CN113064141B - 一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达及探测方法 - Google Patents

一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达及探测方法，激光雷达包括发射端顺次设置的激光器、发射高速光开关和发射透镜，以及接收端顺次设置的探测器、接收高速光开关和接收透镜；发射高速光开关和接收高速光开关形成n个通道，使用时切换至同一通道；激光器产生探测光信号并传输至发射高速光开关，根据当前切换的通道从发射高速光开关的对应输出端口输出；回波信号传输至接收高速光开关后，根据当前切换的通道从接收高速光开关的对应输入端口传输至其输出端口，最终由探测器探测接收。本方案去除复杂的激光器阵列和探测器阵列，成本较低、组装工艺简单、生产效率高，避免了密集光源发热量较大的问题。

Description

一种基于单波长和单探测器的多线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，涉及一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达及探测方法。
背景技术
根据扫描线数的区别，激光雷达可以分为单线激光雷达和多线激光雷达。其中，单线激光雷达只有一个探测光源出射，通过扫描机构的旋转实现光束在二维平面的扫描探测。单线激光雷达只能扫描二维平面内的点云数据，使用时存在不少的应用限制；如果想探测三维空间的点云数据，需要匹配增加另外一个维度的旋转机构，但此种三维点云探测的技术方案不能满足实时探测的要求，只能应用在静态目标的探测应用领域。基于上述原因，业界推出了多线激光雷达，将多个探测光源集合在一起，按照时序控制依次发光探测；并同时在旋转机构上旋转，实现实时的点云数据探测。
目前的多线激光雷达，通常采用的是激光器阵列和探测器阵列组合实现的技术方案，通过时序控制每个激光器依次发光，再由对应的探测器进行脉冲信号的回波探测，实现多线激光雷达。然而，此种技术方案的劣势是激光器阵列和探测器阵列的数量过多，成本较为昂贵，且组装工艺复杂，生产效率低；同时，密集的光源封装阵列发热量比较大，对雷达整体散热的要求也比较高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达及其探测方法，其目的在于通过在发射端和接收端设置高速光开关，采用单波长和单探测器实现多线激光雷达，由此解决传统采用激光器阵列和探测器阵列存在的成本高、组装复杂、发热量大等技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达，包括发射端顺次设置的激光器、发射高速光开关和发射透镜，以及接收端顺次设置的探测器、接收高速光开关和接收透镜；
所述发射高速光开关和所述接收高速光开关形成光信号传输的n个通道，使用时所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换至同一通道；其中，所述发射高速光开关对应设有n个输出端口，作为激光雷达的n个次级光发射源；所述接收高速光开关对应设有n个输入端口；
在发射端，所述激光器产生单波长的探测光信号并传输至所述发射高速光开关，根据当前切换的通道从所述发射高速光开关的对应输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测；
在接收端，回波信号经所述接收透镜后传输至所述接收高速光开关，根据当前切换的通道从所述接收高速光开关的对应输入端口传输至其输出端口，最终由所述探测器探测接收。
优选地，还包括同步控制电路模块，所述同步控制电路模块分别与所述发射高速光开关和所述接收高速光开关连接，以便控制所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换至同一通道完成传输。
优选地，所述发射高速光开关和所述发射透镜之间还设有发射插针阵列，以便通过发射插针将探测光信号传输至所述发射透镜；
所述接收高速光开关和所述接收透镜之间还设有接收插针阵列，以便通过接收插针将回波信号传输至所述接收高速光开关；
其中，所述发射插针阵列中发射插针的数量与所述接收插针阵列中接收插针的数量一致。
优选地，所述发射插针阵列采用一维封装形式，具体如下：
所述发射插针阵列中的多个发射插针呈一维方向排列，且整体安装在旋转平台上；其中，所述发射插针阵列发出一列光信号，通过所述旋转平台的旋转来实现二维平面的角度扫描探测。
