CN111580069A - 一种多线激光雷达系统及基于该系统的扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多线激光雷达系统及基于该系统的扫描方法，使用振镜等扫描机构与光电二极管阵列配合实现了结构简化的多线扫描，同时配合高速电子开关阵列，控制器根据扫描机构的姿态局部接通所述高速电子开关，从而无需为光电二极管阵列的每个个体配备信号处理单元，同时还可以削减杂波信号的干扰；本发明通过多激光器与扫描机构的配合，可以显著增加视场角度或提高设备整体的扫描速率，进一步的，通过采用周期性的具有不同时间间隔的激光脉冲组合扫描方式，实现了对远近回波的准确识别，避免了远近回波干扰引起的时序混乱问题，增强了扫描结果的可靠性。

Description

一种多线激光雷达系统及基于该系统的扫描方法

技术领域

本发明涉及一种多线激光雷达系统及基于该系统的扫描方法，具体涉及一种使用简化的设备结构实现多线扫描的激光雷达，及提高激光雷达扫描速率、视场宽度、角分辨率并降低远近回波干扰，减小探测盲区的扫描方法。

背景技术

激光雷达是一种体积小、测量精度高、抗干扰能力强的主动距离探测设备，其在测绘、无人驾驶、机器人定位导航等尖端领域具有广泛的应用前景。现有激光雷达系统主要由激光发射单元、激光接收单元、回波处理电路及控制系统等模块组成，在发射、接收单元的布置方式上主要分为同轴式和非同轴式两类。同轴式激光雷达系统中出射激光及回波均需经过振镜反射，为保证向激光检测单元反射足够的回波光子数量，振镜均需具备一定的尺寸，而大尺寸的振镜难以实现高频率的扫描。因此，现有技术中广泛采用的布置方式为非同轴式，而非同轴式激光雷达在生产制造过程中均需要对发射部件和接收部件进行调试，以保证激光雷达探测的准确性。

为提高激光雷达的分辨率和多目标追踪能力，目前广泛采用多激光发射阵列配合多激光检测阵列的多线激光雷达方案，这使得激光雷达的组装调试变得异常复杂，一台64线激光雷达的组装调试周期甚至达到两周。基于这种现实，高分辨率的多线雷达通常价格昂贵，且设备尺寸大，难以实现广泛的工业应用。

现有技术中存在使用单激光器配合振镜实现多线扫面的设备简化方案，该方案相较于多激光器的多线扫面方案减少了构件数量，降低了组装生产陈本，但其同一时刻仅能发出单个激光脉冲，其对目标的扫描速率依赖于振镜的转动速率和所需的视场角度。因而这类激光雷达通常具有很小的视场角度和振镜尺寸。而过小的振镜尺寸会限制回波光子的数量和激光雷达的测量灵敏度及探测距离；过小的视场角度则使得激光雷达存在较大的探测盲区。这均限制了该类激光雷达的广泛应用。

多激光雷达在同一场景中同时工作是一种常见的工作环境，为避免不同激光雷达的回波之间相互干扰，现有技术中采取的做法是为每一激光雷达分配一个独立序列号，并基于该独立序列号配置独立的编码信息，使每个激光雷达发出的激光脉冲携带独立的编码信息，以区别不同激光雷达的回波。

但在激光雷达的实际探测过程中，其目标具有不可预知性，尤其对于使用振镜的非同轴多线扫描激光雷达而言，朝向不同角度先后发出的激光脉冲可能照射在不同的距离的目标上产生的回波的飞行时间不同，经常会出现在后脉冲照射近处目标，并先回波的现象，从而导致计时电路的时序混乱，无法区分相邻激光脉冲与相邻回波信号之间的对应关系，导致产生错误的探测结果。而前述的编码方案仅能用于区分不同激光雷达的激光脉冲，其本质上以激光雷达的身份信息，并不能解决激光雷达自身扫描不同角度时产生的远近回波干扰的问题。现有技术中也鲜有对远近回波问题及解决方案的讨论。

发明内容

为克服上述技术问题，本发明提供一种多线激光雷达系统。具体技术方案如下：

一种多线激光雷达系统，包括激光器、准直透镜、分束镜、扫描机构、第一激光检测器，第一信号处理单元、计时电路、控制器、接收透镜、激光检测器阵列、高速电子开关阵列、第二信号处理单元和控制器，所述控制器电连接激光器，以控制其发出激光脉冲的时机；电连接振镜，以调整振镜的姿态；电连接高速电子开关阵列，以根据振镜的姿态接通高速电子开关阵列中的部分开关。

