CN109490909A - 激光雷达扫描探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光雷达扫描探测装置及探测方法，其中装置包括：一组旋转扫描镜；两组摆动扫描镜，分别设置在所述旋转扫描镜上下两侧；以及两组光学发射/接收模块，分别设置在旋转扫描镜的左右两侧。本发明中，采用两组光学发射/接收模块以及三组扫描镜，实现了大视场范围目标快速扫描探测，具有探测视场大、扫描速度快、点云空间分辨率高等优点，可广泛应用于各类场景下的环境感知实时监控与汽车辅助驾驶等领域。

Description

激光雷达扫描探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及激光雷达领域，更具体地涉及一种激光雷达扫描探测装置及其探测方法。

背景技术

激光雷达由于其能精确地测量目标位置的距离信息和方位信息，越来越多的应用于国防工业及智能生活的方方面面。激光雷达以激光作为工作介质，通过记录激光脉冲飞行时间与光束偏转角度，实现对目标场景的三维成像。其扫描方式根据实现方式可分为惯性扫描方式和无惯性扫描方式。

无惯性扫描方式扫描速度快、效率高且机械损耗小，属于新兴扫描探测方式，但其工艺复杂且较难实现大视场远距离目标探测，导致无法实现大视场范围快速扫描。现有的无惯性扫描方式一般采用双振镜扫描以及高速旋转鼓镜(或多通道线列探测)配合转台的方式，可实现二维特定场景区域重复扫描，然而，双振镜扫描受制于机械摆动惯性，难以实现高速扫描与大视场的需求，且鼓镜配合转台的组合方式需要附加光电滑环，降低了系统稳定性，并且具有整体激光点重频和探测效率低、大视场探测激光雷达扫描角度、速率以及空间分辨率不足的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光雷达扫描探测装置及其探测方法，以至少部分解决上述的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供一种激光雷达扫描探测装置，包括：

一组旋转扫描镜；

两组摆动扫描镜，分别设置在所述旋转扫描镜上下两侧；以及

两组光学发射/接收模块，分别设置在旋转扫描镜的左右两侧。

在一些实施例中，所述旋转扫描镜两面抛光并镀有防反射金属膜。

在一些实施例中，所述旋转扫描镜靠近底侧位置设置有两组半圆形隔离片，并且两侧利用卡具进行固定。

在一些实施例中，各组光学发射/接收模块中的光学发射模块靠近所述光学接收模块的内侧中心位置，并且发射光路和接收光路平行，两者的光轴垂直于所述旋转扫描镜的中心转轴。

在一些实施例中，还包括激光光源，所述激光光源用于产生探测激光。

在一些实施例中，还包括光学分束元件，由所述激光光源所产生的探测激光经所述光学分束元件而被分成两路。

在一些实施例中，还包括扫描电机，所述扫描电机驱动所述旋转扫描镜高速旋转并驱动所述摆动扫描镜上下摆动。

在一些实施例中，还包括角度编码器，所述角度编码器用于输出角度信息。

在一些实施例中，还包括光电转换模块，所述光电转换模块用于将所述探测激光转换成电信号。

在一些实施例中，还包括机械安装支架，所述激光光源、所述光学分束元件、所述一组旋转扫描镜、所述两组摆动扫描镜、扫描电机、所述角度编码器、所述两组光学发射/接收模块以及光电转换模块被固定在机械安装支架中。

本发明的另一方面提供一种应用上述的任一种激光雷达扫描探测装置进行探测的方法，包括步骤：

由所述激光光源产生探测激光，经所述光学分束元件分为两路；

所述两路探测激光由所述光学发射模块进行准直，左右两侧分别发射至所述旋转扫描镜的镜面上，所述旋转扫描镜高速旋转，实现目标空间一维扫描；

所述摆动扫描镜接收由所述旋转扫描镜反射的探测激光并反射至探测目标空间，实现目标空间二维扫描；

从目标返回的两路探测激光依次经摆动扫描镜和旋转扫描镜之后，返回至光学接收模块中，通过光学模块汇聚、光电转换、信号放大测时来获取目标距离信息；以及

结合角度编码器同步输出角度信息，实现目标空间三维扫描，获取目标的三维信息。

(三)有益效果

从上述技术方案可看出，本发明的激光雷达扫描探测装置及其探测方法具有以下有益效果其中之一：

(1)采用两组光学发射/接收模块以及三组扫描镜，实现了大视场范围目标快速扫描探测，具有探测视场大、扫描速度快、点云空间分辨率高等优点，可广泛应用于各类场景下的环境感知实时监控与汽车辅助驾驶等领域；