优选地，所述发射插针阵列通过基座安装在所述旋转平台上，所述基座的表面设有并行排列的多个V形固定槽，每个V形固定槽用于固定一个发射插针，使多个发射插针呈一维方向排列。
优选地，所述发射插针阵列采用二维封装形式，具体如下：
所述发射插针阵列中的多个发射插针呈二维平面排列，通过自身发出多列光信号实现二维平面的角度扫描探测。
优选地，所述激光器具体为光纤激光器，所述光纤激光器直接通过光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接。
优选地，所述激光器具体为半导体激光器，所述半导体激光器依次通过光学耦合系统和光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接；
其中，所述光学耦合系统包括两个透镜，以便将所述半导体激光器的光能量先进行准直，再耦合进光纤，最终传输至所述发射高速光开关。
第二方面，本发明提供了一种基于单波长和单探测器的探测方法，包括：
通过同步控制电路模块将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号；
探测光信号通过所述发射高速光开关中对应通道i的输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测；
回波信号经接收透镜接收后，通过所述接收高速光开关中对应通道i的输入端口传输至其输出端口，最终传输至探测器；
当所述探测器接收到回波信号后，将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号。
优选地，如果所述探测器未接收到回波信号，则进一步判断探测光信号的飞行时间是否已经超过重复频率对应的时间周期；
如果没有超过则继续等待；如果已超过则将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号；
其中，当当前通道数大于所述发射高速光开关的最大通道数n时，激光雷达开始下一个周期的探测工作。
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：本发明提供了一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达，发射端引入发射高速光开关，单波长发射的探测光信号通过发射高速光开关输出，发射高速光开关的多个输出端口可作为光信号的多个二级发射端，经发射透镜准直往外传输，实现多线探测光源；接收端也采用高速光开关进行接收，多个输入端口作为光信号的接收端，可匹配发送端的切换序号进行对应端口的切换接收。该设计去除复杂的激光器阵列和探测器阵列结构，成本较低、组装工艺简单、生产效率高，而且避免了密集光源发热量较大的问题，对雷达整体散热的要求较低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种一维封装形式的发射插针阵列示意图；
图3是本发明实施例提供的一种二维封装形式的发射插针阵列示意图；
图4是本发明实施例提供的另一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种将探测通道在三维空间排列的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于单波长和单探测器的探测流程图；
图7是本发明实施例提供的一种从通道1切换到通道n的完整多线探测流程图；
图8是本发明实施例提供的一种针对发射通道i的接收通道匹配流程图；
图9是本发明实施例提供的另一种基于单波长和单探测器的探测流程图；
图10是本发明实施例提供的一种光斑中心的检测与调整流程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
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
为解决传统采用激光器阵列和探测器阵列存在的成本高、组装复杂、发热量大等技术问题，本发明实施例提供了一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达，如图1所示，主要包括发射端顺次设置的激光器、发射高速光开关、发射插针阵列和发射透镜，接收端顺次设置的探测器、接收高速光开关、接收插针阵列和接收透镜，以及分别与所述发射高速光开关和所述接收高速光开关连接的同步控制电路模块。