所述分束镜布置在准直透镜与振镜之间的光路上，其具有固定的偏斜角度，并可以反射来自准直透镜的激光脉冲的极少量光，而使其余激光脉冲透过并射向振镜。被分束镜反射的光线被第一激光检测其捕获，然后被转化为电信号，经第一信号处理单元处理后送至计时电路作为激光脉冲的起始时间。

计时电路起始时间的确定也可通过将计时电路与控制器关联，以控制器发出脉冲指令的时刻作为计时电路的起始时间。从而可以省去分束镜、第一激光检测器及第一信号处理单元，使设备结构进一步简化。

所述扫描机构可以为一维扫描机构，如垂直旋转振镜、激光相控阵等，也可以是二维扫描机构，如二维galvo振镜、二维MEMS振镜，或者是多个一维扫描机构的组合，如垂直旋转振镜与水平旋转多面镜的组合。

所述的激光检测器阵列可以是一维线形阵列，也可以是二维面形阵列。构成所述阵列的若干激光检测器可以是PIN、APD或SiPM类型的光电二极管（下称PD）。所述激光检测器阵列通过高速电子开关阵列并联接入第二信号处理单元，所述高速电子开关中的开关与所述光电检测器阵列中的PD一一对应，使得在控制器的控制下能够实现对PD阵列中的任意一个PD的通断状态的高速切换。

所述第一、第二信号处理单元可以包括跨阻放大器，其用于将来自PD的光电流信号转换为电压信；若所采用的PD可以直接输出电压信号，则直接经电压放大器放大，得到的脉冲电压信号；所述第一、第二信号处理单元还包括后级放大器和比较器。

所述的计时电路可以是计时器或ADC模数转换器。

所述激光雷达系统还可以具有以一定距离相互间隔布置的两个激光器。所述两个激光器布置在准直透镜主轴的两侧，其发出的激光脉冲经准直透镜准直后形成一固定的出射光夹角A，通过调整所述两个激光器的距离及旋转不同焦距的准直透镜可以调整所述夹角A的大小。所述的夹角A应小于等于振镜最大偏转角的两倍。

采用这种双激光器布置时，若振镜的最大偏转角保持不变，由于两个激光器发出的激光脉冲经准直透镜准直后以不同的角度射向振镜，因而经振镜反射后的扫描激光脉冲将获得增大的扫面范围，即获得增大的视场角度；换言之，振镜可以仅进行更小幅度的旋转即可获得与单激光器布置方案中同等的视场角度，因而可以获得相比于单激光器布置更高频的扫描速率。

所述激光雷达系统中的激光器数目还可以进一步增加到三个，所述三个激光器以正三角形方式布置在一可水平转动的器件上，所述三个激光器中的两个处于正常工作状态，以实现上述双激光器布置的工作模式，另一个激光器处于备用状态，当两个正常工作的激光器中的其中一个出现故障时，控制所述可水平转动的器件旋转，将故障激光器旋转移动至原备用激光器的位置，然后重新启用两个正常的激光器。

显然，该模式下，激光器的数量还可以更多，例如四个或更多个，以应对更加复杂的切换需求。但考虑设备成本及装置复杂程度，三个或四个激光器的方案较为合适。

本发明还提供一种基于上述多线激光雷达系统的扫描方法，具体步骤如下：

步骤1）：激光器经控制器控制发出激光脉冲，并经准直透镜准直后射向分束镜；

步骤2）：分束镜反射极少量激光至第一激光检测器，并经信号处理后反馈至计时电路作为起始时间，分束镜处的透过光射向振镜；

步骤3）：控制器控制振镜以一定的姿态（相对于入射激光的偏转角度）反射激光脉冲，对目标进行扫描，所述激光脉冲在目标表面被反射；

步骤4）：控制器根据振镜的姿态获知该振镜姿态下的扫描光束指向，并接通能够接收该激光脉冲路径上的目标的回波的PD所对应的电子开关；

步骤5）PD将回波信号转换为光电流或电压信号，该电流或电压信号经跨阻放大器转换为电压信号或直接经电压放大器放大，得到的脉冲电压信号再经后级放大器、比较器形成触发信号，触发计时器或ADC模数转换器采样，获得回波触发时间；

