CN206725759U - 车载彩色三维扫描激光雷达 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种车载彩色三维扫描激光雷达，包括设置在车辆上的激光发射单元、信号探测单元、POS单元和核心处理单元、时序控制电路，所述激光发射单元包括彩色激光光源、光学发射系统、扫描转镜、电机和角度编码器，所述信号探测单元包括光学接收系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；所述彩色激光光源包括绿光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源；在车辆左右两侧各安装一套激光发射单元和信号探测单元，或在车辆前后各安装一套激光发射单元和信号探测单元。本实用新型可支持直接同时获取目标地物的彩色激光光谱信息和激光点云空间信息，可以广泛运用于数字城市，智慧城市等领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及移动测量设备用技术领域，尤其涉及一种车载彩色三维扫描激光雷达方案。
背景技术
车载对地观测激光雷达技术是实现道路环境下地物高空间分辨率的三维空间描述的重要遥感手段，尤其是在城市环境中，在快速获取三维空间信息方面具有突出优点。但由于受制于传统激光雷达的单一波长限制，难以获取有效的地物光谱特征，而光谱信息能有效表达地物属性。通常需要匹配一台全景相机同时探测，以获取相应的纹理和彩色光谱信息，但是这样成本太高，后续数据处理复杂，精度效果已经不适于市场发展需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供车载彩色三维扫描激光雷达技术方案，提供车载平台，实现彩色三维扫描成像探测，同时获取三维空间信息和彩色光谱信息，实现三维空间信息和彩色光谱信息的协同后处理。
本实用新型技术方案提供一种车载彩色三维扫描激光雷达，包括设置在车辆上的激光发射单元、信号探测单元、POS单元和核心处理单元、时序控制电路，所述激光发射单元包括彩色激光光源、光学发射系统、扫描转镜、电机和角度编码器，所述信号探测单元包括光学接收系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；所述彩色激光光源包括绿光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源，所述发射光学系统为合束系统，由三个脉冲激光光源发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出；
在车辆左右两侧各安装一套激光发射单元和信号探测单元，或在车辆前后各安装一套激光发射单元和信号探测单元；POS单元放置于车辆上方，核心处理单元和时序控制电路放置于车内；
时序控制电路分别连接核心处理单元、POS单元，每个激光发射单元的彩色激光光源、电机、角度编码器，及每个信号探测单元的多通道数据采集单元，彩色激光光源连接发射光学系统，接收光学系统、彩色激光信号探测器和多通道数据采集单元依次连接，电机连接角度编码器。
而且，所述发射光学系统由第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片构成，
在红光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上，从左至右依次放置第一分光滤光片、第二分光滤光片、第一全反射镜，其中第一分光滤光片、第二分光滤光片分别与光轴呈135度角放置，第一全反射镜与该光轴呈45度角放置；红光脉冲激光光源、绿光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源分别的光束传播方向的光轴平行；在绿光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上设置第二全反射镜，第二全反射镜与该光轴呈135度角放置，由绿光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片的光路，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光经第一分光滤光片透射的光路垂直，绿光脉冲激光经第一分光滤光片与红光脉冲激光合束；在蓝光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上设置第三全反射镜，第三全反射镜与该光轴呈135度角放置，由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，入射到第二分光滤光片的光路，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线经第二分光滤光片透射的光路垂直，蓝光脉冲激光经第二分光滤光片与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光。
而且，接收光学系统包括接收反射镜，准直透镜，第一窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器，第三分光滤光片，第二窄带滤光片，第三窄带滤光片，及第四分光滤光片；
在准直透镜的光轴上，从右至左依次放置扫描转镜、接收反射镜，准直透镜、第四分光滤光片、第一窄带滤光片、第一聚焦透镜、第一光电探测器，第四分光滤光片与该光轴呈45度角放置，第四分光滤光片的反射光路上依次设置第三分光滤光片、第三窄带滤光片、第三聚焦透镜、第三光电探测器，第三分光滤光片的反射光路与准直透镜的光轴平行且第三分光滤光片与该光轴呈135度角放置，该光路上依次设置第二窄带滤光片、第二聚焦透镜、第二光电探测器。
