CN112213736A - 一种三维目标成像激光雷达装置及目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维目标成像激光雷达装置及目标探测方法，装置包括激光器阵列，反射镜A，反射镜B，转镜，转镜旋转轴，接收透镜组，面阵探测器，面阵探测器的靶面，以及控制和数据处理系统；反射镜B固定在接收透镜组的接收镜面中心处；激光器阵列发出的激光束同轴，该激光束经过反射镜A和反射镜B后，与接收透镜组的光轴平行；面阵探测器的靶面位于接收透镜组的焦面上，并且面阵探测器的靶面中心位于接收透镜组的焦点上；转镜旋转轴与接收透镜组的光轴垂直，同时转镜旋转轴位于转镜的中心，且转镜可跟随转镜旋转轴旋转；激光器阵列、面阵探测器和转镜旋转轴通过线缆与控制和数据处理系统电性连接。本发明可实现周边空间区域的实时目标探测。

Description

一种三维目标成像激光雷达装置及目标探测方法

技术领域

本发明涉及激光雷达装置，尤其是一种三维目标成像激光雷达装置及目标探测方法。

背景技术

大型光学系统一般由多个子系统构成，为提高光学系统的整体性能指标，须实现各个分系统的精确耦合，包括光瞳和光轴的耦合。目前在不同光学系统耦合过程中，操作人员一般是借助白板通过肉眼判断光瞳是否完全耦合，然后在系统光路走向中顺着找光轴是否耦合。

为保证人员及设备安全，不同光学设备耦合过程中，一般使用弱光实现光瞳及光轴的对接，有时候光源很弱，或者是由于作业环境导致的环境光较强，系统对接所用光源完全淹没在环境光中，很难分辨，有时候人眼不能直接看到光源，因此在各个光学系统光瞳对接过程中，给操作人员带来了很大的不便，不利于各个系统的精确光瞳对接。

有时候光学系统的视场较小，能被探测器发现的视场仅为毫弧度量级，因此在不同光学系统光轴对接过程中，需要粗对准初步将光轴对准到探测器发现的视场范围。

综上所述，提高弱光、近红外及远红外波段的光瞳、光轴探测过程中的灵敏性和可操作性，对实际工程应用具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种三维目标成像激光雷达装置及目标探测方法，可实现周边空间区域的实时目标探测。

本发明采用的一种三维目标成像激光雷达装置，包括：激光器阵列，反射镜A，反射镜B，转镜，转镜旋转轴，接收透镜组，面阵探测器，面阵探测器的靶面，以及控制和数据处理系统；所述反射镜B固定在接收透镜组的接收镜面中心处；激光器阵列发出激光束同轴，该激光束经过反射镜A和反射镜B后，与接收透镜组的光轴平行；面阵探测器的靶面位于接收透镜组的焦面上，并且面阵探测器的靶面中心位于接收透镜组的焦点上；所述转镜旋转轴与接收透镜组的光轴垂直，同时所述转镜旋转轴位于转镜的中心，且转镜可跟随转镜旋转轴旋转；所述激光器阵列、面阵探测器和转镜旋转轴通过线缆与控制和数据处理系统电性连接；所述激光器阵列包括固定在固定装置中的M个光轴平行的激光器，M≥2且M为整数。

进一步地，每个激光器均为脉冲体制激光器，并且每个激光器的波长和重复频率均相同。

进一步地，所述转镜为具有N个面的棱柱镜，N≥3且N为整数。

进一步地，所述转镜为MEMS振镜。

进一步地，所述三维目标成像激光雷达装置还包括箱体及支撑装置；所述激光器阵列，反射镜A，反射镜B，转镜，转镜旋转轴，接收透镜组，面阵探测器，面阵探测器的靶面，以及控制和数据处理系统均位于箱体及支撑装置上。

