CN110794419B - 一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法，利用激光雷达高精度低空探测以及全天时工作能力，弥补了高速隧道内部能见度低、路面异物复杂多样等复杂环境的影响，激光雷达单元沿隧道顶部导轨的直线运动实现了对路面的纵向扫描，激光雷达单元中单轴MEMS微镜进行谐振运动实现了对路面的横向扫描，两者结合实现了对高速隧道路面的Z字形无死区扫描，并通过合理设计单轴MEMS微镜扫描角度及谐振频率、APD线列探测器的像元数、激光光斑束散角、激光脉冲信号发射时序等参数，实现对高速隧道路面目标的距离成像和灰度成像，从而实现对高速隧道路面异物的实时、有效检测。

Description

一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法
技术领域
本发明涉及激光雷达技术领域，尤其是涉及一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法。
背景技术
近年来，我国高速公路隧道建设得到飞速发展，公路隧道总长持续高速增长，平均年增速度超过24％，已然成为交通车辆通行的关键路段。而隧道作为高速公路上的特殊结构物，具有环境信息复杂的特点，当隧道路面存在落石、过往汽车抛撒物等异物时，绝大多数驾驶员因为隧道内部能见度低、视野狭窄、出入口处黑洞和白洞效应等交通特点，驾驶员来不及提前采取有效措施避开这些异物，当车辆轮胎高速驶过异物时，极易导致车辆失控；驾驶员或是往往会不经意地采取强制性紧急制动措施或紧急变道措施，紧急制动会引发车辆甩尾和侧翻，而紧急变道则容易导致车辆失控，从而造成惨重的人员伤亡和重大的财产损失，因此高速隧道路面异物的存在，大大降低了高速隧道路面的行车安全系数，对行驶车辆形成路面障碍，极大地增加了其发生交通事故的可能性。
目前我国已经建立了一定规模的高速公路隧道基础设施和隧道监控系统，如测速设备、烟雾报警器、通风设备、喷淋设备、能见度检测仪、高清摄像机等。这些基础设施设备能对隧道交通信息进行采集、记录、传输、统计等，但不能对隧道路面异物进行自动检测；新兴的AI视频具有自动检测的能力，但其主要用于车辆轨迹追踪，而且由于隧道存在光线不足、环境昏暗、过往车辆灯光干扰、空气漂浮粉尘过多等不良因素，AI视频回传画面较为模糊，难以对隧道路面影响车辆通行的异物进行实时而有效的检测。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明结合高速隧道特点，公开了一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法，能对隧道内影响车辆高速通行的异物进行快速、准确地检测，并对外给出预警信息，提醒高速公路运营管理单位对隧道内异物采取及时、有效的排故措施，降低隧道交通事故的发生。
为实现上述目的，本发明采样如下技术方案：
一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统，包括导轨伺服运动单元和激光雷达单元；所述导轨伺服运动单元包括沿隧道顶部纵向安装的导轨、滚珠丝杠和伺服电机；所述激光雷达单元安装在导轨伺服运动单元导轨上，并在伺服电机带动下沿导轨移动；
所述激光雷达单元包括现场可编程门阵列FPGA、LD脉冲激光器驱动电路、LD脉冲激光器、光束整形透镜、分光器件、PIN光电二极管、单轴MEMS微镜、接收透镜、APD线列探测器、信号处理电路、时刻鉴别电路、单轴MEMS微镜驱动电路；
