CN113589316A - 一种n线激光雷达扫描系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种N线激光雷达扫描系统及方法，扫描系统包括：激光光源和二维扫描子系统，二维扫描子系统包括光开关、准直透镜和反射镜，激光光源的输出端和光开关的输入端连接，光开关的输出端与准直透镜的一侧连接，准直透镜的另一侧设置有反射镜。本发明使常规的激光雷达扫描系统结构简单化，大大降低了多线激光雷达的制造成本，并且检修过程简便，为高性能多线激光雷达的普及提供了一种思路。
Description
技术领域
本发明涉及激光扫描技术领域，特别是涉及一种N线激光雷达扫描系统及方法。
背景技术
激光雷达是一种通过激光照射目标并用光电探测器接收反射脉冲信号来计算分析目标位置和速度信息的测量技术，可以根据激光经目标反射后返回时间和频率的差异制作目标的数字三维信息。这是一种将激光技术与先进光电探测技术深度融合的现代目标探测手段。相较于传统的微波雷达，激光雷达的发射光源变成了波长更短的激光，这就使得激光雷达的测距精度可达几个厘米。随着近年来无人驾驶技术对物体探测提出了更高的要求，激光雷达成像开始进入人们的视野。激光雷达有时被称为3D激光扫描，是3D扫描和激光扫描的特殊组合。它在陆地、空中和移动端均有应用。激光雷达通常用于高分辨率三维探测，应用于大地测量学、地理信息学、林业、大气物理学，激光制导、目标跟踪和识别。目前，这项技术因更多的用于自动驾驶汽车的控制和导航而被大众所熟知。
常规的激光雷达扫描系统结构复杂，成本较高，价格随雷达线束的增加呈几何倍数增长，并且一旦损坏之后维修过程十分复杂。
因此，亟需一种结构简单、成本低的高性能多线激光雷达扫描系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种N线激光雷达扫描系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，使常规的激光雷达扫描系统结构简单化，大大降低了多线激光雷达的制造成本，并且检修过程简便，为高性能多线激光雷达的普及提供了一种思路。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种N线激光雷达扫描系统，包括激光光源和二维扫描系统，所述二维扫描系统包括光开关、准直透镜和反射镜，所述激光光源的输出端和所述光开关的输入端连接，所述光开关的输出端与所述准直透镜的一侧连接，所述准直透镜的另一侧设置有反射镜。
优选的，所述光开关包括N个输出通道，所述N个输出通道由上至下依次排列。
优选的，所述N个输出通道的切换速率可控。
优选的，所述准直透镜采用若干透镜组成的透镜组。
优选的，所述准直透镜还能够采用单个透镜。
优选的，所述反射镜可旋转，且所述反射镜的旋转方向、旋转角度和旋转速率可控。
优选的，所述准直透镜的中心与所述光开关的输出通道的中心共轴。
优选的，所述反射镜采用MEMS反射镜。
优选的，所述反射镜还能够采用机械式转镜。
还提供一种N线激光雷达扫描方法，包括以下步骤：
根据扫描任务，选择扫描方式，其中，扫描方式包括第一扫描方式和第二扫描方式；
基于所述第一扫描方式，设置初始纵向扫描通道和横向扫描角度范围；产生激光，利用所述激光，在所述横向扫描角度范围完成一次横向扫描，切换纵向扫描通道，完成下一次横向扫描，依次重复，直至所述纵向扫描通道切换完毕，完成所述扫描任务；
基于所述第二扫描方式，选择初始纵向扫描通道和初始横向扫描角度；产生激光，利用所述激光，在所述初始横向扫描角度下，依次切换纵向扫描通道完成一次纵向扫描，偏转横向扫描角度，依次切换纵向扫描通道完成下一次纵向扫描，依次重复，直至所有所述横向角度偏转完成，完成所述扫描任务。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种N线激光雷达扫描系统及方法，(1)创立了一种基于多通道光开关阵列与透镜组来实现多线激光扫描的技术，通过将光源连通到1×N多路光开关阵列中来进行不同高度的激光发射，经过透镜组整形偏转光束后，再通过反射镜进行扫描。转动反射镜，实现横向扫描，控制光开关，实现竖向扫描，通过对激光光源、光开关、透镜组和反射镜的系统集成，实现二维扫描，装置成本造价相对较低，结构简单，只要更换器件可以进行维修升级，使得后续的维护工作更加便利高效。
