CN108693537A - 一种光学相控阵扫描探测方法 - Google Patents

Abstract

一种扫描探测方法，光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光入射到光学相控阵器件上；信号处理系统控制光学相控阵器件改变红外探测光的偏转方向，出射到探测区域，遇到障碍物后，被障碍物反射；接收模块接收由被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；信号处理系统依据接收模块接转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器。本申请所涉及的光学相控阵扫描探测装置及方法：不需要精确控制光学相控阵器件对红外探测光束的偏转角度；通过面阵光电传感器来确定物体的方位角度；使得发出的探测光可以实现能量集中，增加了探测光的光强。

Description

一种光学相控阵扫描探测方法

技术领域

本申请涉及一种探测装置及探测方法，特别涉及一种基于光学相控阵的扫描探测装置及探测方法。

背景技术

3D视觉装置能够对周围环境3D图像的深度信息进行探测，在机器人、智能移动平台等领域具有广泛的应用场景。目前的3D视觉装置一种方式是使用全固态的结构，即在装置中没有任何机械旋转装置，通过对装置发射模块的探测光发散角、接收模块的接收视场角设计，来对一定距离内、一定范围内的物体进行距离探测。

3D成像激光雷达可以分为两类：扫描成像激光雷达与非扫描成像激光雷达。传统的非扫描成像激光雷达中，发射光源发出的探测光同时覆盖整个探测区域，成像速率较高，探测视场较大。而扫描成像激光雷达采用例如微转动反射镜（MEMS微镜）、液晶相控阵器件等方式来使得探测光的光束方向偏转，从而实现对探测区域的覆盖，探测视场受限于微转动反射镜、液晶相控阵器件等对光束的偏转能力。

在现有技术中，采用光学相控阵的扫描探测装置：（1）通常需要准确获知光学相控阵器件对光束的具体角度位置控制状态；（2）通常探测光源在探测区域内不同角度的探测光覆盖范围要求不能够重合，以防止造成扫描成像位置信息不准确，对探测光的出射角度以及光束准直质量要求较高；（3）在每个偏转角度需要完成对信号的接收以及数据处理之后，才进行下一个偏转角度的探测。

发明内容

本申请提供一种扫描探测方法，光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光入射到光学相控阵器件上；信号处理系统控制光学相控阵器件改变红外探测光的偏转方向，出射到探测区域，遇到障碍物后，被障碍物反射；接收模块接收由被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；信号处理系统依据接收模块接转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器；所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。

进一步地，所述面阵光电传感器为由M行N列个独立光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器，其中，M大于等于1，N大于等于1，但M和N不同时等于1。

在其中的一实施例中，所述光学相控阵器件为液晶相控阵器件，经过所述液晶相控阵器件出射的红外探测光的扫描探测范围大于或者等于接收模块的接收视场范围。

在其中的一实施例中，在光学相控阵器件每两个相邻的不同偏转角度状态中，通过光学相控阵器件出射的红外探测光在探测区域具有重叠的部分，或者不具有重叠的部分。

在其中的一实施例中，通过面阵光电传感器的其中每个光电传感器单元在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中障碍物的方位角度。

在其中的一实施例中，所述光发射模块发出红外探测光的光路上，设置有准直光学系统，所述准直光学系统将由光发射模块发射的红外探测光准直入射到光学相控阵器件上。

在其中的一实施例中，在接收模块接收到被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号后，在信号处理系统基于所述电信号进行距离计算的过程中，同时控制光学相控阵器件将红外扫描探测光偏转到下一个探测角度方向。

在其中的一实施例中，当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值低于置信值时，放弃依据该光电传感器单元所得到的距离值；当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值高于置信值时，保留依据该光电传感器单元所得到的距离值。