所述FPGA的一输出端与LD脉冲激光器驱动电路相连，LD脉冲激光器驱动电路与LD脉冲激光器输入端相连，LD脉冲激光器发射激光脉冲信号至分光器件；分光器件用于将接入的激光脉冲信号分成两路，一路信号接入PIN光电二极管，PIN光电二极管与时刻鉴别电路相连，以确定激光脉冲的飞行起始时刻，另一路信号经光束整形透镜、单轴MEMS微镜向高速公路隧道路面反射，产生激光脉冲回波信号；
所述FPGA的另一输出端与单轴MEMS微镜驱动电路相连，单轴MEMS微镜驱动电路与单轴MEMS微镜相连，以驱动其进行沿高速公路隧道路面横向方向的谐振运动；
所述高速公路隧道路面反射产生的激光脉冲回波信号经接收透镜接入APD线列探测器，以确定激光脉冲飞行停止时刻信号和激光回波信号幅值，APD线列探测器与信号处理电路相连，信号处理电路分别与时刻鉴别电路和FPGA的输入端相连，时刻鉴别电路的输出端与FPGA的输入端相连。
优选的，所述导轨伺服运动单元的导轨安装于隧道顶部的一侧。
本发明还提供一种用于高速公路隧道路面异物检测的方法，包括以下六个步骤
S1.导轨伺服运动单元按照一定的给进速度驱动激光雷达单元沿导轨匀速运动。
S2.激光雷达单元的FPGA根据系统单轴MEMS微镜的扫描角度及扫描速度、光束整形透镜产生的条状激光光斑长度、激光雷达单元沿导轨方向的运动速度之间的关系，生成触发脉冲和与触发脉冲同时序的控制信号。
S3.FPGA控制单轴MEMS微镜，使其反射的激光脉冲信号对高速公路隧道路面进行谐振扫描，同时记录激光脉冲飞行起始时刻信号。
S4.FPGA获取激光脉冲飞行停止时刻信号、激光脉冲回波信号幅值以及激光脉冲发射信号和回波信号的时间差序列。
S5.FPGA对激光扫描区域实现激光距离成像和灰度成像，并根据图像各像素的距离信息及灰度信息，判断相应高速公路隧道路面区间内是否存在异物。
S6.FPGA判断是否到达导轨终点，若未达到终点，则重复步骤S2-S3；若达到轨道终点，则本次检测结束，导轨伺服运动单元停止运动，激光雷达单元停止工作。
优选的，所述单轴MEMS微镜扫描角度及谐振频率、APD线列探测器像元数、条状激光光斑窄边方向的束散角及激光雷达单元运动速度参数设计如下：
a.单轴MEMS微镜扫描角度由下式确定：
其中，L为高速公路隧道路面宽度，H为导轨安装高度；
b.APD线列探测器的像元数，由下式确定：
其中，M1为沿隧道纵向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度，θ1
为条状激光光斑长边方向的束散角；
c.条状激光光斑窄边方向的束散角，由下式确定：
其中，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度；
d.单轴MEMS微镜的谐振频率f应满足下式要求：
其中，L为高速公路隧道路面15宽度，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，T为线列图像的处理时间；
e.激光雷达单元运动速度，由下式确定：
其中，θ1为条状激光光斑长边方向的束散角，F为图像帧频，H为导轨安装高度。
优选的，所述LD脉冲激光器的激光脉冲发射时序中相邻脉冲之间的最小时间间隔dt应满足下式要求：
其中t1为单个激光脉冲飞行时间，V为光速，H为导轨安装高度，t2为单个激光脉冲回波信号处理时间，t3为LD脉冲激光器驱动电路4的驱动恢复时间。