步骤6）：计算起始时间和回波触发时间的间隔，获取飞行时间和该扫描线束下的目标距离；

步骤7）：调整振镜姿态，重复步骤1-6；

步骤8）：经历若干次步骤1-7的重复后，振镜从初始角度旋转到最大偏转角度，完成对视场角度范围内目标的一次完整扫描；

步骤9）：振镜从最大偏转角度再经历若干次步骤1-7的重复后，回到初始角度，完成一个振镜姿态周期。

在上述步骤8）中，振镜从初始角度旋转至最大偏转角度的过程中，控制器控制激光器发出PD阵列中在该扫描方向上的PD数量（例如PD阵列中垂直方向上的PD数量）的整数倍的单激光脉冲或整数倍的激光脉冲组合。所述单激光脉冲或激光脉冲组合之间可以具有相同的时间间隔。

这样的扫描方法使得可以仅用少量PD的组合，可以实现PD数量整数倍线束的多线扫描，成倍的提高激光雷达扫描的角分辨率。如对于N个PD组成的垂直线形PD阵列，在振镜从初始角度转动到最大偏转角度，或从最大偏转角度回到初始角度的过程中，控制器向激光器发出N*M个激光脉冲指令，所述N和M均为正整数，从而实现N*M线束的多线扫描。

激光器收到控制器发出的指令后可以发出多个激光脉冲组合，所述激光脉冲组合中相邻激光脉冲间的时间间隔远小于指令间隔。

目前技术水平下，不同激光线束的间隔差，即指令间隔通常为微秒级，而已有的小尺寸高速PD，如尺寸在0.5mm以下的高速PD，能够实现几个纳秒的响应时间。选择ns级响应时间的PD，并控制所述激光脉冲组合中相邻的激光脉冲具有纳秒级间隔。任意相邻两个激光脉冲组合中，所包含的多个激光脉冲具有可分辨的不等的纳秒级间隔。从而使得激光雷达可以根据激光脉冲组合中相邻激光脉冲间隔的差异，区分出出射激光组合与回波激光组合之间的对应关系，解决远近回波导致的时序混合问题。

所述激光脉冲组合中相邻激光脉冲的时间间隔可以是周期性变化的，所述周期对应于振镜的姿态周期，从而可以由控制器根据振镜的姿态，向激光器发出周期性指令来实现。

附图说明

图1为具有单个激光器的多线激光雷达系统示意图；

图2为振镜与水平旋转多面镜组合的扫描机构示意图；

图3为探测盲区缩减方案示意图；

图4为具有两个激光器的多线激光雷达系统示意图；

图5为周期性激光脉冲组合的示意图。

图中：激光器1，准直透镜2，分束镜3，振镜4，第一光电二极管5，第一信号处理单元6，计时电路7，控制器8，接收透镜9，光电二极管阵列10，高速电子开关阵列11，第二信号处理单元12。

具体实施方式

实施例1。

如图1所示，一种使用振镜的多线激光雷达系统，包括一个激光器1、准直透镜2、分束镜3、毫秒级MEMS振镜4、第一光电二极管（PD）5，第一信号处理单元6、计时电路7、控制器8、接收透镜9、光电二极管阵列（PD）10、高速电子开关阵列11、第二信号处理单元12，所述控制器8电连接激光器1，以控制其发出激光脉冲的时机；电连接振镜4，以调整振镜4的姿态；电连接高速电子开关阵列11，以根据振镜4的姿态接通高速电子开关阵列10中的部分开关；所述PD阵列10为线型阵列，由垂直布置的16个PD组成，每个PD均与一个高速电子开关相连，16个高速电子开关并联接入第二PD信号处理单元12。

所述PD阵列10中使用具有纳秒级响应时间的高速PD，其尺寸ϕ为0.5mm，接收透镜9的焦距f选择为20mm，此时，单个PD的接收角度（FOV）约为Θ=ϕ/f，即1.4度，则16个垂直布置的高速PD可以形成总FOV至少20度的垂直视场。

在由上述16个高速PD构成的至少20度垂直视场中，控制器8根据振镜4的姿态变化，每当振镜4转过0.2度，即向激光器1发出一个脉冲指令，激光器1依据该指令发出一个激光脉冲，也即将单个高速PD的1.4度接收角分割为7份，从而获得16﹡7=112线束的高分辨率激光雷达。

控制器8接通当前振镜4姿态下对应的PD的高速电子开关，其他高速电子开关保持断开状态，从而防止非对应PD接收干扰激光信号，当激光器连续发出7个激光脉冲后，其即将发出的下一个激光脉冲将对应至一个新的PD，此时，控制器切换高速电子开关的状态，使新的对应PD接通。

