CN115480253B - 一种基于spad线阵探测器的三维扫描激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，包括发射模块，接收模块，扫描模块，控制模块、壳体，发射模块由发射电路板、VCSEL、整形透镜组成，接收模块由SPAD线阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，扫描模块由电机和四面反光镜组成，控制模块由控制系统和算法单元组成，壳体上安装有收发透光的窗口片；多个VCSEL光源整形为一长条形状光斑，通过四面镜扫描照射到待测物上，返回回波通过相邻面的反光镜反射信号光给接收镜头并聚焦到SPAD接收探测器上进行信号放大，控制单元对接收信号进行处理同时能够进行算法处理进行背景光抑制；使用收发异轴方案，同时添加背景光抑制算法能够得到更大的动态范围，同时提高了激光雷达的可靠性。

Description

一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达

技术领域

本发明涉及激光探测技术领域，尤其涉及一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达。

背景技术

激光雷达能够用于检测目标位置，轮廓和速度，激光扫描雷达是将发射的激光束通过扫描发射形成扫描截面，从而测试出待测物的特征信息。目前三维扫描激光雷达在垂直方向为多层扫描，能够很好的反应待测物的特征信息，适用于多个领域，如无人驾驶的导航，交通车辆轮廓检测。

目前的三维扫描激光雷达多采用多线扫描方式，即发射使用多个激光管顺序发射，结构为多个激光管纵向排列，每个激光管之间有一定的夹角，垂直发射视场在30-40°，接收模块在对应角度进行接收，每一个接收探测器对应一个发射角度，结构为接收模块和发射模块在两侧对称排布，发射接收和控制模块整体在水平方向旋转实现三维扫描测距；另外一种方式是发射和接收在同侧，使用收发同轴光路，发射发光照射到扫描多面镜然透过窗口片照射待测物信号光返回到相同的扫描多面镜的同一面进行接收。第一种方法整体扫描导致电机功耗过大，很难通过振动冲击，第二种方法通过同轴方案进行发收，窗口片返回杂散信号对近段盲区有影响，并且目前使用探测器从APD转到SiPM再升级到SPAD，为了保证能够测远，提高信噪比不只在提高发射功率增加接收口径上进行设计优化，还需要进行算法优化，低成本能够得到更远的距离，同时使用多个发射轮循进行，很容易出现某一个发射失效导致激光雷达“瞎线”问题。因此在激光雷达扫描方式和控制处理方法上还需要进行一步优化设计，提供激光雷达的可靠性等。

发明内容

根据以上存在的技术问题，本发明提供一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于包括发射单元、接收单元、扫描单元、控制单元、壳体，所述发射模块由发射电路板、VCSEL和整形透镜组成。所述接收模块由SPAD线阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，所述扫描模块由电机和四面反光镜组成，所述控制模块由控制系统和算法单元组成，所述壳体上安装有收发透光的窗口片；

多个所述VCSEL光源整形为一长条形状光斑，通过四面反光镜扫描照射到待测物上，返回回波通过相邻面的反光镜反射信号光给接收镜头并聚焦到SPAD线阵探测器上进行信号放大，SPAD线阵探测器的多个像素单元提供角度信息；控制模块可以进行发射和扫描控制，对接收信号进行处理同时能够进行算法处理进行背景光抑制。

具体的，所述发射模块的VCSEL使用的是N×M排布的VCSEL芯片模块，N在1-5之间，M为5-100之间，VCSEL芯片的尺寸为200-500um,VCSEL芯片之间间距在200-500um，按照竖直方向并行排布，使用的VCSEL芯片为多边形或者圆形，交叉排列，保证发光面的间隙最小，整形透镜使用非球面柱面透镜进行长条状整形，发散角在θ∥*θ⊥°，θ∥可以为0.1°-0.3°之间，θ⊥可以为10-45°之间，多个VCSEL为同时发射。其中VCSEL芯片可以选在200um，VCSEL芯片中心间距为300um，选用的发射光源单列拼接，数量为120个，垂直方向尺寸为36mm,使用非球面柱透镜的焦距为80mm，在水平方向达到0.14°发散角，保证0.7°角度分辨率，垂直方向视场为25°。VCSEL使用同时发射可以保证单个VCSEL失效后，整体光源组成的线光斑仍能够保证整个视场的发射光。