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明提供的一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统及方法，利用激光雷达高精度低空探测以及全天时工作能力，弥补了高速隧道内部能见度低、路面异物复杂多样等复杂环境的影响；激光雷达单元沿隧道顶部导轨的直线运动实现了对路面的纵向扫描，激光雷达单元中单轴MEMS微镜进行谐振运动实现了对路面的横向扫描，两者结合实现了对高速隧道路面的Z字形无死区扫描；并通过合理设计单轴MEMS微镜扫描角度及谐振频率、APD线列探测器的像元数、激光光斑束散角、激光脉冲信号发射时序等参数，实现了对高速隧道全路面的距离及灰度成像，具有体积小、重量轻、精度高、成像帧频快等优点，能对高速公路隧道路面异物进行全天时的有效检测，从而填补了高速公路隧道路面异物检测的空白，提高了高速隧道运营的安全性。
附图说明
图1为本发明系统组成示意图；
图2为本发明系统结构原理示意图；
图3为本发明检测方法流程图。
图中：1、导轨伺服运动单元；2、激光雷达单元；3、FPGA；4、LD脉冲激光器；5、LD脉冲激光器驱动电路；6、光束整形透镜；7、分光器件；8、PIN光电二极管；9、单轴MEMS微镜；10、接收透镜；11、APD线列探测器；12、信号处理电路；13、时刻鉴别电路；14、单轴MEMS微镜驱动电路；15、高速公路隧道路面。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进，本发明并不局限于下面的实施例。
如图1-2所示，一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统包括导轨伺服运动单元1和激光雷达单元2。
导轨伺服运动单元1用于辅助激光雷达单元2沿隧道纵向方向移动，包括沿隧道纵向方向安装的导轨、滚珠丝杠和伺服电机；激光雷达单元2设置于导轨伺服运动单元1导轨上，激光雷达单元2在伺服电机带动下沿导轨移动，可实现对高速隧道路面15的纵向扫描，如图1所示；导轨安装在隧道顶部的一侧，从而降低了对激光雷达单元2中单轴MEMS微镜9扫描角度的要求。
激光雷达单元2用于对高速隧道路面15上激光扫描区域的距离成像和灰度成像，并根据图像各像素的距离信息及灰度信息，判断相应的像素内是否存在异物，如图2所示，包括现场可编程门阵列FPGA3、LD脉冲激光器驱动电路4、LD脉冲激光器5、光束整形透镜6、分光器件7、PIN光电二极管8、单轴MEMS微镜9、接收透镜10、APD线列探测器11、信号处理电路12、时刻鉴别电路13、单轴MEMS微镜驱动电路14。
现场可编程门阵列FPGA3的一输出端与LD脉冲激光器驱动电路4相连，LD脉冲激光器驱动电路4与LD脉冲激光器5输入端相连，LD脉冲激光器5发射激光脉冲信号至分光器件7；现场可编程门阵列FPGA3用于实现高精度激光脉冲发射时序控制，LD脉冲激光器5在FPGA3时序控制下发方形激光脉冲束。
分光器件7将接入的方形激光脉冲信号分成两路激光脉冲信号，一路激光脉冲信号接入光束整形透镜6，用于进行高速公路隧道路面15目标扫描；另一路激光脉冲信号接入PIN光电二极管8。
PIN光电二极管8与时刻鉴别电路13相连，PIN光电二极管8根据接入的激光脉冲信号确定激光脉冲的飞行起始时刻，并将其发送给时刻鉴别电路13。
光束整形透镜6接入激光脉冲信号后，向单轴MEMS微镜9发射出满足束散角要求的条状激光光斑信号，并经单轴MEMS微镜9向高速公路隧道路面15反射，实现对高速公路隧道路面15相应的横向矩形区域的激光照射；利用单轴MEMS微镜9实现对条状激光光斑信号的反射扫描，能获得更大的反射光斑与扫描角度。
FPGA3的另一输出端与单轴MEMS微镜驱动电路14相连，单轴MEMS微镜驱动电路14与单轴MEMS微镜9相连；FPGA3向单轴MEMS微镜驱动电路14发送与LD脉冲激光器5触发脉冲同时序的控制信号，以驱动单轴MEMS微镜9以同时序沿高速隧道路面15横向方向进行谐振运动，从而使其反射的条状激光光斑信号实现对高速隧道路面15的横向扫描；激光雷达系统同时对高速隧道路面15进行纵向扫描和横向扫描，两种扫描运动的合成，最终实现了激光雷达系统对高速隧道路面15的Z字形无死区扫描。
