远程LiDAR系统和用于补偿扫描仪运动的影响的方法与流程

本发明涉及一种远程lidar系统和一种解决或减轻由激光系统中的扫描仪的偏转元件的运动以及光被发射的瞬间与接收到从目标返回的光的瞬间之间的光束的飞行行进时间引起的出射光束与入射光束之间的角度差的影响的方法。

背景技术：

在远程lidar系统中，使用可移动反射镜或折射光学器件，根据所限定的扫描图案，短激光脉冲被发射并被引导朝向目标表面。尤其是，在空运lidar系统中，到地面(即，目标表面)的距离可能是显著的(高达5km)，并且扫描图案的扫描速率(典型200-300rad/s)相当高。这导致移动光学器件(例如，扫掠反射镜或折射扫描单元)的位置在光刚好在脉冲发射之后就被引导朝向地面的时刻与当光在地面上反射之后返回时被重新引导到接收器光学器件中的时刻之间改变。

在5km的地面距离处以光速(约300000km/s)行进的脉冲的往返时间为33μs。如果扫描仪具有200rad/s的扫描速率，则这导致6.6mrad的指向差。这导致接收器将视线远离激光束撞击地面的地方6.6mrad。典型激光束将具有典型0.2-0.5mrad的光束尺寸。因此，为了能够收集返回光，接收器的视野必须是激光束的尺寸的10-20倍。如果扫描仪可以以复杂图案(2d)移动光束，则该位移将出现在所有激光束侧，因此甚至使对接收器的该视野要求加倍。

除了由扫描仪的偏转元件的运动引起的角度偏差之外，沿着飞行路径出现出射光束与入射光束之间的另外角度偏差，并且该偏差由lidar载体(例如飞机)在地面上方的运动引起。然而，该偏差通常小几个数量级，因此对大多数应用来说可以忽略不计。

再次假设33μs的往返时间(针对在地面距离5km处以光速行进的脉冲)，沿着以600km/h的地面速度行进的飞机的飞行路径的发射光束与接收光束之间的偏差大约为0.001mrad，该偏差比由扫描仪的偏转单元的运动引起的偏差小几乎四个数量级。

在远程lidar系统的陆地应用中(例如，在施工监测或边坡监测领域中)，典型测量距离与普通空中应用的距离相比更短。然而，扫描图案的扫描速率可能更高，例如，由于改进的机械稳定性或者因为针对目标表面的改进3d模型已经可用于扫描图案的微调。这种快速扫描速率产生与以上针对空中应用描述的影响相同的影响，即，由光束的有限飞行行进时间以及扫描仪的偏转单元在发射与返回之间的快速移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差。

针对一些特殊情况(诸如以恒定范围沿一个方向的直线扫描)，出射光束与入射光束之间的角度差通过静态移位在偏转焦点处的接收器来补偿。然而，针对例如使用圆形扫描图案沿两个方向的扫描和/或以变化范围的扫描，该解决方案在技术上是不可实现的或至少受到强烈限制。

接收器所要求的大视野是激光束尺寸的10-20倍，这具有几个缺陷。例如，太阳背景噪声强烈增加，并且限制针对弱返回脉冲信号的检测阈值。因此，需要增加发射功率以实现足够的信噪比(s/n)。通常，检测器的读出时间取决于该检测器的尺寸。因此，更大检测器的读出时间增加(即，限制整个扫描速度和/或扫描分辨率)，并且检测器带宽通常减小。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种用于远程lidar扫描仪(尤其是空中lidar扫描仪)的方法和改进系统。

特定目的是提供一种用于具有改进的s/n特性、更快的扫描速度以及改进的扫描分辨率的远程lidar扫描仪的方法和系统。

另一目的是提供一种用于远程lidar扫描仪的方法，以减少传感器电子器件的技术支出，并提供更快的读出以及降低的成本。

这些改进中的至少一个通过权利要求1的方法、权利要求8的系统和/或本发明的从属权利要求来实现。

根据本发明，由时间差以及扫描仪的偏转单元的快速运动引起的出射光束与入射光束之间的角度差通过在动态反偏转在接收器前面的返回光的接收器光学器件中具有有源装置来补偿。已知扫描图案和时间差，可以计算出该反偏转图案。