进一步地，同一光电传感器单元，在光学相控阵器件处于不同的偏转角度状态时，对重复得到的保留的距离值进行平均。

在其中的一实施例中，接收模块还得到被障碍物反射回的探测光的灰度数据。

采用本申请所涉及的光学相控阵扫描探测装置及方法：（1）不需要精确控制光学相控阵器件对红外探测光束的偏转角度，只需将光发射模块中发出的红外探测光偏转出射后，其扫描范围覆盖接收模块接收视场的范围；（2）由于采用面阵光电传感器，通过面阵光电传感器来确定物体（障碍物）的方位角度；（3）由于通过光学相控阵器件来进行对光束的偏转，使得发出的探测光可以实现能量集中，增加了探测光的光强，进而使得探测装置能够探测到更远处的物体（障碍物）。

附图说明

图1为具有光学相控阵器件的扫描探测装置结构示意图。

图2为接收模块中面阵光电传感器的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请所涉及的一种光学相控阵扫描探测装置的其中一实施例如图1所示，一种具有光学相控阵器件的扫描探测装置，包括光发射模块、光学相控阵器件、接收模块、信号处理系统。该光学相控阵扫描探测装置基于飞行时间法计算所述装置与环境中被测物体（即障碍物）之间的距离。其中，信号处理系统分别与光发射模块，光学相控阵器件以及接收模块相连接。

该光学相控阵扫描探测装置的探测过程为：光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光入射到光学相控阵器件上；所述光学相控阵器件在工作过程中改变红外探测光光束的偏转方向，出射到探测区域，实现对探测区域的扫描；出射到探测区域的红外探测光遇到障碍物后，被障碍物反射；接收模块接收被障碍物反射的红外探测光（回波），将光信号转换为电信号；信号处理系统依据接收模块转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离。其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器。所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。

在其中的一实施例中，所述光学相控阵器件为液晶相控阵器件。该液晶相控阵器件对光束方向偏转的控制，通过加载在液晶相控阵器件上的电压来实现，信号处理系统根据所需的光束偏转角度来进行电压的控制，从而控制液晶相控阵器件将光源发出的红外探测光光束向设定的角度进行偏转。

在其中的一实施例中，在光发射模块发出红外探测光的光路上，还设置有准直光学系统，所述准直光学系统将由光发射模块发射的红外探测光准直。所述准直光学系统为本领域常见的光学系统。

接收模块中包括有光电传感器，该传感器接收被障碍物反射回的红外探测光。所述接收模块将光转换为电信号。信号处理系统基于接收模块将光转换为的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离。接收模块还得到被障碍物反射回的探测光的灰度数据。

上述的任意一实施例中，所述光发射模块具有光源，所述光源为激光光源或者为LED光源。

上述的任意一实施例中，所述接收模块中包含光电传感器。所述光电传感器为由M行N列个独立光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器。共有M*N个测距单元。如附图2所示，光学相控阵扫描探测装置采用由M行N列个能够独立工作光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器，其中的每个光电传感器单元都能够独立工作，将被障碍物反射回的红外探测光转换为电信号，信号处理系统能够根据每个该电信号，根据飞行时间法计算得到距离信息。

由于采用了面阵光电传感器，其中的每个光电传感器单元可以单独独立工作。信号处理系统能够独立根据光电传感器单元的数据来进行距离计算。M以及N的个数可以根据具体应用设置。其中，M大于等于1，N大于等于1，但非同时等于1。

本申请所涉及的光学相控阵扫描探测装置，能够得到被测物体在水平方向上N个位置、以及得到在垂直于水平方向上的M个位置的距离信息。

为了将被障碍物反射回来的探测光成像于接收模块中的光电传感器上，在光电传感器接收红外探测光的光路上，还设置有接收光学系统。接收模块具有大的接收视场角，以对外部环境中足够大的区域进行探测。在其中的一实施例中，所述接收光学系统为成像镜头，所述成像镜头的视场角可根据探测区域的需要来选择。