(2)旋转扫描镜两侧实现探测激光出射扫描并实现返回探测激光接收，增大了探测视场并增加了点云数据量；

(3)上下两组摆动扫描镜，扫描角度可调，扫描模式多样，提高了激光点重频与扫描速率；

(4)发射光路和接收光路分置隔离，相比于传统共光轴探测系统降低了近距回光干扰；

(5)光学工艺简单，加工成本低，满足了当前激光雷达大部分场合对探测视场与点云空间分辨率的需求。

附图说明

通过附图所示，本发明公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。

图1a为现有技术中的摆动扫描镜的扫描结构示意图；

图1b为现有技术中的旋转多面镜与转台的组合扫描结构示意图；

图2a为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的结构示意图；

图2b为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的正视图；

图2c为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的侧视图；

图3a为根据本发明实施例的旋转扫描镜的扫描示意图；

图3b为根据本发明实施例的摆动扫描镜的扫描示意图；

图4为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的实际探测应用方法的示意图。

<附图标记说明>

1-旋转扫描镜2-摆动扫描镜3-光学接收模块4-光学发射模块5-驱动电机6-激光光源7-光学分束元件

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

激光雷达由于其能精确地测量目标位置的距离信息和方位信息，越来越多的应用于国防工业及智能生活的方方面面。激光雷达以激光作为工作介质，通过记录激光脉冲飞行时间与光束偏转角度，实现对目标场景的三维成像。其扫描方式根据实现方式可分为惯性扫描方式和无惯性扫描方式。

无惯性扫描方式扫描速度快、效率高且机械损耗小，属于新兴扫描探测方式，但其工艺复杂且较难实现大视场远距离目标探测，导致无法实现大视场范围快速扫描。现有的无惯性扫描方式一般采用双振镜扫描以及高速旋转鼓镜(或多通道线列探测)配合转台的方式，如图1a、1b所示，可实现二维特定场景区域重复扫描，然而，双振镜扫描受制于机械摆动惯性，难以实现高速扫描与大视场的需求，且鼓镜配合转台的组合方式需要附加光电滑环，降低了系统稳定性，并且具有整体激光点重频和探测效率低、大视场探测激光雷达扫描角度、速率以及空间分辨率不足的问题。基于此，本发明的实施例提供了一种激光雷达扫描探测装置及其探测方法，以提高激光点重频以及探测效率，并解决大视场探测激光雷达扫描角度、速率以及空间分辨率不足的问题，最大限度地实现大视场扫描探测。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种激光雷达扫描探测装置。如图2a所示，本发明的激光雷达扫描探测装置由激光光源6、光学分束元件7、一组旋转扫描镜1、两组摆动扫描镜2、扫描电机、角度编码器、两组光学发射/接收模块4/3、光电转换模块以及机械安装支架组成。

具体地，该激光光源6优选为脉冲光纤激光器，其用于产生探测激光，谱段优选为1550nm，半宽<10nm。

具体地，该光学分束元件7优选为光纤分光器，其将由激光光源6所产生的探测激光分成两路。

具体地，该一组旋转扫描镜1两面抛光且镀有高反金属膜且中心轴连接旋转驱动装置。如图2b所示，其为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的正视图，从图中可看出，该旋转扫描镜1靠近底侧位置设置有两组半圆形隔离片8，两侧利用卡具进行固定，该两组半圆形隔离片8将该旋转扫描镜1分为两部分，其中内侧小反射面区域实现探测激光出射扫描，外侧大反射面区域负责接收从目标返回的探测激光，从而实现发射光路和接收光路分置隔离，降低了近距回光干扰。

具体地，该两组摆动扫描镜2分别设置在该一组旋转扫描镜1上下两侧，其零位位置与该一组旋转扫描镜1转轴成45°角。在扫描过程中，旋转扫描镜1围绕其中心转轴360°连续快速转动，摆动扫描镜2以零位位置所对应的角度为初始角度上下摆动，并根据需要调整摆角和扫描模式，从而提高了激光点重频以及探测效率，并实现了重点区域高密度详查。