(2)通过控制多通道1×N光开关各个通道的通断来实现N线激光扫描效果，在大大降低了多线激光雷达成本的同时，也能保证较快的扫描速度。控制光开关内部各通道的连通和断开，实现对扫描区域纵向角度的设置，控制反射镜转动姿态，实现对扫描区域横向角度的设置，最终实现对扫描区域的灵活控制。为高性能多线激光雷达的普及提供了一种新的方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中的N线激光雷达扫描系统结构示意图；
图2为发明实施例中的N线激光雷达扫描方法流程示意图。
其中，1为激光光源；2为光开关；3为准直透镜；4为反射镜，5为第三通道光路，6为第N通道光路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种N线激光雷达扫描系统，如图1所示。N线激光雷达扫描系统包括激光光源1和二维扫描子系统，二维扫描子系统包括光开关2、准直透镜3和反射镜4，激光光源1的输出端和光开关2的输入端连接，光开关2的输出端与准直透镜3连接，准直透镜3的右侧设置有反射镜4。
本实施例中，光开关2具有N个输出通道，各个输出通道由上至下依次排列呈阵列分布，并且通道切换速率可控，通过切换通道改变出射光束的高度。通过采用上述技术方案，能够方便自由的设置激光雷达的扫描线束，根据N个线束扫描需求安装相应具有N个输出通道的光开关2。通过控制光开关2内部各通道的连通和断开，还能够设置竖向扫描范围，并且精准划分扫描区域，保证扫描效率。如图1所示，当设置为利用3个通道进行扫描使，通道的连通和断开截止到第三通道光路5，当设置为利用N个通道进行扫描使，通道的连通和断开截止到第N通道光路6，从而改变出射光束的高度。
本实施例中，准直透镜3采用多个凸透镜与凹透镜组合而成的透镜组，也能够使用单个透镜。无论是透镜组还是单个透镜，准直透镜3的中心与光开关2输出通道阵列的中心共轴。光束经准直透镜3整形，压缩发散角并偏转光路，出射到反射镜4上的不同位置。通过采用上述技术方案，能够偏转光路，将光开关2各通道出射光束的高度位置转化为扫描角度，同时整形光束压缩发散角，保证光束质量。
本实施例中，反射镜4绕主轴旋转，且旋转方向、旋转角度和旋转速率可控，反射镜4采用MEMS反射镜。通过采用上述技术方案，扫描速率更快，无机械结构，扫描稳定性好，还能够设定扫描范围，实现光束按照设定速率在规定范围内的横向扫描。另外，反射镜4还能够采用机械式转镜，成本低，易维护。
还提供一种N线激光雷达扫描方法，如图2所示，包括以下步骤：
根据扫描任务，选择扫描方式，其中，扫描方式包括第一扫描方式和第二扫描方式；
基于第一扫描方式，设置初始纵向扫描通道和横向扫描角度范围；产生激光，利用所述激光，在横向扫描角度范围完成一次横向扫描，切换纵向扫描通道，完成下一次横向扫描，依次重复，直至纵向扫描通道切换完毕，完成扫描任务；
基于所述第二扫描方式，选择初始纵向扫描通道和初始横向扫描角度；产生激光，利用激光，在初始横向扫描角度下，依次切换纵向扫描通道完成一次纵向扫描，偏转横向扫描角度，依次切换纵向扫描通道完成下一次纵向扫描，依次重复，直至所有横向角度偏转完成，完成所述扫描任务。
在本实施例中，该N线激光雷达扫描系统，通过控制光开关2内部各通道的连通和断开，实现对扫描区域纵向角度的设置，控制反射镜4转动姿态，实现对扫描区域横向角度的设置，最终实现对扫描区域的灵活控制。通过采用上述技术方案，可以分别控制光束的纵向和横向扫描角度，实现对定制区域进行二维扫描。
第一种工作方案，工作时，激光光源1发出激光，经过光开关2中连通的线路输出，经过准直透镜3整形偏转光路后，照射在反射镜4上。设定好横向扫描区域，通过控制反射镜4转动姿态，实现规定角度范围内的横向扫描；通过控制光开关2内部各线路的通断，来实现规定角度范围内的竖向扫描，如连通一个线路后，作为起始通道，在完成一次横向扫描后，断开该线路，再连通下一个线路，再进行一次横向扫描后，断开再连通的线路，继续连通又一个线路，重复操作，直至断开结束通道，即完成规定角度范围内的竖向扫描，此时，规定区域的二维扫描完成。若将具有N通道的光开关2的第一条线路作为扫描起点，第N条线路作为扫描结束点，按照上述方案完成二维扫描，即可实现最大扫描范围的N线激光雷达扫描效果。光路示意请参阅图1。
