CN113296115A - 高速高分辨率激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高速高分辨率激光雷达，为提供高速高分辨率激光雷达，是单元模块主要由激光面投影编码模块、图像信号采集模块和数据处理模块构成，激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器、扩束器、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、视场变换输出镜头和密闭外壳的输出窗口及光路中途设置的必要转向棱镜组构成；激光面投影编码模块输出90°‑150°视场宽度的编码图像，图像信号采集模块配合激光面投影编码模块由1‑4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装，数据处理模块由数据采集器和算法封装处理单元构成。集成式是2‑4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置。具有高速、高分辨率，高效可靠的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光雷达，特别是涉及一种高速高分辨率激光雷达。
背景技术
目前，激光成像雷达的主流技术，包括机械扫描式、主流技术包括MEMS ( Micro-Electro-Mechanical System)激光雷达、Flash激光雷达和OPA(Optical Phased Array)激光雷达。OPA 及 Flash是纯固态激光雷达技术，MEMS技术方案不属于严格意义上的纯固态激光雷达。
Flash 激光雷达在短时间内同时发射出多束覆盖待测目标及区域的光束，然后通过高灵敏度接收器接收信号来对周围环境进行成像；OPA 方案由数个发光单元组成阵列，各光源的发光时间可控。通过单元的电压调节调制单元波束，由电控元件实现主波束方向的控制完成扫描。该技术的难点在于扫描速度和数据记录速度的控制。描速度取决于所用材料的电子学特性，一般都可达MHz量级。目前，机械式激光雷达通过扫描以及SAR（Synthetic Aperture Radar）实现360度的水平视场全景成像，而半固态和固态式激光雷达只能做到120度的水平视场扫描。
机械扫描式雷达代表专利是美国Velodyne公司2007年 7 月申请了 US 7969558专利，名称「High definition LiDAR System」（高分辨率激光雷达系统）。2011 年 6 月获得美国专利审判和上诉委员会（PTAB）授权。分别在美国、欧洲、中国和世界知识产权组织申请了7件US 7,969,558专利的同族专利。其中，中国的同族发明专利处于“撤回”状态（2019年数据）。
该专利提出了一种基于激光雷达的三维点云测量系统和方法，核心内容是由小型电机驱动最多64个激光束旋转扫描测距构成。Velodyne 公司的产品性能和精度处于国际领先地位， 16 线、32 线、64 线产品被广泛应用在自动驾驶车辆上。该专利涉及的激光雷达的3D点云测量系统，也是3D实时环视激光雷达的基础专利，并被大量的专利引用。
该专利适用于自动驾驶、高级驾驶辅助系统（ADAS）、机器人视觉等领域、无人机、测绘、物联网、工业互联网、智能家居。该专利已经授权给Quanergy、博世、BLICKFELD、LUMINAR、Waymo、Ouster、三星电子、丰田以及禾赛等诸多企业、公司和工厂使用。
国内，华为技术有限公司96线激光雷达，相关专利包括CN112444818A和CN112446270A。其他，速腾、禾赛、北科天绘、流深光电、饮冰、镭神、锐特森等公司专利技术主要以机械扫描式为主，均在不同程度上借鉴学习了US 7969558专利。
Waymo 公司和谷歌公司通过US10699141B2、US10401862B2、US10173673B1、US10095236B1、US10663976B2、US10663975B2、US9983590B2、US10386480B1、US2020/0142036A1、US10641877B2、US2020/0180653A1等专利实现全方位的技术壁垒。
速腾聚创公司机械扫描式专利CN105824029、CN205749898U、CN107153202、CN107153193 A、CN 1100133619 A、CN 109765542 A、CN 110007291 A、CN 110007312 A、CN110133620 A，固态激光雷达如 CN107664760、CN207352155U、CN108761421、CN108318873等，相关系统方案包括CN109709575、CN208833914U、CN109061606、CN209117856U；禾赛科技机械式激光雷达CN 109991617 A 、CN 109917350 A、CN 110018462 A、CN 110018463 A、CN110174660 A、CN112327269A等。
其他，还有法国的Topo Sys 公司、德国的Sick 公司等。固态激光雷达领域包括TriLumina公司、以色列 Innoviz公司、荷兰Innoluce公司；Valeo公司是Flash Lidar 技术，北醒科技也在研发Flash Lider技术，Leddar Tech 公司是 MEMS 激光雷达。
机械式，由于有扫描振动部件，长时间可靠性存疑；因此，发展了半固态和固态方案。目前，半固态和固态方案的技术壁垒比较高，包括视场较窄等问题尚在解决中。上述激光雷达，不论是机械式，还是固态半固态式。基本原理均为利用激光飞行时间测距，需要专用的探测器以及专门设计的芯片接收单点激光扫描信号，或者多束激光信号，获取测距信号点云数据。雷达基本原理，就是测距、测向和测速。因此，只要是能够精确的获取这三个数据点云即可。
