本發(fā)明屬激光雷達領(lǐng)域，尤其涉及一種多線激光雷達測距系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

近年來，移動機器人、自主導(dǎo)航車、車輛的輔助駕駛研究與應(yīng)用日益增多，單線二維激光雷達以其高的測距精度和角度分辨率，在室內(nèi)機室外的障礙檢測系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。但由于其只有一個激光束掃描平面，障礙點定義為高于地平面的掃描點，因此，單線二維激光雷達只適用于較為平坦的路面。

德國sick公司的LMS1XX系列等產(chǎn)品采用了相類似的結(jié)構(gòu)，其中LMS1XX系列產(chǎn)品的測量范圍為50米，掃描角度為270度，一線掃描。德國IBEO LUX4線激光雷達，4線掃描，探測距離200米，垂直掃描3.2度，水平掃描85度。

以上兩種現(xiàn)有技術(shù)，水平掃描角度無法實現(xiàn)360度，垂直掃描角度很小。垂直掃描線數(shù)為一線和四線，無法實現(xiàn)大范圍環(huán)境三維探測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種多線激光雷達測距系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中掃描角度小的問題。

本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種多線激光雷達測距系統(tǒng)，包括控制及信號處理系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，所述發(fā)射系統(tǒng)包括：依次相連的激光發(fā)射模塊、第一透鏡組；所述接收系統(tǒng)包括：依次相連的第二透鏡組、光電探測器；所述雷達系統(tǒng)還包括電機；控制及信號處理系統(tǒng)，用于控制電機上電，電機帶動其上的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)動；激光發(fā)射模塊，用于根據(jù)控制及信號處理系統(tǒng)的控制信號，發(fā)射至少兩束以上激光；第一透鏡組，用于將兩束以上激光進行準直，然后發(fā)射出去，以掃描目標物體；第二透鏡組，用于接收目標物體反射回來的激光，并進行準直；光電探測器，用于接收從第二透鏡組發(fā)射回來的激光，并將其進行光電轉(zhuǎn)換、放大處理后，送入控制及信號處理系統(tǒng)。

本發(fā)明實施例還提供一種多線激光雷達測距方法，包括：控制及信號處理系統(tǒng)控制電機上電，電機帶動其上的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)動；發(fā)射系統(tǒng)，根據(jù)控制及信號處理系統(tǒng)的控制信號，發(fā)射至少兩束以上激光，將兩束以上激光進行準直后發(fā)射出去，以掃描目標物體；接收系統(tǒng)，接收目標物體反射回來的激光，并將反射回來的兩束以上的激光進行準直，將其進行光電轉(zhuǎn)換、放大處理后，送入控制及信號處理系統(tǒng)，計算目標物體的距離。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種“混合固態(tài)”多線激光雷達測距系統(tǒng)和方法，本發(fā)明提供的多線激光雷達測距系統(tǒng)，可以發(fā)射多束光線進行起伏地勢的障礙檢測。障礙距離的信息檢測，基于激光飛行時間法，通過計算調(diào)制激光發(fā)射和返回的時間差得到光程進而得到測量物體的距離，本系統(tǒng)垂直視場角從+15度到-15度，水平視場角360度，沒有明顯的外部旋轉(zhuǎn)部件(旋轉(zhuǎn)部件在內(nèi)部)，測量距離可達100米以上，每秒30萬個三維點云數(shù)據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種多線激光雷達測距系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明測距系統(tǒng)中各模塊的結(jié)構(gòu)分布示意圖；

圖3是本發(fā)明發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種多線激光雷達測距系統(tǒng)的一具體實施例框圖；

圖5是本發(fā)明接收電路的內(nèi)部框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例一

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種多線激光雷達測距系統(tǒng)，包括控制及信號處理系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，所述發(fā)射系統(tǒng)包括：依次相連的激光發(fā)射模塊、第一透鏡組；所述接收系統(tǒng)包括：依次相連的第二透鏡組、光電探測器；所述雷達系統(tǒng)還包括電機；控制及信號處理系統(tǒng)，用于控制電機上電，電機帶動其上的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)動；激光發(fā)射模塊，用于根據(jù)控制及信號處理系統(tǒng)的控制信號，發(fā)射至少兩束以上激光；第一透鏡組，用于將兩束以上激光進行準直，然后發(fā)射出去，以掃描目標物體；第二透鏡組，用于接收目標物體反射回來的激光，并進行準直；光電探測器，用于接收從第二透鏡組發(fā)射回來的激光，并將其進行光電轉(zhuǎn)換、放大處理后，送入控制及信號處理系統(tǒng)。

優(yōu)選地，見圖2所示，所述發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)環(huán)繞設(shè)置在電機驅(qū)動軸承周圍，且呈對稱分布，發(fā)射系統(tǒng)受電機驅(qū)動進行水平360度旋轉(zhuǎn)掃描。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)對稱分布，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)。

