CN111856428A - 一种360°环视的低成本立体成像传感器 - Google Patents

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来建成
许文进
陶洁雨
赵楚航
陈怀波
黄宏坤
李振华
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Abstract

本发明公开了一种360°环视的低成本立体成像传感器，包括共孔径激光发射单元、四象限探测组件、共光路镜筒、45°分光镜、锥面反射镜、汇聚透镜、四通道AD转换、全波形分析模块以及DSP片上信号处理单元；本发明利用45°分光镜和锥面反射镜实现了360°向外发射激光，四象限探测器探测光斑信息进行全波形分析判断多个激光回波的位置从而实现多目标立体成像。本发明具有可靠性高、结构简单，体积小，成本低等突出优势，并且能够在雨雾等极端天气工作，在车辆的辅助驾驶领域具有重要应用前景。

Description

一种360°环视的低成本立体成像传感器
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，特别是一种360°环视的低成本立体成像传感器。
背景技术
电动自行车日益成为人们短途出行和日常上下班的必备交通工具。但近些年来电动自行车事故率很高，多是由于驾驶员注意力不集中舒服造成的。并且在雨雾等恶劣天气驾驶者实现受扰的情况下更容易导致事故的发生。目前市面上防撞告警方法主要有超声波，激光雷达等方法。但超声波雷达存在作用距离近，易受到大气紊流和气涡的影响等局限性。激光雷达主要是以多线激光雷达为代表，虽然具有作用距离远，可实现360°环视等突出优点，但成本高，体积较大，并不能适用于电动自行车防撞领域。并且超声波雷达和激光雷达都只能探测到障碍物的距离信息，并不能探测到方位信息。进一步限制了其在电动自行车防撞领域的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种360°环视的低成本立体成像传感器，以应用于电动车防撞和汽车的智能驾驶中。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种360°环视的低成本立体成像传感器，包括共孔径激光发射单元、四象限探测组件、共光路镜筒、汇聚透镜、45°分光镜、锥面反射镜、全波形分析模块、四通道AD转换组件以及信号处理单元；
所述共孔径激光发射单元在45°分光镜的反射轴线上，且共孔径激光发射单元的发射轴和45°分光镜的反射轴垂直，所述45°分光镜设置在锥面反射镜轴线上且与锥面反射镜的轴线成45°角；所述45°全反镜设置在共光路镜筒内；所述共光路镜筒开有三个端口，一个端口朝向锥面反射镜且和锥面反射镜共轴，第二个端口朝向共孔径激光发射单元且与共孔径激光发射单元共轴，第三个端口朝向四象限探测组件且和四象限探测组件的光轴共轴；所述的四象限探测组件、汇聚透镜设置在45°分光镜透射轴线上，且四象限探测组件的光轴和锥面反射镜的光轴重合，所述的四象限探测组件和四通道AD转换组件相连，四通道AD组件转换和全波形分析模块相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明采用四象限探测器作为探测组件，通过全波形分析可以进行探测多个目标距离又能通过光斑位置分析多个目标距离的方向进行立体成像，克服了传统手段上只能进行单一目标测距的缺点。
(2)本发明采用锥形反射镜环视方法，在不采用旋转扫描部件的前提下巧妙解决了激光告警的360度环视问题。
(3)本发明利用激光作为光源，激光具有穿透能力强，方向性好等特点，使得传感器能够在雨雾等极端天气工作。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种360°环视的低成本立体成像传感器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种360°环视的低成本立体成像传感器，包括共孔径激光发射单元1、四象限探测组件2、共光路镜筒8、汇聚透镜9、45°分光镜7、锥面反射镜6、全波形分析模块4、四通道AD转换组件3以及DSP片上信号处理单元5；
所述共孔径激光发射单元1在45°分光镜7的反射轴线上，且共孔径激光发射单元1的发射轴和45°分光镜7的反射轴垂直，所述45°分光镜7设置在锥面反射镜6轴线上且与锥面反射镜的轴线成45°角；所述45°全反镜7设置在共光路镜筒8内；所述共光路镜筒8开有三个端口，一个端口朝向锥面反射镜8且和锥面反射镜8共轴，第二个端口朝向共孔径激光发射单元1且与共孔径激光发射单元1共轴，第三个端口朝向四象限探测组件2且和四象限探测组件的光轴共轴；所述的四象限探测组件2、汇聚透镜9设置在45°分光镜7透射轴线上，且四象限探测组件2的光轴和锥面反射镜6的光轴重合，所述的四象限探测组件2和四通道AD转换组件3相连，四通道AD组件转换3和全波形分析模块4相连。
所述共孔径激光发射单元1发射激光经过45°分光镜7反射到锥面反射镜6上，激光360°向外扩散，若某一方位存在物体，产生激光回波穿过共光路镜筒8和45°分光镜7透射，经由汇聚透镜9后到达四象限探测组件2，所述的四通道AD转换组件3进行四路模数转换由全波形分析模块4进行全波形分析，将波形分析数据信息传输到DSP片上信号处理单元5上，DSP片上信号处理单元5通过全波形分析得到光斑中心位置，给出多个障碍物目标方位信息，用于立体成像。
进一步的实施例中，所述的全波形分析模块4计算光斑偏移确定光斑中心方法如下：
当光斑中心偏离四象限探测器中心时，假设以四象限探测器原点为中心建立坐标系，假设光斑中心为(x0,y0)，则四象限探测器在x轴和y轴方向输出位置(σx,σy)为：
Figure BDA0002565428560000031
Figure BDA0002565428560000032
Figure BDA0002565428560000033
Figure BDA0002565428560000034
Figure BDA0002565428560000035
Figure BDA0002565428560000036
当x0＜＜r时，将式(3)-(6)带入式(1)、(2)可得：
x轴y轴的输出位置(σx,σy)近似于：
Figure BDA0002565428560000037
Figure BDA0002565428560000038
计算出光斑中心坐标(x0,y0)：
Figure BDA0002565428560000039
Figure BDA00025654285600000310
其中，r为光斑半径，Ui(i＝1,2,3,4)为四个象限的电压,Ii(i＝1,2,3,4)为四个象限的电流，Si(i＝1,2,3,4)为四个象限的光斑面积。
进一步的实施例中，所述四象限探测组件2采用OSQ500的PIN型四象限探测器。在实施例中，该探测器光敏面的形状为圆形，直径为8mm，有效测量面积为50mm2，死区宽度为50μm。
进一步的实施例中，所述锥面反射镜8镀有905nm波段的全反膜。在实施例中，锥面反射镜8直径约为20cm，高度为10cm，反射率为99.9％。
进一步的实施例中，所述共孔径激光发射单元1的有效光学口径为30mm，发射视场10mrad，接收视场为15mrad，发射功率为65W，距离分辨率为0.1米。
本发明的工作原理如下：
共孔径激光发射单元的激光二极管发出905nm波段脉冲的激光束，激光分别经过45°分光镜和锥面反射镜反射后呈360°向四周发射，倘若在某方向存在障碍物，则该方向发出的激光会遇到障碍物反射，产生的激光回波会逆着光路穿过共光路镜筒，穿过45°分光镜被四象限探测组件探测到。四象限探测组件通过鉴别激光回波和激光飞行时间实现对障碍物距离的测量。并把距离信号传输给四通道AD转换器，进行数模转换后进行全波形分析。DSP片上信号处理单元通过全波形分析得到光斑中心位置，给出多个障碍物目标方位信息，进行立体成像。

