CN113064137A - 一种定距离的高空间分辨率激光雷达及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种定距离的高空间分辨率激光雷达及探测方法，激光雷达包括发射光源、发射透镜、平移装置和摄像头；平移装置与发射光源或发射透镜连接，用于调节发射光源与发射透镜间的相对距离d1；摄像头用于采集不同探测距离的标定物图像，进而结合图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1预先标定，并存储探测距离与相对距离d1间的对应关系；当用户设定探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，通过平移装置将发射光源或发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。本方案可实现焦距可调的定距离激光雷达探测，而且有效减少固定距离处光斑尺寸，提高固定距离处目标的空间分辨率。

Description

一种定距离的高空间分辨率激光雷达及探测方法

技术领域

本发明属于激光探测技术领域，更具体地，涉及一种定距离的高空间分辨率激光雷达及探测方法。

背景技术

激光雷达可用于获取周围环境的距离、角度、相对位置等空间信息，其主要原理是基于脉冲光信号在设备和目标之间的飞行时间进行反向计算。激光雷达是一种基于空间光学的探测设备，通过对光源所发光信号进行空间光路准直，并往外朝目标传输。当前的激光雷达都是基于透镜进行光路准直，呈平行光状态，但因为透镜孔径衍射等原因，所有的光路准直系统都有一定的光束发散角；这也就意味着，随着探测距离的延长，光斑尺寸也越来越大，对目标探测的空间分辨率也越来越差。

激光雷达的应用场景多种多样，有的设备要求探测距离灵活多变，不能固定在一个确定的距离；而有的设备要求探测距离固定，即使会改变，也是在较长时间周期内进行调整，但对空间分辨率要求较高，不能采用通用的准直光路设计。因此，针对后一种应用，需要修改现有激光雷达设备的准直光路设计，实现焦距可调的定距离激光雷达探测，并尽量将固定距离的探测光斑优化，以提高目标的空间分辨率。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种定距离的高空间分辨率激光雷达及探测方法，其目的在于通过调节激光雷达发射光学系统的焦距，将激光雷达的光斑成像聚焦在不同的探测距离上，以减少固定距离处光斑尺寸，提高目标的空间分辨率，由此解决传统准直光路设计存在的空间分辨率差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种定距离的高空间分辨率激光雷达，包括发射光源、发射透镜、平移装置和摄像头；

所述发射光源用于发出探测光信号，并经所述发射透镜后聚焦成像；

所述平移装置与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而调节所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1；

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1进行预先标定，并存储探测距离与相对距离d1间的对应关系；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

优选地，还包括位置传感器，所述位置传感器与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于监控所述发射光源或所述发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。

优选地，还包括数据寄存器和平移控制装置，且所述位置传感器、所述数据寄存器、所述平移控制装置和所述平移装置依次连接；

其中，所述数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d1间的对应关系；所述平移控制装置用于根据从所述数据寄存器中读取的相对距离d1控制所述平移装置，进而将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置。

第二方面，本发明提供了一种定距离的高空间分辨率探测方法，采用第一方面所述的高空间分辨率激光雷达，方法包括：

通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与发射透镜间的相对距离d1进行预先标定，并将探测距离与相对距离d1间的对应关系预先存储；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

优选地，所述通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与发射透镜间的相对距离d1进行预先标定，并将探测距离与相对距离d1间的对应关系预先存储，具体为：

选取多个不同的探测距离，并在每个探测距离处设置对应的标定物，当发射光源发出探测光信号后通过所述摄像头采集对应的标定物图像；

通过所述平移装置不断调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，直至标定物图像的清晰度达到最佳，找到光斑聚焦状态；

通过位置传感器监控此时所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而确定此时所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1，并将该探测距离与该相对距离d1间的对应关系存储在数据寄存器中。

