块103、输出模块104和电源模块105；其中，

发射模块101，用于通过衍射镜发射出线激光到目标物体上；

接收模块102，用于通过CMOS器件接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；将反射光信号发送至处理模块103；

处理模块103，用于通过FPGA将接收到的反射光信号进行计算处理103，计算得出目标物体的测量参数；将测量参数发送至输出模块104；

输出模块104，用于将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出；

电源模块105，用于通过LDO将输入电压转换为目标电压，将目标电压发送至发射模块101、接收模块102、处理模块103以及输出模块104。

在本发明的具体实施例中，接收模块102通过CMOS器件接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；将反射光信号发送至处理模块103；处理模块103通过FPGA将接收到的反射光信号进行计算处理103，计算得出目标物体的测量参数；将测量参数发送至输出模块104；输出模块104将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出；电源模块105通过LDO将输入电压转换为目标电压，将目标电压发送至发射模块101、接收模块102、处理模块103以及输出模块104。

具体地，在本发明的具体实施例中，基于线激光的激光雷达的工作原理是：利用柱面镜或衍射镜片发射出一定发射角的一字线激光，该激光信号照射到目标物体表面后产生反射，反射光斑经过光学透镜由图像采集处理系统接收，发射的一字线激光每个角度的激光和被物体反射后在图像传感器上形成的对应角度的成像点同样对应几何三角关系，经过信号处理模块实时解算，目标物体与雷达的距离值、相对方位角度值以及接收光强度值将从通讯接口中输出。利用上述原理可实现雷达非旋转大视场角扫描功能。本发明实施例提出的激光雷达采用USB输入接口进行数据输出和雷达工作电压输入，接收模块是由CMOS感光器件组成，发射模块是激光发射器，电源模块是由LDO组成的转换模块，把USB输入的5V直流电压稳定的转换为其他各模块工作所需要的电压，数据处理模块采用FPGA芯片进行高速处理，工作原理是依据三角法进行测距，激光源发射激光束照在目标物体，通过CMOS器件接收被测试物体反射回来的激光，通过FPGA对接收到的反射光信号进行处理，得出到被测试物体的距离，然后通过固定的数据格式输出数据。

本发明实施例提供的基于线激光的激光雷达，发射模块发射出线激光到目标物体上；接收模块接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；处理模块将接收到的反射光信号进行计算处理，计算得出所述目标物体的测量参数；输出模块将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。而现有的激光雷达发出的激光为点激光。如果激光雷达发出的激光为线激光时，则无法计算出目标物体的测量参数。因此，和现有技术相比，本发明实施例提出的基于线激光的激光雷达，当激光雷达发出的激光为线激光时，可以准确计算出目标物体的测量参数；并且，本发明实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

实施例三

图3为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的第三结构示意图。如图3所示，发射模块101包括：激光二极管1011、准直透镜1012和一字衍射镜1013；其中，

激光二极管1011，用于向准直透镜1012发射红外光；

准直透镜1012，用于将接收到的红外光准直为发射角为第一预设角度的点激光，将点激光发送至一字衍射镜1013；

一字衍射镜1013，用于将点激光转换为线激光，将转换后的线激光照射到目标物体上。

较佳地，在本发明的具体实施例中，一字衍射镜1013包括：转换单元1013a(图中未示出)和发射镜片1013b(图中未示出)；其中，

转换单元1013a，用于将所述点激光在水平方向上的发散角放大至预设角度，将放大后的点激光发送至发射镜片1013b；

发射镜片1013b，用于将放大后的点激光调制为第二预设角度的线激光。

较佳地，在本发明的具体实施例中，接收模块102包括：接收镜头1021，滤光片1022和CMOS传感器1023；其中，

接收镜头1021，用于将线激光被目标物体反射回来的初始反射光信号进行汇聚，将汇聚后的反射光信号发送至滤光片1022；

滤光片1022，用于将所述汇聚后的发射光信号进行滤光，将滤光后的反射光信号发送至所述CMOS传感器；

CMOS传感器1023，用于将滤光后的反射光信号进行光学处理，将处理后的反射光信号发送至处理模块103。

较佳地，在本发明的具体实施例中，处理模块103包括：矫正子模块1031和分割子模块1032；其中，

矫正子模块1031，用于通过畸变矫正算法对接收到的反射光信号进行矫正，将矫正后的反射光信号发送至分割子模块1032；

分割子模块1032，用于通过亚像素算法对矫正后的反射光信号进行分割，将分割后的反射光信号计算处理。

图4为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的光路示意图。如图4所示，基于线激光的激光雷达的光路包括：①激光二极管、②准直透镜、③一字衍射镜、④被测目标、⑤接收镜头、⑥滤光片、⑦CMOS传感器；其中，激光二极管发射红外光，经过准直透镜后准直为发射角为第一预设角度的点激光，再经过一字衍射镜片可将点激光水平方向发散角变大，垂直方向发散角不变，即变成一字线激光；线激光经过目标物体反射，被接收镜头将回波信号汇聚。

在现有技术中，为了实现大视场角，需要使用短焦镜头，当焦距小于10mm时，镜头都带有一定的畸变，这对测距带来了很大的误差。而且对于同样的测量范围，焦距越长，利用CMOS传感器的有效像素越多，若焦距越短，利用CMOS传感器的有效像素越少，因此要做大的视场角将牺牲一定的测距精度，为了解决此问题，本发明实施例利用畸变矫正算法对大视场镜头带来的畸变进行了矫正，另外，利用亚像素算法对CMOS传感器中的每个像素进行分割，即将现有的一个像素分割成多个像素，这样提高了像素利用个数，这样使得保证大视场测量的同时保证测量精度。