在优选的实施例中，该成像镜头上镀有峰值位于850nm的红外带通滤光膜。850nm的选取依据光发射模块发出的红外探测光的发光峰值而定，只需满足该红外带通滤光膜的透过峰值位置与光发射模块的红外探测光光谱峰值位置相匹配即可。该红外带通滤光膜将环境光滤除，提高测距装置的信噪比。该带通滤光膜可由滤光片替代，直接设置于光电传感器的红外探测光接收面上。在可选的实施例中，上述滤光膜可以用滤光片代替，该滤光片设置于接收光路中，不限于设置于成像镜头或者传感器的红外探测光接收面上。

在非扫描探测装置中，需要光源发出的探测光完全覆盖接收模块的接收视场角，以完成较大探测范围的探测。但是由于光发射模块中的光源固定，要想完全覆盖接收模块的视场范围，需要设置多个光源来完成，并且光发射模块中的光源为了满足大的视场角，光源的发散角较大，牺牲了探测光的光强，例如只能在10米以内有效探测到较大的视场范围，更远的距离由于探测光的光强弱，不能有效得到有效准确的距离数据。

而本申请涉及的一种光学相控阵扫描探测装置，由于采用了光学相控阵器件来将光发射模块中光源发出的探测光光束进行偏转，来实现对较大视场范围内的物体（障碍物）进行扫描探测，即一方面将光源的光束集中，增加了探测光在单个角度上的光强，在同样的光源下，可以探测到相对于非扫描探测装置更远的探测距离。

另外，在本申请所涉及的一种光学相控阵扫描探测装置，由于采用了面阵光电传感器，因而，并不需要精确知道光学相控阵器件对红外探测光光束的精确出射角度，只要出射的扫描探测光束能够覆盖到探测区域即可。即使在每两个相邻的不同光束出射偏转角度中，允许两个角度的红外探测光探测视场范围具有重叠的部分。

该光学相控阵扫描探测装置对角度的确定方法，根据面阵光电传感器的接收视场以及面阵光电传感器中M和N的个数来确定，例如在320*240的面阵光电传感器结构中，如果接收模块的接收视场角为水平160度，垂直90度，那么每个像素所对应的视场角为水平0.5度，垂直0.375度，每个像素对应一个方位角度，即通过面阵光电传感器的其中每个像素单元（光电传感器单元）在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中物体（障碍物）的距离以及方位角度。

在本申请所涉及的光学相控阵扫描探测装置中，光学相控阵器件对红外探测光的探测方向偏转，在探测装置的工作过程中都不需要精确确定其偏转的角度，只需要光学相控阵出射的光束扫描探测覆盖范围不小于接收模块的接收视场范围，允许相邻的偏转角度中，出射到环境中的探测光有重叠的部分。

因此，采用本申请所涉及的光学相控阵扫描探测装置，相对于非扫描的探测装置：（1）不需要精确确定光学相控阵对光束的偏转角度，只需要将光发射模块中发出的探测光进行偏转，其扫描探测范围覆盖接收模块接收视场的范围；（2）由于采用面阵光电传感器，通过面阵光电传感器来确定物体（障碍物）的方位角度；（3）由于通过光学相控阵器件来将探测光进行偏转，使得发出的扫描探测光光束集中，增加了单个探测角度的探测光的光强，进而使得探测装置能够探测到更远处的物体（障碍物）。

由于本申请中所涉及的探测装置具有光学相控阵结构，以及面阵光电传感器，该探测装置具有更灵活以及有效的探测方式方法。

（一）分时工作。由于面阵光电传感器在工作过程中是先进行对被障碍物反射回的探测光的传感，即将被障碍物反射回的探测光信号转换为电信号，在此之后，信号处理系统基于上述电信号进行距离计算，并且通常，该信号处理系统的计算过程需要花费与传感过程相当长短的时间。

