CN111337903A - 一种多线激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种多线激光雷达，包括控制单元，以及与控制单元连接的发射单元、接收单元、扫描单元，无线传输单元、供电单元；控制单元通过接收到扫描单元在不同角度时的触发信号控制发射单元进行发射，照射到探测物上后通过接收单元进行接收回波放大，然后将逻辑电平信号进行计时测距，同时根据电平信号的宽度进行反射率强度的计算，控制单元结合水平和垂直方向的角度信息以及距离信息得出三维点云；该发明运用了阵列探测器多个像元的特点，其角度信息通过像元位置得到，阵列探测器使用非均匀微元的尺寸排布，得到高密度的中心区域测试点云，同时和接收镜头进行匹配时，随着边缘的畸变增加探测器两端长度而增加，便于接收角度的均匀性。
Description
技术领域
本发明专利涉及激光探测技术领域，具体涉及一种多线激光雷达。
背景技术
激光扫描测距雷达能够用于检测目标位置，轮廓和速度，激光测距雷达的应用领域逐步拓展，精确测量、导航定位、安全避障，并开始应用于无人驾驶技术，激光扫描雷达是将发射的激光束通过扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。目前三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，如无人驾驶的导航，形状轮廓检测。
目前的三维扫描激光雷达多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间有一定的夹角，同时在对称面有相应的接收探测器进行接收，保证每一个接收探测器和发射激光管的视场角相对应，因此在安装调节过程中非常复杂，不利于生产和量产，同时因为多个接收探测器和发射单元的堆叠，使得在更高线数的激光雷达的体积成倍增加，并且由于每个探测器的大小相同，如何做到在垂直方向的中心区域使点云信息更加的密集也是目前多线激光雷达难以解决的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多线激光雷达，包括控制单元，以及与控制单元连接的发射单元、接收单元、扫描单元，无线传输单元、供电单元；
所述控制单元包括FPGA，通过接收到扫描单元在不同角度时的触发信号控制发射单元进行发射，照射到探测物上后通过接收单元进行接收回波放大，然后将逻辑电平信号进行计时测距，同时根据电平信号的宽度进行反射率强度的计算，控制单元结合水平和垂直方向的角度信息以及距离信息得出三维点云；
所述发射单元包括发射电路板、阵列半导体激光器、非球面透镜、凹柱面镜；所述发射电路板给阵列半导体激光器进行供电并控制其发射，经非球面透镜和凹柱面镜组合将光斑整形为水平方向发散角为5mrad，垂直方向发散角为20-40°；
所述接收单元包括双高斯镜头、窄带滤光片、接收探测器阵列、接收电路；所述接收单元通过双高斯镜头成20-40°接收视场，将返回光通过窄带滤光片后聚焦到接收探测器阵列上，接收电路将回波信号进行放大，将电流信号先转换为电压信号放大再转换为逻辑电平信号，接收探测器阵列通过每个接收微元的位置信息得出垂直方向的角度信息；
所述扫描单元包括电机、电机驱动板、编码器、码盘，控制单元用于控制命令、计时、算法点云输出，供电单元用于为所述激光雷达供电；所述扫描单元中的电机带有托盘，托盘带动发射单元和接收单元进行旋转，通过编码器和码盘完成在水平方向的角度输出。
优选的，其中，所述发射单元的阵列半导体激光器使用的是4×75W的半导体激光器芯片排布，且按照快轴方向发散角平行排布，先使用焦距在5-10mm非球面透镜对快轴方向进行准直达到快轴方向发散角为2-5mrad，然后在慢轴方向后方选用焦距为10-30mm焦距的凹柱面镜，将快轴方向的发散角扩束到20-40°。
