一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，脈沖激光器發(fā)射單束激光，經(jīng)過(guò)激光整形單元進(jìn)行準(zhǔn)直、均衡和擴(kuò)束，形成均勻的線(xiàn)光源；通過(guò)光編碼器，對(duì)不同坐標(biāo)的激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制后的激光通過(guò)發(fā)射鏡頭照射到遠(yuǎn)處N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)上，并反射；窄線(xiàn)寬光濾波器接收回波激光，接收鏡頭對(duì)通過(guò)窄線(xiàn)寬光濾波器的回波激光進(jìn)行成像后，通過(guò)光傳像陣列傳輸?shù)疥嚵惺焦怆娞綔y(cè)器上；信號(hào)采集處理電路將陣列式光電探測(cè)器生成的回波信號(hào)波形進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)和解調(diào)，得到N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)的像素飛行時(shí)間；將姿態(tài)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換和三維圖像構(gòu)建和校正，得到待測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。較現(xiàn)有的三維雷達(dá)，本發(fā)明簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，精度高、穩(wěn)定性好。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光三維雷達(dá)領(lǐng)域，具體涉及一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]激光三維雷達(dá)相對(duì)于傳統(tǒng)二維雷達(dá)，能夠提供更加豐富的目標(biāo)空間信息，在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
[0003]傳統(tǒng)的激光三維雷達(dá)通過(guò)發(fā)射單光束脈沖激光，再由單探測(cè)器單元接收回波激光，利用光飛行時(shí)間來(lái)測(cè)量被測(cè)物與雷達(dá)之間的距離。為了實(shí)現(xiàn)空間三維探測(cè)，需要加上機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)改變激光的出光和接收方向。為了提高探測(cè)精度和速度，必須提高激光器的重復(fù)頻率和機(jī)械結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)速率。而提高這兩者性能的成本都很高，因此出現(xiàn)了采用陣列激光源和接收器的激光三維雷達(dá)，利用N元的探測(cè)器，一次能夠測(cè)量N個(gè)點(diǎn)的距離信息。但是N源探測(cè)器無(wú)法再不改變出光和接收方向的情況下完成大視場(chǎng)的空間探測(cè)，因此依然需要增加機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)。要想進(jìn)一步提高探測(cè)和速度，依然需要提升激光器的重復(fù)頻率和機(jī)械結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)速率。
[0004]目前基于光飛行時(shí)間的激光三維雷達(dá)在探測(cè)器陣列規(guī)模、激光器頻率和掃描器機(jī)械結(jié)構(gòu)掃描速度、精度、穩(wěn)定度等方面均存在著難以突破的瓶頸。研究一種成像速度快、精度高且穩(wěn)定度高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的激光三維雷達(dá)，成為了研究的重要方向。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明目的是，提供一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，通過(guò)光編碼方法，使N元的探測(cè)器陣列能夠同時(shí)探測(cè)N*N個(gè)目標(biāo)的三維信息，改進(jìn)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。尤其是一種使用低像素的陣列式光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)大幅寬對(duì)地探測(cè)的激光三維雷達(dá)。適用于需要同時(shí)對(duì)大幅度目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的成像場(chǎng)合。
[0006]技術(shù)方案:一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，包括位置和姿態(tài)單元、脈沖激光器、激光整形單元、光編碼器、發(fā)射鏡頭、高速激光發(fā)射探測(cè)單元、窄線(xiàn)寬光濾波器、接收鏡頭、光傳像陣列、陣列式光電探測(cè)器和信號(hào)采集處理電路；