图5为本发明实施例三中基于线激光的激光雷达的第四结构示意图。如图5所示，发射模块101设置在主板上；接收模块102设置在CMOS板上；主板与CMOS板通过排线连接。具体地，发射模块101通过第一固定孔固定在主板上；接收模块102通过第二固定孔固定在CMOS板上。

在本发明的具体实施例中，发射模块101，具体用于按照预先设置的发射频率发射出线激光到目标物体上；

接收模块102，具体用于按照预先设置的接收频率接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号。

具体地，主板：发射线激光，处理CMOS接收的信号并进行畸变矫正算法计算和亚像素算法计算以及三角关系公式拟合算法，从而得到外界物体距离信息，还通过电源、通信接口：通过此接口设备可从外部获取电能，并通过通信接口传递指令和数据。CMOS板：利用CMOS板接收线激光在目标反射物上的回光信号。由于三角原理测距方法，非常依赖于发射模块与接收模块之间的位置关系，为了减小发射模块与接收模块之间的位置温度的变化，本发明实施例可以将CMOS板与主板分开，利用排线连接，将CMOS板做小做厚，保证发射模块与接收模块之间的位置关系能够在多变的环境下稳定，使得测量结果不会受影响。

具体地，在本发明的具体实施例中，测量参数可以包括：所述目标物体与所述发射模块的距离值、所述目标物体与所述发射模块的相对角度值以及所述目标物体接收到所述线激光的强度值。

本发明实施例提供的基于线激光的激光雷达，发射模块发射出线激光到目标物体上；接收模块接收线激光被目标物体反射回来的反射光信号；处理模块将接收到的反射光信号进行计算处理，计算得出目标物体的测量参数；输出模块将测量参数转换为预定格式的输出结果，将输出结果通过通讯接口进行输出。而现有的激光雷达发出的激光为点激光。如果激光雷达发出的激光为线激光时，则无法计算出目标物体的测量参数。因此，和现有技术相比，本发明实施例提出的基于线激光的激光雷达，当激光雷达发出的激光为线激光时，可以准确计算出目标物体的测量参数；并且，本发明实施例的技术方案实现简单方便、便于普及，适用范围更广。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种基于线激光的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达包括：发射模块、接收模块、处理模块和输出模块；其中，

所述发射模块，用于发射出线激光到目标物体上；

所述接收模块，用于通过接收所述线激光被所述目标物体反射回来的反射光信号；将所述反射光信号发送至所述处理模块；

所述处理模块，用于将接收到的所述反射光信号进行计算处理，计算得出所述目标物体的测量参数；将所述测量参数发送至所述输出模块；

所述输出模块，用于将所述测量参数转换为预定格式的输出结果，将所述输出结果通过通讯接口进行输出。

2.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述激光雷达还包括：电源模块，用于通过低压差线性稳压器LDO将输入电压转换为目标电压，将所述目标电压发送至所述发射模块、所述接收模块、所述处理模块以及所述输出模块。

3.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块包括：激光二极管、准直透镜和一字衍射镜；其中，

所述激光二极管，用于向所述准直透镜发射红外光；

所述准直透镜，用于将接收到的所述红外光准直为发射角为第一预设角度的点激光，将所述点激光发送至所述一字衍射镜；

所述一字衍射镜，用于将所述点激光转换为所述线激光，将转换后的所述线激光照射到所述目标物体上。

4.根据权利要求3所述的激光雷达，其特征在于，所述一字衍射镜包括：转换单元和发射镜片；其中，

所述转换单元，用于将所述点激光在水平方向上的发散角放大至预设角度，将放大后的点激光发送至所述发射镜片；

所述发射镜片，用于将所述放大后的点激光调制为第二预设角度的线激光。

5.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述接收模块包括：接收镜头，滤光片和CMOS传感器；其中，

所述接收镜头，用于将所述线激光被所述目标物体反射回来的初始反射光信号进行汇聚，将汇聚后的反射光信号发送至所述滤光片；

所述滤光片，用于将所述汇聚后的发射光信号进行滤光，将滤光后的反射光信号发送至所述CMOS传感器；

所述CMOS传感器，用于将所述滤光后的反射光信号进行光学处理，将处理后的反射光信号发送至所述处理模块。

6.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述处理模块包括：矫正子模块和分割子模块；其中，

所述矫正子模块，用于通过畸变矫正算法对接收到的所述反射光信号进行矫正，将矫正后的反射光信号发送至所述分割子模块；

所述分割子模块，用于通过亚像素算法对所述矫正后的反射光信号进行分割，将分割后的反射光信号计算处理。

7.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块设置在主板上；所述接收模块设置在CMOS板上；所述主板与所述CMOS板通过排线连接。

8.根据权利要求7所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块通过第一固定孔固定在主板上；所述接收模块通过第二固定孔固定在CMOS板上。

9.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述发射模块，具体用于按照预先设置的发射频率发射出线激光到目标物体上；

所述接收模块，具体用于按照预先设置的的接收频率接收所述线激光被所述目标物体反射回来的反射光信号。

10.根据权利要求1所述的激光雷达，其特征在于，所述测量参数包括：所述测量参数包括：所述目标物体与所述发射模块的距离值、所述目标物体与所述发射模块的相对角度值以及所述目标物体接收到所述线激光的强度值。