使用这样的动态补偿，即使扫描仪的偏转单元在飞行时间期间具有显著移动，接收器也可以更好地与发射器对准。因此，接收器的视野可以小得多(例如，与激光束的尺寸相当)，并且因此可以使用小得多的检测器(即，能够更快地读出、具有更高的带宽和更高的s/n)，尤其是由于减小的太阳背景噪声。

因此，本发明涉及一种用于补偿扫描仪在远程lidar表面扫描中的出射光束与入射光束之间的角度差的方法，其中，所述角度差取决于光束的飞行行进时间和扫描仪的偏转单元的移动。所述扫描仪包括包含发射激光脉冲的发射器单元的发射器、可移动偏转单元、接收器单元、以及控制和处理单元，可移动偏转单元尤其是包括：一个或更多个扫掠反射镜(例如，振动(galvo)扫描仪)或折射扫描单元(例如，楔形扫描仪)，其根据给定扫描图案朝向目标表面引导激光脉冲，接收器单元包括接收光学器件和光敏飞行时间传感器。该方法的特征在于，接收器单元包括有源装置，有源装置适于补偿在出射激光脉冲与入射激光脉冲之间出现的角度差，其中，控制和处理单元适于基于出射激光脉冲与入射激光脉冲之间的时间差的预测计算出射激光脉冲与入射激光脉冲之间的预测角度差，并且适于基于预测的角度差来致动接收器单元的有源装置。

尤其是，基于扫描仪与目标表面之间的相对距离、扫描仪的扫描图案、扫描仪的扫描速率、目标表面的已知数字3d模型、以及扫描仪的适当运动(尤其是速度)中的至少一个来预测出射光束与入射光束之间的角度差。根据应用，使用这些手段的一个或特定组合可以是有利的，例如，用于改进预测角度差的计算精确度、用于最小化计算开销时间、或简单地用于冗余和监测目的。

在另一实施方式中，扫描仪与目标表面之间的相对距离根据通用距离测量装置(尤其是雷达装置和/或高度计)、卫星导航系统和目标表面的已知数字3d模型中的至少一个的测量数据被确定。

出射光束与入射光束之间的角度差可以进一步根据扫描仪(尤其是当前在各个脉冲发射和/或接收时间处)的偏转角度、纵向倾斜角度和横向倾斜角度中的至少一个被预测。

尤其是为了简化技术支出或为了连续监测和即时调整，在特定实施方式中，基于迄今为止应用的角度校正的连续趋向假设，尤其是根据已经应用的最后三个角度校正，连续地预测出射光束与入射光束之间的角度差。

根据本发明，接收器单元的有源装置可以包括可移动risley棱镜、振动反射镜(galvo-mirror)、快速转向反射镜、液体透镜、旋转玻璃板、可移动楔形棱镜和用于光敏飞行时间传感器的线性平移单元中的至少一个。根据它们在发射器的可移动偏转装置之前或之后的位置(即，根据光束尺寸和/或根据在准直光束还是会聚光束中)、以及电子或光学机械支出，这些组件或组合中的每一个具有它们自己的优点或缺点(例如，考虑到反应时间、组件尺寸和成本)。