针对上述问题，本专利提出一种完全不同于上述激光飞行时间法测距成像的激光成像雷达系统方法和方案。
授权号CN 105890876 B 、CN 105892257 B、CN 105890575 B和CN 105890544 B等4项专利是相近专利。本专利在此基础上，进一步优化。第一，上述4相关专利均为3D成像相关专利，领域不同；第二，结构复杂，结构尺寸较大不适合小型化；第三，只有结构设计，未包含数据处理相关内容。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种高速高分辨率激光雷达。
为实现上述目的，本发明高速高分辨率激光雷达的单元模块主要由激光面投影编码模块、图像信号采集模块和数据处理模块构成，其特别之处在于激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器、扩束器、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、视场变换输出镜头和密闭外壳的输出窗口及光路中途设置的必要转向棱镜组构成；激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，图像信号采集模块配合激光面投影编码模块由1-4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装，数据处理模块由数据采集器和算法封装处理单元构成。由激光器、扩束器、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、视场变换输出镜头及必要的转向棱镜组构成90°-150°输出编码图像的单模块单元，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场。可以封装在一个带有输入和输出窗口的密闭外壳里，也可以分别单独封装；可以集成式，也可以分布式。激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，单个单元模块可以投影2000条+条纹，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹，并由带输出窗口的密闭外壳封装。
激光器适应不同的使用环境采用不同的波长，红外波段、可见光波段或者其他波段；激光器适应不同的环境采用固体、气体、半导体、光纤激光器或者其他激光器；激光器适应不同的环境采用不同的功率输出。扩束器选择不同的放大倍率，适应前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等部件的安全功率密度，以及探测器、被投影目标敏感部位的安全功率密度范围；扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等均需要根据激光器的波长、功率，选择适合的镀膜表面器件；扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等均需要根据输出选择对应的口径。编码图像发生器根据不同的情况，选择矩形光栅、正弦光栅、达曼光栅、DMD、SLM、其他二维透射、反射靶标、以及其他不同的二维靶标的空间频率（分辨率）。傅里叶变换透镜兼顾孔径和视场要求。所述滤光片窗口是密闭外壳带有的配合激光器波长的滤光片窗口。密闭外壳按照空气、水下、无重力等环境的条件增减对应等级的防水、防尘、耐压、耐盐碱、防辐射等设计。数据采集器由通用或专用采集芯片封装算法构成。具有高速、高分辨率，高效可靠的优点。
作为优化，扩束器位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；编码图像发生器定位在傅里叶变换透镜前焦平面上，经由傅里叶变换透镜实现频谱变换；视场变换输出镜头将傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳的输出窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
作为优化，激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器、扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头和密闭外壳的输出窗口构成。
作为优化，扩束器位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；前转向棱镜位于扩束器的后面，改变扩束光轴方向，折叠光路缩小系统体积，并将合适的功率密度输出到编码图像发生器；编码图像发生器定位在傅里叶变换透镜前焦平面上，经由傅里叶变换透镜实现频谱变换，由傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息进入后转向棱镜组；后转向棱镜组定位在傅里叶变换透镜后焦平面附近的合适位置，再次改变光轴方向，折叠光路；视场变换输出镜头位于后转向棱镜组后面的合适位置，将傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳的窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
作为优化，转向棱镜组由前转向棱镜组和后转向棱镜组组成，编码图像发生器为透射式，利用前转向棱镜组和后转向棱镜组构成S型光轴光路；或者编码图像发生器为反射式，利用前转向棱镜组和后转向棱镜组构成M型光轴光路。