进一步地，调整两组摆动扫描镜2的位置，使其反射点位置位于靠旋转扫描镜1一侧，这样能够最大程度地降低摆动扫描镜2的宽度，从而提高该装置的集成度；并且该摆动扫描镜2与旋转扫描镜1要保持一定距离(保证探测激光在扫描视场范围内不受旋转扫描镜1遮挡，但尽量靠近旋转扫描镜1，以提高该装置的集成度)，通过上下摆动来实现目标空间纵向视场探测扫描与接收。

其中，该一组旋转扫描镜1与两组摆动扫描镜2构成本发明的激光雷达扫描探测装置的光束扫描系统。

具体地，该扫描电机包括该一组旋转扫描镜1的驱动电机以及该两组摆动扫描镜2的驱动电机5，该扫描电机，具体地该一组旋转扫描镜1的驱动电机驱动该旋转扫描镜1高速旋转，从而实现目标空间横向视场探测扫描与接收。

其中，该旋转扫描镜1的驱动电机优选为伺服电机，该摆动扫描镜的驱动电机5优选为音圈电机。

具体地，该角度编码器用于输出角度信息，其中该角度编码器的转轴与三组扫描镜的扫描轴以及扫描电机的转轴同轴安装。

具体地，该两组光学发射/接收模块4/3为收发分置设计，并且分别设置在该一组旋转扫描镜1左右两侧，用于完成对探测激光的发射接收。各组光学发射/接收模块4/3中的光学发射模块4靠近光学接收模块3的内侧中心位置，并且发射光路和接收光路平行，两者的光轴垂直于旋转扫描镜1的中心转轴。由激光光源6产生的探测激光经光学分束元件7而被分为两路，结合该两组光学发射/接收模块4/3来实现多路探测接收。

具体地，该光学接收模块3光电转换模块优选为雪崩光电二极管(APD)接收电路，响应波段优选为1550nm敏感波段，因其增益较大而底噪较小，适合于远距离高精度探测。

具体地，该机械安装支架上固定有激光光源6、光学分束元件7、一组旋转扫描镜1、两组摆动扫描镜2、扫描电机、角度编码器、两组光学发射/接收模块4/3以及光电转换模块并利用结构胶进行固化，以保证相互之间的位置关系。

图2c为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的侧视图。其从另一个角度呈现该激光雷达扫描探测装置的构造以及相互之间的连接关系，以便于更好地理解本发明。

图3a为根据本发明实施例的旋转扫描镜1的扫描示意图。如图所示，左侧一组光学发射/接收模块4/3可获取更高左侧探测扫描视场，两侧扫描视场互补能够最大程度地实现大视场探测。

图3b为根据本发明实施例的摆动扫描镜2的扫描示意图。其中根据目标区域关注重点来调整摆动扫描镜2的驱动电机5的摆动角度，重叠区域α₁+β₁可获取更高探测分辨率，在保证探测视场α2+β2的同时，提高了扫描效率。

在现有技术中，无惯性扫描方式由于其扫描速度快、效率高且机械损耗小，属于新兴扫描探测方式，但其工艺复杂且较难实现大视场远距离目标探测，导致无法实现大视场范围快速扫描。现有的无惯性扫描方式一般采用双振镜扫描以及高速旋转鼓镜(或多通道线列探测)配合转台的方式，可实现二维特定场景区域重复扫描，然而，双振镜扫描受制于机械摆动惯性，难以实现高速扫描与大视场的需求，且鼓镜配合转台的组合方式需要附加光电滑环，降低了系统稳定性，并且具有整体激光点重频和探测效率低、大视场探测激光雷达扫描角度、速率以及空间分辨率不足的问题。

在本发明的又一实施例中，对现有技术进行了改进，从而提供了一种激光雷达扫描探测装置的探测方法。根据本发明，该探测方法的工作原理如下：激光光源6产生探测激光，该探测激光经光学分束元件7分为两路，该两路探测激光经光学发射模块4准直，左右两侧分别发射至旋转扫描镜1的底侧镜面上，通过经由该旋转扫描镜1的驱动电机来驱动该旋转扫描镜1进行高速旋转，来实现目标空间横向视场探测扫描与接收，从而实现目标空间一维扫描。摆动扫描镜2的下边缘接收由旋转扫描镜1的底侧镜面所反射回来的探测激光并将其反射至探测目标空间，其通过上下摆动来实现目标空间纵向视场探测扫描与接收，从而实现目标空间二维扫描。目标返回探测激光，经摆动扫描镜2与旋转扫描镜1之后返回至光学接收模块3中，通过光学模块汇聚、光电转换、信号放大测时后，获取目标距离信息。在联合角度编码器同步输出角度信息，即可获取扫描空间目标的三维信息。