高速公路隧道路面15由于目标散射产生激光回波信号，激光回波信号经接收透镜10接入到APD线列探测器11，APD线列探测器11与信号处理电路12相连，信号处理电路12分别与时刻鉴别电路13和FPGA3的输入端相连，时刻鉴别电路13的输出端与FPGA3的输入端相连；利用APD线列探测器11对激光脉冲照射区域进行线列成像，可提高成像分辨率，APD线列探测器11产生的电信号经信号处理电路12处理后，生成激光脉冲飞行停止时刻信号发送至时刻鉴别电路13，同时生成激光脉冲回波信号幅值送给FPGA3；时刻鉴别电路13通过一定的时刻鉴别方式，计算出激光脉冲发射和相应激光脉冲回波信号之间的时间差，并将获得的时间差序列传送给FPGA3。
FPGA3根据激光脉冲发射时序、激光脉冲发射与接收时间差序列、激光脉冲与单轴MEMS微镜9扫描像素位置的映射关系以及相应的激光脉冲回波信号幅值，对激光脉冲信号扫描区域的目标实现激光距离成像和灰度成像，并根据图像各像素的距离信息及灰度信息，判断相应的所高速公路隧道路面15区间内是否存在异物。
本发明提出的一种用于高速公路隧道路面异物检测的方法，如图3所示，包括以下六步。
S1.导轨伺服运动单元1按照一定的给进速度驱动激光雷达单元2沿导轨匀速运动。
S2.激光雷达单元2的FPGA3根据系统单轴MEMS微镜9的扫描角度及扫描速度、光束整形透镜6产生的条状激光光斑长度、激光雷达单元2沿导轨方向的运动速度之间的关系，生成触发脉冲和与触发脉冲同时序的控制信号。
S3.FPGA3控制单轴MEMS微镜9，使其反射的激光脉冲信号对高速公路隧道路面15进行谐振扫描，同时记录激光脉冲飞行起始时刻信号。
LD脉冲激光器驱动电路4根据FPGA3发送的触发脉冲，触发LD脉冲激光器5发出方形激光脉冲信号，经分光器件7分光后，一路激光接入整形透镜6形成条状激光光斑，并由单轴MEMS微镜9向高速公路隧道路面15反射，另一路激光接入PIN光电二极管8，生成激光脉冲飞行起始时刻信号，并传送至时刻鉴别电路13；同时，单轴MEMS微镜驱动电路14接收与触发脉冲同时序的控制信号，并驱动单轴MEMS微镜9，使其反射的条状激光光斑信号对高速公路隧道路面15进行横向方向的谐振扫描
S4.FPGA3获取激光脉冲飞行停止时刻信号、激光脉冲回波信号幅值以及激光脉冲发射信号和回波信号的时间差序列。
APD线列探测器11根据激光回波信号产生的电信号经信号处理电路12处理后，生成激光脉冲飞行停止时刻信号发送至时刻鉴别电路13，同时生成激光脉冲回波信号幅值送给FPGA3；时刻鉴别电路13根据激光脉冲飞行停止时刻信号，生成激光脉冲发射信号和回波信号时间差序列传送给FPGA3。
S5.FPGA3对激光扫描区域的目标实现激光距离成像和灰度成像，并根据图像各像素的距离信息及灰度信息，判断相应的路面区间内是否存在异物；若FPGA3判断存在异物，可记录异物位置并对外给出预警信息。
S6.FPGA3判断是否到达导轨终点，若未达到终点，则重复步骤S2-S3；若达到终点，则本次检测结束，导轨伺服运动单元1停止运动，激光雷达单元2停止工作。
在利用本发明所述激光雷达系统对高速公路隧道路面15异物进行检测时，需要对激光雷达系统的单轴MEMS微镜9扫描角度及谐振频率、APD线列探测器11像元数、条状激光光斑窄边方向的束散角、激光脉冲信号发射时序以及激光雷达单元2运动速度等参数进行合理设计，方能满足高速公路隧道路面15异物检测要求，各参数设计如下：
a.单轴MEMS微镜9扫描角度由下式确定：