第三方面，本发明还提供了另一种定距离的高空间分辨率激光雷达，包括发射光源、发射透镜组、平移装置和摄像头；

所述发射光源用于发出探测光信号，并经所述发射透镜组后聚焦成像；所述发射透镜组包括顺次设置的第一发射透镜和第二发射透镜；

所述平移装置与所述发射透镜组连接，分别用于调节所述第一发射透镜和所述第二发射透镜的位置，进而调节所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2，以及所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3；

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和d3进行预先标定，并分别存储探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d2和d3，进而通过所述平移装置将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

优选地，所述平移装置与所述发射透镜组间的连接方式具体为：

所述第一发射透镜安装在第一透镜固定件上，所述第二发射透镜安装在第二透镜固定件上，所述第一透镜固定件和所述第二透镜固定件安装在所述平移装置上；其中，所述平移装置通过独立移动每个透镜固定件使得对应的发射透镜移动，进而达到独立调节每个发射透镜位置的目的。

优选地，还包括第一位置传感器和第二位置传感器；

所述第一位置传感器与所述第一发射透镜固定连接，用于监控所述第一发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2；

所述第二位置传感器与所述第二发射透镜固定连接，用于监控所述第二发射透镜的实时位置，进而确定所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3。

优选地，还包括第一数据寄存器、第二数据寄存器和平移控制装置；

所述第一位置传感器、所述第一数据寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述第二位置传感器、所述第二寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述平移控制装置与所述平移装置连接；

其中，所述第一数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d2间的对应关系，所述第二数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d3间的对应关系；所述平移控制装置用于根据从所述第一数据寄存器中读取的相对距离d2以及从所述第二数据寄存器中读取的相对距离d3控制所述平移装置，进而将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置。

第四方面，本发明提供了一种定距离的高空间分辨率探测方法，采用第三方面所述的高空间分辨率激光雷达，方法包括：

通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与第一发射透镜间的相对距离d2以及第一发射透镜和第二发射透镜间的相对距离d3进行预先标定，并分别将探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系预先存储；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系分别确定该探测距离对应的相对距离d2和相对距离d3，进而通过所述平移装置将第一发射透镜和/或第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明对现有激光雷达设备的光路设计进行改进，将激光雷达的光学系统设计成调焦的模式，提供了一种定距离的高空间分辨率激光雷达。通过改变发射光源和发射透镜之间的相对距离，将激光雷达的光斑成像聚焦在不同的探测距离上，不仅可实现焦距可调的定距离激光雷达探测，而且可以有效减少固定距离处光斑尺寸，提高固定距离处探测目标的空间分辨率，分辨更为精细的固定距离处的目标细节。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种激光雷达的光斑扫描效果示意图；

图2是本发明实施例提供的一种发射光源处于发射透镜前焦面时的探测示意图；

图3是本发明实施例提供的一种发射光源远离发射透镜前焦面时的探测示意图；

图4是本发明实施例提供的一种发射光源的结构件连接示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于发射透镜的探测方法流程图；

图6是本发明实施例提供的一种基于发射透镜组的探测示意图；

图7是本发明实施例提供的一种发射透镜组的结构件连接示意图；

图8是本发明实施例提供的一种基于发射透镜组的探测方法流程图。

具体实施方式

当探测距离为某个固定距离时，激光雷达的光斑扫描效果如图1所示，其中Δd是相邻光斑的中心间距，代表扫描装置在该固定距离的最小扫描距离；D是光斑的外径尺寸，代表探测光斑在该固定距离处的光斑大小。上述两个量的计算公式分别如下所示：

Δd＝dtan(Δθ) (1)

其中，d为探测目标和激光雷达设备之间的距离，也就是探测距离；Δθ为激光雷达扫描装置的旋转角度分辨率，φ为激光雷达的出射光斑尺寸，

为激光雷达出射光束的发散角度。对激光雷达设备而言，其在距离d处能够有效分辨的最小目标尺寸Φ为：

Φ＝D+Δd (3)