在发射端，本发明去除复杂的激光器阵列，具体结构设计如下：
所述激光器优先采用光纤激光器，用于产生单波长的探测光信号；所述光纤激光器直接通过光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接，使得产生的探测信号光可直接通过光纤传输至所述发射高速光开关。
所述发射高速光开关为1×n光开关，设有1个输入端口和n个输出端口，对应形成光信号传输的n个通道，图中分别记为通道1、通道2、...、通道n。其中，所述发射高速光开关的n个输出端口作为多线激光雷达的多个次级光发射源，即探测光信号的二级发射端，每个通道作为多线激光雷达的一个单线探测光源，则通道1～通道n代表着多线激光雷达的n线探测光源。在使用时可根据需求控制所述发射高速光开关进行通道切换，也就是输出端口的切换，从而使探测光信号在指定通道中传输；例如，切换到通道2，则探测光信号相应地从所述发射高速光开关的输出端口2输出。
所述发射插针阵列包括多个发射插针，即多芯光纤插针形式，所述发射高速光开关的输出端口通过光纤与发射插针相连接；通过发射插针可将所述发射高速光开关输出的探测光信号传输至所述发射透镜，即所有的探测光信号均从发射插针发出，最终经所述发射透镜后准直输出。
综上所述，在发射端，光信号传输过程大致如下：结合图1，所述光纤激光器产生单波长的探测光信号，并通过光纤传输至所述发射高速光开关的输入端口，然后根据当前切换的通道从所述发射高速光开关的对应输出端口输出至发射插针，从发射插针发出后最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测。通过按照时序依次控制切换输出端口，可使探测光信号依次从n个通道输出，在无需激光器阵列的情况下实现n线探测。
进一步结合图2和图3，所述发射插针阵列的封装形式可分为一维封装和二维封装两种形式，这两种封装形式均为光开关的标准封装形式，制作工艺成熟稳定、性能优异，且成本低廉。其中：
当采用一维封装形式时，所述发射插针阵列中的多个发射插针呈一维方向排列，如图2所示，且整体安装在旋转平台上；一维封装形式下所述发射插针阵列可发出一列光信号，通过所述旋转平台的旋转来实现二维平面的角度扫描探测，从而实现多线激光雷达探测。继续结合图2，所述发射插针阵列可通过特制的基座安装在所述旋转平台上，所述基座的表面设有并行排列的多个V形固定槽，每个V形固定槽用于固定一个发射插针，使多个发射插针呈一维方向排列。
当采用二维封装形式时，则不需要安装在旋转平台上，所述发射插针阵列中的多个发射插针呈二维平面排列，如图3所示，通过自身发出多列光信号就实现二维平面的角度扫描探测，从而实现多线激光雷达探测。其中，在二维封装形式下，所述发射插针的数量优选为n，即与所述发射高速光开关的通道数量一致，发射插针与通道一一对应设置。
进一步地，所有探测光信号从发射插针发出后，经所述发射透镜准直输出，不同通道之间会存在一定的传输夹角，即不同光线之间存在一定的输出角度。此处以二维封装形式的发射插针阵列为例，鉴于发射插针与通道之间的一一对应关系，不同通道之间的传输夹角也就等同于不同发射插针之间的夹角。假设所述发射透镜的焦距为fs，以其中任两个通道为例，假设在发射插针阵列中对应的两个发射插针在x和y方向的间距分别为Δdx和Δdy，则这两个通道在x和y方向的传输夹角分别为：
基于式(1)和式(2)，可以根据给出的插针间距计算出对应两个通道之间的传输夹角，也可以根据指定的通道间传输夹角来反推所需要的插针间距。
进一步地，所述激光器具体还可采用半导体激光器，如果采用半导体激光器，则需要将半导体激光器的光能量耦合在所述发射高速光开关的输入端口的光纤中。因此，可优先按照图4所示设计，所述半导体激光器依次通过光学耦合系统和光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接；其中，所述光学耦合系统包括两个透镜，以便将所述半导体激光器的光能量先进行准直，再耦合进光纤，最终传输至所述发射高速光开关，从而可以有效提高耦合效率。
在接收端，本发明则去除复杂的接收探测器阵列，具体结构设计如下：
所述接收插针阵列包括多个接收插针，同样为多芯光纤插针形式，所述接收插针通过光纤与所述接收高速光开关的输入端口相连接；通过接收插针可将所述接收透镜传输来的回波信号传输至所述接收高速光开关。其中，所述接收插针阵列中接收插针的数量需与所述发射插针阵列中发射插针的数量一致。