作为优化，转向棱镜组由前转向棱镜组和后转向棱镜组组成，前转向棱镜组设置在激光器与扩束器之间的光路上或者设置在编码图像发生器与傅里叶变换透镜之间的光路上；后转向棱镜组设置在傅里叶变换透镜与视场变换输出镜头之间的光路上。前转向棱镜组在激光器低功率条件和整体体积尺寸优化平衡下，可以放置在激光器后面，扩束器前面的合适位置；前转向棱镜组整体体积尺寸优化平衡的条件下，可以放置在编码图像发生器后面，傅里叶变换透镜前面的合适位置。
作为优化，多个单元模块的组合方式是：由带输出窗口的密闭外壳封装的激光面投影编码模块单元是1-4单元1组，集成式是2-4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置。图像信号采集模块配合激光投影编码模块的集成式和分散式布局由1-4个带有滤光片窗口的通用高清摄像头密闭外壳封装。集成式布局图像信号采集模块1-4对应采集激光投影编码模块1-4投影数据；或者集成式布局图像信号采集模块1-2-3-4轮次采集激光投影编码模块2-3-4-1投影数据；分布式布局图像信号采集模块1-2-3-4交叉采集激光投影编码模块2-1-4-3投影数据。
作为优化，激光投影编码模块采用脉冲式、连续投影编码信息输出的方式；或者采用连续式，配合图像信号采集模块的速度获取图像。激光投影编码模块采用脉冲式时，模拟人眼每秒约24帧或者24帧倍乘的速率，均配合图像信号采集模块的速度获取图像。
作为优化，图像信号采集模块采集单幅图像，通过算法获得立体图像；通过两副图像的像素移动获得目标的移动速度和方向；数据处理模块根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
作为优化，所述数据采集器对获取的1-2-3-4的图像进行视场拼接获得目标区域的90°-360°视场的信息。封装算法包括立体投影、移动侦测、图像分割、解卷积、多步相移、人工智能等算法构成，最终输出目标的速度、方位、距离和高分辨率图像信息；数据处理模块根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
总之，本发明由激光面投影编码模块、图像信号采集模块和数据处理模块3个模块构成。激光面投影编码模块主要由激光器、扩束器、转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、转向棱镜组、视场变换输出镜头、带输出窗口的密闭外壳构成。激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，单个单元模块可以投影2000条+条纹，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹，并由带输出窗口的密闭外壳封装。图像信号采集模块配合激光投影编码模块由1-4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装。数据处理模块由数据采集器和算法封装处理单元构成。
扩束器位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；转向棱镜1位于扩束器的后面，改变扩束光轴方向，折叠光路缩小系统体积，并将合适的功率密度输出到编码图像发生器；编码图像发生器定位在傅里叶变换透镜前焦平面上，经由傅里叶变换透镜实现频谱变换，由傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息进入转向棱镜组2；转向棱镜组2定位在傅里叶变换透镜后焦平面附近的合适位置，再次改变光轴方向，折叠光路；视场变换输出镜头位于转向棱镜组2后面的合适位置，将傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳的窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
激光器适应不同的使用环境采用不同的波长，红外波段、可见光波段或者其他波段；激光器适应不同的环境采用固体、气体、半导体、光纤激光器或者其他激光器；激光器适应不同的环境采用不同的功率输出；扩束器选择不同的放大倍率，适应转向棱镜组1、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、转向棱镜组2、视场变换输出镜头等部件的安全功率密度，以及探测器、被投影目标敏感部位的安全功率密度范围。
扩束器、转向棱镜组1、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、转向棱镜组2、视场变换输出镜头等均需要根据激光器的波长、功率，选择适合的镀膜表面器件；扩束器、转向棱镜组1、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、转向棱镜组2、视场变换输出镜头等均需要根据输出选择对应的口径；转向棱镜组1在激光器低功率条件和整体体积尺寸优化平衡，可以放置在激光器后面，扩束器前面的合适位置；转向棱镜组1整体体积尺寸优化平衡的条件下，可以放置在编码图像发生器后面，傅里叶变换透镜前面的合适位置。
编码图像发生器放置在傅里叶变换透镜前焦面位置；编码图像发生器根据不同的情况，选择矩形光栅、正弦光栅、达曼光栅、DMD、SLM、其他二维透射、反射靶标、以及其他不同的二维靶标的空间频率（分辨率）；编码图像发生器为透射式，则利用转向棱镜组1和转向棱镜组2构成S型光轴光路；编码图像发生器为反射式，则利用转向棱镜组1和转向棱镜组2构成M型光轴光路；转向棱镜组1和转向棱镜组2、根据S型光轴光路和M型光轴光路设置多组，实现紧凑小型化设计；傅里叶变换透镜兼顾孔径和视场要求；视场变换输出镜头，等构成90°-150°输出编码图像的单模块单元，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场。