从式(3)可以看出，要想优化激光雷达可有效分辨的最小目标尺寸Φ，可以采用两种技术：1)减小扫描装置的最小角度分辨率，即减小Δθ；2)减小目标处的激光光斑尺寸，即减小φ。其中，技术1)是由扫描装置决定，技术2)由光学系统决定，这也正是本发明要解决的技术问题。

如图2和图3所示，发射光源发出探测光信号，经由发射透镜后发出；发射光源可安装在平移装置上，以便实现其位置移动。当发射光源处于发射透镜的前焦面时，探测信号刚好被准直输出，如图2所示；当发射光源远离发射透镜的前焦面时，发射光源会在远方某个具体距离处被成像。被准直的光斑在距离d处的大小如式(2)所示，发射光源在距离d处的成像光斑大小ω'为：

其中，ω为发射光源的出射孔径，f为发射透镜的焦距。激光雷达的各个应用领域中，有的不需要进行全距离的大范围扫描，只需要对特定距离进行针对性的监控性扫描，因此可以针对特定距离的光斑进行优化，减小特定距离处的扫描光斑尺寸；而优化的最佳效果就是使激光雷达的光斑在该特定距离上成像聚焦。

基于上述原理，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1

为解决传统准直光路设计存在的空间分辨率差的技术问题，本发明实施例对现有激光雷达设备的光路设计进行改进，将激光雷达的光学系统设计成调焦的模式，提供了一种定距离的高空间分辨率激光雷达，实现焦距可调的定距离激光雷达探测。

结合图3，本发明实施例提供的激光雷达主要包括发射光源、发射透镜、平移装置和摄像头。其中：

所述发射光源用于发出探测光信号，并可经所述发射透镜后聚焦成像。

所述平移装置与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而可调节所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。此处以所述平移装置与所述发射光源连接为例，将所述发射光源安装在所述平移装置上，如图3所示，则所述平移装置主要通过调节所述发射光源的位置来调节所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。当然，在可选实施例中也可设置两个平移装置，分别与所述发射光源和所述发射透镜连接，两个平移装置共同作用来调节相对距离d1。

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1进行预先标定，并存储探测距离与相对距离d1间的对应关系。具体应用时可预先选取多个探测距离，每个探测距离处设有对应的标定物；在每个探测距离下可利用所述摄像头采集对应的标定物图像，然后根据标定物图像清晰度寻找聚焦状态，具体可通过所述平移装置不断调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，直至标定物图像的清晰度达到最佳，此时认为光斑聚焦，记录下此时所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离，即为该探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1。

其中，所述摄像头的光轴与所述激光雷达的光轴需保持同轴，例如可按照如图3所示进行所述摄像头的安装设置，具体可在所述发射光源与所述发射透镜之间设置一分光片，所述分光片的分光比可根据实际需求进行设置；探测返回的光信号到达所述分光片后，按照设定的分光比进行分光，其中一部分光到达所述摄像头，因此所述摄像头可采集到图像。

基于上述激光雷达结构，当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

进一步结合图4，本发明实施例提供的激光雷达还包括位置传感器、数据寄存器和平移控制装置，且所述位置传感器、所述数据寄存器、所述平移控制装置和所述平移装置依次连接。其中：

所述位置传感器与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于监控所述发射光源或所述发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。图3中是以所述平移装置与所述发射光源连接为例，则此处相应地以所述位置传感器与所述发射光源连接，以便监控所述发射光源的实时位置，如图4所示。

所述数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d1间的对应关系。

所述平移控制装置用于根据从所述数据寄存器中读取的相对距离d1控制所述平移装置，进而将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置。

其中，为保证定位的高精度，所述位置传感器可优选采用电容式位置传感器，使其定位精度可以达到微米级别。所述电容式位置传感器通过电容探测器获取所述发射光源或所述发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。以图4为例，所述电容式位置传感器与发射光源连接，并通过电容探测器获取所述发射光源的实时位置，具体是通过电容值来表征位置。