所述接收高速光开关为1×n光开关，设有n个输入端口和1个输出端口，对应形成光信号传输的n个通道，同样对应图中的通道1、通道2、...、通道n。其中，所述接收高速光开关的n个输入端口作为回波信号的接收端，可匹配发送端的切换序号进行对应端口的切换接收。也就是说，实际探测时所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换至同一通道，保证信号通过同一通道进行传输；例如，同样切换到通道2，则探测光信号相应地从所述发射高速光开关的输出端口2输出，从所述接收高速光开关的输入端口2输入。
所述探测器优先采用尾纤探测器，用于接收所述接收高速光开关传输来的回波信号并进行光电信号转换，将光信号转换成电信号。其中，所述探测器直接通过光纤与所述接收高速光开关的输出端口相连接，使用尾纤探测器是为了和所述接收高速光开关进行光纤匹配，无需再次光斑变换，可以保证足够高的耦合效率。
综上所述，在接收端，光信号传输过程大致如下：结合图1，回波信号经所述接收透镜后由接收插针探测吸收，并通过光纤传输至所述接收高速光开关，根据当前切换的通道从所述接收高速光开关的对应输入端口传输至其输出端口，最终由所述探测器探测接收。其中，所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换的是同一通道。
进一步地，所述接收插针阵列的封装形式同样可分为一维封装和二维封装两种，在此不做赘述；为保证接收插针的数量与发射插针的数量一致，所述接收插针阵列与所述发射插针阵列采用相同的封装形式，即同时采用一维封装或同时采用二维封装。为了提高光接收信号的效率，所述接收插针优先采用多模光纤，具有更大的数值孔径和纤芯半径，可以接收更多的光信号。此处需特别注意的是，接收插针的孔径可以增大，但任两个接收插针之间需要保持和发射端一致的传输夹角。假设所述接收透镜的焦距为fr，仍以其中任两个通道为例，假设在接收插针阵列中对应的两个接收插针在x和y方向的间距分别为Δd'x和Δd'y，则这两个通道在x和y方向的传输夹角分别为：
因此，在进行结构设计时，所述接收插针的外形尺寸需要配合所述接收透镜的焦距fr一起修改，并保证Δθx＝Δθ'x和Δθy＝Δθ'y。
在本发明实施例中，所述发射高速光开关和所述接收高速光开关通过所述同步控制电路模块进行同步控制；如图1所示，所述同步控制电路模块分别与所述发射高速光开关和所述接收高速光开关连接，从而可控制所述发射高速光开关和所述接收高速光开关同时切换至同一通道完成光信号传输，具体工作流程可参考实施例2，在此不做赘述。
更进一步地，本发明实施例还可通过在空间进行三维排列来设置更多的探测通道，如图5所示(此处略去不必要的元件)。将探测通道在三维空间进行预先设定的尺寸空间排布，形成层级分布的多个探测通道阵列(图5中以画出三个为例)，每个探测通道阵列包括圆周排布的多个探测通道；光发射窗口优选设计为圆形发射窗口。此种设计可以规避现有的三维电机扫描装置，仅通过光开关的快速切换即可实现光信号在不同角度方向的点云数据探测。与现有的机械式扫描激光雷达相比，该设计具有无机械扫描元件的显著优势，性能更为稳定；与现有的固态扫描激光雷达相比，该设计具有技术成熟可靠、成本低廉的显著优点，更易推广，实现产业化。
本发明实施例提供的上述多线激光雷达，在发射端引入发射高速光开关，单波长发射的探测光信号通过发射高速光开关输出，发射高速光开关的多个输出端口可作为光信号的多个二级发射端，经发射透镜准直往外传输，实现多线探测光源；接收端也采用高速光开关进行接收，多个输入端口作为光信号的接收端，可匹配发送端的切换序号进行对应端口的切换接收。该设计去除复杂的激光器阵列和探测器阵列结构，成本较低、组装工艺简单、生产效率高，而且避免了密集光源发热量较大的问题，对雷达整体散热的要求较低。
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基于单波长和单探测器的探测方法，可采用实施例1中所述的多线激光雷达来完成。如图6所示，主要包括以下步骤：
步骤101，通过同步控制电路模块将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号。
其中，通道i可以是指通道1～通道n中的任一通道。每完成一次切换后即可令所述激光器发出一个探测光信号，实现一次单线探测；通过预先切换至同一通道，保证光信号在同一通道中传输。
步骤102，探测光信号通过所述发射高速光开关中对应通道i的输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测。