进一步地，所述箱体及支撑装置安装在一个可沿x轴，y轴，z轴运动的运动平台上。

本发明还提供基于上述的三维目标成像激光雷达装置的目标探测方法，包括如下步骤：

S1，控制和数据处理系统控制转镜旋转轴带动转镜旋转到初始位置；

S2，控制和数据处理系统控制激光器阵列发出激光脉冲，并记录发出激光脉冲的时刻t1；

S3，激光脉冲经反射镜A、反射镜B和转镜后，入射到探测目标表面，反射回光经转镜和接收透镜组后进入面阵探测器的靶面；

S4，面阵探测器在收到反射回光时发送探测数据至控制和数据处理系统；

S5，控制和数据处理系统对探测数据进行数据处理分析，获得探测目标表面位置对应的反射回光探测时刻t2(x,y)；

S6，控制和数据处理系统根据t1和t2(x,y)计算探测目标的位置分布；

S7，控制和数据处理系统控制转镜旋转轴带动转镜旋转，并重复步骤S2～S6，获得扫描区域内所有探测目标的位置分布。

进一步地，步骤S6中，所述根据t1和t2(x,y)计算探测目标的位置分布的计算公式如下：

其中，l(x,y)为探测目标的位置分布，c为光速。

进一步地，所述控制和数据处理系统控制激光器阵列中的激光器先后发出激光脉冲。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明可实现周边空间区域内实时的目标探测，适用于车载、机载或舰载平台上对1～100km距离内，0～60°空间角范围内，运动或静止的目标探测和三维目标成像。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一些实施例的三维目标成像激光雷达装置的结构示意图。

图2为本发明一些实施例的激光器阵列的结构示意图。

图3为基于本发明一些实施例的三维目标成像激光雷达装置进行目标探测时的示意图。

附图标记：1-激光器阵列、2-反射镜A、3-反射镜B、4-转镜、5-旋转轴、6-接收透镜组、7-面阵探测器、8-靶面、9-控制和数据处理系统、10-箱体及支撑装置、11-固定装置、12-激光器A、13-激光器B、14-激光器C、15-激光器D、16-探测目标。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种三维目标成像激光雷达装置，包括：激光器阵列1，反射镜A2，反射镜B3，转镜4，转镜旋转轴5，接收透镜组6，面阵探测器7，面阵探测器7的靶面8，以及控制和数据处理系统9；所述反射镜B3固定在接收透镜组6的接收镜面中心处；激光器阵列1发出激光束同轴，该激光束经过反射镜A2和反射镜B3后，与接收透镜组6的光轴平行；面阵探测器7的靶面8位于接收透镜组6的焦面上，并且面阵探测器7的靶面8中心位于接收透镜组6的焦点上；所述转镜旋转轴5与接收透镜组6的光轴垂直，同时所述转镜旋转轴5位于转镜4的中心，且转镜4可跟随转镜旋转轴5旋转；所述激光器阵列1、面阵探测器7和转镜旋转轴5通过线缆与控制和数据处理系统9电性连接。

所述激光器阵列1包括固定在固定装置11中的M个光轴平行的激光器，M≥2且M为整数。

如图2所示是一种具有4个激光器的激光器阵列1；由固定装置11，激光器A12、激光器B13、激光器C14和激光器D15组成；激光器A12、激光器B13、激光器C14和激光器D15固定在固定装置11上，激光器A12、激光器B13、激光器C14和激光器D15的光轴平行。

需要注意的是，所有激光器光轴一致，且有相同的发散角，通过反射镜A2和反射镜B3，各激光器发散角重合的部分范围和面阵探测器7的视场范围一致

实施例2

实施例1中，每个激光器均为脉冲体制激光器，并且每个激光器的波长和重复频率均相同。每个激光器可以由控制和数据处理系统9进行单独控制。

实施例3

所述转镜4为具有N个面的棱柱镜，N≥3且N为整数。

如图1所示是一种4个面的棱柱镜，4个面均为光学表面，对激光器的光具有较高反射率。

实施例4

所述转镜4也可以是MEMS振镜。在使用时，保证MEMS振镜的镜面随着转镜旋转轴5旋转即可。

实施例5

如图1所示，所述三维目标成像激光雷达装置还包括箱体及支撑装置10；所述激光器阵列1，反射镜A2，反射镜B3，转镜4，转镜旋转轴5，接收透镜组6，面阵探测器7，面阵探测器7的靶面8，以及控制和数据处理系统9均位于箱体及支撑装置10上。