在特定实施方式中，可移动偏转单元包括用于朝向目标表面引导激光脉冲的第一偏转元件和用于朝向光敏飞行时间传感器引导入射激光脉冲的第二偏转元件，其中第一偏转元件和第二偏转元件被集成到一个单个可移动部件中，尤其是，其中第一偏转元件和第二偏转元件适于在出射激光脉冲和入射激光脉冲的光学同轴或平行设置中使用。例如，该实施方式尤其减少了机械支出，并且对于扫描仪的校准和维护可能是有利的。尤其是，第一偏转元件和第二偏转元件可以被构建为一个可移动偏转反射镜，例如，其中所述反射镜的相同区域被用于偏转出射光束和入射光束，或者其中针对两个光束使用所述反射镜表面上的分离区域。第一偏转元件和第二偏转元件也可以被集成为扫掠反射镜楔(sweepingmirrorwedge)的部件。例如，这样的实施方式可以对于内部杂散光、热管理或机械设置具有优点。尤其是，不同的射出和射入光学器件可以用于发射和接收器通道，例如，用于减少杂散光和/或配备不同滤波器光学器件。

此外，本发明描述了一种用于对目标表面进行扫描的远程lidar系统，其适于补偿由光束的飞行行进时间以及扫描仪的偏转单元的移动引起的扫描仪的出射光束与入射光束之间的角度差。所述扫描仪包括发射激光脉冲的发射器单元、可移动偏转单元、接收器单元、以及控制和处理单元，可移动偏转单元尤其是包括一个或更多个扫掠反射镜(例如，振动扫描仪)或折射扫描元件(例如，楔形扫描仪)，其根据给定扫描图案朝向目标表面引导激光脉冲，接收器单元包括接收光学器件和光敏飞行时间传感器。接收器单元包括有源装置，有源装置适于补偿在出射激光脉冲与入射激光脉冲之间出现的角度差，并且控制和处理单元适于基于出射激光脉冲与入射激光脉冲之间的时间差的预测计算出射激光脉冲与入射激光脉冲之间的预测角度差，并且适于基于预测的角度差来致动接收器单元的有源装置。

在远程lidar系统的另一实施方式中，控制和处理单元基于分配给它的数据来计算出射光束与入射光束之间的预测角度差，该数据包括扫描仪与目标表面之间的相对距离、卫星导航系统的测量、扫描仪的扫描图案、扫描仪的扫描速率、目标表面的已知数字3d模型、以及扫描仪的适当运动(尤其是速度)中的至少一个。

在远程lidar系统的特定实施方式中，扫描仪与目标表面之间的相对距离由控制和处理单元基于分配给该控制和处理单元的数据来计算，所述数据包括通用距离测量装置(尤其是雷达装置和/或高度计)、卫星导航系统和目标表面的已知数字3d模型中的至少一个。

出射光束与入射光束之间的角度差可以进一步根据远程lidar系统的扫描仪(尤其是当前在各个脉冲发射和/或接收时间处)的偏转角度、纵向倾斜角度和横向倾斜角度中的至少一个被预测。

尤其是为了简化技术支出或为了连续监测和即时调整，在远程lidar系统的特定实施方式中，基于迄今为止应用的角度校正的连续趋向假设，尤其是根据已经应用的最后三个角度校正，由控制和处理单元连续地计算出射光束与入射光束之间的预测角度差。

根据本发明，远程lidar系统的接收器单元的有源装置可以包括可移动risley棱镜、振动反射镜、快速转向反射镜、液体透镜、旋转玻璃板、可移动楔形棱镜和用于光敏飞行时间传感器的线性平移单元中的至少一个。

在远程lidar系统的特定实施方式中，可移动偏转单元包括用于朝向目标表面引导激光脉冲的第一偏转元件和用于朝向光敏飞行时间传感器引导入射激光脉冲的第二偏转元件，其中，第一偏转元件和第二偏转元件被集成到一个单个可移动部件中，尤其是，其中，第一偏转元件和第二偏转元件适于在用于出射和入射激光脉冲的光学同轴或平行设置中使用。

