CN111025322B - 一种基于可调制波的激光目标识别系统及方法 - Google Patents

一种基于可调制波的激光目标识别系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可调制的激光目标识别系统及方法，所述系统包括：基站，用于利用设置于所述基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对激光光束进行调制后合成为包含两种波段、调制波形幅度相差180°的混合光射向待识别目标，利用激光接收器接收经待识别目标端过滤处理并反射后的混合光确定待识别目标；一个或多个待识别目标，用于将所述基站发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回所述基站。

Description

一种基于可调制波的激光目标识别系统及方法
技术领域
本发明涉及目标识别技术领域，特别是涉及一种基于可调制波的激光目标识别系统及方法。
背景技术
激光雷达系统是一种采用激光测距技术的扫描式传感器，其工作原理与一般的雷达系统类似，通过发射激光光束来探测目标，并通过搜集反射回来的光束来形成点云并获取数据。激光雷达系统已广泛应用于汽车自动驾驶、无人驾驶、定位导航、空间测绘、机器人等领域。
目前，通过激光点云识别目标物体主要的方式为：预先通过人工对接收到的激光点云进行逐点标注以得到目标物体对应的激光点云样本数据；采用该样本数据进行机器学习得到物体识别模型；通过该物体识别模型识别出激光点云对应的目标物体。然而，涉及点云数据的识别算法在进行训练时，会需要使用大量标注过的点云数据作为训练样本，以优化障碍物识别算法。因此，需要预先采集大量不同场景的点云数据，并对其进行准确标注，才能保证优化过程顺利进行。
综上所述，因激光点云包含的激光点数据量庞大，采用人工对接收到的激光点云进行逐点标注，速度较慢，导致对目标物体的识别效率较低，从而存在计算量大、特征提取困难、识别准确率低的缺点，而且由天气，强反光，等因素导致的精度问题也会降低目标识别的可靠性。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于可调制波的激光目标识别系统及方法，以实现通过检测反射光的光波特性对目标识别的目的，避免了现有激光雷达因测距精度对系统产生的不准确性，减少了系统在强光环境下出现的检测偏差。
为达上述及其它目的，本发明提出一种基于可调制的激光目标识别系统，包括：
基站，用于利用设置于所述基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对激光光束进行调制后合成为包含两种波段、调制波形幅度相差180°的混合光射向待识别目标，利用激光接收器接收经待识别目标端过滤处理并反射后的混合光确定待识别目标；其中，所述基站具体包括：
两个激光发射器，分别设置于所述基站上，每个激光发射器用于发射特定波长的激光光束；
两个光学调制器，分别设置于各激光发射器的前端，用于对各激光发射器所发射的激光光束进行调制，以使得两个激光发射器射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波；
光路合路器，用于将两个光学调制器的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光；
激光接收器，设置于所述基站上，用于接收经所述待识别目标端反射处理后的有波形的光波；
识别控制模块，用于根据所述激光接收器所接收到的有波形光波确定待识别目标；
一个或多个待识别目标，用于将所述基站发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回所述基站；其中，所述待识别目标具体包括：
滤波设备，用于对所述光路合路器合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波；
分光器件，设置于所述待识别目标上，用于将滤波后的混合光偏转若干角度后反射回至所述基站。
优选地，所述激光发射器具有可使激光束形成激光面墙的光学系统，用于发射垂直于水平地面的激光面墙。
优选地，所述基站还包括驱动所述基站旋转的电机及角度编码器，所述电机与所述角度编码器连接所述识别控制模块，所述识别控制模块根据从所述角度编码器获得的角度信息驱动所述电机旋转至指定角度。
优选地，所述角度编码器内置于所述电机中。
优选地，所述光学调制器采用激光幅度调制器，以对激光发射器发射的激光光束进行幅度调制，经过幅度调制后，使得两个激光发射器射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波。
优选地，所述滤波设备采用光学滤波片或其他具有等同作用的光学元件。
优选地，所述分光器件为角锥棱镜或角反射器，其为由三个相互垂直且相交的平面组成的反射器，以将入射光束偏转180度直接反射回基站。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于可调制的激光目标识别方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用设置于基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束；
