CN117434549A - 无扫描高分辨率多光谱激光雷达 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光雷达技术领域，公开了一种无扫描的高分辨率多光谱激光雷达系统以及基于此系统的方法。本发明通过多视场的方法，首先使用多束脉冲光对目标进行照射，且多束脉冲光之间具有延迟；其次，通过接收单元将系统的视场分割成多个，并使系统相邻视场之间的差异处于亚像素范围内；最后，整合系统获取的多个视场的数据，由于每个探测器都能探测多个空间位置和多个光谱，从而实现在无扫描的情况下提高探测点云密度和强度图的分辨率，并获得目标的多个光谱反射率信息。本发明的激光雷达系统能够克服传统系统的缺点，如点云密度低、扫描速度慢以及无法获得目标的光谱信息等。

Description

无扫描高分辨率多光谱激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，具体涉及一种无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统以及基于此系统的测距方法。

背景技术

当前，激光雷达的探测器规模普遍较小，为了获取高横向分辨率多光谱的三维信息，通常是在激光雷达系统上添加扫描器件，然而，这种扫描方法存在耗时较长、机械系统复杂、系统稳定性差、体积较大等缺点，一些方法要么只能获得高横向分辨率的三维信息但没有光谱信息，要么是有光谱信息但横向分辨率较低，无法兼而有之。

发明内容

本发明提供了无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统以及基于此系统的测距方法，以提高现有基于探测器阵列的激光雷达系统如焦平面雪崩光电二极管阵列（APD）的横向空间分辨能力与光谱信息获取能力。本发明首先使用多束具有相对时间延迟的脉冲光对目标进行照射；其次，通过接收单元将探测系统的视场分割成多个，并使探测系统相邻视场之间的差异处于亚像素范围内；最后，整合探测系统获取的多个视场的数据，由于每个探测器都能探测多个空间位置和多个光谱，从而实现在无扫描的情况下提高探测点云密度和强度图的分辨率，并获得目标的多个光谱反射率信息。

本发明是为了解决焦平面阵列型的激光雷达系统分辨率低、无光谱获取能力的问题。本发明包括以下组成部分：激光发射单元、光程延迟单元、接收单元、回波探测单元、时间测量单元、数据处理单元。其中，激光发射单元发射m（m=1,2,3…）束不同波长的脉冲光束，并给时间测量单元一个同步信号。光程延迟单元将不同波长的光束分别进行时间延迟，并照射到同一个目标区域。接收单元将回波探测单元的视场分成多个，并将不同视场位置按照实际需要排列，且使得不同视场探测不同的波长。回波探测单元探测到回波后传输给计时单元一个同步信号。计时单元可获得每个波长的延迟信息，最后数据处理单元根据接收单元设置的视场位置即可获取该波长对应的空间位置信息，数据处理单元将获得的光子飞行时间信息、波长信息、空间位置信息转换成具有多光谱信息的点云或具有多光谱信息的三维图像。

本发明具体技术方案如下：

一种无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，包括激光发射单元、光程延迟单元、接收单元、回波探测单元、时间测量单元、数据处理单元；

所述激光发射单元发射m（m=1,2,3…）束脉冲光束，并给时间测量单元一个同步信号；

进一步的，所述激光发射单元发射的m束光分别具有不同的波长；

进一步的， m个波长的回波信号分别具有不同的传播路径，每个传播路径都是一个所述回波探测单元的视场。

所述光程延迟单元对所述激光发射单元发射的m束光分别延迟光程，之后m束脉冲光向待测目标区域照射；

所述接收单元将待测目标散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元；

进一步的，所述接收单元包括分束单元、反射镜、透镜；所述分束单元和所述反射镜用于将待测目标散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元，每个所述视场都是一个光传播通道，其中，所述分束单元用于将光束分离成不同的传播路径，之后将所述光束汇聚，所述反射镜用于改变光束的传播方向；所述透镜收集从所述分束单元透射或反射的光到所述回波探测单元；

进一步的，所述分束单元为滤波器。

所述回波探测单元探测回波光信号并传输到时间测量单元以及数据处理单元；所述回波探测单元具有n（n=1,2,3…）个探测器，n个探测器紧密排列，n个探测器可以是集成在一起，例如焦平面APD阵列探测器；