优选的，其中，所述发射单元和接收单元为左右并列结构或上下结构，且发射单元和接收单元之间由不透发射光波长的材料分隔开。
优选的，其中，所述接收单元的接收探测器为线阵探测器，具体为多个SPAD，单元像素个数1*128线阵，其单个微元长度方向尺寸在100-500um，宽度方向尺寸在100-200um，阵列见的间隙为50-100um，并且满足中心位置为单个微元的长度在100um，向两侧中心区域长度为200um，两端区域微元长度逐步增加为500um，宽度和间隙不变。
优选的，其中，所述接收单元的接收电路部分组成为前置放大、跨阻放大，且通过恒比定时将信号送入比较器，然后传输到控制单元的FPGA中，所述恒比定时通过一路延时器和一路衰减展宽器完成，衰减展宽器通过使用LC一阶滤波电路完成，提高测距精度。
优选的，其中，所述的控制单元内部有由两片AD9501芯片级联实现的延时电路，延时电路用于产生精确延时信号,用来测量FPGA电路中的延时单元延时，和测量FPGA电路中时间间隔测量部分的测试精度。
优选的，其中，所述的控制单元内部集成有和外界设备进行交互的USB驱动模块，数据传输模块、命令模块、距离图像计算模块、距离图像滤波模块、三维图像重构模块、强度图像计算模块和存储模块。
优选的，其中，所述的USB驱动模块可以通过USB接口和使用外接装置进行插接，完成命令设定和数据的传输，能够完成对激光雷达的配置。
优选的，其中，所述数据传输模块利用所述USB驱动模块，通过USB接口发送和接收各种类型的数据包，当发送完数据包或接收到数据包时通知其它模块进行处理。
优选的，其中，所述命令模块包括写FPGA、读FPGA、写AD9501、测距、测量延时、开始扫描、停止扫描、开始成像和停止成像命令，通过外界设备向测量控制电路发送相应的命令，处理测量控制电路返回的命令执行结果数据，再通过外界用户界面进行显示。
优选的，其中，所述距离图像计算模块用于由接收到的测量数据计算开始信号和停止信号之间的时间间隔,根据时间间隔计算距离，然后再减去固定延时部分的距离，得到距离目标的距离。
优选的，其中，所述距离图像滤波模块用于对距离图像计算模块得到的距离图像进行滤波，从而减小测距误差引起的图像失真；
距离图像滤波模块采用二维低通滤波器对距离图像进行滤波，滤除测距误差引起的噪声的高频成分，从而减小图像失真。
优选的，其中，所述三维图像重构模块用于由滤波后的图像计算目标表面各测量点的水平和垂直方向的角度信息和距离信息得到三维坐标。
优选的，其中，所述强度图像计算模块用于根据接收到的比较器比较完成后的脉宽宽度信息和幅值信息测量数据计算目标的强度图像，存储模块用于对成像探测过程中的距离图像和强度图像进行实时缓存。
该发明运用了阵列探测器多个像元的特点，其角度信息通过像元位置得到，阵列探测器使用非均匀微元的尺寸排布，得到高密度的中心区域测试点云，同时和接收镜头进行匹配时，随着边缘的畸变增加探测器两端长度而增加，便于接收角度的均匀性；同时在中心视场的弥散斑较小，但随着角度的增加弥散斑增加；同时探测器的微元长度也相应增加，提高边缘视场的测距能力；同时细化了控制单元的各个模块功能更好地的实现激光雷达的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本专利一种多线激光雷达的系统流程示意图；
图2为本专利一种多线激光雷达的发射和接收光路示意图；
图3为本专利一种多线激光雷达的接收单元的阵列接收探测器示意图；
图4为本专利一种多线激光雷达的接收单元中的恒比定时工作示意图；
图5为本专利一种多线激光雷达的控制单元的延时电路简化示意图；
图6为本专利一种多线激光雷达的控制单元主要功能结构图。
附图说明：1.双高斯镜头示意图、2.阵列接收探测器、3.阵列半导体激光器、4.非球面透镜、5.凹柱面透镜、6.待测物、7.微元。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的一种多线激光雷达做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于此。