当前切换到通道i，对应所述发射高速光开关的输出端口i，以发射插针阵列采用二维封装为例，通道i还对应着发射插针i。因此，所述光纤激光器产生的探测光信号先通过光纤传输至所述发射高速光开关的输入端口，然后由所述发射高速光开关的输出端口i输出至发射插针i，从发射插针i发出后最终经所述发射透镜准直输出，从而进行空间扫描探测。
步骤103，回波信号经接收透镜接收后，通过所述接收高速光开关中对应通道i的输入端口传输至其输出端口，最终传输至探测器。
当前切换到通道i，对应所述接收高速光开关的输入端口i，接收插针阵列同样采用二维封装，则通道i还对应着接收插针i。探测光信号完成扫描探测后，会向接收端返回相应的回波信号，回波信号先经所述接收透镜后由接收插针i探测吸收，然后通过光纤传输至所述接收高速光开关的输入端口i，再由所述接收高速光开关通过光纤传输至所述探测器。
步骤104，当所述探测器接收到回波信号后，将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号。
如果所述探测器未接收到回波信号，则需要进一步判断探测光信号的飞行时间是否已经超过重复频率对应的时间周期。如果没有超过则继续等待；如果已超过则将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号，完成下一个单线探测；以此类推，直至当前通道数大于所述发射高速光开关的最大通道数n时，证明完成本周期的多线探测工作，则激光雷达开始下一个周期的探测工作。
按照上述步骤原理，假设从通道1开始，按顺序依次进行通道的切换，则从通道1一直切换到通道n为一个周期，每个周期内完成n线探测。从激光雷达开始工作起，完整的多线探测过程可参考图7，具体如下：
激光雷达开始工作后，先通过同步控制电路模块将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至通道1，并利用激光器发出一个探测光信号，开始第一个周期的探测工作；此时探测光信号会依次经发射高速光开关、发射插针和发射透镜后准直输出，进行空间扫描探测。
然后在接收端利用尾纤探测器进行光信号探测，判断回波信号是否已经回到系统，即判断尾纤探测器是否接收到回波信号。如果接收到回波信号，则将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一个通道，并利用激光器发出下一个探测光信号；如果尾纤探测器未接收到回波信号，则判断探测光信号的飞行时间是否已经超过重复频率对应的时间周期。
如果没有超过则等待一定时间后，继续在接收端判断尾纤探测器是否接收到回波信号；如果已超过则将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号。
每当切换至下一通道并利用激光器发出下一个探测光信号后，判断当前通道数是否大于最大通道数n。如果是，证明已完成本周期的n线探测工作，则激光雷达开始下一周期的探测工作，即重新将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至通道1，进而重新从通道1开始探测；如果否，则继续在接收端判断尾纤探测器是否接收到回波信号。
通过以上步骤，即可实现激光雷达多个周期的探测工作，每个周期进行n线探测，基于单波长和单探测器实现了多线激光雷达的探测。
实施例3
在上述实施例2中，所述发射高速光开关和所述接收高速光开关始终同时进行通道切换，发射端通过通道i发出时，接收端也通过通道i接收。通过这样一一对应的关系，可方便快速地进行通道切换，实现多线探测。例如，当发射端和接收端同时切换至通道1时，发射端通过通道1发出探测光信号，接收端通过通道1接收回波信号。然而，在实际探测过程中，发射端通道1发出的探测光信号并不一定会在接收端通道1接收到最强的回波信号；假设此时接收端的所有通道都可接收回波信号，有可能通道2中接收到的回波信号强度最大，那么理论上来讲，此时如果在接收端采用通道2来接收回波信号，探测效果会更佳。
由上可知，采用实施例2中一一对应切换通道的方式，虽然可方便快速地完成切换与探测，但最终探测效果可能会打折扣。为解决该问题，本发明实施例基于上述原理进行方案优化，在实际探测工作之前，先找出发射端与接收端通道间的最佳对应关系，后续根据该对应关系进行通道切换。
为方便描述，此处将发射端的通道记为发射通道，接收端的通道记为接收通道；在确定对应关系时，可以发射端为基准，针对每个发射通道依次寻找相匹配的接收通道。其中，对于任一发射通道i，对应接收通道的匹配过程可参考图8，具体如下：