这样，通过采用两组光学发射/接收模块与三组扫描镜，最大限度地实现了大视场扫描探测，达到了本发明的期望效果。

本发明的激光雷达扫描探测装置及其探测方法可广泛地应用于各类场景下的环境感知实时监控与汽车辅助驾驶等领域。图4为根据本发明实施例的激光雷达扫描探测装置的实际探测应用方法的示意图。如该附图所示，通过光学模块1，2接收探测瞬时视场并进行光学接收模块汇聚，经汇聚的回波信号汇集回到该激光雷达扫描探测装置上，该激光雷达扫描探测装置产生电流信号，该电流信号经信号放大器、滤波器、光电转换模块、测时电路等电路之后得到目标距离信息，再结合角度编码器同步输出角度信息，从而获取目标的三维信息，经高速信号处理模块进行信号处理分析，最终得到目标的三维点云数据图。

尽管上述实施例阐述了诸多细节，然而，此等细节不应被理解为是对已主张发明或可主张内容的范围的限制，而仅是对特定实施例所特有的特征的说明。

综上所述，由于应用了采用两组光学发射/接收模块与三组扫描镜，通过一组旋转扫描镜1的高速转动以及两组摆动扫描镜2的上下摆动，实现了大视场范围目标快速扫描探测，从而提高了激光点重频以及探测效率，并解决了大视场探测激光雷达扫描角度、速率以及空间分辨率不足的问题并且两组光学发射/接收模块各自的发射光路和接收光路分置隔离，降低了近距回光干扰，也有助于提高该激光雷达扫描探测装置的探测效率。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。但值得注意的是，在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，所述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种激光雷达扫描探测装置，包括：

一组旋转扫描镜；

两组摆动扫描镜，分别设置在所述旋转扫描镜上下两侧；以及

两组光学发射/接收模块，分别设置在旋转扫描镜的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中所述旋转扫描镜两面抛光并镀有防反射金属膜。

3.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中所述旋转扫描镜靠近底侧位置设置有两组半圆形隔离片，并且两侧利用卡具进行固定。

4.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中各组光学发射/接收模块中的光学发射模块靠近所述光学接收模块的内侧中心位置，并且发射光路和接收光路平行，两者的光轴垂直于所述旋转扫描镜的中心转轴。

5.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括激光光源，所述激光光源用于产生探测激光。

6.根据权利要求5所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括光学分束元件，由所述激光光源所产生的探测激光经所述光学分束元件而被分成两路。

7.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括扫描电机，所述扫描电机驱动所述旋转扫描镜高速旋转并驱动所述摆动扫描镜上下摆动。

8.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括角度编码器，所述角度编码器用于输出角度信息。

9.根据权利要求1所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括光电转换模块，所述光电转换模块用于将所述探测激光转换成电信号。

10.根据权利要求1-9任一所述的激光雷达扫描探测装置，其中还包括机械安装支架，所述激光光源、所述光学分束元件、所述一组旋转扫描镜、所述两组摆动扫描镜、扫描电机、所述角度编码器、所述两组光学发射/接收模块以及光电转换模块被固定在机械安装支架中。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的激光雷达扫描探测装置进行探测的方法，包括步骤：

由所述激光光源产生探测激光，经所述光学分束元件分为两路；

所述两路探测激光由所述光学发射模块进行准直，左右两侧分别发射至所述旋转扫描镜的镜面上，所述旋转扫描镜高速旋转，实现目标空间一维扫描；

所述摆动扫描镜接收由所述旋转扫描镜反射的探测激光并反射至探测目标空间，实现目标空间二维扫描；

从目标返回的两路探测激光依次经摆动扫描镜和旋转扫描镜之后，返回至光学接收模块中，通过光学模块汇聚、光电转换、信号放大测时来获取目标距离信息；以及

结合角度编码器同步输出角度信息，实现目标空间三维扫描，获取目标的三维信息。