由激光器、扩束器、转向棱镜组1、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、转向棱镜组2、视场变换输出镜头等构成90°-150°输出的激光面投影编码模块单元，由带输出窗口的密闭外壳封装；由带输出窗口的密闭外壳封装的激光面投影编码模块单元，1-4单元1组，集成式是2-4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置；图像信号采集模块配合激光投影编码模块的集成式和分散式布局由1-4个带有滤光片窗口的通用高清摄像头密闭外壳封装；密闭外壳均带有配合激光器波长的滤光片窗口；密闭外壳按照空气、水下、无重力等环境的条件增减对应等级的防水、防尘、耐压、耐盐碱、防辐射等设计。
集成式布局图像信号采集模块1-4对应采集激光投影编码模块1-4投影数据；集成式布局也可以图像信号采集模块1-2-3-4轮次采集激光投影编码模块2-3-4-1投影数据；分布式布局图像信号采集模块1-2-3-4交叉采集激光投影编码模块2-1-4-3投影数据；激光投影编码模块可以采用脉冲式、连续投影编码信息输出的方式；激光投影编码模块可以采用脉冲式，模拟人眼每秒约24帧或者24帧倍乘的速率，均配合图像信号采集模块的速度获取图像；激光投影编码模块可以采用连续式，配合图像信号采集模块的速度获取图像。
图像信号采集模块采集单幅图像，通过算法获得立体图像；通过2副图像的像素移动获得目标的移动速度和方向；数据采集器由通用或专用采集芯片封装算法构成；数据采集器，对获取的1-2-3-4的图像进行视场拼接获得目标区域的90°-360°视场的信息；封装算法包括立体投影、移动侦测、图像分割、解卷积、多步相移、人工智能等算法构成，最终输出目标的速度、方位、距离和高分辨率图像信息；数据处理模块根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
本发明是针对背景技术中机械式激光雷达的长期可靠性欠佳，半固态和固态方案的技术壁垒比较高，包括视场较窄等问题；并且，基本原理均为利用激光飞行时间测距，需要专用的探测器以及专门设计的芯片接收单点激光扫描信号等问题。本方案在前期3D成像专利的基础上，进一步提高，实现无扫描部件的面视场凝视成像，采用通用高清摄像头的技术方案，以此克服现有技术的上述缺陷，这是一种完全颠覆现有的飞行时间法的激光雷达技术。
本发明的优点：提供一种非机械式无扫描全固态高速高分辨率激光雷达系统和数据处理方案，本发明目的还在于提供用于实现该方法的一种光学式无扫描全固态高速高分辨率激光雷达系统和数据处理方案。本发明能够解决背景技术中扫描振动部件的长时间可靠性问题；半固态和固态方案的技术壁垒和视场较窄等问题；以及专用的探测器以及专门设计的芯片设计等问题；并依托数据处理技术实现面投影凝视成像，通过单幅图像获得图像高清3D信息，通过2副以上图像即可获得目标的速度、方位、距离和高分辨率图像信息；单模块成像单元90°-150°视场可以投影2000条+条纹的高清图像，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹的高清全景图像；采用上述技术方案后，本发明高速高分辨率激光雷达具有高速、高分辨率，高效可靠的优点。主要应用于自动驾驶、航空和航天飞行器着陆导航、航空和航天器飞行对接等领域。
附图说明
图1是本发明高速高分辨率激光雷达第一种实施方式透射式S型光轴单元模块单视场的结构图示意图。图2是本发明高速高分辨率激光雷达第二种实施方式反射式M型光轴单元模块单视场的结构图示意图。
图3是本发明双单元集成式实施方式的总装主视结构示意图；图4是本发明三单元360°视场集成式2种实施方式的总装主视结构示意图；图5是本发明四单元360°视场集成式2种实施方式的总装主视结构示意图；图6 是本发明双单元分布式实施方式的总装主视结构示意图；图7 是本发明三单元360°视场分布式2种实施方式的总装主视结构示意图；图8是本发明四单元360°视场分布式2种实施方式的总装主视结构示意图。
具体实施方式
实施例一，如图1所示，本发明高速高分辨率激光雷达的单元模块主要由激光面投影编码模块Ⅰ、图像信号采集模块Ⅱ和数据处理模块Ⅲ构成，激光面投影编码模块主要由在密闭外壳8内沿光路依次设置的激光器1、扩束器2、编码图像发生器4、傅里叶变换透镜5、视场变换输出镜头7和密闭外壳8的输出窗口及光路中途设置的必要转向棱镜组构成的透射式S型光轴单元模块单视场激光面投影编码模块；激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，图像信号采集模块9配合激光面投影编码模块由1-4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装，数据处理模块10由数据采集器和算法封装处理单元构成。可以封装在一个带有输入和输出窗口的密闭外壳里，也可以分别单独封装；可以集成式，也可以分布式。激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，单个单元模块可以投影2000条+条纹，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹，并由带输出窗口的密闭外壳封装。