其中，L为高速公路隧道路面15宽度，H为导轨安装高度。
b.APD线列探测器11的像元数，由下式确定：
其中，M1为沿隧道纵向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度，θ1为条状激光光斑长边方向的束散角。
c.条状激光光斑窄边方向的束散角，由下式确定：
其中，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度。
d.单轴MEMS微镜9的谐振频率f应满足下式要求：
其中，L为高速公路隧道路面15宽度，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，T为线列图像的处理时间。
e.激光雷达单元2运动速度，由下式确定：
其中，θ1为条状激光光斑长边方向的束散角，F为图像帧频，H为导轨安装高度。
此外，LD脉冲激光器5的激光脉冲发射时序中相邻脉冲之间的最小时间间隔dt应满足下式要求：
其中t1为单个激光脉冲飞行时间，V为光速，H为导轨安装高度，t2为单个激光脉冲回波信号处理时间，t3为LD脉冲激光器驱动电路4的驱动恢复时间。
通过适当设置相邻脉冲纸件的最小时间间隔dt的大小，从而避免发射激光脉冲与接收激光脉冲回波产生重叠，导致成像误差，同时保证LD脉冲激光器的输出功率不下降。
举例具体说明，若对于隧道高度为5m、高速隧道路面宽度为10m、长度为300m的高速公路隧道，导轨安装于隧道顶部一侧，安装高度为4.2m，根据公式Ⅰ计算，单轴MEMS微镜9的扫描角度需大于68°；当条状激光光斑长边方向束散角为10°时，若要求满足图像分辨率5cm×5cm，根据公式Ⅱ计算得到APD线列探测器9的像元数需大于14，根据公式Ⅲ计算得到整形透镜6对条状激光光斑窄边方向束散角设计值需为0.72°；若要求图像帧频满足20Hz，根据公式Ⅳ计算得到单轴MEMS微镜9的谐振频率需大于400Hz；由于LD脉冲激光器驱动电路4的驱动恢复时间设计为5μs，大于单个激光脉冲回波信号处理时间及单个激光脉冲飞行时间，则根据公式Ⅵ计算得到LD脉冲激光器5发射的相邻激光脉冲之间的最小时间间隔需大于5μs，根据公式Ⅴ计算得到激光雷达单元2的运动速度为7.3m/s，则激光雷达系统每41s完成一次对整个高速公路隧道路面15的异物检测。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (5)

1.一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统，其特征是：包括导轨伺服运动单元(1)和激光雷达单元(2)；所述导轨伺服运动单元(1)包括沿隧道顶部纵向安装的导轨、滚珠丝杠和伺服电机；所述激光雷达单元(2)安装在导轨伺服运动单元(1)导轨上，并在伺服电机带动下沿导轨移动；所述激光雷达单元(2)包括现场可编程门阵列FPGA(3)、LD脉冲激光器驱动电路(4)、LD脉冲激光器(5)、光束整形透镜(6)、分光器件(7)、PIN光电二极管(8)、单轴MEMS微镜(9)、接收透镜(10)、APD线列探测器(11)、信号处理电路(12)、时刻鉴别电路(13)、单轴MEMS微镜驱动电路(14)；
所述FPGA(3)的一输出端与LD脉冲激光器驱动电路(4)相连，LD脉冲激光器驱动电路(4)与LD脉冲激光器(5)输入端相连，LD脉冲激光器(5)发射激光脉冲信号至分光器件(7)；分光器件(7)用于将接入的激光脉冲信号分成两路，一路信号接入PIN光电二极管(8)，PIN光电二极管(8)与时刻鉴别电路(13)相连，以确定激光脉冲的飞行起始时刻，另一路信号经光束整形透镜(6)、单轴MEMS微镜(9)向高速公路隧道路面(15)反射，产生激光脉冲回波信号；