具体的，所述接收模块为1*L行的SPAD线阵探测器，L行SPAD即为接收在垂直方向的线数，L数量在16-512之间。优选的，SPAD使用为5像素对应一个微元，其中SPAD像素间距为10um,对应一个微元的尺寸长度为50um，保证500线设计，使用SPAD线阵探测器微元数量为500个，SPAD的像素为2500个，SPAD线阵探测器接收长度为25mm，选用接收透镜焦距为55mm,保证接收视场为25°，和发射角度进行对应。所得激光雷达线数为500线，在垂直方向的角度分辨率为0.05°。

具体的，所述接收模块和发射模块两侧放置，扫描模块在发射模块和接收模块之间，扫描模块使用四面反光镜进行扫描，其中发射模块中心垂直剖面和接收模块中心剖面在同一面上。该面和扫描模块中心剖面在的垂直距离为四面反光镜对角线的一半。具体的，四面反光镜的边长为35x35mm,发射模块前端和扫描模块中心在水平方向距离大于30mm,接收模块和扫描模块中心在水平方向距离大于30mm,发射模块中心剖面和接收模块中心剖面重合，并且和扫描模块中心剖面在垂直方向距离为25mm。其中发射模块和扫描模块之间可以添加反光镜，接收模块和扫描模块之间可以添加反光镜，中心剖面仍要保证对齐。该发射模块和接收模块在扫描模块两侧，使用的是非传统的收发同轴方案，发射模块和接收模块放置两侧可以抑制由于同轴带来的杂散光。

具体的，所述的壳体主要用于保护激光雷达内部光学器件和电路板，壳体的窗口片在扫描组件反射光路之后，窗口片中心和扫描模块中心重合，扫描模块中心和窗口片距离等于扫描模块的四面反光镜对角线距离+1mm，优选的，如果选用反光镜的尺寸为35mm,因此窗口片和扫描模块的距离为26mm。具体的由于窗口片和扫描模块距离较近，因此会和发射模块和接收模块产生结构干涉，因此可以选择在发射模块和扫描模块之间与接收模块和扫描模块之间添加45°的折返镜，用于减少激光雷达宽度，也可以降低窗口片与发射模块和接收模块产生的干涉问题。

具体的，所述接收模块的SPAD线阵探测器上安装有光阑、微透镜阵列，光阑大小和SPAD线阵探测器感应微元尺寸相同，每个微透镜的中心和SPAD线阵探测器微元中心重合，光阑、微透镜阵列数量和微元数量相同。优选的微元数量为5个SPAD像素组成，在垂直方向有500个阵列光阑和微透镜。

具体的，所述光阑在探测器表面，使用刻蚀工艺加工，微透镜在光阑前端，粘贴在光阑上。优选的每个光阑对应5个SPAD像素，既对应一个微元，所述的光阑尺寸为狭缝为6*45um,微透镜在纵向尺寸为50um,焦距为0.3mm,微透镜和光阑的作用主要用于接收信号光为线阵造成的相邻微元的光信号串扰，提高每个信道的精确率。

具体的，所述的控制模块包括发射驱动模块、扫描驱动模块、接收处理模块、背景光抑制模块、点云处理模块；其中控制模块控制发射驱动模块发射，扫描模块旋转，接收信号的处理，得到距离和角度信息，对背景光造成的噪点进行滤除，形成点云。