步骤S2，利用设置于各激光发射器的前端的光学调制器对各激光发射器所发射的激光光束进行调制；
步骤S3，利用光路合路器将两个光学调制器的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光；
步骤S4，利用滤波设备对经光路合路器合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波；
步骤S5，利用设置于所述待识别目标上的分光器件将滤波后的混合光偏转若干角度后反射回至基站；
步骤S6，利用基站端的激光接收器接收步骤S5中反射回的滤波后的混合光；
步骤S7，根据所接收到的混合光中的有波形光波确定待识别目标。
与现有技术相比，本发明一种基于可调制的激光目标识别系统及方法通过利用设置于所述基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对激光光束进行调制后合成为包含两种波段、调制波形幅度相差180°的混合光射向待识别目标，于待识别目标端将所述基站发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回所述基站，最后基站端激光接收器接收经待识别目标端反射处理后的反射光束，根据所接收的反射光束确定待识别目标，实现了通过检测反射光的光波特性对目标识别的目的，避免了现有激光雷达因测距精度对系统产生的不准确性，减少了系统在强光环境下出现的检测偏差。
附图说明
图1为本发明一种基于可调制的激光目标识别系统的结构示意图；
图2为本发明具体实施例中角锥棱镜的示意图；
图3为本发明一种基于可调制的激光目标识别方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例中激光目标识别系统的示意图；
图5为本发明实施例中光幅度调制及光路合成示意图；
图6为本发明实施例中滤波片及角锥棱镜的工作示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图1为本发明一种基于可调制的激光目标识别系统的结构示意图。如图1所示，本发明一种基于可调制的激光目标识别系统，包括：
基站10，用于利用设置于基站10上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对对应的激光光束进行光学调制后合成混合光射向待识别目标20，利用激光接收器接收经待识别目标20端反射处理后后的混合光，根据所接收的混合光确定待识别目标。
具体地，基站10进一步包括：
两个激光发射器101，分别设置于所述基站10上，每个激光发射器用于发射特定波长的激光光束，即出射特定波长的出射光束(两个激光发射器发射的激光光束波长应不同)，射向待识别目标。在本发明具体实施例中，所述激光发射器101用于发射垂直于水平地面的激光面墙，所述激光发射器101具有可使激光束形成激光面墙的光学系统，例如激光振镜，但本发明不以此为限，只要能使出射的激光光束形成激光面墙的激光发射器，均可应用于本发明。
两个光学调制器102，分别设置于各激光发射器101的前端，用于对各激光发射器101所发射的激光光束进行调制。
在本发明中，光学调制器是用于调制光束的装置，光束可以在空间中由载波或者通过光波导(光纤)传播，根据被调制的光束的参数，调制器可以被分为振幅调制器，相位调制器，偏振调制器等，通常，获得光束强度调制的最简易方法是调制驱动光源的电流，与光调制器执行的外部调制相反，这种调制叫直接调制。
在本发明具体实施例中，所述光调制器102采用激光幅度调制器，以对激光发射器发射的激光光束进行幅度调制，经过幅度调制后，使得两个激光发射器101射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制光。
光路合路器103，用于将两个光调制器102的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在激光接收器104端抵消交流电分量的混合光。具体地说，经光调制器后，两束正反相位的光波经过光路合路器103，汇聚成为包含两种波段的、调制波形因相差180度而能在激光接收器104端抵消交流电分量的混合光，也就是说，两光经匹配调制后，在激光接收器处接收转换成电信号，该电信号由于接收了相位相差180°的两束光，所以电信号里面没有交流量，只有直流量。
激光接收器104，设置于所述基站10上，用于接收经待识别目标20端反射处理后的有波形的光波。具体地，当经过光路合路器103后的混合光发射至待识别目标20时，首先会经过滤波设备，部分过滤掉其中一种波长的光波(可称之为第一波长光波)或完全截止，而使得混合光中另一种波长的光波(第二波长光波)通过，并通过待识别目标20端的分光器件，将通过滤波设备的光波偏转若干角度沿平行入射方向的光路返回至基站，激光接收器104只接收到有波形的第二波长光波，而其他不是目标的反射光都是没有交流波形的混合光。
识别控制模块105，用于根据激光接收器104所接收到的有波形光波确定待识别目标。具体地说，当激光接收器104仅接收到第二波长光波信号时，便可对待识别目标的方向角等参数进行标记，从而达到识别的功能。