进一步的，所述回波探测单元的所有探测器都具有m个视场，都能探测m束光；相邻视场之间具有亚像素偏移。

所述时间测量单元分别与激光发射单元及回波探测单元相连，获得所述回波探测单元探测时刻与激光发射单元的同步信号时刻的时间差；

进一步的，所述时间探测单元分别测量所述回波探测单元的n个探测器与所述激光发射单元同步信号的时间差；

所述数据处理单元用于分析光飞行时间、获得目标的光谱信息和三维空间信息。

本发明的有益效果是：

1.本发明使得激光雷达的横向分辨率得到提高。

2.本发明使得激光雷达在提高横向分辨率同时获得目标的多个光谱的反射率信息，可用于三维彩色成像。

3.本发明获得高分辨率多光谱三维信息不需要扫描部件，可用于快照高分辨率彩色三维成像，由于减少了扫描部件对激光雷达成像速度的影响，可用于快速运动物体的三维实时彩色成像。

为便于本领域内技术人员理解，下面将参考附图通过非限制性示例描述本发明的具体实施方法。本领域内的技术人员应当明白，依据本发明的方法和原理，可以进行合理的改造，这仍然在本发明的保护范围。在附图中：

图1为本发明所述无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统结构示意图。

图2为m=2时接收单元的实施例1示意图。

图3为m=4时接收单元的实施例2示意图。

图4为m=4时接收单元的实施例3示意图。

图5A为探测器规模n=i×j时的接收视场。

图5B为m=4，探测器规模为n=i×j时，本发明激光雷达系统的接收视场。

本发明所述一种无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，用于在无扫描的情况下提高激光雷达横向空间分辨率和获取目标的多光谱信息。结合附图描述，所附图仅作示例性展示，不对本发明形成限制性约束。本领域技术人员依据本发明所阐述的内容、系统和方法进行合理改造，仍然从属于本发明所声明的范围。还需说明的是，附图中的光学元件并不构成等比例演示。

参考图1，本发明实施例提供的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统包括激光发射单元11、光程延迟单元12、接收单元13、回波探测单元14、时间测量单元15、数据处理单元16；

所述激光发射单元11发射m（m=1,2,3…）束脉冲光束，并给时间测量单元15同步信号；其中，激光发射单元可以是由多个独立的半导体激光器，并通过一个共同的驱动信号驱动，这就产生了相同重复频率的脉冲光；也可以使用超连续谱激光器输出超连续谱段的光，该种激光器一次输出的多个波长的光都具有相同的重复频率，而后通过滤光片将一束光分成m束不同波长的光。

所述光程延迟单元12对所述激光发射单元11发射的m束光分别给予已知距离的光程延迟，使得这m束光虽然是同时产生、并具有相同的重复频率，但到达目标17的时刻不同；所述光程y延迟单元是不同长度的光纤中，m束脉冲光从光纤出射后向待测目标区域17照射。

所述接收单元13将待测目标17散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元14；接收单元13根据m的不同而搭建不同类型的光路。进一步的，所述接收单元13包括分束单元、反射镜、透镜；所述分束单元和所述反射镜用于将待测目标散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元，每个视场都是一个光传播通道，其中，所述分束单元用于用于将光束分离成不同的传播路径，之后将所述光束汇聚；分束单元可以是二向色滤波器、带通滤波器、长通滤波器、短通滤波器。所述反射镜用于改变光束的方向；所述透镜收集从所述分束单元透射或反射的光到所述回波探测单元。

根据图1所展示的原理和系统设置原则，在图2至图4的非限制性示例演示当m=2时和m=4时具体的光学系统设计。

当m=2时，接收单元如实施例1图2所示。两束波长的光被目标散射后，先经过分束单元21，这里分束单元可以是长通滤波器、短通滤波器、带通滤波器，当两束光经过分束单元21时，其中一束被分束单元21反射，经过反射镜22改变光路方向，之后透过分束单元23；另外一束光被分束单元21透射，经过反射镜22改变光路方向，而后被分束单元23反射；之后两束光被透镜24收集到回波探测单元14；通过调节分束单元21，反射镜22，分束单元23，将其视场调节为亚像素位移。