具体的，所述的控制模块中的背景光抑制方法主要由FPGA进行判断处理，判断方法为首先对发射脉冲编码间隔和接收到的脉冲间隔进行对比，然后进行接收信号的幅度与预订值进行判断，接收信号的脉宽进行判断，三种判断方式串行进行背景光抑制，对测试信号进行滤除得到有效点云信息。优选的，背景光抑制算法在FPGA中的实现，比较模块1判断在一个周期时间测量得到的相邻两个或多个脉冲信号的时间间隔与预设间隔是否相等，如果二者相等那么比较器模块1输出低，此时执行计算模块1，如果比较器模块1输出为高，状态机控制程序退出背景光抑制算法，对本次测试终止，进行下一个接收数据进行判断。计算模块1的数据通过能量幅度计算，和预设值在比较模块2中进行比较，判断计算模块1中的幅度值是否满足要求，如果比较模块2输出为低，此时状态机需要跳转到计算模块2，如果相反比较器输出为高，状态机控制程序退出背景光抑制算法，对本次测试终止，进行下一个接收数据进行判断。计算模块2判断接收信号脉宽和发射脉宽是否有相关性，如果相关，比较模块3输出为低，如果不相关比较模块3的输出为高，对于当前测量结果，三个比较模块的输出都为低，则表示当前测量结果可靠，反之当前测量结果不可靠。通过该方法完成对背景光的信号的滤除，得到有效信号。 本发明的有益效果：

本发明使用多个VCSEL光源同时发射，和目前的主流逐个发射技术不同，多个VCSEL发射可以覆盖整个接收视场，如果有一个VCSEL出现失效，不会对激光雷达功能产生影响，传统的单个逐个发射的方法，如果有一个发射失效会导致点云缺失一条线；

本发明使用多面镜扫描方式，传统的方法也是多面镜扫描，使用的收发同轴的方案，发射和接收模块在扫描多面镜的同侧。但是该专利的创新点在于发射和接收放置在扫描多面镜的两侧，收发异轴方案，降低近端窗口片反射光造成的信号干扰；

本发明提出了具体的激光雷达背景光抑制的方法，系统的说明了整个处理的方法和步骤。

附图说明

图1为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的系统流程示意图；

图2为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的发射整形条状光斑图；

图3为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的具体实施例一示意图；

图4为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的具体实施例二示意图；

图5为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的接收探测器示意图；

图6为本发明一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达的背景光抑制算法框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，发射模块中的VCSEL光源整形为一长条形状光斑（如图2），通过四面反光镜扫描照射到待测物上，返回回波通过相邻面的反光镜反射信号光给接收镜头并聚焦到SPAD线阵探测器上进行信号放大，SPAD线阵探测器的多个像素单元提供角度信息；控制模块可以进行发射和扫描控制，对接收信号进行处理同时能够进行算法处理进行背景光抑制。

具体的，所述发射模块的VCSEL使用的是N×M排布的VCSEL芯片模块，N在1-5之间，M为5-100之间，VCSEL芯片的尺寸为200-500um,VCSEL芯片之间间距在200-500um，按照竖直方向并行排布，使用的VCSEL芯片为多边形或者圆形，交叉排列，保证发光面的间隙最小，整形透镜使用非球面柱面透镜进行长条状整形，发散角在θ∥*θ⊥°，θ∥可以为0.1°-0.3°之间，θ⊥可以为10-45°之间，多个VCSEL为同时发射。其中VCSEL芯片可以选在200um，VCSEL芯片中心间距为300um，选用的发射光源单列拼接，数量为120个，垂直方向尺寸为36mm,使用非球面柱透镜的焦距为80mm，在水平方向达到0.14°发散角，保证0.7°角度分辨率，垂直方向视场为25°。VCSEL使用同时发射可以保证单个VCSEL失效后，整体光源组成的线光斑仍能够保证整个视场的发射光。