优选地，基站10还包括驱动基站旋转的电机106及高精度角度编码器107，所述电机106与角度编码器107连接所述识别控制模块105，所述识别控制模块105根据从所述角度编码器107获得角度信息驱动所述电机106旋转至指定角度。也就是说，所述基站10利用电机106与角度编码器107进行360度旋转，以实现全方位的目标识别。在本发明具体实施例中，所述角度编码器107可以内置于所述电机106内，本发明不以此为限。
一个或多个待识别目标20，用于将基站10端发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回基站10。
具体地，待识别目标20进一步包括：
滤波设备201，设置于分光器件202前端，用于对光路合路器103合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波。在本发明具体实施例中，所述滤波设备201采用光学滤波片或其他具有等同作用的光学元件，本发明不以此为限。
分光器件202，设置于所述待识别目标20上，用于将滤波后的混合光偏转若干角度反射回至基站10，以实现将入射的光路与反射的光路分开的目的。在本发明具体实施例中，所述分光器件为角锥棱镜或角反射器，其为由三个相互垂直且相交的平面组成的反射器，如图2所示，该角锥棱镜可以将入射光束偏转180度直接反射回基站。
图3为本发明一种基于可调制的激光目标识别方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种基于可调制的激光目标识别方法，包括如下步骤：
步骤S1，利用设置于基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束。
在本发明具体实施例中，利用两个激光发射器分别向待识别目标发射垂直于水平地面的激光面墙，所述激光发射器具有可使激光束形成激光面墙的光学系统，例如激光振镜，但本发明不以此为限，只要能使出射的激光光束形成激光面墙的激光发射器，均可应用于本发明。
步骤S2，利用设置于各激光发射器的前端的光学调制器对各激光发射器所发射的激光光束进行调制，。
在本发明具体实施例中，所述光学调制器采用激光幅度调制器，以对激光发射器发射的激光光束进行幅度调制，经过幅度调制后，使得两个激光发射器射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波。
步骤S3，利用光路合路器将两个光学调制器的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光。也就是说，经光调制器后，两束正反相位的光波经过光路合路器，汇聚成为包含两种波段的、调制波形因相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光。
步骤S4，利用滤波设备对经光路合路器合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波。在本发明具体实施例中，所述滤波设备采用光学滤波片或其他具有等同作用的光学元件，本发明不以此为限。
步骤S5，利用设置于所述待识别目标上的分光器件将滤波后的混合光偏转若干角度后反射回至基站。
在本发明具体实施例中，所述分光器件为角锥棱镜或角反射器，其为由三个相互垂直且相交的平面组成的反射器，该角锥棱镜可以将入射光束偏转180度直接反射回基站。
步骤S6，利用基站端的激光接收器接收步骤S5中反射回的滤波后的混合光，在本发明具体实施例中，激光接收器只接收到一种波长的有波形的光波，而其他不是目标的反射光都是没有交流波形的混合光。
步骤S7，根据所接收到的有波形光波确定待识别目标。具体地说，当仅接收到有波形的光波信号时，通过对目标的方向角等参数进行标记，从而达到识别的功能。
以下将配合图4、图5、图6说明本发明的工作原理：
在本实施例中，假设设置于基站10上的两个激光发射器A、B分别发射波长为880nm与905nm的激光光束形成的激光面墙，如图4所示，该两个不同波长的880nm与905nm两种光波分别经由幅度调制器调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波，两束正反相位的光波经过光路合路器，汇聚成为包含两种波段的、调制波形因相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光，如图5所示，混合光，假设图3中的b，穿过放置在角锥棱镜202外侧的滤波片201时，如图6所示，由于滤波片的作用，880nm的光波被部分过滤，或是完全截止，从而选择性地通过混合光中905nm光波，在角锥棱镜202内180°偏转后，沿入射方向平行返回至基站10，基站10端的激光接收器只接收到有波形的905nm波，而其他不是目标的反射光都是没有交流波形的混合光，如此，当基站进行扫描并且仅接收到905nm光波信号(可采用现有算法识别)时，便可对目标的方向角等参数(有效识别目标时的对应指向角)进行标记，从而达到识别的功能。另外，在多个目标的情景下，每个目标上设有同样包含角锥棱镜和滤波片的光学系统。在系统进行初次扫描时，按一定顺序分别对目标进行标记，继而再进一步扫描，通过算法，可根据目标移动轨迹进行目标的判断与识别
在多个待识别目标的情景下，每个待识别目标均设有同样的包含角锥棱镜和滤波片的光学系统。在系统进行初次扫描时，基站按一定顺序分别对各待识别目标进行标记，例如按顺序标记待识别目标A、B、C，继而再进一步扫描，当待识别目标依据目标移动轨迹进行移动时，基站10端会依序扫描到待识别目标，根据接收到的混合光，根据标记依序确定所识别的目标为A、B、C。