本发明还公开了一种存储在机器可读载体上的计算机程序产品，该计算机程序产品尤其用于在根据本发明的远程lidar系统的控制和处理单元中执行，并具有用于至少执行确定出射光束与入射光束之间的预测角度差的步骤的程序代码，所述确定是根据出射激光脉冲与入射激光脉冲之间的时间差(尤其是其中由扫描仪与目标表面之间的相对距离表示的时间差)、扫描图案、扫描仪的扫描速率、扫描仪的适当运动(尤其是速度)、以及对于迄今为止校正的角度差的连续趋向假设中的至少一个。

附图说明

在下文中，将通过参考伴随有附图的示例性实施方式来详细描述本发明，在附图中：

图1a和图1b：针对空运(a)和陆地(b)远程lidar测量系统的示例性测量任务；

图2：针对使用产生锯齿形(zig-zag)扫描图案的扫掠反射镜(例如振动扫描仪)的空运远程lidar测量系统的示例性测量任务；

图3：示出了具有扫掠反射镜的理想光路径的远程lidar系统的示意图；

图4：具有扫掠反射镜的远程lidar系统中的示例性光路径，以及由光束的飞行行进时间和扫掠反射镜的运动引起的出射光束与入射光束之间出现角度差；

图5a至图5e：根据本发明的具有耦接到公共发射/接收光通道中的激光发射器的远程lidar系统的示例性实施方式，其中，使用扫掠反射镜，并且出射光束与入射光束之间的角度差的补偿借助于另一个扫掠反射镜(a)、液体透镜(b)、旋转玻璃板(c)、滑动楔形棱镜(d)或一对risley棱镜(e)来指示；

图6：根据本发明的具有与接收光通道分离的激光发射器的远程lidar系统的示例性实施方式，其中，扫掠反射镜楔被用于使激光束朝向目标表面偏转。

具体实施方式

图1a示出了空运载体2(例如飞机)上的远程lidar系统1的典型空运表面扫描。使用可移动反射镜或折射光学器件(这里未示出，参见图3-图6)根据所限定的扫描图案，发射并朝向地面引导短激光脉冲。对于各个扫描仪取向(即指向方向3,3')，借助于脉冲飞行时间法来映射lidar系统1与被观察表面点之间的距离。

图1b示出了远程lidar系统1'这里在施工监测领域中的典型陆地应用，例如，用于通过测量由于变化的水压引起的大坝的小规模移动来监测大坝的完整性。在陆地应用中，与普通空中应用中的距离相比，典型测量距离更短。然而，扫描图案的扫描速率可能更高，例如，由于改进的机械稳定性或者因为针对目标表面的改进3d模型已经可用于扫描图案的微调。使用快速偏转单元(例如，可移动反射镜或折射光学器件(这里未示出，参见图3至图6))根据所限定的扫描图案，和/或通过移动整个扫描仪(例如，如图中所示的，通过在轨道上移动扫描仪以用于侧向平移)，发射并且朝向目标表面(即，大坝)引导短激光脉冲。因此，可以沿一个或两个方向使用快速光束转向。对于每个单独扫描仪方向(即，由扫描仪位置和当前指向方向3限定的)，lidar系统1'与被观察表面点之间的距离借助于脉冲飞行时间法来确定。

图2示出了使用多个附加数据源和测量装置(尤其是用于确定空运载体2的位置和取向的附加装置)的空运远程lidar系统1”的另一典型实施方式，所述附加数据源和测量装置包括高度计5、用于确定飞行姿态(例如给出飞机2的偏转角度、纵向角度和/或横向倾斜角度、以及在飞行对象中携带的卫星导航系统7,7'的测量数据)的装置6。此外，飞越地形的已知数字3d模型可以被存储在飞机的中央控制装置8上或者存储在空中lidar系统1”的控制和处理单元4上。辅助数据可以部分地由外部处理装置(例如，飞机的中央控制装置8)进行处理，或者数据可以直接链接到空中lidar系统1”的控制和处理单元，其将对数据进行处理并确定空运载体的位置和取向，从而确定空中lidar系统1”的位置和取向。最后，该图进一步示出了由扫掠扫描仪运动和向前飞行移动引起的典型锯齿形扫描图案，其中指示了两个示例性扫描仪指向方向3,3'。