继续结合图4，在实际使用时，首先结合所述摄像头和所述平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1进行预先标定，然后根据标定结果将探测距离与相对距离d1的对应关系以及相对距离d1与电容值的对应关系预先存储在所述数据寄存器中；当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进一步确定该相对距离d1对应的电容值，然后将对应的电容值发送给所述平移控制装置，由所述平移控制装置来控制所述平移装置，将所述发射光源移动到指定位置，即移动到该电容值对应的位置，完成定距离的光斑聚焦。

本发明实施例对现有激光雷达设备的光路设计进行改进，将激光雷达的光学系统设计成调焦的模式，通过改变发射光源和发射透镜之间的相对距离，将激光雷达的光斑成像聚焦在不同的探测距离上，不仅实现焦距可调的定距离激光雷达探测，而且可以有效减少固定距离处光斑尺寸，有效提高固定距离处探测目标的空间分辨率，分辨更为精细的固定距离处的目标细节。

实施例2

在上述实施例1的基础上，本发明实施例进一步提供了一种定距离的高空间分辨率探测方法，可采用实施例1中所述的激光雷达来完成。如图5所示，所述探测方法主要包括：

步骤101，通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与发射透镜间的相对距离d1进行预先标定，并将探测距离与相对距离d1间的对应关系预先存储。

首先，根据实际需求选取多个不同的探测距离，并在每个探测距离处设置对应的标定物，当发射光源发出探测光信号后即可通过所述摄像头采集对应的标定物图像。

然后，根据标定物图像清晰度寻找聚焦状态，具体可通过所述平移装置来不断调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，直至标定物图像的清晰度达到最佳，此时可认为找到光斑聚焦状态。

最后，通过所述位置传感器监控此时所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而确定此时所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1，并将该探测距离与该相对距离d1间的对应关系预先存储在所述数据寄存器中。

其中，在选取探测距离时，可直接根据需求选取大量不同的探测距离，每个探测距离下分别确定光斑聚焦时对应的相对距离d1，进而保存大量的对应关系；例如，可从50-500距离范围内等间隔选取100个探测距离，分别预先标定后保存得到100组的对应关系。

在优选方案中，也可以先选取少量比较典型的探测距离，每个典型探测距离下分别确定光斑聚焦时对应的相对距离d1，得到少量的对应关系；然后根据这些对应关系拟合得到探测距离与相对距离d1间的关系曲线，根据关系曲线进一步得到大量的对应关系并保存。例如，可先选取50、100、150、200这四个探测距离，分别预先标定后得到4组对应关系；然后根据这4组对应关系进行拟合，得到探测距离与相对距离d1间的关系曲线；再选取100个探测距离，根据该关系曲线得到对应的100组对应关系。与第一种方案相比，第二种方案可节省前期大量探测距离预先标定的时间，提高预先标定的效率。

步骤102，当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

基于步骤101中在所述数据寄存器中保存的对应关系，当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接从所述数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d1，发送给所述平移控制装置；然后在所述位置传感器的监控下，由所述平移控制装置来控制所述平移装置将所述发射光源或发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

进一步以图4为例，当采用电容式位置传感器，且所述电容式位置传感器与发射光源连接时，所述电容式位置传感器通过电容探测器获取所述发射光源的实时位置，即通过电容值来表征位置。在这种情况下：

步骤101中过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1进行预先标定后，需要根据预先标定的结果，同时将探测距离与相对距离d1的对应关系以及相对距离d1与电容值的对应关系预先存储在所述数据寄存器中。

步骤102中当用户设定需要使用的探测距离时，先从所述数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d1，进一步确定该相对距离d1对应的电容值，并将该电容值发送给所述平移控制装置；然后在所述位置传感器的监控下，由所述平移控制装置来控制所述平移装置，使所述发射光源移动到该电容值对应的位置，完成定距离的光斑聚焦，进而完成定距离目标的高空间分辨率探测。