Claims (8)

1.一种360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，包括共孔径激光发射单元、四象限探测组件、共光路镜筒、汇聚透镜、45°分光镜、锥面反射镜、全波形分析模块、四通道AD转换组件以及信号处理单元；
所述共孔径激光发射单元在45°分光镜的反射轴线上，且共孔径激光发射单元的发射轴和45°分光镜的反射轴垂直，所述45°分光镜设置在锥面反射镜轴线上且与锥面反射镜的轴线成45°角；所述45°全反镜设置在共光路镜筒内；所述共光路镜筒开有三个端口，一个端口朝向锥面反射镜且和锥面反射镜共轴，第二个端口朝向共孔径激光发射单元且与共孔径激光发射单元共轴，第三个端口朝向四象限探测组件且和四象限探测组件的光轴共轴；所述的四象限探测组件、汇聚透镜设置在45°分光镜透射轴线上，且四象限探测组件的光轴和锥面反射镜的光轴重合，所述的四象限探测组件和四通道AD转换组件相连，四通道AD组件转换和全波形分析模块相连。
2.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述全波形分析模块进行全波形分析，计算光斑偏移确定光斑中心，所述信号处理单元出多个障碍物目标方位信息，用于立体成像。
3.根据权利要求2所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述的全波形分析模块计算光斑偏移确定光斑过程如下：
以四象限探测器原点为中心建立坐标系，假设光斑中心为(x0,y0)，则四象限探测器在x轴和y轴方向输出位置(σx,σy)为：
Figure FDA0002565428550000011
Figure FDA0002565428550000012
Figure FDA0002565428550000013
Figure FDA0002565428550000014
Figure FDA0002565428550000015
Figure FDA0002565428550000021
输出位置(σx,σy)：
Figure FDA0002565428550000022
Figure FDA0002565428550000023
计算出光斑中心坐标(x0,y0)：
Figure FDA0002565428550000024
Figure FDA0002565428550000025
其中，r为光斑半径，Ui(i＝1,2,3,4)为四个象限的电压,Ii(i＝1,2,3,4)为四个象限的电流，Si(i＝1,2,3,4)为四个象限的光斑面积。
4.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述四象限探测组件采用OSQ500的PIN型四象限探测器。
5.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述四象限探测组件光敏面的形状为圆形，直径为8mm，有效测量面积为50mm2，死区宽度为50μm。
6.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述锥面反射镜镀有905nm波段的全反膜。
7.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述锥面反射镜直径约为20cm，高度为10cm，反射率为99.9％。
8.根据权利要求1所述的360°环视的低成本立体成像传感器，其特征在于，所述共孔径激光发射单元的有效光学口径为30mm，发射视场10mrad，接收视场为15mrad，发射功率为65W，距离分辨率为0.1米。
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