各模塊的相對位置信息如下：軸承的外圈，固定在底座上，⑩旋轉(zhuǎn)組件(包括發(fā)射電路、激光器、③第一反射鏡組、接收電路、⑧光電探測器、微透鏡陣列、⑥第二反射鏡組、⑨第一、第二透鏡組)隨軸承的內(nèi)圈轉(zhuǎn)動，發(fā)射電路，控制激光器產(chǎn)生激光，激光經(jīng)③第一反射鏡組到達⑨第一、第二透鏡組，激光照射到目標物體上，由目標物體反射回來的激光信號到達⑨第一、第二透鏡組，再經(jīng)⑥第二反射鏡組至微透鏡陣列，最后物體反射的回波信號聚焦至⑧光電探測器上，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)接收電路，通過無線傳輸，發(fā)送到控制及信號處理系統(tǒng)?？刂萍靶盘柼幚硐到y(tǒng)，通過激光發(fā)射與反射的時間差，利用S＝(t返射-t發(fā)射)*C(光速)得到激光的飛行距離，那么S/2即為物體的實際距離值。通過底座的光電碼盤，來獲得測量數(shù)據(jù)的角度信息。一組完整的雷達數(shù)據(jù)包含角度信息和測量得到的距離信息。

當然，圖2所示結(jié)構(gòu)僅為較佳實施例，并不限制本發(fā)明，比如⑩旋轉(zhuǎn)組件輪廓，可以由圓形改為方形、六邊形及其他多邊形等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。

優(yōu)選地，見圖3所示，所述激光發(fā)射模塊，包括16個激光二極管；在激光發(fā)射模塊與第一透鏡組之間還包括第一微透鏡陣列；在第二透鏡組和光電探測器之間還包括第二微透鏡陣列。當然，激光發(fā)射模塊也可以不采用激光二極管，而采用光纖激光器、氣體激光器或半導(dǎo)體激光器。如果使用其他類型激光器，第一和第二微透鏡陣列可以不用。

優(yōu)選地，在第一微透鏡陣列與第一透鏡組之間，還包括第一反射鏡組；在第二微透鏡陣列與第二透鏡組之間，還包括第二反射鏡組。每個反射鏡組包括2片反射鏡，放置的位置如圖3所示，使用反射鏡主要是為了改變光學(xué)方向，使光學(xué)系統(tǒng)體積更緊湊。當然，反射鏡可以用棱鏡替代或不用反射鏡。

優(yōu)選地，所述光電探測器，包括16個光電探測元件。

優(yōu)選地，所述第一、第二微透鏡陣列，分別包括16個微型圓柱鏡；第一微透鏡陣列中的16個微型圓柱鏡對應(yīng)激光發(fā)射模塊中的16個激光二極管；第二微透鏡陣列中的16個微型圓柱鏡對應(yīng)光電探測器中的16個光電探測元件。

優(yōu)選地，所述第一、第二透鏡組，分別包括3片非球面透鏡。當然，第一、第二透鏡組也可以用球面透鏡組。雖然測量效果差些，但是也能達到測量目的。

下面結(jié)合圖3，對發(fā)射系統(tǒng)的激光發(fā)射和接收系統(tǒng)的激光接收進行說明：

發(fā)射系統(tǒng)，使用第一微透鏡陣列中的微型圓柱鏡準直激光二極管的快軸，使激光二極管的快軸和慢軸發(fā)射角基本一致，再用第一透鏡組的非球面透鏡準直，得到接近圓形的光斑，使得激光能量集中，探測距離遠。使用2片反射鏡，主要是為了改變光學(xué)方向，使光學(xué)系統(tǒng)體積更緊湊。

接收系統(tǒng)，使用第二透鏡組的非球面透鏡組和第二微透鏡陣列中的微型圓柱鏡結(jié)合，接收回波反射激光信號，可以使得信號光斑小，接收系統(tǒng)口徑大，微透鏡陣列能有效防止串擾。另外，接收系統(tǒng)還可以增加濾光片，只有激光信號通過濾光片，而其他波長的光都會被濾除，提高了系統(tǒng)信噪比，提高了系統(tǒng)在強光下的探測距離。使用2片反射鏡，主要是為了改變光學(xué)方向，使光學(xué)系統(tǒng)體積更緊湊。

綜上，使用圖3所述光路設(shè)計方案，激光光能量集中，有效降低了所需激光功率，發(fā)射與接收系統(tǒng)對稱分布，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定性，接收系統(tǒng)可以有效提高系統(tǒng)信噪比，使用16個探測器有效防止不同發(fā)射角度回波信號之間的串擾。

見圖5所示，優(yōu)選地，在光電探測器和控制及信號處理電路之間還包括接收電路，所述接收電路包括：依次相連的APD光接收電路、綁定電路、差分放大電路、后級處理電路；APD光接收電路，用于將光電探測元件探測到的微弱光信號，進行微弱電流信號轉(zhuǎn)換；綁定電路，用于對微弱電流信號進行處理，轉(zhuǎn)換成一定幅度的電壓信號，通過電壓放大器放大后，再經(jīng)單端轉(zhuǎn)差分信號輸出；差分放大電路，用于對差分信號進行放大；后級處理電路，用于對該差分信號進行后續(xù)處理。