代替锯齿形扫描图案，可以使用其它扫描图案，尤其是具有圆形扫描图案的扫描，例如，使用旋转倾斜偏转反射镜或折射扫描单元。举例来说，由于由远程lidar系统进行的这种圆形扫描和向前飞行移动，螺旋扫描图案被绘制到地面上。由于这种螺旋扫描图案，每个表面点从不同视角被扫描，并因此阴影影响被极大地最小化，其中可以对大面积进行扫描。

图3示出了具有理想光路径的远程lidar系统的示意图，所述远程lidar系统包括控制和处理单元4、具有通过第一固定偏转反射镜10耦接到公共发射/接收器通道中的激光发射器9的发射通道、公共发射/接收器通道中的扫掠反射镜11、以及具有第二固定偏转反射镜10'、聚焦光学器件12和具有光敏接收器区域14的lidar接收器13的接收器通道。指示针对当前扫描方向3的光路径、以及对应于另一扫描方向3'的第二光路径，即，由扫掠反射镜的不同取向触发。对于用于发射和接收对应的光脉冲的扫掠反射镜的相同取向，lidar传感器13与扫掠反射镜11之间的接收光路径保持稳定并且对于扫掠反射镜11的不同取向是相同的。

然而，由于到目标表面的距离可能是显著的(例如，对于空中扫描，距离高达5km)，并且扫描图案的扫描速率(例如，扫掠反射镜11的移动)可以相当快(通常200-300rad/s)，扫掠反射镜11的取向在光刚好在脉冲发射之后就朝向目标表面被引导的时刻与当光在目标表面上被反射之后返回时被重新引导到接收器光学器件中的时刻之间改变。

在5km的目标距离处以光速(约300000km/s)行进的脉冲的往返时间为33μs。如果扫描仪具有200rad/s的扫描速率，则这导致6.6mrad的指向差。这导致接收器13使视线远离激光束撞击目标表面的地方6.6mrad。典型激光束将具有通常0.2-0.5mrad的光束尺寸。因此，为了能够收集返回光，接收器的视野必须是激光束的尺寸的10-20倍。

如果扫描仪可以以复杂图案(2d)移动光束，则该位移将出现在激光束的所有侧上，因此甚至使对接收器的该视野要求加倍。

图4示出了由于激光脉冲的飞行行进时间和扫掠反射镜11的快速移动而引起的出射光束与入射光束之间的角度差的这种情形的示例性情况，其中，扫掠反射镜11的当前(接收)取向自从朝向第一指向方向3'的发射已显著改变，并且现在对应于第二(显著不同的)指向方向。因此，扫掠反射镜11的下游(即，朝向lidar传感器13)的接收光路径显著偏离与扫掠反射镜11的一贯发射和接收取向相对应的固定情形。因此，返回的激光束将不再以lidar接收器13的光敏接收区域14为中心，或者其甚至可能部分地或完全错过lidar接收器13。

根据本发明，由时间差引起的出射光束与入射光束之间的角度差通过在动态地反偏转接收器前面的返回光的接收器光学器件中具有有源装置来补偿。已知扫描图案和时间差，可以计算出该反偏转图案。使用这样的动态补偿，即使扫描元件(例如，扫掠反射镜11)在飞行时间期间具有显著移动，接收器13也可以更好地与发射器9对准。因此，接收器的视野与激光束的尺寸相当，并且因此可以使用小得多的检测器(即，能够更快地读出、具有更高的带宽和更高的s/n)，尤其是由于减小的太阳背景噪声。

图5a至图5e示出了本发明的示例性实施方式，其在接收光束中的不同位置处实现不同类型的有源装置，以动态地补偿远程lidar系统1、1'、1”的出射光束与入射光束之间的角度差。