具体实施例：
如图1所示，一种多线激光雷达，包括控制单元，以及与控制单元连接的发射单元、接收单元、扫描单元，无线传输单元、供电单元；
所述控制单元包括FPGA，通过接收到扫描单元在不同角度时的触发信号控制发射单元进行发射，照射到探测物上后通过接收单元进行接收回波放大，然后将逻辑电平信号进行计时测距，同时根据电平信号的宽度进行反射率强度的计算，控制单元结合水平和垂直方向的角度信息以及距离信息得出三维点云；
所述发射单元包括发射电路板、阵列半导体激光器、非球面透镜、凹柱面镜；所述发射电路板给阵列半导体激光器进行供电并控制其发射，经非球面透镜和凹柱面镜组合将光斑整形为水平方向发散角为5mrad，垂直方向发散角为20-40°；
所述接收单元包括双高斯镜头、窄带滤光片、接收探测器阵列、接收电路；所述接收单元通过双高斯镜头成20-40°接收视场，将返回光通过窄带滤光片后聚焦到接收探测器阵列上，接收电路将回波信号进行放大，将电流信号先转换为电压信号放大再转换为逻辑电平信号，接收探测器阵列通过每个接收微元的位置信息得出垂直方向的角度信息；
所述扫描单元包括电机、电机驱动板、编码器、码盘，控制单元用于控制命令、计时、算法点云输出，供电单元用于为所述激光雷达供电；所述扫描单元中的电机带有托盘，托盘带动发射单元和接收单元进行旋转，通过编码器和码盘完成在水平方向的角度输出。具体的，所述控制单元通过接收到扫描单元在不同角度时的触发信号控制发射单元进行发射，经过非球面透镜和凹柱面透镜进行光斑先准直后扩大角度，照射到探测物上后反射回波通过双高斯镜头接收，聚焦到阵列接收探测器，然后通过接收电路板对信号进行放大、比较，将逻辑电平信号送到控制单元计时测距，同时根据电平信号的宽度和幅值进行反射率强度的计算，控制单元结合水平和垂直方向的角度信息以及距离信息得出三维点云。
如图2所示，所述使用的发射单元和接收单元为左右并列结构或者为上下结构，并且在发射接收单元之间是隔离开的，中间隔离物使用不透发射光波长的材料制成，例如金属或者黑色的塑料。所述发射单元的发射电路板给阵列半导体激光器进行供电并控制其发射，半导体激光器使用的是4×75W的半导体激光器芯片排布按照快轴方向发散角平行排布，先使用焦距在5-10mm非球面透镜对快轴方向进行准直达到快轴方向发散角在2-5mrad，然后在慢轴方向后方选用焦距为10-30mm焦距的凹柱面镜，将快轴方向的发散角扩大到20-40°。具体的，所述接收单元通过双高斯4片透镜组完成20-40°接收视场，将返回光通过窄带滤光片后聚焦到接收探测器阵列上。
如图3所示，所述接收单元的接收探测器为线阵探测器，具体为多个SPAD，单元像素个数1*128线阵，其单个微元长度方向尺寸在100-500um，宽度方向尺寸在100-200um，阵列间的间隙为50-100um，并且满足中心位置为单个微元的长度在100um，向两侧中心区域长度为200um，两端区域微元长度逐步增加为500um，宽度和间隙不变，中心区域更密集，利于得到高密度的中心区域测试点云，同时和接收镜头进行匹配时，随着边缘的畸变增加而增加，弥散斑的增加探测器同时增加，便于接收角度的均匀性，提高边缘视场的测距能力。
如图4所示，所述接收单元的恒比定时，通过一路延时器和一路衰减展宽器完成，传统的恒比定时使用的是一路延时器和一路衰减器，该电路使用了LC一阶滤波电路完成衰减展宽器，采用电感和电容构成与延迟线功能相同的延迟器，既具有延时信号失真小的优点,又具有体积小、易于集成和调节方便等优点。
如图 5所示，控制单元内部有由两片AD9501芯片级联实现的延时电路，延时电路对输入的START信号进行延时输出DELAY延时信号，AD[0…7]是用于AD采集数据，LATCH用于锁存信号，延时电路用来测量FPGA电路测时模块的测时精度和延时单元的延时时间。
