CN112462374A - 高扫描频率激光雷达 - Google Patents

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何赛灵
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Abstract

本发明公开一种高扫描频率激光雷达，包括固定平台和圆形旋转平台，固定平台作为圆形旋转平台的底座，固定平台设有电源、电机、数据处理模块，电机用于驱动圆形旋转平台，圆形旋转平台设有电路控制模块和若干个激光测距模块，激光测距模块按角度均匀分布在圆形旋转平台上，电路控制模块通过有线或者无线的方式从固定平台上获取电源，再为每个激光测距模块提供电源，电路控制模块接收数据处理模块的指令，控制每个激光测距模块进行测量，然后将收集的测量结果通过有线或者无线的方式传输到固定平台上的数据处理模块。本发明可实现激光雷达高频率扫描，同时具有成本低、结构简单、分辨率高、对硬件系统要求低的特点。

Description

高扫描频率激光雷达
技术领域
本发明属于雷达测绘领域，涉及一种高扫描频率激光雷达。
背景技术
激光雷达系统通过向物体发射激光信号，接收由物体反射回的激光信号，并对光信号进行分析。根据发射信号和接收信号之间的时间差可得物体的相关性质，如距离、方位等。激光雷达系统可以在降低角度分辨率的前提下，提高电机旋转速度，从而提高扫描频率。若是在保证角分辨率的前提下来提高激光雷达的扫描频率，就需要等比例提高激光雷达的测量频率和旋转速度。但是激光雷达的测量频率提高十分困难，它受到激光和光探测器的器件响应频率的限制。激光雷达旋转速度的提高需要加快激光雷达的扫描旋转机构，受到激光雷达电机最大转速的限制。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种高扫描频率激光雷达，通过在圆形旋转平台上增加测距模块，达到激光雷达扫描频率倍增的效果，具有结构简单，成本低，分辨率高等特点。
一种高扫描频率激光雷达，包括一个固定平台和一个圆形旋转平台，固定平台作为圆形旋转平台的底座，固定平台设有电源、电机、数据处理模块，电机用于驱动圆形旋转平台，圆形旋转平台设有电路控制模块和若干个激光测距模块，激光测距模块按角度均匀分布在圆形旋转平台上，电路控制模块通过有线或者无线的方式从固定平台上获取电源，再为每个激光测距模块提供电源，电路控制模块接收数据处理模块的指令，控制每个激光测距模块进行测量，然后将收集的测量结果通过有线或者无线的方式传输到固定平台上的数据处理模块；激光测距模块包括激光器、会聚透镜或者会聚反射镜、光探测器，激光器出射激光，激光遇到物体返回，经过会聚透镜或者会聚反射镜，聚焦到光探测器上。
所述的固定平台和圆形旋转平台的电源供应和数据传输，通过有线或者无线的方式实现，有线的电源供应和数据传输采用滑环的结构，无线的电源供应通过电磁感应线圈，无线的输出传输通过无线光通信模组。
所述的激光测距模块彼此独立，相邻角间距相等，一个扫描周期为单测距模块扫描周期的1/N。
所述的激光测距模块包括三种模式：
（1）激光器镶嵌在会聚透镜中央，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过透镜会聚到光探测器上；
（2）激光器放置在会聚反射镜焦点前端，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过反射镜会聚到光探测器上；
（3）激光器放置在会聚透镜一侧，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过透镜会聚到光探测器上。
本发明的有益效果：
(1)本发明提出的高扫描频率激光雷达，通过在圆形旋转平台上均匀分布N个独立的激光测距模块，从而使扫描频率提高了N倍。
(2)本发明提高了扫描频率的同时无需提高电机的转动速度。
附图说明
图1为高扫描频率激光雷达的一种结构框图。
图2为高扫描频率激光雷达2倍扫描频率圆形旋转平台结构示意图。
图3为高扫描频率激光雷达3倍扫描频率圆形旋转平台结构示意图。
图4为高扫描频率激光雷达中基于会聚透镜的激光测距模块的结构示意图，激光器位于会聚透镜中央。
图5为高扫描频率激光雷达中基于会聚镜的激光测距模块的结构示意图，激光器放置在焦点前端。
图6为高扫描频率激光雷达中基于会聚透镜的激光测距模块的结构示意图，激光器位于会聚透镜一侧。
图中，1-固定平台、2-圆形旋转平台、3-激光测距模块、4-电路控制模块、5-电源、6-电机、7-数据处理模块、8-激光器、9-会聚透镜、10-探测器、11-会聚反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
图1展示了本发明的系统结构框架图。此激光雷达由固定平台1和圆形旋转平台2两个部分构成。固定平台1作为激光雷达的底座，包括电源5、电机6、数据处理模块7。圆形旋转平台2被电机6驱动着旋转。圆形旋转平台2上有N个独立的激光测距射模块3和1个电路驱动模块4。各个测距模块均匀分布在圆形转台上，把圆形转台按角度平分；独立的激光测距模块彼此之间角间距相等，一个扫描周期为单测距模块扫描周期的1/N。圆形旋转平台2的电源和数据通过有线或者无线的形式与固定平台1进行连接。如果旋转模块的旋转频率为f，那么图中所示的激光雷达的扫描频率为Nf。
图1中固定平台1与圆形旋转平台2的有线连接采用滑环结构。滑环的转子部分安装在圆形旋转平台2上，滑环的定子部分安装在固定平台1上。滑环的电源线和数据线分别连接圆形旋转平台2和固定平台1，实现有线的电源供应和数据传输。
图1中固定平台1与圆形旋转平台2的无线电源供应传递通过电磁感应线圈，无线数据传输通过无线光通信模组。电源模块5和电路驱动模块6包含匹配的电磁感应线圈实现电能的无线传递。数据处理模块7和电路驱动模块6包含无线光通信模块实现无线的数据传输。
图1中的电路驱动模块4，接收电源模块5提供的电源，为每个激光测距模块3供电。电路驱动模块4，接收数据处理模块7的测距指令，按触发所有激光测距模块的测距功能，然后将收集得到的每个激光测距模块的数据，整体返回给数据处理模块7。数据处理模块7将每个测距模块的距离转化到以圆形旋转平台中心为零的距离，并且为每个距离添加对应的测量方位角，和当前的时间戳。数据处理模块7将处理好的数据传递给外部设备使用。
图2 展示了本发明的两倍扫描频率激光测距模块的布局示意图。两个激光测距模块3，背对背放置。每一时刻t，分别收集两个激光测距模块的数据。这样圆形旋转平台只要旋转180度，两个激光测距数据结合，就会得到360度的数据。
图3 展示了本发明的三倍扫描频率激光测距模块的布局示意图。三个激光测距模块3，相隔120度放置。每一时刻t，分别收集三个激光测距模块的数据。这样圆形旋转平台只要旋转120度，三个激光测距数据融合，就会得到周围一圈的数据。
图4展示了本发明的一种激光测距模块的结构示意图。激光测距模块包含激光器8，会聚透镜9，光探测器10。激光器镶嵌在会聚透镜中央，出射激光。激光信号照射到物体之后反射回会聚透镜9，聚焦到光探测器10上。通过测量出射激光和接收到激光的时间差，就能获得被激光照到物体的距离。
图5展示了本发明的一种激光测距模块的结构示意图。激光测距模块包含激光器8，会聚反射镜11，光探测器10。激光器放置在焦点前端，出射激光。激光信号照射到物体之后反射回会聚反射镜11，聚焦到光探测器10上。通过测量出射激光和接收到激光的时间差，就能获得被激光照到物体的距离。
图6展示了本发明的一种激光测距模块的结构示意图。激光测距模块包含激光器8，会聚透镜9，光探测器10。激光器在会聚透镜一侧，出射激光。激光信号照射到物体之后反射回会聚透镜10，聚焦到光探测器10上。通过测量出射激光和接收到激光的时间差，就能获得被激光照到物体的距离。
激光测距模块如图4、图5和图6所示，可以在实际激光雷达中相互替换。激光测距模块3是由激光器8，会聚透镜9（或者会聚反射镜11）以及探测器10组成。激光器8可以位于会聚透镜9中央或者一侧。激光器8也可以位于会聚反射镜11中央。探测器11位于会聚透镜9或者会聚反射镜11的焦点处。首先由激光器8发射出一束激光信号，激光信号照射到物体之后反射回会聚透镜9（或者会聚反射镜11），并被其聚焦到探测器10上。电路控制模块控制激光器8的发射时间，以及基于探测器10接收到的数据时间，计算得到物体和激光测距模块3的距离。之后将数据传输到数据处理芯片7中。数据处理芯片7将多个激光测距模块3的测量距离转换到同一坐标系下，从而实现扫描频率的倍化。