而且，所述POS单元包括GNSS和IMU。
而且，所述GNSS指全球卫星导航系统，包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo和中国的北斗卫星导航系统。
而且，红光脉冲激光光源为600-700nm，绿光脉冲激光光源为490-580nm，蓝光脉冲激光光源为490-450nm。
本实用新型打破现有车载激光雷达单一波长激光光源的局限，首次提出彩色激光扫描探测设备，支持直接获取具有彩色激光光谱信息的点云数据，提升车载激光雷达对地探测的能力，丰富传感器获得的信息，并支持利用获得的丰富光谱和空间信息，配合相应的数据处理方法进行色彩校正，升降采样，地物分类等。应用本实用新型技术方案时，可利用车辆行驶轨迹，同时获取目标地物的彩色激光光谱信息和激光点云信息，从而支持通过三维重构获取目标的彩色激光成像，增强激光雷达的彩色分辨能力。本实用新型所提供设备可以广泛运用于数字城市，智慧城市等领域，尤其是道路两侧建筑等地物的彩色三维表达，具有重要的市场价值。
附图说明
图1为本实用新型实施例的各单元安装位置示意图。
图2为本实用新型实施例的车载彩色三维扫描激光雷达结构示意图。
图3为本实用新型实施例的激光发射结构示意图。
图4为本实用新型实施例的信号探测结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本实用新型技术方案。
本实用新型提出，针对车载雷达遥感技术，提出将现有单波长激光雷达技术改为可见光范围内的三色合成的彩色激光波长，优选采用波长范围为600-700nm，490-580nm，490-450nm的红绿蓝色激光，经过多个二向色镜组合进行合束实现。
本实用新型技术方案提供一种车载彩色三维扫描激光雷达，主要包括激光发射单元、信号探测单元、POS单元和核心处理单元，所述激光发射单元包括彩色激光光源、光学发射系统、扫描转镜和电机，所述信号探测单元包括依次连接的光学接收系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元。此外，还设置时序控制电路和角度编码器。彩色激光光源发出的激光经发射光学系统输出，光信号入射到扫描转镜，经扫描转镜对目标地物进行彩色激光扫描，所产生回波信号经扫描转镜反射到接收光学系统，接收光学系统捕获的信号经彩色激光信号探测器探测所得彩色光谱和距离信息被输送至多通道数据采集单元，时序控制电路对多通道数据采集单元进行时序控制，并反馈采集结果到核心处理单元；同时，POS单元采集结果也经时序控制电路输入到核心处理单元。具体实施时还可以设置PIN探测器以支持自动触发，PIN探测器连接时序控制电路，采集彩色激光光源经发射光学系统输出的部分光信号，作为触发信号输入时序控制电路。将实用新型提供的雷达用于三维扫描过程时，核心处理单元可根据采集结果自行实现或远程联系其他服务器，支持跟随车辆行驶轨迹，并联合POS单元提供的位置与姿态信息，提供三维扫描结果。另外左右两侧或前后两侧的数据分别由两侧的独立的激光发射单元和信号探测单元独立获取。
参见图1，本实用新型实施例的车载彩色三维扫描激光雷达主要包括激光发射单元1、信号探测单元2、POS单元3、核心处理单元4和时序控制电路5。
所述激光发射单元1包括彩色激光光源6、光学发射系统7、扫描转镜9和电机8、角度编码器12。
所述信号探测单元2包括光学接收系统10、彩色激光信号探测器11、多通道数据采集单元13。
所述POS单元3包括GNSS和IMU，用于提供定位定姿功能。
POS单元中的GNSS指全球卫星导航系统，泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统等。IMU为惯性测量单元（Inertial measurement unit，简称IMU）是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。具体实施时主要需固定IMU到车辆上。
激光发射单元1可以安装在车辆左右两侧各一个，或者车辆前方或后方各一个。激光发射单元通过汽车的行驶轨迹构成三维扫描。信号探测单元2进行相应设置。
实施例中各单元安放位置采用优选方案：如图1，实施例中激光发射单元1和信号探测单元2各一套安装在汽车左右两侧，分别测量道路左右两侧的地物。POS单元3放置于汽车上方空旷的位置，便于接收卫星信号；核心处理单元和时序控制电路放置于车内，便于工作人员操作。
具体实施时，可根据需要设置具体的电源，例如设置电源模块分别连接各有源器件。
参见图2，本实用新型实施例的车载彩色三维扫描激光雷达包括POS单元3，核心处理单元4，时序控制电路5，彩色激光光源6，光学发射系统7，电机8（附带相应驱动），扫描转镜9，光学接收系统10，彩色激光信号探测器11，角度编码器12。
时序控制电路5分别连接核心处理单元4、POS单元3，每个激光发射单元1的彩色激光光源6、电机8、角度编码器12，以及每个信号探测单元2的多通道数据采集单元13，彩色激光光源6连接发射光学系统7，接收光学系统10、彩色激光信号探测器11和多通道数据采集单元13依次连接，电机8连接角度编码器12。