綜上，電路將APD光接收電路輸出的微弱電流信號，經(jīng)綁定電路中的互助放大器、電壓放大器、單端轉(zhuǎn)差分處理。與傳統(tǒng)裸露的APD探測器信號處理電路相比，這種方式集成度高，使硬件電路工藝簡單化，且大大減低了電路的各種寄生參數(shù)，提高了探測器的信噪比、增益、探測效率。

優(yōu)選地，接收電路與控制及信號處理電路之間，通過無線傳輸方式進行數(shù)據(jù)和信號的傳輸。采用無線傳輸，避免了使用電線，可以防止轉(zhuǎn)動時電線之間的纏繞。

下面結(jié)合圖2和圖4，對多線激光雷達測距系統(tǒng)進行詳細說明：

1、控制及信號處理系統(tǒng)，控制電機上電，軸承內(nèi)圈開始轉(zhuǎn)動；同時控制發(fā)射系統(tǒng)中的16個激光二極管在不同角度分別發(fā)光，第一微透鏡陣列準直激光二極管的快軸，使激光二極管的快軸和慢軸發(fā)射角基本一致，再用第一透鏡組中的非球面透鏡組準直，得到接近圓形的光斑，經(jīng)非球面透鏡組出射的激光實現(xiàn)對周圍環(huán)境掃描，掃描激光照射到物體上。

2、接收系統(tǒng)，使用第二透鏡組中的非球面透鏡和第二微透鏡陣列結(jié)合，16個方向的激光回波各對應(yīng)一個光電探測器，只有以一定角度通過微透鏡的光線才能被聚焦在光電探測器上，有效防止了其它激光回波的串擾。光電探測器，檢測到光信號，接收電路將光信號進行光電轉(zhuǎn)換、放大及A/D轉(zhuǎn)換等等一系列處理，然后利用無線傳輸方式，將其送達控制及信號處理系統(tǒng)，獲得激光發(fā)射與反射的時間差，從而得到物體距離信息。角度信息由光電碼盤得到。距離和角度信息由接口傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。

綜上，此雷達發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)對稱分布，使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布均勻，轉(zhuǎn)動更平穩(wěn)。發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)均采用2片反射鏡改變光學(xué)方向，使光學(xué)系統(tǒng)體積更緊湊。接收回波信號，依靠無線傳輸至控制及信號處理系統(tǒng)。測距系統(tǒng)采用無線傳輸供電。垂直方向進行30度掃描時，發(fā)射系統(tǒng)不存在旋轉(zhuǎn)部件，只有水平方向進行360度掃描時，需要電機和軸承帶動光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。

另外，外部的防護罩具有防水、防塵功能。這樣的設(shè)計使雷達更利于室外使用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，抗振動能力強，惡劣天氣也可使用。

實施例二

本發(fā)明實施例還提了一種多線激光雷達測距方法，包括：控制及信號處理系統(tǒng)控制電機上電，電機帶動其上的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)轉(zhuǎn)動；發(fā)射系統(tǒng)，根據(jù)控制及信號處理系統(tǒng)的控制信號，發(fā)射至少兩束以上激光，將兩束以上激光進行準直后發(fā)射出去，以掃描目標物體；接收系統(tǒng)，接收目標物體反射回來的激光，并將反射回來的兩束以上的激光進行準直，將其進行光電轉(zhuǎn)換、放大處理后，送入控制及信號處理系統(tǒng)，計算目標物體的距離。

綜上所述，本發(fā)明提供了一種“混合固態(tài)”多線激光雷達測距系統(tǒng)和方法，此激光雷達系統(tǒng)特征是：除底座外，系統(tǒng)各部件環(huán)繞設(shè)置在電機驅(qū)動軸承周圍，受電機驅(qū)動進行旋轉(zhuǎn)掃描，形成水平360度掃描。

本發(fā)明提供的多線激光雷達測距系統(tǒng)，可以發(fā)射多束光線進行起伏地勢的障礙檢測。障礙距離信息檢測，基于激光飛行時間法，通過計算調(diào)制激光發(fā)射和返回的時間差得到光程進而得到測量物體的距離，該原理在激光測距類產(chǎn)品中廣泛應(yīng)用，物體高度信息由光束掃描角度信息獲得。本發(fā)明提出的方案，采用自主設(shè)計的電路(激光發(fā)射電路和接收電路)、光學(xué)系統(tǒng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)垂直視場角從+15度到-15度，水平視場角360度，沒有明顯的外部旋轉(zhuǎn)部件(旋轉(zhuǎn)部件在內(nèi)部)，測量距離可達100米以上，每秒30萬個三維點云數(shù)據(jù)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。