因而，本申请涉及一种节约时间的探测方法，即在面阵光电传感器完成传感过程后，在信号处理系统基于传感过程所得的电信号进行距离计算过程中，同时进行对光学相控阵角度偏转的控制，将红外扫描探测光光束偏转到下一个探测角度。即在上一个距离值获得过程中的数据处理时间，同时完成光学相控阵器件下一个角度的光束偏转过程，在完成上一个距离值获得过程中的数据处理之后，马上进行新的传感器对被障碍物反射回的探测光的传感过程。这样节约了探测时间，增加探测装置的扫描频率。

（二）设置置信值。如前所述，本申请所涉及的探测装置不需要精确知道在工作过程中光学相控阵偏转的每个角度数据，允许光学相控阵器件在相邻两个偏转角度的红外探测光对探测局域的覆盖具有重叠的部分，因此就涉及到如何来处理重叠部分所探测得到的距离值。其中的一种方法是设置置信值。该置信值与接收模块所接收到的被障碍物反射回的探测光的光强相关。

被光学相控阵器件偏转出射出的红外探测光，存在光斑强度不均匀的情况，例如有可能光斑中心的光强强，而在光斑边缘的光强弱。因此，接收模块收到的被反射回的探测光的光强也不同，因而可以针对光强的不同来处理数据。例如在其中的一实施例中，设置置信值为200，该200为接收模块接收到的光强数值。当接收模块中面阵光电传感器的部分像素接收到反射回的探测光的光强数值低于200，则放弃进行该像素的距离计算值。当接收模块中面阵光电传感器的部分像素接收到反射回的探测光的光强值高于数200，则保留该像素的距离计算。如果在两个不同的光学相控阵对探测光束的偏转角度处，部分像素重复接收到了可信的距离值，则进行平均后，输出真实探测距离值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种扫描探测方法，其特征在于，

光发射模块发出红外探测光，所述红外探测光入射到光学相控阵器件上；

信号处理系统控制光学相控阵器件改变红外探测光的偏转方向，出射到探测区域，遇到障碍物后，被障碍物反射；

接收模块接收由被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号；

信号处理系统依据接收模块接转换的电信号，通过飞行时间法计算扫描探测装置与障碍物之间的距离；

其中，所述接收模块中具有面阵光电传感器；所述接收模块与光发射模块采取收发分置的结构。

2.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，所述面阵光电传感器为由M行N列个独立光电传感器单元所组成的一块面阵光电传感器，其中，M大于等于1，N大于等于1，但M和N不同时等于1。

3.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，所述光学相控阵器件为液晶相控阵器件，经过所述液晶相控阵器件出射的红外探测光的扫描探测范围大于或者等于接收模块的接收视场范围。

4.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，在光学相控阵器件每两个相邻的不同偏转角度状态中，通过光学相控阵器件出射的红外探测光在探测区域具有重叠的部分，或者不具有重叠的部分。

5.根据权利要求1所述的扫描探测方法，其特征在于，通过面阵光电传感器的其中每个光电传感器单元在面阵光电传感器中所处的位置，来确定探测区域中障碍物的方位角度。

6.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，所述光发射模块发出红外探测光的光路上，设置有准直光学系统，所述准直光学系统将由光发射模块发射的红外探测光准直入射到光学相控阵器件上。

7.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，在接收模块接收到被障碍物反射的红外探测光，将光信号转换为电信号后，在信号处理系统基于所述电信号进行距离计算的过程中，同时控制光学相控阵器件将红外扫描探测光偏转到下一个探测角度方向。

8.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值低于置信值时，放弃依据该光电传感器单元所得到的距离值；当所述接收模块中光电传感单元接收到的被障碍物反射的红外探测光的光强数值高于置信值时，保留依据该光电传感器单元所得到的距离值。

9.根据权利要求8所述的扫描探测方法，其特征在于，同一光电传感器单元，在光学相控阵器件处于不同的偏转角度状态时，对重复得到的保留的距离值进行平均。

10.根据权利要求1-5之一所述的扫描探测方法，其特征在于，接收模块还得到被障碍物反射回的探测光的灰度数据。