当m=4时，接收单元如实施例2图3所示。四束波长的光被目标散射后，先经过分束单元31。当四束光经过分束单元31时，其中两束被分束单元31反射，其中一束被分束单元36透射，另一束被反射；被分束单元36透射的光被反射镜22改变光路方向，之后透过分束单元35，再透过分束单元34；被分束单元36反射的光，依次被分束单元33、分束单元34反射。透过分束单元31的两束光，一束被分束单元32透射，另一束被反射;被分束单元32透射的光被反射镜22改变光路方向，之后透过分束单元33，再被分束单元34反射。被分束单元32反射的光依次被分束单元35反射，被分束单元34透射。这四束光最终汇聚成一束，被透镜24收集到回波探测单元14。最后通过调节分束单元31-36以及反射镜22，将其视场调节为亚像素位移。

当m=4时，接收单元如实施例3图4所示。该实施例与实施例2相比，其光路的方向有所变化，但是其还是属于多视场的接收系统。也可以做其他方面的变形，都属于本发明的保护范围。

所述回波探测单元14探测回波光信号并把探测到的信号传输到时间测量单元15；所述回波探测单元14具有n（n=1,2,3…）个探测器，每个探测器都能探测m束分别具有不同波长的光；如图5A所示，规模为（i，j）的探测器阵列在传统情况下所探测到的视场情况，此时阵列探测器中的每一个小探测器只能探测一个空间位置的回波信号，而本发明的方案，以m=4为例,如图5B所示，由于每个探测器接收到了具有不同波长的来自不同位置的信号，所以每个探测器能探测4个空间位置信息以及4个光谱信息。

所述时间测量单元15分别与激光发射单元11及回波探测单元14相连，获得所述回波探测单元14传输信号与激光发射单元11的同步信号的时间差；由于每个探测器的探测光子的时刻都能够被准确计时，所以在已知m个波长的光延迟的情况下可以在时域上将探测器探测到的m个波长的光信号区分开。

所述数据处理16单元用于分析光飞行时间、生成目标的光谱信息和三维空间信息。

最后应当说明的是，以上具体实施例仅用以对本发明进行解释说明，具有较为具体化的描述，但不能因此理解为对本发明的范围限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围，仍被本发明所保护。

Claims (7)

1.一种无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，包括激光发射单元、光程延迟单元、接收单元、回波探测单元、时间测量单元、数据处理单元；

所述激光发射单元发射m（m=1,2,3…）束脉冲光束，并给时间测量单元一个同步信号；

所述光程延迟单元对所述激光发射单元发射的m束光分别延迟光程，之后m束脉冲光向待测目标区域照射；

所述接收单元将待测目标散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元；

所述回波探测单元探测回波光信号并传输到时间测量单元以及数据处理单元；所述回波探测单元具有n（n=1,2,3…）个探测器，每个探测器都能探测m束光；

所述时间测量单元分别与激光发射单元及回波探测单元相连，获得所述回波探测单元探测时刻与激光发射单元的同步信号时刻的时间差；

所述数据处理单元用于分析光飞行时间、生成目标的光谱信息和三维空间信息。

2.根据权利要求1所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，所述接收单元包括分束单元、反射镜、透镜；所述分束单元和所述反射镜用于将待测目标散射的m束脉冲光按照m个视场收集到所述回波探测单元，每个视场都是一个光传播通道，其中，所述分束单元用于用于将光束分离成不同的传播路径，之后将所述光束汇聚，所述反射镜用于改变光束的传播方向；所述透镜收集从所述分束单元透射或反射的光到所述回波探测单元。

3.根据权利要求2所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，所述分束单元为滤波器。

4.根据权利要求2所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，所述回波探测单元的所有探测器都具有m个视场；相邻视场之间具有亚像素偏移。

5.根据权利要求1所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，所述激光发射单元发射的m束光分别具有不同的波长。

6.根据权利要求5所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，m个波长的回波信号分别具有不同的传播路径，每个传播路径都是一个所述回波探测单元的视场。

7.根据权利要求1所述的无扫描高分辨率多光谱激光雷达系统，其特征在于，所述时间探测单元分别测量所述回波探测单元的n个探测器与所述激光发射单元同步信号的时间差。