实施例3

在上述实施例1中，主要是通过调节发射光源与发射透镜之间的相对距离d1来实现激光雷达焦距可调，进而实现探测距离可调的功能；除此以外，还可通过采用发射透镜组来实现。

如图6所示，使用发射透镜组代替实施例1中的发射透镜，以两个发射透镜组合成的发射透镜组为例，沿探测光信号发射方向将两个发射透镜依次记为第一发射透镜和第二发射透镜，则发射透镜组的焦距如下所示：

其中，f为所述发射透镜组的等效发射焦距，f₁为所述第一发射透镜的焦距，f₂为所述第二发射透镜的焦距，Δl为两个发射透镜之间的距离。从式(5)可以看出，发射透镜组的焦距f随着两个发射透镜之间的距离Δl发生改变。因此，可以通过改变Δl来改变发射透镜组的焦距f。

基于上述原理，本发明实施例以双透镜组合为例，提供了一种定距离的高空间分辨率激光雷达，如图6所示，主要包括发射光源、发射透镜组、平移装置和摄像头。其中：

所述发射光源用于发出探测光信号，并经所述发射透镜组后聚焦成像。

所述发射透镜组包括沿探测光信号发射方向(即图6中由左向右方向)顺次设置的第一发射透镜和第二发射透镜，即靠近发射光源的为第一发射透镜，远离发射光源的为第二发射透镜。

所述平移装置与所述发射透镜组连接，如图6所示，可分别用于调节所述第一发射透镜和所述第二发射透镜的位置，进而调节所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2，以及所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3。当然，在可选实施例中也可设置两个平移装置，分别与所述发射光源和所述发射透镜组连接，可分别用于调节所述发射光源和所述发射透镜组中两个发射透镜的位置，两个平移装置共同作用来调节相对距离d2。

其中，所述平移装置可通过固定装置来与所述发射透镜组实现连接，所述固定装置包括第一透镜固定件和第二透镜固定件。结合图6，所述平移装置与所述发射透镜组间的连接方式具体为：所述第一发射透镜安装在第一透镜固定件上，所述第二发射透镜安装在第二透镜固定件上，所述第一透镜固定件和所述第二透镜固定件安装在所述平移装置上；其中，所述平移装置可独立移动每个透镜固定件使得对应的发射透镜移动，进而达到独立调节每个发射透镜位置的目的。

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和d3进行预先标定，并分别存储探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系。具体应用时可预先选取多个探测距离，每个探测距离处设有对应的标定物；在每个探测距离下可利用所述摄像头采集对应的标定物图像，然后根据标定物图像清晰度寻找聚焦状态，具体可通过所述平移装置不断调节所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜，直至标定物图像的清晰度达到最佳，此时认为光斑聚焦，记录下此时所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2，以及所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3，即为该探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和d3。

其中，所述摄像头的光轴与所述激光雷达的光轴需保持同轴，例如可按照如图6所示进行所述摄像头的安装设置，具体可在所述发射光源与所述发射透镜组之间设置一分光片，所述分光片的分光比可根据实际需求进行设置；探测返回的光信号到达所述分光片后，按照设定的分光比进行分光，其中一部分光到达所述摄像头，因此所述摄像头可采集到图像。

基于上述激光雷达结构，当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d2和d3，进而通过所述平移装置将将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

进一步结合图7，本发明实施例提供的激光雷达还包括第一位置传感器、第二位置传感器、第一数据寄存器、第二数据寄存器和平移控制装置，且所述第一位置传感器、所述第一数据寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述第二位置传感器、所述第二寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述平移控制装置与所述平移装置连接。其中：

所述第一位置传感器与所述第一发射透镜固定连接，具体可在所述第一透镜固定件的一端安装所述第一位置传感器，如图7所示，用于监控所述第一发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2。

所述第二位置传感器与所述第二发射透镜固定连接，具体可在所述第二透镜固定件的一端安装所述第二位置传感器，如图7所示，用于监控所述第二发射透镜的实时位置，进而确定所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3。