具体的，所述接收模块为1*L行的SPAD线阵探测器，L行SPAD即为接收在垂直方向的线数，L数量在16-512之间。优选的，SPAD使用为5像素对应一个微元，其中SPAD像素间距为10um,对应一个微元的尺寸长度为50um，保证500线设计，使用SPAD线阵探测器微元数量为500个，SPAD的像素为2500个，SPAD线阵探测器接收长度为25mm，选用接收透镜焦距为55mm,保证接收视场为25°，和发射角度进行对应。所得激光雷达线数为500线，在垂直方向的角度分辨率为0.05°。

如图5所示，所述接收模块的SPAD线阵探测器上安装有光阑、微透镜阵列，光阑大小和SPAD线阵探测器感应微元尺寸相同，每个微透镜的中心和SPAD线阵探测器微元中心重合，光阑、微透镜阵列数量和微元数量相同。优选的微元数量为5个SPAD像素组成，在垂直方向有500个阵列光阑和微透镜。

具体的，所述光阑在探测器表面，使用刻蚀工艺加工，微透镜在光阑前端，粘贴在光阑上。优选的每个光阑对应5个SPAD像素，既对应一个微元，所述的光阑尺寸为狭缝为6*45um,微透镜在纵向尺寸为50um,焦距为0.3mm,微透镜和光阑的作用主要用于接收信号光为线阵造成的相邻微元的光信号串扰，提高每个信道的精确率。

具体的，所述的控制模块包括发射驱动模块、扫描驱动模块、接收处理模块、背景光抑制模块、点云处理模块；其中控制模块控制发射驱动模块发射，扫描模块旋转，接收信号的处理，得到距离和角度信息，对背景光造成的噪点进行滤除，形成点云。

具体的，所述的控制模块中的背景光抑制方法主要由FPGA进行判断处理，判断方法为首先对发射脉冲编码间隔和接收到的脉冲间隔进行对比，然后进行接收信号的幅度与预订值进行判断，接收信号的脉宽进行判断，三种判断方式串行进行背景光抑制，对测试信号进行滤除得到有效点云信息。优选的，背景光抑制算法在FPGA中的实现，（如图6）比较模块1判断在一个周期时间测量得到的相邻两个或多个脉冲信号的时间间隔与预设间隔是否相等，如果二者相等那么比较器模块1输出低，此时执行计算模块1，如果比较器模块1输出为高，状态机控制程序退出背景光抑制算法，对本次测试终止，进行下一个接收数据进行判断。计算模块1的数据通过能量幅度计算，和预设值在比较模块2中进行比较，判断计算模块1中的幅度值是否满足要求，如果比较模块2输出为低，此时状态机需要跳转到计算模块2，如果相反比较器输出为高，状态机控制程序退出背景光抑制算法，对本次测试终止，进行下一个接收数据进行判断。计算模块2判断接收信号脉宽和发射脉宽是否有相关性，如果相关，比较模块3输出为低，如果不相关比较模块3的输出为高，对于当前测量结果，三个比较模块的输出都为低，则表示当前测量结果可靠，反之当前测量结果不可靠。通过该方法完成对背景光的信号的滤除，得到有效信号。

实施例1

如图3所示，所述接收模块和发射模块在壳体内部两侧放置，扫描模块在发射模块和接收模块之间，扫描模块使用四面反光镜进行扫描，其中发射模块中心垂直剖面和接收模块中心剖面在同一面上。该面和扫描模块中心剖面在的垂直距离为四面反光镜对角线的一半。具体的，四面反光镜的边长为35x35mm,发射模块前端和扫描模块中心在水平方向距离大于30mm,接收模块和扫描模块中心在水平方向距离大于30mm,发射模块中心剖面和接收模块中心剖面重合，并且和扫描模块中心剖面在垂直方向距离为25mm，所述的壳体主要用于保护激光雷达内部光学器件和电路板，壳体的窗口片在扫描组件反射光路之后，窗口片中心和扫描模块中心重合，扫描模块中心和窗口片距离等于扫描模块的四面反光镜对角线距离+1mm，优选的，如果选用反光镜的尺寸为35mm,因此窗口片和扫描模块的距离为26mm。具体的由于窗口片和扫描模块距离较近，因此会和发射模块和接收模块产生结构干涉，因此可以选择在发射模块和扫描模块之间与接收模块和扫描模块之间添加45°的折返镜，用于减少激光雷达宽度，也可以降低窗口片与发射模块和接收模块产生的干涉问题。