进一步地，所述箱体及支撑装置10安装在一个可沿x轴，y轴，z轴运动的运动平台上，随运动平台的运动方向，可得到任意区域探测目标16的位置分布。

实施例6

基于实施例1～5实现的三维目标成像激光雷达装置，实现一种目标探测方法，包括如下步骤：

S1，控制和数据处理系统9控制转镜旋转轴5带动转镜4旋转到初始位置(例如图3中的位置)；为了便于控制，控制和数据处理系统9能够记录转镜旋转轴5的旋转角度；

S2，控制和数据处理系统9控制激光器阵列1发出激光脉冲，并记录发出激光脉冲的时刻t1；

S3，激光脉冲经反射镜A2、反射镜B3和转镜4后，入射到探测目标16表面，反射回光经转镜4和接收透镜组6后进入面阵探测器7的靶面8；

S4，面阵探测器7在收到反射回光时发送探测数据至控制和数据处理系统9；

S5，控制和数据处理系统9对探测数据进行数据处理分析，获得探测目标16表面位置对应的反射回光探测时刻t2(x,y)；

S6，控制和数据处理系统9根据t1和t2(x,y)计算探测目标16的位置分布；所述根据t1和t2(x,y)计算探测目标16的位置分布的计算公式如下：

其中，l(x,y)为探测目标16的位置分布，c为光速。

S7，控制和数据处理系统9控制转镜旋转轴5带动转镜4旋转，并重复步骤S2～S6，获得扫描区域内所有探测目标16的位置分布。

实施例7

在实施例6的步骤S2中，所述控制和数据处理系统9控制激光器阵列1中的激光器先后发出激光脉冲，可以提高激光器的重复频率。另外，可以通过提高转镜旋转轴5的旋转速度来提高扫描速度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，包括：激光器阵列(1)，反射镜A(2)，反射镜B(3)，转镜(4)，转镜旋转轴(5)，接收透镜组(6)，面阵探测器(7)，面阵探测器(7)的靶面(8)，以及控制和数据处理系统(9)；所述反射镜B(3)固定在接收透镜组(6)的接收镜面中心处；激光器阵列(1)发出激光束同轴，该激光束经过反射镜A(2)和反射镜B(3)后，与接收透镜组(6)的光轴平行；面阵探测器(7)的靶面(8)位于接收透镜组(6)的焦面上，并且面阵探测器(7)的靶面(8)中心位于接收透镜组(6)的焦点上；所述转镜旋转轴(5)与接收透镜组(6)的光轴垂直，同时所述转镜旋转轴(5)位于转镜(4)的中心，且转镜(4)可跟随转镜旋转轴(5)旋转；所述激光器阵列(1)、面阵探测器(7)和转镜旋转轴(5)通过线缆与控制和数据处理系统(9)电性连接；所述激光器阵列(1)包括固定在固定装置(11)中的M个光轴平行的激光器，M≥2且M为整数。

2.根据权利要求1所述的三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，每个激光器均为脉冲体制激光器，并且每个激光器的波长和重复频率均相同。

3.根据权利要求1所述的三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，所述转镜(4)为具有N个面的棱柱镜，N≥3且N为整数。

4.根据权利要求1所述的三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，所述转镜(4)为MEMS振镜。

5.根据权利要求1所述的三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，所述三维目标成像激光雷达装置还包括箱体及支撑装置(10)；所述激光器阵列(1)，反射镜A(2)，反射镜B(3)，转镜(4)，转镜旋转轴(5)，接收透镜组(6)，面阵探测器(7)，面阵探测器(7)的靶面(8)，以及控制和数据处理系统(9)均位于箱体及支撑装置(10)上。

6.根据权利要求5所述的三维目标成像激光雷达装置，其特征在于，所述箱体及支撑装置(10)安装在一个可沿x轴，y轴，z轴运动的运动平台上。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的三维目标成像激光雷达装置的目标探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，控制和数据处理系统(9)控制转镜旋转轴(5)带动转镜(4)旋转到初始位置；

S2，控制和数据处理系统(9)控制激光器阵列(1)发出激光脉冲，并记录发出激光脉冲的时刻t1；

S3，激光脉冲经反射镜A(2)、反射镜B(3)和转镜(4)后，入射到探测目标(16)表面，反射回光经转镜(4)和接收透镜组(6)后进入面阵探测器(7)的靶面(8)；

S4，面阵探测器(7)在收到反射回光时发送探测数据至控制和数据处理系统(9)；

S5，控制和数据处理系统(9)对探测数据进行数据处理分析，获得探测目标(16)表面位置对应的反射回光探测时刻t2(x,y)；

S6，控制和数据处理系统(9)根据t1和t2(x,y)计算探测目标(16)的位置分布；

S7，控制和数据处理系统(9)控制转镜旋转轴(5)带动转镜(4)旋转，并重复步骤S2～S6，获得扫描区域内所有探测目标(16)的位置分布。

8.根据权利要求7所述的目标探测方法，其特征在于，步骤S6中，所述根据t1和t2(x,y)计算探测目标(16)的位置分布的计算公式如下：

其中，l(x,y)为探测目标(16)的位置分布，c为光速。

9.根据权利要求7所述的目标探测方法，其特征在于，所述控制和数据处理系统(9)控制激光器阵列(1)中的激光器先后发出激光脉冲。

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