[0007]脈沖激光器發(fā)射單束激光，該單束激光經(jīng)過(guò)激光整形單元進(jìn)行準(zhǔn)直、均衡和擴(kuò)束，形成均勻的線(xiàn)光源，通過(guò)光編碼器，將窄條形激光通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制編碼為所需的窄條形正交編碼激光，調(diào)制后的激光通過(guò)發(fā)射鏡頭照射到遠(yuǎn)處N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)上，并反射；接收鏡頭通過(guò)窄線(xiàn)寬光濾波器接收回波激光進(jìn)行成像，之后，通過(guò)光傳像陣列傳輸?shù)疥嚵惺焦怆娞綔y(cè)器上；信號(hào)采集處理電路將陣列式光電探測(cè)器生成的回波信號(hào)波形進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，并將回波信號(hào)利用原始編碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出每個(gè)編碼所對(duì)應(yīng)的完整波形，進(jìn)而分別得到N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)的像素飛行時(shí)間；將姿態(tài)單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換和三維圖像構(gòu)建和校正，得到待測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0008]所述的位置和姿態(tài)單元I在測(cè)量工作過(guò)程中實(shí)時(shí)提供本體的位置信息和姿態(tài)信肩、O
[0009]所述的脈沖激光器2具有高瞬時(shí)功率、窄脈寬、窄線(xiàn)寬特征，作為系統(tǒng)發(fā)射光源，需要與光編碼器、陣列式光電探測(cè)器、窄線(xiàn)寬光濾波器、信號(hào)采集處理電路采集速率配合，激光重復(fù)頻率由光編碼器決定。
[0010]所述的激光整形單元3包括激光準(zhǔn)直鏡、均衡器和擴(kuò)束鏡，目的是將出射的高斯圓形激光整形成狹窄均勻的窄條形激光。
[0011]所述的光編碼器4將窄條形激光通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制編碼為所需的窄條形編碼激光。
[0012]所述的發(fā)射鏡頭5將調(diào)制好的激光通過(guò)投影鏡頭，投射到被測(cè)目標(biāo)表面。
[0013]所述的高速激光發(fā)射探測(cè)單元6用來(lái)提供激光脈沖發(fā)射時(shí)刻信息，采用高速光電二極管將光脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖作為激光發(fā)射信號(hào)。
[0014]所述的窄線(xiàn)寬光濾波器7為窄帶干涉濾光片，位于接收鏡頭前，目的是僅讓工作波長(zhǎng)的光子順利通過(guò)而盡量抑制其他波長(zhǎng)的背景光和雜散光。
[0015]所述的接收鏡頭8位于窄線(xiàn)寬光濾波器7之后，用于收集光回波能量并聚焦在光纖傳像陣列上。
[0016]所述的光傳像陣列9是將光纖束按照?qǐng)D2所述的規(guī)律排列組成的，其作用一是將所成的線(xiàn)狀像傳導(dǎo)到面陣接收器上接收，二是對(duì)像點(diǎn)和面陣接收器單元進(jìn)行對(duì)應(yīng)和重排，使其能夠進(jìn)行后續(xù)的解調(diào)工作。
[0017]所述的陣列式光電探測(cè)器10由工作在線(xiàn)性模式下的APD陣列和放大陣列構(gòu)成，目的是將回波光信號(hào)轉(zhuǎn)化為有一定增益的電信號(hào)，并進(jìn)行一定的噪聲抑制。
[0018]所述的信號(hào)采集處理電路11采用高速ADC和FPGA構(gòu)成的全波采樣陣列。采樣結(jié)果與當(dāng)前位置姿態(tài)信息一起通過(guò)高速存儲(chǔ)陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。處理電路指PC機(jī)、DSP、FPGA等。
[0019]有益效果:
[0020]I)利用光編碼方法，使N元的探測(cè)器陣列能夠同時(shí)探測(cè)N*N個(gè)目標(biāo)的三維信息，在現(xiàn)有的技術(shù)水平基礎(chǔ)上提高了三維激光成像技術(shù)的成像速度和成像精度。
[0021]2)沒(méi)有傳統(tǒng)的機(jī)械掃描結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了激光三維成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明示意圖
[0023]圖2是光傳像陣列耦合規(guī)則示意圖

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0025]如圖1，本專(zhuān)利的基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)包括位置和姿態(tài)單元1、脈沖激光器2、激光整形單元3、光編碼器4、發(fā)射鏡頭5、高速激光發(fā)射探測(cè)單元6、窄線(xiàn)寬光濾波器
7、接收鏡頭8、光傳像陣列9、陣列式光電探測(cè)器10和信號(hào)采集處理電路11。
[0026]位置和姿態(tài)單元I在測(cè)量工作過(guò)程中實(shí)時(shí)提供本體的位置信息和姿態(tài)信息。