Claims (4)

1.一种高扫描频率激光雷达，其特征在于：包括一个固定平台和一个圆形旋转平台，固定平台作为圆形旋转平台的底座，固定平台设有电源、电机、数据处理模块，电机用于驱动圆形旋转平台，圆形旋转平台设有电路控制模块和若干个激光测距模块，激光测距模块按角度均匀分布在圆形旋转平台上，电路控制模块通过有线或者无线的方式从固定平台上获取电源，再为每个激光测距模块提供电源，电路控制模块接收数据处理模块的指令，控制每个激光测距模块进行测量，然后将收集的测量结果通过有线或者无线的方式传输到固定平台上的数据处理模块；激光测距模块包括激光器、会聚透镜或者会聚反射镜、光探测器，激光器出射激光，激光遇到物体返回，经过会聚透镜或者会聚反射镜，聚焦到光探测器上。
2.根据权利要求1所描述的高扫描频率激光雷达，其特征在于：所述的固定平台和圆形旋转平台的电源供应和数据传输，通过有线或者无线的方式实现，有线的电源供应和数据传输采用滑环的结构，无线的电源供应通过电磁感应线圈，无线的输出传输通过无线光通信模组。
3.根据权利要求1所描述的高扫描频率激光雷达，其特征在于：所述的激光测距模块彼此独立，相邻角间距相等，一个扫描周期为单测距模块扫描周期的1/N。
4.根据权利要求1所描述的高扫描频率激光雷达，其特征在于：所述的激光测距模块包括三种模式：
（1）激光器镶嵌在会聚透镜中央，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过透镜会聚到光探测器上；
（2）激光器放置在会聚反射镜焦点前端，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过反射镜会聚到光探测器上；
（3）激光器放置在会聚透镜一侧，出射激光，遇到物体返回的激光重新经过透镜会聚到光探测器上。
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