所述第一数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d2间的对应关系，所述第二数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d3间的对应关系。

所述平移控制装置用于根据从所述第一数据寄存器中读取的相对距离d2以及从所述第二数据寄存器中读取的相对距离d3控制所述平移装置，进而将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置。

其中，为保证定位的高精度，所述第一位置传感器和所述第二位置传感器均可优选采用电容式位置传感器，两个电容式位置传感器均通过电容探测器来获取对应发射透镜的实时位置，并将数据预先存储在对应的数据寄存器中。以图7为例，第一电容式位置传感器与所述第一透镜固定件连接，并通过第一电容探测器获取所述第一发射透镜的实时位置，具体是通过电容值来表征位置；第二电容式位置传感器与所述第二透镜固定件连接，并通过第二电容探测器获取所述第二发射透镜的实时位置，同样是通过电容值来表征位置。

继续结合图7，在实际使用时，首先结合所述摄像头和所述平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和相对距离d3进行预先标定，然后根据标定结果将探测距离与相对距离d2的对应关系、探测距离与相对距离d2的对应关系、相对距离d2与电容值的对应关系以及相对距离d3与电容值的对应关系均预先存储在所述数据寄存器中；当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d2和d3，进一步确定相对距离d2和d3分别对应的电容值，然后将对应的电容值发送给所述平移控制装置，由所述平移控制装置来控制所述平移装置，将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置，即移动到电容值对应的位置，完成定距离的光斑聚焦。

进一步地，本发明实施例主要是以双透镜组合为例说明，但并不用以限制本发明。在本发明实施例的基础上，所述发射透镜组中还可设置两个以上的发射透镜，通过与所述发射透镜组连接的平移装置可独立调节每个发射透镜的位置，进而调节每两个相邻发射透镜间的相对距离。具体使用过程可参考上述实施例，大致如下：结合摄像头和平移装置，可以对每个探测距离下光斑聚焦对应的所有相对距离进行预先标定，并将探测距离与每个相对距离的对应关系预先存储；当用户将所需要的探测距离输入到系统时，系统可自动根据对应关系读取出该探测距离对应的一系列相对距离，进而通过平移装置将发射透镜组中的各发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦，进而完成定距离目标的高空间分辨率探测。

本发明实施例对现有激光雷达设备的光路设计进行改进，采用发射透镜组来代替发射透镜，将激光雷达的光学系统设计成调焦的模式，通过改变发射透镜间的相对距离，将激光雷达的光斑成像聚焦在不同的探测距离上，不仅实现焦距可调的定距离激光雷达探测，而且可以有效减少固定距离处光斑尺寸，有效提高固定距离处探测目标的空间分辨率，分辨更为精细的固定距离处的目标细节。

实施例4

在上述实施例3的基础上，本发明实施例进一步提供了一种定距离的高空间分辨率探测方法，可采用实施例3中所述的双透镜组合的激光雷达来完成。如图8所示，所述探测方法主要包括：

步骤201，通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与第一发射透镜间的相对距离d2以及第一发射透镜和第二发射透镜间的相对距离d3进行预先标定，并分别将探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系预先存储。

首先，根据实际需求选取多个不同的探测距离，并在每个探测距离处设置对应的标定物，当发射光源发出探测光信号后即可通过所述摄像头采集对应的标定物图像。

然后，根据标定物图像清晰度寻找聚焦状态，具体可通过所述平移装置来不断调节第一发射透镜和/或第二发射透镜的位置，直至标定物图像的清晰度达到最佳，此时可认为找到光斑聚焦状态。

最后，通过所述第一位置传感器监控此时所述第一发射透镜的位置，进而确定此时所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2，并将该探测距离与该相对距离d2的对应关系预先存储在所述第一数据寄存器中；同时通过所述第二位置传感器监控此时所述第二发射透镜的位置，进而确定此时所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3，并将该探测距离与该相对距离d3的对应关系预先存储在所述第二数据寄存器中。