步骤201，将所述发射高速光开关切换至发射通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号。
步骤202，按照预设的时间间隔将所述接收高速光开关在n个接收通道之间完成遍历切换，并在切换至每个接收通道时探测对应的回波信号强度。
也就是说，所述发射高速光开关切换至发射通道i工作并发出探测光信号的这段时间内，所述接收高速光开关迅速完成了n个接收通道之间的遍历切换，并保证每个接收通道都接收到了对应的回波信号。因此，为保证所述接收高速光开关能够有足够的时间完成n个接收通道的遍历切换，此处需要将所述发射高速光开关在发射通道i的保持时间延长，或者说是将所述激光器发射探测光信号的持续时间延长；为方便后续描述，此处可将所述激光器发射探测光信号的持续时间记为t1。
假设所述接收高速光开关每完成一次通道切换需要耗费时间为t2，每切换至一个接收通道后持续时间为t3，t3需保证所述探测器能够接收到相应的回波信号，则各时间满足t1＝(t2+t3)*n；即所述激光器发射探测光信号的持续时间需要等于所述接收高速光开关进行n次通道切换耗费的时间与n个接收通道上持续时间的总时间和。所述预设的时间间隔实际上也就是时间t3，由于每个接收通道上持续时间为t3，因此每隔时间t3后切换至下一个接收通道。
步骤203，从n个接收通道中选择回波信号强度最大且未与其他发射通道匹配过的接收通道j，并保存发射通道i与接收通道j之间的对应关系。
也就是说，对于发射通道i，与其最匹配的是接收通道j，当通过发射通道i发出探测光信号时，应优选采用接收通道j来接收回波信号。对于每个发射通道，都按照上述方法进行匹配，则所述发射高速光开关完成所有n个发射通道的切换后，可以得到所有发射通道与所有接收通道之间的最佳对应关系，并将该对应关系预先存储起来，以便后续调用。
举例说明，假设通道数量n为5，所述发射高速光开关先切换至发射通道1，并利用激光器发出一个探测光信号，持续时间t1＝10s；然后将所述接收高速光开关依次从接收通道1～接收通道5之间完成遍历切换。假设所述接收高速光开关每完成一次通道切换需要耗费时间为t2＝0.5s，则根据t1＝(t2+t3)*n可推算出，每切换至一个接收通道后持续时间t3＝1.5s。每切换至一个接收通道后探测对应的回波信号强度，由此得到n个回波信号强度；然后将n个回波信号强度进行大小比较，假设此时接收通道4对应的回波信号强度最大，而且此时接收通道4也未与其他发射通道匹配过，则确定发射通道1对应的最佳接收通道为接收通道4，因此保存发射通道1与接收通道4间的对应关系。
接下来继续所述发射高速光开关先切换至发射通道2，按照上述方法执行，同样将所述接收高速光开关依次从接收通道1～接收通道5之间完成遍历切换，得到对应的n个回波信号强度；如果此时仍然是接收通道4对应的回波信号强度最大，由于接收通道4已经与发射通道1匹配过，则需要找下一个回波信号强度最大的接收通道；假设除接收通道4以外，接收通道3对应的回波信号强度最大，则保存发射通道2与接收通道3间的对应关系。以此类推，可完成5个发射通道与5个接收通道之间的一一对应关系，并预先存储起来。
结合实施例2，当按照上述方法预先存储了通道间的对应关系后，在进行实际探测时可参考图9，具体步骤如下：
步骤101’，根据通道对应关系将发射高速光开关和接收高速光开关同时完成通道切换，并利用激光器发出一个探测光信号；其中，当发射高速光开关切换至发射通道i时，接收高速光开关切换至接收通道j。
与实施例2的不同之处在于，此处不再是同时切换至同一通道，而是根据预先存储的“发射通道i-接收通道j”的对应关系进行切换。例如，上述实施例中保存了发射通道1与接收通道4间、发射通道2与接收通道3间的对应关系，则在发射高速光开关切换至发射通道1的同时，接收高速光开关切换至接收通道4；在发射高速光开关切换至发射通道2的同时，接收高速光开关切换至接收通道3。
步骤102’，探测光信号通过所述发射高速光开关中对应发射通道i的输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测。
步骤103’，回波信号经接收透镜接收后，通过所述接收高速光开关中对应接收通道j的输入端口传输至其输出端口，最终传输至探测器。
步骤104’，当所述探测器接收到回波信号后，将发射高速光开关切换至下一发射通道i+1，同时根据通道对应关系将接收高速光开关切换至发射通道i+1相匹配的接收通道，并利用激光器发出下一个探测光信号。