本实施例还可实现第二种扫描方案：工作时，激光光源1发出激光，经过光开关2中连通的线路输出，经过准直透镜3整形偏转光路后，照射在反射镜4上。光开关2纵向快扫，反射镜4横向慢扫。控制反射镜4转动一个横向角度，然后控制光开关2切换不同的输出通道，实现该横向角度下的纵向N点扫描；在完成一次纵向扫描后，启动反射镜4旋转至下一个横向角度，再重复上述纵向扫描；当转镜4偏转所有横向角度后，二维扫描完成。
本发明提出了一种基于多通道光开关阵列与透镜组来实现多线激光扫描的技术，扫描区域灵活可控，大大降低了多线激光雷达的成本；结构简单，设备维护更加便利高效。为高性能多线雷达的普及提供了一种新的扫描系统。
在本发明的描述中，需要理解的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
基于上述本发明的设计原理，本领域技术人员完全能够理解，本具体实施例所提供的N线激光雷达扫描系统仅仅只是举例，并非构造对所述光开关通道数目、安装形式和透镜组选择的具体限定。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种N线激光雷达扫描系统，其特征在于：包括激光光源(1)和二维扫描子系统，所述二维扫描子系统包括光开关(2)、准直透镜(3)和反射镜(4)，所述激光光源(1)的输出端和所述光开关(2)的输入端连接，所述光开关(2)的输出端与所述准直透镜(3)的一侧连接，所述准直透镜(3)的另一侧设置有反射镜(4)。
2.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述光开关(2)包括N个输出通道，所述N个输出通道由上至下依次排列。
3.根据权利要求2所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述N个输出通道的切换速率可控。
4.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述准直透镜(3)采用若干透镜形成的透镜组。
5.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述准直透镜(3)还能够采用单个透镜。
6.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述反射镜(4)可旋转，且所述反射镜(4)的旋转方向、旋转角度和旋转速率可控。
7.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述准直透镜(3)的中心与所述光开关(2)的输出通道的中心共轴。
8.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述反射镜(4)采用MEMS反射镜。
9.根据权利要求1所述的N线激光雷达扫描系统，其特征在于：所述反射镜(4)还能够采用机械式转镜。
10.一种N线激光雷达扫描方法，所述扫描方法根据权利要求1-9任一所述的N线激光雷达扫描系统完成，其特征在于：包括以下步骤：
根据扫描任务，选择扫描方式，其中，扫描方式包括第一扫描方式和第二扫描方式；
基于所述第一扫描方式，设置初始纵向扫描通道和横向扫描角度范围；产生激光，利用所述激光，在所述横向扫描角度范围完成一次横向扫描，切换纵向扫描通道，完成下一次横向扫描，依次重复，直至所述纵向扫描通道切换完毕，完成所述扫描任务；
基于所述第二扫描方式，选择初始纵向扫描通道和初始横向扫描角度；产生激光，利用所述激光，在所述初始横向扫描角度下，依次切换纵向扫描通道完成一次纵向扫描，偏转横向扫描角度，依次切换纵向扫描通道，完成下一次纵向扫描，依次重复，直至所有所述横向角度偏转完成，完成所述扫描任务。
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