[0027]脈沖激光器2具有高瞬時(shí)功率、窄脈寬、窄線(xiàn)寬特征，作為系統(tǒng)發(fā)射光源，需要與光編碼器、陣列式光電探測(cè)器、窄線(xiàn)寬光濾波器、信號(hào)采集處理電路采集速率配合，激光重復(fù)頻率由光編碼器決定。
[0028]激光整形單元3包括激光準(zhǔn)直鏡、均衡器和擴(kuò)束鏡，目的是將出射的高斯圓形激光整形成狹窄均勻的窄條形激光。
[0029]光編碼器4將窄條形激光通過(guò)強(qiáng)度調(diào)制編碼為所需的窄條形編碼激光。
[0030]發(fā)射鏡頭5將調(diào)制好的激光通過(guò)投影鏡頭，投射到被測(cè)目標(biāo)表面。
[0031]高速激光發(fā)射探測(cè)單元6用來(lái)提供激光脈沖發(fā)射時(shí)刻信息，采用高速光電二極管將光脈沖轉(zhuǎn)化為電脈沖作為激光發(fā)射信號(hào)。
[0032]窄線(xiàn)寬光濾波器7為窄帶干涉濾光片，位于接收鏡頭前，目的是僅讓工作波長(zhǎng)的光子順利通過(guò)而盡量抑制其他波長(zhǎng)的背景光和雜散光。
[0033]接收鏡頭8位于窄線(xiàn)寬光濾波器7之后，用于收集光回波能量并聚焦在光纖傳像陣列上。
[0034]光傳像陣列9是將光纖束按照?qǐng)D2所述的規(guī)律排列組成的，其作用一是將所成的線(xiàn)狀像傳導(dǎo)到面陣接收器上接收，二是對(duì)像點(diǎn)和面陣接收器單元進(jìn)行對(duì)應(yīng)和重排，使其能夠進(jìn)行后續(xù)的解調(diào)工作。
[0035]陣列式光電探測(cè)器10由工作在線(xiàn)性模式下的Aro陣列和放大陣列構(gòu)成，目的是將回波光信號(hào)轉(zhuǎn)化為有一定增益的電信號(hào)，并進(jìn)行一定的噪聲抑制。
[0036]信號(hào)采集處理電路11采用高速ADC和FPGA構(gòu)成的全波采樣陣列。采樣結(jié)果與當(dāng)前位置姿態(tài)信息一起通過(guò)高速存儲(chǔ)陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。處理電路指PC機(jī)、DSP、FPGA等。
[0037]脈沖激光器2發(fā)出的脈沖激光通過(guò)激光整形單元3整形擴(kuò)束形成一條線(xiàn)光源，使用光編碼器4控制光源的通斷以實(shí)現(xiàn)不同像素點(diǎn)上的編碼調(diào)制，同時(shí)采用高速激光發(fā)射探測(cè)單元6利用編碼器反射光實(shí)現(xiàn)激光器的出光檢測(cè)。采用這種方式可以避免激光器出光時(shí)間對(duì)系統(tǒng)測(cè)量產(chǎn)生誤差。光編碼器4中的編碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)光電斷續(xù)器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，利用此信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器出光。編碼后的激光通過(guò)發(fā)射鏡頭5投射至目標(biāo)，在被測(cè)目標(biāo)表面展開(kāi)成一條狹窄的光帶。使用一套由窄線(xiàn)寬光濾波器7、接收鏡頭8、光傳像陣列9組成的接收系統(tǒng)接收回波信號(hào)。N個(gè)編碼可以調(diào)制N*N個(gè)待測(cè)點(diǎn)，本實(shí)施例中，采用64個(gè)編碼調(diào)制4096個(gè)待測(cè)點(diǎn)，并使用64元線(xiàn)性面陣AH)接收陣列接收回波信號(hào)并對(duì)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行高速全波采樣。4096個(gè)待測(cè)點(diǎn)與64元線(xiàn)性APD接收陣列間通過(guò)光傳像陣列進(jìn)行耦合。
[0038]通過(guò)信號(hào)采集處理電路11對(duì)陣列式光電探測(cè)器10的每一通道的輸出信號(hào)進(jìn)行全波采樣，采集到的波形數(shù)據(jù)與編碼數(shù)據(jù)、激光出光脈沖、位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)一起送入高速存儲(chǔ)陣列進(jìn)行存儲(chǔ)并進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理。
[0039]數(shù)據(jù)處理單元首先讀取全波形數(shù)據(jù)與編碼數(shù)據(jù)，使用去噪等預(yù)處理算法處理全波形數(shù)據(jù)后，對(duì)波形進(jìn)行擬合，再利用各通道原始編碼信息對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行正交解調(diào)，還原出每個(gè)通道的回波波形，進(jìn)而得到每個(gè)通道回波的時(shí)間點(diǎn)，即可得到一次測(cè)量的線(xiàn)狀目標(biāo)的距離值。再讀取激光出光脈沖數(shù)據(jù)、位置和姿態(tài)單元數(shù)據(jù)，并且利用激光出光時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行校正，利用位置和姿態(tài)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換并進(jìn)行三維圖像構(gòu)建和矯正，就可得到高精度的目標(biāo)三維距離圖像數(shù)據(jù)。