以此类推，当所述发射高速光开关完成所有n个发射通道的切换后，也就完成了一个周期的n线探测工作；具体实现过程可参考实施例2，在此不做赘述。
实施例4
在上述实施例2和实施例3的基础上，本发明进一步考虑到，在实际探测过程中，当接收端形成的光斑中心位于接收面的中间区域时探测效果较好，但如果光斑中心已经临近接收面的边缘处甚至到达边缘以外，将对探测效果造成一定的影响，因此需在探测过程中尽量保证光斑中心在接收面内。
基于上述原理，在实际探测过程中，可每隔一定的周期进行一次光斑中心的检测与调整，以尽量确保探测效果。具体检测调整过程可参考图10，主要包括以下步骤：
步骤301，将所述发射高速光开关切换至发射通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号。
其中，这里发射通道i可根据实际探测过程中的通道使用情况来确定，具体是根据本次检测之前所述发射高速光开关使用的发射通道确定，或者说是本次检测之后所述发射高速光开关即将切换的发射通道确定。假设实际探测过程中所述发射高速光开关当前正好切换在发射通道i-1上，则需要等待在发射通道i-1上完成信号传输，且所述探测器也接收到回波信号之后，进行本周期的光斑中心检测；由于接下来正常检测时所述发射高速光开关即将切换到发射通道i，因此本次检测时也将所述发射高速光开关切换至发射通道i，然后利用激光器发出一个单波长的探测光信号。
步骤302，按照预设的时间间隔将所述接收高速光开关在n个接收通道之间完成遍历切换，并在切换至每个接收通道时探测对应的回波信号强度。
该步骤的具体实现过程可参考实施例3中步骤202的介绍，为保证所述接收高速光开关能够有足够的时间完成n个接收通道的遍历切换，此处将所述激光器发射探测光信号的持续时间延长，且所述激光器发射探测光信号的持续时间需要等于所述接收高速光开关进行n次通道切换耗费的时间与n个接收通道上持续时间的总时间和。
步骤303，根据最大回波信号强度对应的接收通道确定光斑中心的位置，并判断光斑中心是否在接收面内，如果否则调整发射插针阵列与接收插针阵列之间的角度，直至光斑中心移动至接收面内。
将上一步骤中得到的n个回波信号强度进行大小比较，确定最大回波信号强度及其对应的接收通道，进而可确定接收端探测的光斑中心位置。如果光斑中心位于接收面内，则无需进行调整；如果光斑中心不位于接收面内，例如处于接收面边缘或者边缘以外，则需要进行调整。此处具体可通过调整所述发射插针阵列与所述接收插针阵列之间的角度来调整光斑中心的位置，直至光斑中心移动至接收面内，停止调整。调整完成后，可继续按照正常检测过程，在所述发射高速光开关的发射通道i上进行探测工作。
通过以上方法，可在探测过程中周期性检测接收端的光斑中心是否位于接收面内，并在不位于接收面内时及时调整，尽可能保证光斑中心始终位于接收面内，从而保证激光雷达整体的探测效果。
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 (9)

1.一种基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，包括发射端顺次设置的激光器、发射高速光开关和发射透镜，以及接收端顺次设置的探测器、接收高速光开关和接收透镜；
所述发射高速光开关和所述接收高速光开关形成光信号传输的n个通道，使用时所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换至同一通道；其中，所述发射高速光开关对应设有n个输出端口，作为激光雷达的n个次级光发射源；所述接收高速光开关对应设有n个输入端口；
在发射端，所述激光器产生单波长的探测光信号并传输至所述发射高速光开关，根据当前切换的通道从所述发射高速光开关的对应输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测；
在接收端，回波信号经所述接收透镜后传输至所述接收高速光开关，根据当前切换的通道从所述接收高速光开关的对应输入端口传输至其输出端口，最终由所述探测器探测接收；
将所述发射高速光开关切换至发射通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号；
按照预设的时间间隔将所述接收高速光开关在n个接收通道之间进行遍历切换，并在切换至每个接收通道时探测对应的回波信号强度；
从n个接收通道中选择回波信号强度最大且未与其他发射通道匹配过的接收通道j，并保存发射通道i与接收通道j之间的对应关系；