其中，在选取探测距离时，可直接根据需求选取大量不同的探测距离，每个探测距离下分别确定光斑聚焦时对应的相对距离d2和d3，进而保存大量的对应关系；例如，可从50-500距离范围内等间隔选取100个探测距离，分别预先标定后保存得到100组的对应关系。

在优选方案中，也可以先选取少量比较典型的探测距离，每个典型探测距离下分别确定光斑聚焦时对应的相对距离d2和d3，得到少量的对应关系；然后根据这些对应关系分别拟合得到探测距离与相对距离d2和d3间的关系曲线，根据关系曲线进一步得到大量的对应关系并保存。例如，可先选取50、100、150、200这四个探测距离，分别预先标定后得到4组对应关系；然后根据这4组对应关系进行拟合，分别得到探测距离与相对距离d2和d3间的关系曲线，再选取100个探测距离，根据该关系曲线得到对应的100组对应关系。与第一种方案相比，第二种方案可节省前期大量探测距离预先标定的时间，提高预先标定的效率。

步骤202，当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系分别确定该探测距离对应的相对距离d2和相对距离d3，进而通过所述平移装置将第一发射透镜和/或第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

基于步骤101中在所述数据寄存器中保存的对应关系，当用户通过上位机软件等设定需要使用的探测距离时，可直接从所述第一数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d2，从所述第一数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d3，统一发送给所述平移控制装置；然后在对应位置传感器的监控下，由所述平移控制装置来控制所述平移装置将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

进一步以图7为例，当两个位置传感器均采用电容式位置传感器时，第一电容式位置传感器通过第一电容探测器获取所述第一发射透镜的实时位置，第二电容式位置传感器通过第二电容探测器获取所述第二发射透镜的实时位置。在这种情况下：

步骤101中过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和d3进行预先标定后，需要根据预先标定的结果，同时将探测距离与相对距离d2的对应关系、相对距离d2与电容值的对应关系预先存储在所述第一数据寄存器中，将探测距离与相对距离d3的对应关系、相对距离d3与电容值的对应关系预先存储在所述第二数据寄存器中。

步骤102中当用户设定需要使用的探测距离时，先从所述第一数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d2，进一步确定该相对距离d2对应的第一电容值，并发送给所述平移控制装置；同时从所述第二数据寄存器中根据对应关系读取出该探测距离对应的相对距离d3，进一步确定该相对距离d3对应的第二电容值，并发送给所述平移控制装置。然后在所述第一电容式位置传感器的监控下，由所述平移控制装置来控制所述平移装置将所述第一发射透镜移动至第一电容值对应的位置；在所述第二电容式位置传感器的监控下，由所述平移控制装置来控制所述平移装置将所述第二发射透镜移动至第二电容值对应的位置，完成定距离的光斑聚焦，进而完成定距离目标的高空间分辨率探测。

本领域的技术人员容易理解，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 (10)

1.一种定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，包括发射光源、发射透镜、平移装置和摄像头；

所述发射光源用于发出探测光信号，并经所述发射透镜后聚焦成像；

所述平移装置与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而调节所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1；

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d1进行预先标定，并存储探测距离与相对距离d1间的对应关系；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

2.如权利要求1所述的定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，还包括位置传感器，所述位置传感器与所述发射光源或所述发射透镜连接，用于监控所述发射光源或所述发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1。

3.如权利要求2所述的定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，还包括数据寄存器和平移控制装置，且所述位置传感器、所述数据寄存器、所述平移控制装置和所述平移装置依次连接；

其中，所述数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d1间的对应关系；所述平移控制装置用于根据从所述数据寄存器中读取的相对距离d1控制所述平移装置，进而将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置。

4.一种定距离的高空间分辨率探测方法，其特征在于，采用如权利要求1-3任一所述的高空间分辨率激光雷达，方法包括：

通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与发射透镜间的相对距离d1进行预先标定，并将探测距离与相对距离d1间的对应关系预先存储；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d1，进而通过所述平移装置将所述发射光源或所述发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