实施例的工作过程可以为：所述的核心处理单元4触发时序控制电路5，由时序控制电路5来协调所有其他单元的工作。POS单元3，按照预设的采样频率进行位置和姿态获取，通过时序控制电路5将位置和姿态信息存储于核心处理单元4。由时序控制电路5触发彩色激光发射，包括依次连接的彩色激光光源6、光学发射系统7，将激光汇聚在扫描转镜9上，再反射到目标地物，获取目标地物的相关信息。由时序控制电路5触发电机8和角度编码器12，电机8和角度编码器12连接，角度编码器12记录电机8的运动状态。来自目标地物反射的激光通过接收光学系统10、彩色激光信号探测器11和多通道数据采集单元13，通过时序控制电路5存储在核心处理单元4。
具体实施时，核心处理单元4可利用PC机等现有设备，本领域技术人员可自行采用计算机软件技术在核心处理单元4上预先设定控制方式，经时序控制电路5对车载彩色三维扫描激光雷达工作进行控制。本实用新型只提供硬件结构上的技术方案改进及保护。
光学发射系统的作用是，使彩色激光光源发出的各脉冲激光合束，部分光信号作为触发信号输入时序控制电路，其他部分光信号入射到扫描转镜，经扫描转镜对目标地物进行彩色激光扫描。光学发射系统的具体实施方式与彩色激光光源方案相对应。激光在目标地物上产生回波信号，经扫描转镜反射到接收光学系统，接收光学系统捕获的信号经彩色激光信号探测器探测所得各脉冲激光的强度和目标地物距离信息将被输送至多通道数据采集单元，时序控制电路对多通道数据采集单元进行时序控制，并反馈采集结果到核心处理单元。
参见图3，为便于实施参考起见，提供实施例发射光学系统说明如下：
彩色激光光源包括绿光脉冲激光光源102、红光脉冲激光光源101、蓝光脉冲激光光源103，发射光学系统7为光束合束系统，由三个脉冲激光光源发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出。其中，合束系统由第一全反射镜106、第二全反射镜107、第三全反射镜108及第一分光滤光片104、第二分光滤光片105构成。
红光脉冲激光光源101以及第二全反射镜107分别输出到第一分光滤光片104，绿光脉冲激光光源102输出到第二全反射镜107，蓝光脉冲激光光源103输出到第三全反射镜108。红光脉冲激光光源101输出的红光脉冲激光经过第一分光滤光片104透射；由绿光脉冲激光光源102输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜107反射后，入射到第一分光滤光片104，与红光脉冲激光光源101输出的红光脉冲激光合为一束光线。同时，由蓝光脉冲激光光源103输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜108反射，再通过第二分光滤光片105后，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光，并经第一全反射镜106后输出，即发射光学系统37所得结果。并且可以大部分光信号入射到多面体的扫描转镜9进行探测，小部分光信号给PIN探测器作为触发信号。
具体实施时，可在红光脉冲激光光源101的光束传播方向的光轴上，从左至右依次放置第一分光滤光片104、第二分光滤光片105、第一全反射镜106，其中第一分光滤光片104、第二分光滤光片105分别与光轴呈135度角放置，第一全反射镜106与该光轴呈45度角放置。红光脉冲激光光源101、绿光脉冲激光光源102、蓝光脉冲激光光源103分别的光束传播方向的光轴平行。在绿光脉冲激光光源102的光束传播方向的光轴上设置第二全反射镜107，第二全反射镜107与该光轴呈135度角放置，由绿光脉冲激光光源102输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜107反射后，入射到第一分光滤光片104的光路，与红光脉冲激光光源101输出的红光脉冲激光经第一分光滤光片104透射的光路垂直，使得绿光脉冲激光经第一分光滤光片104与红光脉冲激光合束；在蓝光脉冲激光光源103的光束传播方向的光轴上设置第三全反射镜108，第三全反射镜108与该光轴呈135度角放置，由蓝光脉冲激光光源103输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜108反射，入射到第二分光滤光片105的光路，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线经第二分光滤光片105透射的光路垂直，使得蓝光脉冲激光经第二分光滤光片105与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光。
参见图4，实施例的扫描转镜9采用多面体的扫描棱镜实现，接收光学系统10包括接收反射镜201，准直透镜202，第一窄带滤光片204，第一聚焦透镜205、第二聚焦透镜209、第三聚焦透镜212，第一光电探测器206、第二光电探测器210、第三光电探测器213，第三分光滤光片207，第二窄带滤光片208，第三窄带滤光片211，第四分光滤光片203。
发射光学系统7所得最终的激光束入射到扫描转镜9，通过扫描转镜9进行激光扫描，目标地物激光回波信号返回到扫描转镜9上，并且反射到接收反射镜201上，接收反射镜201将回波信号经准直透镜202入射到第四分光滤光片203，通过该第四分光滤光片203将彩色回波激光分成两个通道分别接收和探测。其中，红色激光回波信号透射后入射到第一窄带滤光片204，经第一聚焦透镜205后入射到第一光电探测器206上；蓝色和绿色回波信号经第四分光滤光片203反射后，入射到第三分光滤光片207，其中，蓝色激光回波信号经第三分光滤光片207反射后进入第二窄带滤光片208，通过第二聚焦透镜209入射到第二光电探测器210上；绿色激光回波信号由第三分光滤光片207透射后，入射到第三窄带滤光片211，通过第三聚焦透镜212后入射到第三光电探测器213上。