[0040]為降低采集到的數(shù)據(jù)冗余量，數(shù)據(jù)采集單元在檢測(cè)到激光出光檢測(cè)器的脈沖一段延時(shí)后才開(kāi)始對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。延時(shí)長(zhǎng)短由系統(tǒng)最終量程決定。本實(shí)施例中，被測(cè)物體距離雷達(dá)的最小距離為600m,因此延時(shí)4us。
[0041]位置和姿態(tài)單元I為北斗+INS測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)提供本體的位置信息和姿態(tài)信肩、O
[0042]脈沖激光器2為波長(zhǎng)1064nm，脈沖能量10mJ，脈沖寬度10ns，重復(fù)頻率IOkHz的半導(dǎo)體泵浦激光器。
[0043]激光整形單元3為通過(guò)光學(xué)器件將激光整形為均勻扇面。
[0044]光編碼器4為一刻有編碼信息的高速編碼盤(pán)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)脈沖激光器2出光并對(duì)激光進(jìn)行調(diào)制。
[0045]發(fā)射鏡頭5為焦距210mm、光圈5.6成像鏡頭。
[0046]高速激光發(fā)射探測(cè)單元6為高速PIN光電二極管及配套電路，檢測(cè)激光器出光，輸出激光器出光信號(hào)。
[0047]窄線(xiàn)寬光濾波器7為窄帶干涉濾光片，帶寬2nm，中心波長(zhǎng)1064nm，透過(guò)率80%。至于接收鏡頭前，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界背景光的抑制。
[0048]接收鏡頭8參數(shù)與發(fā)射鏡頭5相同。
[0049]如圖2所示，光傳像陣列9為光纖陣列，將接收到的像按照編碼規(guī)則耦合到陣列式光電探測(cè)器10上。
[0050]陣列式光電探測(cè)器10為8*8面陣式線(xiàn)性模式APD傳感器陣列及其前置放大電路和后級(jí)放大電路。
[0051]信號(hào)采集處理電路11中ADC部分采用16片E2V公司四通道1.25Gsps采樣率高速ADC，對(duì)探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行全波采樣，F(xiàn)PGA控制采樣，并將采樣結(jié)果與當(dāng)前位置姿態(tài)信息一起通過(guò)高速存儲(chǔ)陣列進(jìn)行存儲(chǔ)。處理電路指PC機(jī)、DSP、FPGA等。
[0052]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，包括位置和姿態(tài)單元(I)、脈沖激光器(2)、激光整形單元(3)、光編碼器(4)、發(fā)射鏡頭(5)、高速激光發(fā)射探測(cè)單元(6)、窄線(xiàn)寬光濾波器(7)、接收鏡頭(8)、光傳像陣列(9)、陣列式光電探測(cè)器(10)和信號(hào)采集處理電路(11)； 脈沖激光器(2)發(fā)射單束激光，該單束激光經(jīng)過(guò)激光整形單元(3)進(jìn)行準(zhǔn)直、均衡和擴(kuò)束，形成均勻的線(xiàn)光源，通過(guò)光編碼器(4)，對(duì)不同坐標(biāo)的激光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制，調(diào)制后的激光通過(guò)發(fā)射鏡頭(5)照射到遠(yuǎn)處N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)上，并反射；窄線(xiàn)寬光濾波器(7)接收回波激光，接收鏡頭(8)對(duì)通過(guò)窄線(xiàn)寬光濾波器(7)的回波激光進(jìn)行成像，之后，通過(guò)光傳像陣列(9)傳輸?shù)疥嚵惺焦怆娞綔y(cè)器(10)上；信號(hào)采集處理電路(11)將陣列式光電探測(cè)器生成的回波信號(hào)波形進(jìn)行采樣和存儲(chǔ)，并進(jìn)行解調(diào)，分別得到N*N個(gè)被測(cè)點(diǎn)的像素飛行時(shí)間；將姿態(tài)單元(I)的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換和三維圖像構(gòu)建和校正，得到待測(cè)目標(biāo)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，所述陣列式光電探測(cè)器(10)包括APD陣列和放大陣列。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，所述光傳像陣列(9)包括面陣接收器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，所述信號(hào)采集處理電路(11)包括高速ADC和FPGA。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于編碼調(diào)制的激光三維雷達(dá)裝置，其特征在于，所述激光整形單元(3)包括激光準(zhǔn)直鏡、均衡器和擴(kuò)束鏡。
【文檔編號(hào)】G01S17/89GK104049255SQ201410187234
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】王元慶, 陸麟, 曾真 申請(qǐng)人:南京大學(xué)