综上所述，本发明一种基于可调制的激光目标识别系统及方法通过利用设置于所述基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对激光光束进行调制后合成为包含两种波段、调制波形幅度相差180°的混合光射向待识别目标，于待识别目标端将所述基站发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回所述基站，最后基站端激光接收器接收经待识别目标端反射处理后的反射光束，根据所接收的反射光束确定待识别目标，实现了通过检测反射光的光波特性对目标识别的目的，避免了现有激光雷达因测距精度对系统产生的不准确性，减少了系统在强光环境下出现的检测偏差，本发明结构相对简单，使用成本降低，在识别过程中对数据分析的要求较低。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种基于可调制的激光目标识别系统，包括：
基站，用于利用设置于所述基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束，并分别利用光学调制器对激光光束进行调制后合成为包含两种波段、调制波形幅度相差180°的混合光射向待识别目标，利用激光接收器接收经待识别目标端过滤处理并反射后的混合光确定待识别目标；其中，所述基站具体包括：
两个激光发射器，分别设置于所述基站上，每个激光发射器用于发射特定波长的激光光束；
两个光学调制器，分别设置于各激光发射器的前端，用于对各激光发射器所发射的激光光束进行调制，以使得两个激光发射器射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波；
光路合路器，用于将两个光学调制器的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光；
激光接收器，设置于所述基站上，用于接收经所述待识别目标端反射处理后的有波形的光波；
识别控制模块，用于根据所述激光接收器所接收到的有波形光波确定待识别目标；
一个或多个待识别目标，用于将所述基站发射的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波，并通过分光器件将通过滤波后的光偏转若干角度后反射回所述基站；其中，所述待识别目标具体包括：
滤波设备，用于对所述光路合路器合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波；
分光器件，设置于所述待识别目标上，用于将滤波后的混合光偏转若干角度后反射回至所述基站。
2.如权利要求1所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述激光发射器具有可使激光束形成激光面墙的光学系统，用于发射垂直于水平地面的激光面墙。
3.如权利要求1所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述基站还包括驱动所述基站旋转的电机及角度编码器，所述电机与所述角度编码器连接所述识别控制模块，所述识别控制模块根据从所述角度编码器获得的角度信息驱动所述电机旋转至指定角度。
4.如权利要求3所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述角度编码器内置于所述电机中。
5.如权利要求3所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述光学调制器采用激光幅度调制器，以对激光发射器发射的激光光束进行幅度调制，经过幅度调制后，使得两个激光发射器射出的激光光束调制后产生光亮度幅度相差180度的调制波。
6.如权利要求1所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述滤波设备采用光学滤波片或其他具有等同作用的光学元件。
7.如权利要求1所述的一种基于可调制的激光目标识别系统，其特征在于：所述分光器件为角锥棱镜或角反射器，其为由三个相互垂直且相交的平面组成的反射器，以将入射光束偏转180度直接反射回基站。
8.一种基于可调制的激光目标识别方法，结合如权利要求1到7任意一项所述的基于可调制的激光目标识别系统，包括如下步骤：
步骤S1，利用设置于基站上的两个激光发射器分别发射不同波长的激光光束；
步骤S2，利用设置于各激光发射器的前端的光学调制器对各激光发射器所发射的激光光束进行调制；
步骤S3，利用光路合路器将两个光学调制器的调制结果进行合路，汇聚成为包含两种波段的、调制波形幅度相差180度而能在光电接收器端抵消交流电分量的混合光;
步骤S4，利用滤波设备对经光路合路器合路后的混合光进行滤波，部分过滤或完全截止其中一种波长的光波；
步骤S5，利用设置于所述待识别目标上的分光器件将滤波后的混合光偏转若干角度后反射回至基站;
步骤S6，利用基站端的激光接收器接收步骤S5中反射回的滤波后的混合光；
步骤S7，根据所接收到的滤波后的混合光中有波形的光波确定待识别目标。
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