所述FPGA(3)的另一输出端与单轴MEMS微镜驱动电路(14)相连，单轴MEMS微镜驱动电路(14)与单轴MEMS微镜(9)相连，以驱动其进行沿高速公路隧道路面(15)横向方向的谐振运动；
所述高速公路隧道路面(15)反射产生的激光脉冲回波信号经接收透镜(10)接入APD线列探测器(11)，以确定激光脉冲飞行停止时刻信号和激光回波信号幅值，APD线列探测器(11)与信号处理电路(12)相连，信号处理电路(12)分别与时刻鉴别电路(13)和FPGA(3)的输入端相连，时刻鉴别电路(13)的输出端与FPGA(3)的输入端相连。
2.如权利要求1所述的一种用于高速公路隧道路面异物检测的激光雷达系统，其特征是：所述导轨伺服运动单元(1)的导轨安装于隧道顶部的一侧。
3.如权利要求1-2任一项所述的一种用于高速公路隧道路面异物检测的方法，其特征是：包括以下六个步骤
S1.导轨伺服运动单元(1)按照一定的给进速度驱动激光雷达单元(2)沿导轨匀速运动；
S2.激光雷达单元(2)的FPGA(3)根据系统单轴MEMS微镜(9)的扫描角度及扫描速度、光束整形透镜(6)产生的条状激光光斑长度、激光雷达单元(2)沿导轨方向的运动速度之间的关系，生成触发脉冲和与触发脉冲同时序的控制信号；
S3.FPGA(3)控制单轴MEMS微镜(9)，使其反射的激光脉冲信号对高速公路隧道路面(15)进行谐振扫描，同时记录激光脉冲飞行起始时刻信号；
S4.FPGA(3)获取激光脉冲飞行停止时刻信号、激光脉冲回波信号幅值以及激光脉冲发射信号和回波信号的时间差序列；
S5.FPGA(3)对激光扫描区域实现激光距离成像和灰度成像，并根据图像各像素的距离信息及灰度信息，判断相应高速公路隧道路面(15)区间内是否存在异物；
S6.FPGA(3)判断是否到达导轨终点，若未达到终点，则重复步骤S2-S3；若达到轨道终点，则本次检测结束，导轨伺服运动单元(1)停止运动，激光雷达单元(2)停止工作。
4.如权利要求3所述的一种用于高速公路隧道路面异物检测的方法，其特征是：所述单轴MEMS微镜(9)扫描角度及谐振频率、APD线列探测器(11)像元数、条状激光光斑窄边方向的束散角及激光雷达单元(2)运动速度参数设计如下：
a.单轴MEMS微镜(9)扫描角度由下式确定：
其中，L为高速公路隧道路面(15)宽度，H为导轨安装高度；
b.APD线列探测器(11)的像元数，由下式确定：
其中，M1为沿隧道纵向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度，θ1为条状激光光斑长边方向的束散角；
c.条状激光光斑窄边方向的束散角，由下式确定：
其中，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，H为导轨安装高度；
d.单轴MEMS微镜(9)的谐振频率f应满足下式要求：
其中，L为高速公路隧道路面(15)宽度，M2为沿隧道横向方向的图像分辨率要求，T为线列图像的处理时间；
e.激光雷达单元(2)运动速度，由下式确定：
其中，θ1为条状激光光斑长边方向的束散角，F为图像帧频，H为导轨安装高度。
5.如权利要求3所述的一种用于高速公路隧道路面异物检测的方法，其特征是：所述LD脉冲激光器(5)的激光脉冲发射时序中相邻脉冲之间的最小时间间隔dt应满足下式要求：
其中t1为单个激光脉冲飞行时间，V为光速，H为导轨安装高度，t2为单个激光脉冲回波信号处理时间，t3为LD脉冲激光器驱动电路(4)的驱动恢复时间。
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