由激光器、扩束器、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、视场变换输出镜头及必要的转向棱镜组构成90°-150°输出编码图像的单模块单元，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场。激光器适应不同的使用环境采用不同的波长，红外波段、可见光波段或者其他波段；激光器适应不同的环境采用固体、气体、半导体、光纤激光器或者其他激光器；激光器适应不同的的环境采用不同的功率输出。扩束器选择不同的放大倍率，适应前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等部件的安全功率密度，以及探测器、被投影目标敏感部位的安全功率密度范围；扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等均需要根据激光器的波长、功率，选择适合的镀膜表面器件；扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头等均需要根据输出选择对应的口径。编码图像发生器根据不同的情况，选择矩形光栅、正弦光栅、达曼光栅、DMD、SLM、其他二维透射、反射靶标、以及其他不同的二维靶标的空间频率（分辨率）。傅里叶变换透镜兼顾孔径和视场要求。所述滤光片窗口是密闭外壳带有的配合激光器波长的滤光片窗口。密闭外壳按照空气、水下、无重力等环境的条件增减对应等级的防水、防尘、耐压、耐盐碱、防辐射等设计。数据采集器由通用或专用采集芯片封装算法构成。具有高速、高分辨率，高效可靠的优点。主要应用于自动驾驶、航空和航天飞行器着陆导航、航空和航天器飞行对接等领域。
扩束器2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；编码图像发生器4定位在傅里叶变换透镜5前焦平面上，经由傅里叶变换透镜5实现频谱变换；视场变换输出镜头7将傅里叶变换透镜5后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳8的输出窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器1、扩束器2、前转向棱镜组3、编码图像发生器4、傅里叶变换透镜5、后转向棱镜组6、视场变换输出镜头7和密闭外壳8的输出窗口构成。
扩束器2位于激光器1的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；前转向棱镜组3位于扩束器2的后面，改变扩束光轴方向，折叠光路缩小系统体积，并将合适的功率密度输出到编码图像发生器4；编码图像发生器4定位在傅里叶变换透镜5前焦平面上，经由傅里叶变换透镜5实现频谱变换，由傅里叶变换透镜5后面光场输出的结构光频谱信息进入后转向棱镜组6；后转向棱镜组6定位在傅里叶变换透镜5后焦平面附近的合适位置，再次改变光轴方向，折叠光路；视场变换输出镜头7位于后转向棱镜组6后面的合适位置，将傅里叶变换透镜5后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳8的窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
转向棱镜组由前转向棱镜组3和后转向棱镜组6组成，编码图像发生器为4透射式，利用前转向棱镜组3和后转向棱镜组6构成S型光轴光路。
也可以是：转向棱镜组由前转向棱镜组3和后转向棱镜组6组成，前转向棱镜组设置在激光器与扩束器之间的光路上，更可以设置在编码图像发生器与傅里叶变换透镜之间的光路上；后转向棱镜组6设置在傅里叶变换透镜与视场变换输出镜头之间的光路上。前转向棱镜组3在激光器低功率条件和整体体积尺寸优化平衡，可以放置在激光器后面，扩束器前面的合适位置；前转向棱镜组3整体体积尺寸优化平衡的条件下，可以放置在编码图像发生器后面，傅里叶变换透镜前面的合适位置。
多个单元模块的组合方式是：由带输出窗口的密闭外壳封装的激光面投影编码模块单元是1-4单元1组，集成式是2-4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置。图像信号采集模块配合激光投影编码模块的集成式和分散式布局由1-4个带有滤光片窗口的通用高清摄像头密闭外壳封装。集成式布局图像信号采集模块1-4对应采集激光投影编码模块1-4投影数据；或者集成式布局图像信号采集模块1-2-3-4轮次采集激光投影编码模块2-3-4-1投影数据；分布式布局图像信号采集模块1-2-3-4交叉采集激光投影编码模块2-1-4-3投影数据。
激光投影编码模块采用脉冲式、连续投影编码信息输出的方式；或者采用连续式，配合图像信号采集模块的速度获取图像。激光投影编码模块采用脉冲式时，模拟人眼每秒约24帧或者24帧倍乘的速率，均配合图像信号采集模块的速度获取图像。
图像信号采集模块9采集单幅图像，通过算法获得立体图像；通过两副图像的像素移动获得目标的移动速度和方向；数据处理模块10根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
所述数据采集器对获取的1-2-3-4的图像进行视场拼接获得目标区域的90°-360°视场的信息。封装算法包括立体投影、移动侦测、图像分割、解卷积、多步相移、人工智能等算法构成，最终输出目标的速度、方位、距离和高分辨率图像信息；数据处理模块根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
实施例二，如图2所示，本发明高速高分辨率激光雷达与上述实施例一的区别在于编码图像发生器4为反射式，利用前转向棱镜组3和后转向棱镜组6构成M型光轴光路，是反射式M型光轴单元模块单视场激光面投影编码模块。