对于发射通道i，与其最匹配的是接收通道j，当通过发射通道i发出探测光信号时，优选采用接收通道j来接收回波信号；所述发射高速光开关完成所有n个发射通道的切换后，可以得到所有发射通道与所有接收通道之间的最佳对应关系，并将该对应关系预先存储起来，以便后续调用；
其中，将探测通道在三维空间进行预先设定的尺寸空间排布，形成层级分布的多个探测通道阵列，每个探测通道阵列包括圆周排布的多个探测通道；光发射窗口设计为圆形发射窗口。
2.如权利要求1所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，还包括同步控制电路模块，所述同步控制电路模块分别与所述发射高速光开关和所述接收高速光开关连接，以便控制所述发射高速光开关和所述接收高速光开关切换至同一通道完成传输。
3.如权利要求1所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，所述发射高速光开关和所述发射透镜之间还设有发射插针阵列，以便通过发射插针将探测光信号传输至所述发射透镜；
所述接收高速光开关和所述接收透镜之间还设有接收插针阵列，以便通过接收插针将回波信号传输至所述接收高速光开关；
其中，所述发射插针阵列中发射插针的数量与所述接收插针阵列中接收插针的数量一致。
4.如权利要求3所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，所述发射插针阵列采用一维封装形式或二维封装形式；
当采用一维封装形式时，所述发射插针阵列中的多个发射插针呈一维方向排列，且整体安装在旋转平台上；其中，所述发射插针阵列发出一列光信号，通过所述旋转平台的旋转来实现二维平面的角度扫描探测；
当采用二维封装形式时，所述发射插针阵列中的多个发射插针呈二维平面排列，通过自身发出多列光信号实现二维平面的角度扫描探测。
5.如权利要求1-4任一所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，所述激光器具体为光纤激光器，所述光纤激光器直接通过光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接。
6.如权利要求1-4任一所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，其特征在于，所述激光器具体为半导体激光器，所述半导体激光器依次通过光学耦合系统和光纤与所述发射高速光开关的输入端口相连接；
其中，所述光学耦合系统包括两个透镜，以便将所述半导体激光器的光能量先进行准直，再耦合进光纤，最终传输至所述发射高速光开关。
7.一种基于单波长和单探测器的探测方法，其特征在于，使用如权利要求1-6任一所述的基于单波长和单探测器的多线激光雷达，探测方法包括：
通过同步控制电路模块将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号；
探测光信号通过所述发射高速光开关中对应通道i的输出端口输出，最终经所述发射透镜后准直输出，以便进行空间扫描探测；
回波信号经接收透镜接收后，通过所述接收高速光开关中对应通道i的输入端口传输至其输出端口，最终传输至探测器；
当所述探测器接收到回波信号后，将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号。
8.如权利要求7所述的基于单波长和单探测器的探测方法，其特征在于，如果所述探测器未接收到回波信号，则进一步判断探测光信号的飞行时间是否已经超过重复频率对应的时间周期；
如果没有超过则继续等待；如果已超过则将发射高速光开关和接收高速光开关同时切换至下一通道i+1，并利用激光器发出下一个探测光信号；
其中，当当前通道数大于所述发射高速光开关的最大通道数n时，激光雷达开始下一个周期的探测工作。
9.如权利要求7所述的基于单波长和单探测器的探测方法，其特征在于，所述方法还包括：在实际探测过程中，每隔一定周期进行一次光斑中心的检测与调整，具体为：
将所述发射高速光开关切换至发射通道i，并利用激光器发出一个单波长的探测光信号；
按照预设的时间间隔将所述接收高速光开关在n个接收通道之间完成遍历切换，并在切换至每个接收通道时探测对应的回波信号强度；
根据最大回波信号强度对应的接收通道确定光斑中心的位置，并判断光斑中心是否在接收面内，如果否则调整发射插针阵列与接收插针阵列之间的角度，直至光斑中心移动至接收面内。
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