5.如权利要求4所述的定距离的高空间分辨率探测方法，其特征在于，所述通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与发射透镜间的相对距离d1进行预先标定，并将探测距离与相对距离d1间的对应关系预先存储，具体为：

选取多个不同的探测距离，并在每个探测距离处设置对应的标定物，当发射光源发出探测光信号后通过所述摄像头采集对应的标定物图像；

通过所述平移装置不断调节所述发射光源或所述发射透镜的位置，直至标定物图像的清晰度达到最佳，找到光斑聚焦状态；

通过位置传感器监控此时所述发射光源或所述发射透镜的位置，进而确定此时所述发射光源与所述发射透镜间的相对距离d1，并将该探测距离与该相对距离d1间的对应关系存储在数据寄存器中。

6.一种定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，包括发射光源、发射透镜组、平移装置和摄像头；

所述发射光源用于发出探测光信号，并经所述发射透镜组后聚焦成像；所述发射透镜组包括顺次设置的第一发射透镜和第二发射透镜；

所述平移装置与所述发射透镜组连接，分别用于调节所述第一发射透镜和所述第二发射透镜的位置，进而调节所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2，以及所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3；

所述摄像头用于采集不同探测距离处的标定物图像，进而结合标定物图像清晰度对不同探测距离下光斑聚焦对应的相对距离d2和d3进行预先标定，并分别存储探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系确定该探测距离对应的相对距离d2和d3，进而通过所述平移装置将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

7.如权利要求6所述的定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，所述平移装置与所述发射透镜组间的连接方式具体为：

所述第一发射透镜安装在第一透镜固定件上，所述第二发射透镜安装在第二透镜固定件上，所述第一透镜固定件和所述第二透镜固定件安装在所述平移装置上；其中，所述平移装置通过独立移动每个透镜固定件使得对应的发射透镜移动，进而达到独立调节每个发射透镜位置的目的。

8.如权利要求6所述的定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，还包括第一位置传感器和第二位置传感器；

所述第一位置传感器与所述第一发射透镜固定连接，用于监控所述第一发射透镜的实时位置，进而确定所述发射光源与所述第一发射透镜间的相对距离d2；

所述第二位置传感器与所述第二发射透镜固定连接，用于监控所述第二发射透镜的实时位置，进而确定所述第一发射透镜与所述第二发射透镜间的相对距离d3。

9.如权利要求8所述的定距离的高空间分辨率激光雷达，其特征在于，还包括第一数据寄存器、第二数据寄存器和平移控制装置；

所述第一位置传感器、所述第一数据寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述第二位置传感器、所述第二寄存器和所述平移控制装置依次连接，所述平移控制装置与所述平移装置连接；

其中，所述第一数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d2间的对应关系，所述第二数据寄存器用于预先存储探测距离与相对距离d3间的对应关系；所述平移控制装置用于根据从所述第一数据寄存器中读取的相对距离d2以及从所述第二数据寄存器中读取的相对距离d3控制所述平移装置，进而将所述第一发射透镜和/或所述第二发射透镜移动到指定位置。

10.一种定距离的高空间分辨率探测方法，其特征在于，采用如权利要求6-9任一所述的高空间分辨率激光雷达，方法包括：

通过摄像头和平移装置对不同探测距离下光斑聚焦对应的发射光源与第一发射透镜间的相对距离d2以及第一发射透镜和第二发射透镜间的相对距离d3进行预先标定，并分别将探测距离与相对距离d2和相对距离d3间的对应关系预先存储；

当用户设定需要使用的探测距离时，根据预先存储的对应关系分别确定该探测距离对应的相对距离d2和相对距离d3，进而通过所述平移装置将第一发射透镜和/或第二发射透镜移动到指定位置，完成定距离的光斑聚焦。

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