具体实施时，可在准直透镜202的光轴上，从右至左依次放置扫描转镜9、接收反射镜201，准直透镜202、第四分光滤光片203、第一窄带滤光片204、第一聚焦透镜205、第一光电探测器206，第四分光滤光片203与该光轴呈45度角放置，第四分光滤光片203的反射光路上依次设置第三分光滤光片207、第三窄带滤光片211、第三聚焦透镜212、第三光电探测器213，第三分光滤光片207的反射光路与准直透镜202的光轴平行且第三分光滤光片207与该光轴呈135度角放置，该光路上依次设置第二窄带滤光片208、第二聚焦透镜209、第二光电探测器210。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：包括设置在车辆上的激光发射单元、信号探测单元、POS单元和核心处理单元、时序控制电路，所述激光发射单元包括彩色激光光源、光学发射系统、扫描转镜、电机和角度编码器，所述信号探测单元包括光学接收系统、彩色激光信号探测器、多通道数据采集单元；所述彩色激光光源包括绿光脉冲激光光源、红光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源，所述发射光学系统为合束系统，由三个脉冲激光光源发射出的激光经过合束系统后成为一束光输出；
在车辆左右两侧各安装一套激光发射单元和信号探测单元，或在车辆前后各安装一套激光发射单元和信号探测单元；POS单元放置于车辆上方，核心处理单元和时序控制电路放置于车内；
时序控制电路分别连接核心处理单元、POS单元，每个激光发射单元的彩色激光光源、电机、角度编码器，及每个信号探测单元的多通道数据采集单元，彩色激光光源连接发射光学系统，接收光学系统、彩色激光信号探测器和多通道数据采集单元依次连接，电机连接角度编码器。
2.根据权利要求1所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：所述发射光学系统由第一全反射镜、第二全反射镜、第三全反射镜及第一分光滤光片、第二分光滤光片构成，
在红光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上，从左至右依次放置第一分光滤光片、第二分光滤光片、第一全反射镜，其中第一分光滤光片、第二分光滤光片分别与光轴呈135度角放置，第一全反射镜与该光轴呈45度角放置；红光脉冲激光光源、绿光脉冲激光光源、蓝光脉冲激光光源分别的光束传播方向的光轴平行；在绿光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上设置第二全反射镜，第二全反射镜与该光轴呈135度角放置，由绿光脉冲激光光源输出的绿光脉冲激光经过第二全反射镜反射后，入射到第一分光滤光片的光路，与红光脉冲激光光源输出的红光脉冲激光经第一分光滤光片透射的光路垂直，绿光脉冲激光经第一分光滤光片与红光脉冲激光合束；在蓝光脉冲激光光源的光束传播方向的光轴上设置第三全反射镜，第三全反射镜与该光轴呈135度角放置，由蓝光脉冲激光光源输出的蓝光脉冲激光经第三全反射镜反射，入射到第二分光滤光片的光路，与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线经第二分光滤光片透射的光路垂直，蓝光脉冲激光经第二分光滤光片与绿光脉冲激光和红光脉冲激光合束的光线进一步合为一束彩色激光。
3.根据权利要求1所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：接收光学系统包括接收反射镜，准直透镜，第一窄带滤光片，第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜，第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器，第三分光滤光片，第二窄带滤光片，第三窄带滤光片，及第四分光滤光片；
在准直透镜的光轴上，从右至左依次放置扫描转镜、接收反射镜，准直透镜、第四分光滤光片、第一窄带滤光片、第一聚焦透镜、第一光电探测器，第四分光滤光片与该光轴呈45度角放置，第四分光滤光片的反射光路上依次设置第三分光滤光片、第三窄带滤光片、第三聚焦透镜、第三光电探测器，第三分光滤光片的反射光路与准直透镜的光轴平行且第三分光滤光片与该光轴呈135度角放置，该光路上依次设置第二窄带滤光片、第二聚焦透镜、第二光电探测器。
4.根据权利要求1或2或3所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：所述POS单元包括GNSS和IMU。
5.根据权利要求4所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：所述GNSS指全球卫星导航系统，包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo和中国的北斗卫星导航系统。
6.根据权利要求1或2或3所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：红光脉冲激光光源为600-700nm，绿光脉冲激光光源为490-580nm，蓝光脉冲激光光源为490-450nm。
7.根据权利要求5所述车载彩色三维扫描激光雷达，其特征在于：红光脉冲激光光源为600-700nm，绿光脉冲激光光源为490-580nm，蓝光脉冲激光光源为490-450nm。
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