如图6所示，所述的控制单元内部集成有和外界设备进行交互的USB驱动模块，数据传输模块、命令模块、距离图像计算模块、距离图像滤波模块、三维图像重构模块、强度图像计算模块和存储模块。
具体的，所述的USB驱动模块可以通过USB接口和使用外接装置进行插接，完成命令设定和数据的传输，能够完成对激光雷达的配置。
具体的，所述的数据传输模块利用所述的USB驱动模块，通过USB接口发送和接收各种类型的数据包，当发送完数据包或接收到数据包时通知其它模块进行处理。
具体的，所述的命令模块主要有写FPGA、读FPGA、写AD9501、测距、测量延时、开始扫描、停止扫描、开始成像和停止成像命令，通过外界设备向测量控制电路发送相应的命令，处理测量控制电路返回的命令执行结果数据，再通过外界用户界面进行显示。
具体的，所述的距离图像计算模块的主要作用是由接收到的测量数据计算开始信号和停止信号之间的时间间隔,根据时间间隔计算距离，然后再减去固定延时部分的距离，得到距离目标的距离。
具体的，所述的距离图像滤波模块的主要作用是对距离图像计算模块得到的距离图像进行滤波，从而减小测距误差引起的图像失真。距离图像滤波模块采用二维低通滤波器对距离图像进行滤波，可以滤除测距误差引起的噪声的高频成分，从而减小图像失真。
具体的，所述的三维图像重构模块的主要是由滤波后的图像计算目标表面各测量点的水平和垂直方向的角度信息和距离信息得到三维坐标。
具体的，所述的强度图像计算模块的主要作用是根据接收到的比较器比较完成后的脉宽宽度信息和幅值信息测量数据计算目标的强度图像，存储模块的主要作用是对成像探测过程中的距离图像和强度图像进行实时缓存。
该发明巧妙的运用了阵列探测器多个像元的特点，角度信息通过像元位置得到，阵列探测器使用非均匀微元的尺寸排布，得到高密度的中心区域测试点云，同时和接收镜头进行匹配时，随着边缘的畸变增加探测器两端长度而增加，便于接收角度的均匀性；同时在中心视场的弥散斑较小，但随着角度的增加弥散斑增加；同时探测器的微元长度也相应增加，提高边缘视场的测距能力；同时细化了控制单元的各个模块功能更好地的实现激光雷达的性能。
以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (14)
1.一种多线激光雷达，其特征在于，包括控制单元，以及与控制单元连接的发射单元、接收单元、扫描单元，无线传输单元、供电单元；
所述控制单元包括FPGA，通过接收到扫描单元在不同角度时的触发信号控制发射单元进行发射，照射到探测物上后通过接收单元进行接收回波放大，然后将逻辑电平信号进行计时测距，同时根据电平信号的宽度进行反射率强度的计算，控制单元结合水平和垂直方向的角度信息以及距离信息得出三维点云；
所述发射单元包括发射电路板、阵列半导体激光器、非球面透镜、凹柱面镜；所述发射电路板给阵列半导体激光器进行供电并控制其发射，经非球面透镜和凹柱面镜组合将光斑整形为水平方向发散角为5mrad，垂直方向发散角为20-40°；
所述接收单元包括双高斯镜头、窄带滤光片、接收探测器阵列、接收电路；所述接收单元通过双高斯镜头成20-40°接收视场，将返回光通过窄带滤光片后聚焦到接收探测器阵列上，接收电路将回波信号进行放大，将电流信号先转换为电压信号放大再转换为逻辑电平信号，接收探测器阵列通过每个接收微元的位置信息得出垂直方向的角度信息；
所述扫描单元包括电机、电机驱动板、编码器、码盘，控制单元用于控制命令、计时、算法点云输出，供电单元用于为所述激光雷达供电；所述扫描单元中的电机带有托盘，托盘带动发射单元和接收单元进行旋转，通过编码器和码盘完成在水平方向的角度输出。