实施例2。

区别于实施例1的，如图2所示，所示PD阵列10为面形二维阵列，所述振镜4为可在水平、垂直两个维度上旋转的二维振镜，或由垂直扫描振镜、水平旋转多面镜构成的振镜组合。

实施例3。

如图3所示，现实中的激光光束具有一定的发散角α，在某一振镜姿态下，出射激光的指向对应PD阵列10中的3号PD，而3号PD的接收角度Θ为1.4度，对于非同轴布置的激光雷达，上述的激光发散角与3号PD的接收角形成如图5所示的交汇点A，位于交汇点A以内的区域成为3号PD的盲区。

为缩减激光雷达整体的探测盲区，本实施例提供如下方法：区别于实施例1和2的，控制器8接通当前振镜4姿态下对应的PD及位于其垂直下方的若干PD的高速电子开关，断开位于对应PD上方及与对应PD不在同一垂直阵列的其他PD的高速电子开关。具体参见图3中，若振镜姿态恰好对应3号PD，则控制器8同时接通位于3号PD垂直下方的4号、5号PD，从而将探测盲区缩短至B点以内。

实施例4。

区别于实施例1-3的，如图4所示，本实施例的激光雷达包括两个在同一水平面上相互平行间隔布置的两个激光器1，所述两个激光器1分别向准直透镜3发射平行的激光脉冲，所述的两束相互平行的激光脉冲经准直透镜3准直后以一定夹角A分别射向振镜4上。当振镜4保持在与实施例1中同样的角度范围内转动时，该两束呈夹角A射向振镜4的激光脉冲使得由振镜4射出的激光光束的覆盖角度，即视场角度增大；若仍保持与实施例1中同等的视场角度，则该两束呈夹角A射向振镜4的激光脉冲可以允许振镜4以更小的振动幅度来获取该同等的视场角度，从而可以提升扫描的速度。

具体的，若单激光器1结合振镜4的扫描方式的视场角度为30度，调整两个激光器1的距离及准直透镜3的焦距，使得两个激光器1所射出的平行激光脉冲镜准直透镜3准直后形成30度夹角，两束激光经振镜4反射后将能够获得60度的视场角度。

上述的夹角A应当小于等于单激光器4扫描机构的视场角度。

实施例5。

区别于实施例1-4的，如图5所示，本实施例中，激光器1在每一激光发射指令下均发出两个激光脉冲，所述依据同一发射指令发出的两个激光脉冲具有纳秒时间间隔，而相邻两个发射指令的时间间隔为微秒级。

以微秒间隔扫描的单脉冲激光雷达，由于探测目标的不可预知性，可能因远近回波干扰而获得错误的探测结果。如在先射出的激光脉冲所照射到的目标位于其光路上的较远处，激光脉冲经历较长的飞行时间后才返回并被PD阵列接收；而由于振镜姿态变化引起的出射角度变化及目标运动的因素等，微秒间隔后发出的在后激光脉冲照射到的目标很可能位于其光路上的较近处，使得在后激光脉冲经历较短的飞行时间即被PD阵列捕获；当上述远近目标的距离差大到一定程度而使得在后激光脉冲回波先到达PD阵列时，PD阵列及计时电路均无法判断回波时间与起始时间的对应关系，而仅能依据在先脉冲先回波的常规标准进行判断，显然，这一常规标准对于上述的特殊情况不适用，因而会输出错误的探测结果。

本实施例，基于一个具有双PD接收单元的激光雷达系统，振镜4通过旋转，以不同角度反射出激光脉冲组合，其中单个PD的约1.4度视角被分割为四份，即在该单个PD的视场角度内，控制器13向激光器1发出4次脉冲指令，且每个脉冲指令所包含的脉冲激光组合均被振镜4以不同的姿态反射出去。其中，激光器1收到第一次脉冲指令后发出间隔10ns的两个激光脉冲；收到第二次脉冲指令后，激光器1发出间隔20ns的两个激光脉冲；收到第三次脉冲指令后，激光器1发出间隔30ns的两个激光脉冲；收到第四次脉冲指令后，激光器1发出间隔40ns的两个激光脉冲；上述四次脉冲指令构成一个指令周期。经历一个指令周期的四次脉冲指令后，振镜4继续偏转，经由此刻振镜姿态反射的激光脉冲组合落入下一PD的视场范围内。此时，控制器13按照指令周期再下一PD的视场范围内再次向激光器1发出四次脉冲指令，且每次脉冲指令下激光器1分别发出具有10ns、20ns、30ns、40ns间隔的激光脉冲组合。PD阵列接收回波后获取具有一定时间间隔的光电流/电压信号，将该光电流/电压信号的时间间隔与该指令周期内的激光脉冲组合的时间间隔进行比对，以判断对应的出射脉冲组合及回波组合的对应关系；若所获得的光电流/电压信号的时间间隔与任一激光脉冲组合的时间间隔均不同，则舍弃该信号。