多个单元模块的组合方式有：由带输出窗口的密闭外壳封装的激光面投影编码模块单元是1-4单元1组，集成式是2-4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置。图像信号采集模块配合激光投影编码模块的集成式和分散式布局由1-4个带有滤光片窗口的通用高清摄像头密闭外壳封装。集成式布局图像信号采集模块1-4对应采集激光投影编码模块1-4投影数据；或者集成式布局图像信号采集模块1-2-3-4轮次采集激光投影编码模块2-3-4-1投影数据；分布式布局图像信号采集模块1-2-3-4交叉采集激光投影编码模块2-1-4-3投影数据。更具体的组合方式，如下。
如图3本发明双单元集成式实施方式的总装主视结构示意图；是由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第1 单元与激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第2 单元在总装壳的左上至右下对角线上集成在一个总装壳体内而成。
图4是本发明三单元360°视场集成式2种实施方式的总装主视结构示意图；前方式是由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第1 单元在左侧，由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第2和3 单元分别在右上方和右下方以360°视场集成在总装壳内。后方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、对应第2单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左侧，由第2单元激光面投影编码模块I、对应第3单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、对应第1单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右下方以360°视场集成在总装壳内。
图5是本发明四单元360°视场集成式2种实施方式的总装主视结构示意图；前方式是由第1 单元激光面投影编码模块I对应第2 单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，由第4单元激光面投影编码模块I对应第3单图像信号采集模块II和数据处理模块III元在左下方，第2单元激光面投影编码模块I对应第1单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I对应第4单图像信号采集模块II和数据处理模块III元在右下方，以360°视场集成在总装壳内。后方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、对应第2单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，由第4单元激光面投影编码模块I、对应第3单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左下方，由第2单元激光面投影编码模块I、对应第1单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、对应第4单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右下方以360°视场集成在总装壳内。
图6 是本发明双单元分布式实施方式的总装主视结构示意图；由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第1 单元与激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III第2 单元在总装壳的右上至左下对角线上上下分体组成。
图7 是本发明三单元360°视场分布式2种实施方式的总装主视结构示意图；前方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，第2单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III在右下方以360°视场分别分装在左上、右上和正下分装壳体内。后方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、对应第2单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，第2单元激光面投影编码模块I、对应第3单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、对应第3单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在正下方以360°视场分别分装在左上、右上和正下分装壳体内。
图8 是本发明四单元360°视场分布式2种实施方式的总装主视结构示意图。前方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，由第4单元激光面投影编码模块、图像信号采集模块II和数据处理模块III元在左下方，第2单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III元在右下方，以360°视场分别分装在左上，左下，右上，右下分装壳体内。后方式是由第1 单元激光面投影编码模块I、对应第2单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左上方，由第4单元激光面投影编码模块I、对应第1单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在左下方，由第2单元激光面投影编码模块I、对应第3单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右上方，由第3单元激光面投影编码模块I、对应第4单元图像信号采集模块II和数据处理模块III在右下方以360°视场分别分装在左上，左下，右上，右下分装壳体内。