2.如权利要求1所述的一种多线激光雷达，所述发射单元的阵列半导体激光器使用的是4×75W的半导体激光器芯片排布，且按照快轴方向发散角平行排布，先使用焦距在5-10mm非球面透镜对快轴方向进行准直达到快轴方向发散角为2-5mrad，然后在慢轴方向后方选用焦距为10-30mm焦距的凹柱面镜，将快轴方向的发散角扩束到20-40°。
3.如权利要求1所述的一种多线激光雷达，所述发射单元和接收单元为左右并列结构或上下结构，且发射单元和接收单元之间由不透发射光波长的材料分隔开。
4.如权利要求1所述的一种多线激光雷达，所述接收单元的接收探测器为线阵探测器，具体为多个SPAD，单元像素个数1*128线阵，其单个微元长度方向尺寸在100-500um，宽度方向尺寸在100-200um，阵列见的间隙为50-100um，并且满足中心位置为单个微元的长度在100um，向两侧中心区域长度为200um，两端区域微元长度逐步增加为500um，宽度和间隙不变。
5.如权利要求1所述的一种多线激光雷达，所述接收单元的接收电路部分组成为前置放大、跨阻放大，且通过恒比定时将信号送入比较器，然后传输到控制单元的FPGA中，所述恒比定时通过一路延时器和一路衰减展宽器完成，衰减展宽器通过使用LC一阶滤波电路完成，提高测距精度。
6.如权利要求1所述一种多线激光雷达，所述的控制单元内部有由两片AD9501芯片级联实现的延时电路，延时电路用于产生精确延时信号,用来测量FPGA电路中的延时单元延时，和测量FPGA电路中时间间隔测量部分的测试精度。
7.如权利要求1所述一种多线激光雷达，所述的控制单元内部集成有和外界设备进行交互的USB驱动模块，数据传输模块、命令模块、距离图像计算模块、距离图像滤波模块、三维图像重构模块、强度图像计算模块和存储模块。
8.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述的USB驱动模块可以通过USB接口和使用外接装置进行插接，完成命令设定和数据的传输，能够完成对激光雷达的配置。
9.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述数据传输模块利用所述USB驱动模块，通过USB接口发送和接收各种类型的数据包，当发送完数据包或接收到数据包时通知其它模块进行处理。
10.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述命令模块包括写FPGA、读FPGA、写AD9501、测距、测量延时、开始扫描、停止扫描、开始成像和停止成像命令，通过外界设备向测量控制电路发送相应的命令，处理测量控制电路返回的命令执行结果数据，再通过外界用户界面进行显示。
11.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述距离图像计算模块用于由接收到的测量数据计算开始信号和停止信号之间的时间间隔,根据时间间隔计算距离，然后再减去固定延时部分的距离，得到距离目标的距离。
12.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述距离图像滤波模块用于对距离图像计算模块得到的距离图像进行滤波，从而减小测距误差引起的图像失真；
距离图像滤波模块采用二维低通滤波器对距离图像进行滤波，滤除测距误差引起的噪声的高频成分，从而减小图像失真。
13.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述三维图像重构模块用于由滤波后的图像计算目标表面各测量点的水平和垂直方向的角度信息和距离信息得到三维坐标。
14.如权利要求7所述的一种多线激光雷达，所述强度图像计算模块用于根据接收到的比较器比较完成后的脉宽宽度信息和幅值信息测量数据计算目标的强度图像，存储模块用于对成像探测过程中的距离图像和强度图像进行实时缓存。
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