以上实施例仅是为了详细阐明本发明主要构思而列举的简化实施形式，不应被理解为本发明技术方案的仅有实施方式，在不脱离本发明构思的情况下，由本领域技术人员作出的明显的变化、重新调整和替代均是上述实施方式的等效实施例，本发明的实际保护范围由权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种多线激光雷达系统，包括激光器、准直透镜、扫描机构、激光检测器，信号处理单元、计时电路、接收透镜，其特征在于：所述激光检测器包括用于接收回波信号的激光检测器阵列；所述信号处理单元包括连接所述激光检测器阵列的第二信号处理单元；还包括高速电子开关阵列，其用于控制激光检测器阵列中的个体与第二信号处理单元之间的电路通断；所述控制器电连接激光器、扫描机构和高速电子开关阵列，以根据扫描机构的扫描姿态控制激光器发出激光脉冲的时机及接通高速电子开关阵列中的部分开关。

2.如权利要求1所述的多线激光雷达系统，其特征在于：所述扫描机构振镜、激光相控阵、水平旋转多面镜或其中任意两种的组合。

3.如权利要求1所述的多线激光雷达系统，其特征在于：所述激光检测器阵列为PIN、APD或SiPM型PD中的一种或其组合的线形阵列。

4.如权利要求1所述的多线激光雷达系统，其特征在于：具有以一定距离相互间隔布置的两个激光器，所述两个激光器布置在准直透镜主轴的两侧，其发出的激光脉冲经准直透镜准直后形成一固定的出射光夹角A。

5.如权利要求5所述的多线激光雷达系统，其特征在于：所述扫描机构为振镜，且所述的夹角A小于等于振镜最大偏转角的两倍。

6.一种基于上述权利要求中的任一个所述多线激光雷达系统的扫描方法，其特征在于，所述扫描机构为振镜，并包括如下步骤：

步骤1）：激光器经控制器控制发出激光脉冲，并经准直透镜准直后射向分束镜；

步骤2）：分束镜反射极少量激光至第一激光检测器，并经信号处理后反馈至计时电路作为起始时间，分束镜处的透过光射向振镜；

步骤3）：控制器控制振镜以一定的姿态（相对于入射激光的偏转角度）反射激光脉冲，对目标进行扫描，所述激光脉冲在目标表面被反射；

步骤4）：控制器根据振镜的姿态获知该振镜姿态下的扫描光束指向，并接通能够接收该激光脉冲路径上的目标的回波的PD所对应的电子开关；

步骤5）PD将回波信号转换为光电流或电压信号，该电流或电压信号经跨阻放大器转换为电压信号或直接经电压放大器放大，得到的脉冲电压信号再经后级放大器、比较器形成触发信号，触发计时器或ADC模数转换器采样，获得回波触发时间；

步骤6）：计算起始时间和回波触发时间的间隔，获取飞行时间和该扫描线束下的目标距离；

步骤7）：调整振镜姿态，重复步骤1-6；

步骤8）：经历若干次步骤1-7的重复后，振镜从初始角度旋转到最大偏转角度，完成对视场角度范围内目标的一次完整扫描；

步骤9）：振镜从最大偏转角度再经历若干次步骤1-7的重复后，回到初始角度，完成一个振镜姿态周期。

7.如权利要求6所述的扫描方法，其特征在于：振镜从初始角度旋转至最大偏转角，或从最大偏转角旋转至初始角度的过程中，控制器控制激光器发出PD阵列中在该扫描方向上的PD数量的正整数倍的单激光脉冲。

8.如权利要求6所述的扫描方法，其特征在于：振镜从初始角度旋转至最大偏转角，或从最大偏转角旋转至初始角度的过程中，控制器控制激光器发出PD阵列中在该扫描方向上的PD数量的正整数倍的激光脉冲组合。

9.如权利要求8所述的扫描方法，其特征在于：激光器根据控制器的一个指令发出一个激光脉冲组合，相邻两个指令间具有微秒级间隔，一个脉冲组合中的相邻激光脉冲具有纳秒级间隔。

10.如权利要求9所述的扫描方法，其特征在于：任意相邻两个激光脉冲组合的间隔相等，但相邻的每一激光脉冲组合中所包含的激光脉冲的间隔不等。

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