更具体如图1至图8所示，用于实现本发明所述高速高分辨率激光雷达的单元模块由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III等3个子模块构成。可以封装在一个带有输入和输出窗口的密闭外壳里，也可以分别单独封装；可以集成式，也可以分布式。单个单元模块可以投影2000条+条纹，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹，并由带输出窗口的密闭外壳封装。
图1 是本发明透射式S型光轴单元模块单视场示意图；单视场90°-150°视场，用于航空和航天飞行器着陆导航：安装在着陆方向，实现全自动着陆，或者半自动着陆辅助；用于航空和航天器飞行对接：安装在飞行器对接方向，实现全自动对接，或者半自动对接辅助。
图2 是本发明反射式M型光轴单元模块单视场示意图；单视场90°-150°视场，用于航空和航天飞行器着陆导航：安装在着陆方向，实现全自动着陆，或者半自动着陆辅助；用于航空和航天器飞行对接：安装在飞行器对接方向，实现全自动对接，或者半自动对接辅助。
图3是本发明双单元集成式实施方式的结构示意图；用于航空和航天器双向飞行对接：安装在飞行器对接方向，实现全自动双向对接，或者半自动双向对接辅助；用于自动驾驶，安装在车顶，实现前后接近360°视场探测。
图4是本发明三单元360°视场集成式2种实施方式的结构示意图；用于自动驾驶，安装在车顶，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。
方式1发射和探测同模块，便于多模块集成，发射光轴和探测光轴夹角较小，单幅图像反演获得立体深度较浅的图像，配合封装的其他数据处理算法实现真实立体深度图像数据获取及其他数据获取；方式2发射和探测不同模块，发射光轴和探测光轴夹角较大，单幅图像反演获得真实的立体深度图像数据，配合封装的其他数据处理算法实现其他数据获取。
图5是本发明四单元360°视场集成式2种实施方式的结构示意图；用于自动驾驶，安装在车顶，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。
方式1发射和探测同模块，便于多模块集成，发射光轴和探测光轴夹角较小，单幅图像反演获得立体深度较浅的图像，配合封装的其他数据处理算法实现真实立体深度图像数据获取及其他数据获取；方式2发射和探测不同模块，发射光轴和探测光轴夹角较大，单幅图像反演获得真实的立体深度图像数据，配合封装的其他数据处理算法实现其他数据获取。
图6 是本发明双单元分布式实施方式的结构示意图；用于航空和航天器双向飞行对接：安装在飞行器前后2个位置对接方向，实现全自动双向对接，或者半自动双向对接辅助；用于自动驾驶，安装在车顶前后2个位置，实现前后接近360°视场探测。或者用于自动驾驶，安装在车头和车尾前后2个位置，实现前后接近360°视场探测。
图7 是本发明三单元360°视场分布式2种实施方式的结构示意图；用于自动驾驶，安装在车顶前2个位置和车顶后1个位置，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。用于自动驾驶，集成安装在车头灯2个位置和车尾1个位置，实现前后接近360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2集成安装在车头灯2个位置的发射和探测不同模块，车尾1个位置的发射和探测同模块。
方式1发射和探测同模块，便于多模块集成，发射光轴和探测光轴夹角较小，单幅图像反演获得立体深度较浅的图像，配合封装的其他数据处理算法实现真实立体深度图像数据获取及其他数据获取；方式2发射和探测不同模块，发射光轴和探测光轴夹角较大，单幅图像反演获得真实的立体深度图像数据，配合封装的其他数据处理算法实现其他数据获取。
图8 是本发明四单元360°视场分布式2种实施方式的结构示意图；用于自动驾驶，安装在车顶前2个位置和车顶后2个位置，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。用于自动驾驶，安装在A柱靠近车顶2个位置和C柱靠近车顶2个位置，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。用于自动驾驶，集成安装在车头灯2个位置和集成安装在车尾灯2个位置，实现全向360°视场探测。方式1发射和探测同模块；方式2发射和探测不同模块。
方式1发射和探测同模块，便于多模块集成，发射光轴和探测光轴夹角较小，单幅图像反演获得立体深度较浅的图像，配合封装的其他数据处理算法实现真实立体深度图像数据获取及其他数据获取；方式2发射和探测不同模块，发射光轴和探测光轴夹角较大，单幅图像反演获得真实的立体深度图像数据，配合封装的其他数据处理算法实现其他数据获取。