实施例2

如图4所示，发射模块和扫描模块之间可以添加反光镜，接收模块和扫描模块之间可以添加反光镜，中心剖面仍要保证对齐。该发射模块和接收模块在扫描模块两侧，使用的是非传统的收发同轴方案，发射模块和接收模块放置两侧可以抑制由于同轴带来的杂散光。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明提到的各个部件为现有领域常见技术，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征包括发射模块、接收模块、扫描模块、控制模块、壳体，所述发射模块由发射电路板、VCSEL和整形透镜组成，所述接收模块由SPAD线阵探测器、接收镜头和接收电路板组成，所述扫描模块由电机和四面反光镜组成，所述控制模块由控制系统和算法单元组成，所述壳体上安装有收发透光的窗口片；

所述VCSEL上装有N×M排布的VCSEL芯片，N在1-5之间，M为5-100之间，所述VCSEL芯片为多个，多个所述VCSEL芯片呈竖直方向并行排布，所述VCSEL芯片之间间距在200-500um，所述VCSEL芯片的形状为多边形或者圆形，交叉排布，所述整形透镜使用非球面柱面透镜进行长条状整形，发散角在θ//*θ⊥°，θ//在0.1°-0.3°之间，θ⊥在10-45°之间，多个所述VCSEL同时发射；

所述接收模块和发射模块放置两侧，所述接收模块和所述发射模块之间放置扫描模块，保证所述发射模块中心垂直剖面和所述接收模块中心剖面在同一面上，该面和所述扫描模块中心剖面在的垂直距离为四面反光镜对角线的一半，所述发射模块和所述扫描模块之间添加反光镜，所述接收模块和所述扫描模块之间添加反光镜；

所述SPAD线阵探测器上安装有光阑、微透镜阵列，所述光阑大小和SPAD线阵探测器的感应微元尺寸相同，每个所述微透镜的中心和SPAD线阵探测器的感应微元中心重合，所述SPAD线阵探测器的感应微元的数量与光阑、微透镜阵列数量相同；其中，所述感应微元由5个SPAD像素组成，在垂直方向上有500个阵列光阑和微透镜；

所述光阑安装在SPAD线阵探测器表面，所述光阑前端粘贴微透镜。

2.根据权利要求1所述的一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于所述接收模块为1*L行的SPAD线阵探测器，L个SPAD即为接收在垂直方向的线数，L数量在16-512之间，所述SPAD线阵探测器与接收透镜相适配。

3.根据权利要求1所述的一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于所述窗口片位于所述扫描模块中反光镜后面，所述窗口片中心与扫描模块中心重合，所述窗口片与扫描模块中心之间的距离等于扫描模块中四面反光镜对角线距离+1mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于所述的控制系统包括发射驱动模块、扫描驱动模块、接收处理模块、背景光抑制模块、点云处理模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于所述背景光抑制模块主要由FPGA进行判断处理，判断方法为首先对发射脉冲编码间隔和接收到的脉冲间隔进行对比，接收信号的幅度进行判断，接收信号的脉宽进行判断，三种判断方式串行进行背景光抑制，对测试信号进行滤除得到有效点云信息。

6.根据权利要求1所述的一种基于SPAD线阵探测器的三维扫描激光雷达，其特征在于多个所述VCSEL发射光源整形为一长条形状光斑，通过四面反光镜扫描照射到待测物上，返回回波通过相邻反光镜反射信号光给接收镜头并聚焦到SPAD线阵探测器上进行信号放大，SPAD线阵探测器的多个像素单元提供角度信息；所述控制模块进行发射和扫描控制，对接收信号进行处理同时能够进行算法处理进行背景光抑制。