总之，本发明高速高分辨率激光雷达由激光面投影编码模块I、图像信号采集模块II和数据处理模块III等3个子模块构成。图像信号采集模块II配合激光投影编码模块I由1-4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装。数据处理模块III由数据采集器和算法封装处理单元构成。激光面投影编码模块I输出90°-150°视场宽度的编码图像，单模块单元可以投影2000条+条纹，由3-4个单元模块合成孔径构成360°视场，全视场8000条+条纹，并由带输出窗口的密闭外壳封装。根据编码图像发生器的工作方式有透射式S型和反射式M型2种构造方案。图像信号采集模块II根据分辨率和数据处理要求选择适合的通用高速摄像头。数据处理模块III以现有数据存储处理技术为基础，可以扩展到最新的任何实时处理技术。整个系统，根据视场需求有包括单独式、集成式和分布式不少于4种的排布方式。具有高速、高分辨率，高效可靠的优点。主要应用于自动驾驶、航空和航天飞行器着陆导航、航空和航天器飞行对接等领域。
Claims (10)
1.一种高速高分辨率激光雷达，单元模块主要由激光面投影编码模块、图像信号采集模块和数据处理模块构成，其特征在于激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器、扩束器、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、视场变换输出镜头和密闭外壳的输出窗口及光路中途设置的必要转向棱镜组构成；激光面投影编码模块输出90°-150°视场宽度的编码图像，图像信号采集模块配合激光面投影编码模块由1-4个带有滤光片窗口的通用摄像头密闭封装，数据处理模块由数据采集器和算法封装处理单元构成。
2.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于扩束器位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；编码图像发生器定位在傅里叶变换透镜前焦平面上，经由傅里叶变换透镜实现频谱变换；视场变换输出镜头将傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳的输出窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
3.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于激光面投影编码模块主要由在密闭外壳内沿光路依次设置的激光器、扩束器、前转向棱镜组、编码图像发生器、傅里叶变换透镜、后转向棱镜组、视场变换输出镜头和密闭外壳的输出窗口构成。
4.根据权利要求3所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于扩束器位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、降低功率密度；前转向棱镜位于扩束器的后面，改变扩束光轴方向，折叠光路缩小系统体积，并将合适的功率密度输出到编码图像发生器；编码图像发生器定位在傅里叶变换透镜前焦平面上，经由傅里叶变换透镜实现频谱变换，由傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息进入后转向棱镜组；后转向棱镜组定位在傅里叶变换透镜后焦平面附近的合适位置，再次改变光轴方向，折叠光路；视场变换输出镜头位于后转向棱镜组后面的合适位置，将傅里叶变换透镜后面光场输出的结构光频谱信息在弧矢面扩展，子午面压缩，实现竖直方向窄视场，水平方向90°-150°宽视场，并从输出密闭外壳的窗口输出；输出的结构光频谱信息利用远场条件后面空间实现傅里叶变换，将编码图像信息以无离焦、无散焦的方式在空间扩展输出，构成90°-150°输出编码图像的激光面投影单模块单元。
5.根据权利要求1-4任一所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于转向棱镜组由前转向棱镜组和后转向棱镜组组成，编码图像发生器为透射式，利用前转向棱镜组和后转向棱镜组构成S型光轴光路；或者编码图像发生器为反射式，利用前转向棱镜组和后转向棱镜组构成M型光轴光路。
6.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于转向棱镜组由前转向棱镜组和后转向棱镜组组成，前转向棱镜组设置在激光器与扩束器之间的光路上或者设置在编码图像发生器与傅里叶变换透镜之间的光路上；后转向棱镜组设置在傅里叶变换透镜与视场变换输出镜头之间的光路上。
7.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于由带输出窗口的密闭外壳封装的激光面投影编码模块单元是1-4单元1组，集成式是2-4单元共用一个密闭外壳，分散式以单独封装分布式放置。
8.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于激光投影编码模块采用脉冲式、连续投影编码信息输出的方式；或者采用连续式，配合图像信号采集模块的速度获取图像。
9.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于图像信号采集模块采集单幅图像，通过算法获得立体图像；通过两副图像的像素移动获得目标的移动速度和方向；数据处理模块根据处理速度，2-4路集成式和分布式布局，均可采用1个数据处理模块单元实现。
10.根据权利要求1所述高速高分辨率激光雷达，其特征在于所述数据采集器对获取的1-2-3-4的图像进行视场拼接获得目标区域的90°-360°视场的信息。
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2021
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Also Published As
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