接收器单元的有源装置可以包括risley棱镜、振动反射镜、快速转向反射镜、液体透镜、旋转玻璃板、楔形棱镜和用于光敏飞行时间传感器13的线性平移单元中的至少一个。根据在发射器的可移动偏转装置之前或之后的位置(即，根据光束尺寸和/或根据在准直光束还是在发散光束中)、以及电子或光学机械支出，这些组件或组合中的每一个具有其自己的优点或缺点(例如，考虑到反应时间、组件尺寸和成本)。

图5a示出了在接收通道的准直光束中使用第二可移动反射镜15代替接收通道的固定偏转反射镜10'(参见图3)的实施方式。通常比第一扫掠反射镜11更大以最小化渐晕效应(vignettingeffects)的第二扫掠反射镜由远程lidar系统的控制和处理单元4进行控制，并且对由光束的飞行行进时间和第一扫掠反射镜11的移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差进行校正。该实施方式尤其适于校正沿着一个方向(即，单向扫描图案)的角度差。即使对于相当大的反射镜，安装和旋转装置也可以以足够紧凑的方式来构建而没有复杂的机械装置结构，并且因此反射镜移动的反应速率仍然可以足够高以符合扫描移动。然而，对于更复杂的扫描图案，尤其是沿着两个轴的扫描移动，大反射镜装置的快速精确移动可能是在机械上繁琐的并且也是耗费空间的。

图5b示出了使用液体透镜16作为聚焦光学器件的部件的实施方式，该实施方式尤其适于补偿针对更复杂的扫描图案(尤其是沿着两个方向的扫描图案)出现的出射光束与入射光束之间的角度差。液体透镜16由远程lidar系统的控制和处理单元4进行控制，并且对由光束的飞行行进时间和第一扫掠反射镜11的移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差进行校正。

液体透镜16包括具有光学透明液体的元件，该元件具有朝向具有偏离该液体的光学折射率的介质的至少一个界面。该界面可以以如下方式借助于多个电激活信号变形：使得所述元件的光学折射特性因此可在至少两个非重合方向上不同地变化。

尤其是，所述界面是以如下方式可变形的：使得所述元件的光学折射特性因此可在三维空间中变化，即，纵向地和沿着垂直于光束方向的两个方向。例如，界面的曲率可以可变地设置，因为透镜被均匀地激活，或者界面的曲率可以在至少两个非重合方向上不同地变化。此外，曲率中心可以在至少两个非重合方向上不同地移位。这导致了远程lidar系统的接收单元中的光束路径以多种方式的可修改性。

液体透镜的激活允许该透镜以受控方式变形，而作为光学元件的整个液体透镜在装置中不会偏移其位置或对准，而是被固定地安装。因此，机械装置结构并不复杂，而是相比之下(与使用其它方式的相同功能的可能实现相比)，甚至可以被简化并且所需组件的数量也较少。

图5c示出了本发明的实施方式，其使用放置在接收通道的会聚光束中的具有限定厚度的可倾斜平行玻璃板17。该可倾斜玻璃板17由远程lidar系统的控制和处理单元4进行控制，并且对由光束的飞行行进时间和第一扫掠反射镜11的移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差进行校正。

当会聚光束穿过倾斜的玻璃板时，图像将根据平行玻璃板的厚度、其折射率以及倾斜角横向移位。

与图5a给出的具有第二扫掠反射镜的实施方式相似，给出了光学装置的机械结构和简单性，该实施方式尤其适于校正沿着一个方向(即单向扫描图案)的角度差。此外，在会聚光束中，玻璃板17的直径可以小于放置在接收器单元的准直光束部分中的光学装置的直径，并且因此可以优化整体空间要求。

图5d示出了在接收通道的会聚光束中使用玻璃楔18的根据本发明的另一实施方式，该玻璃楔18可沿聚焦光学器件12与lidar传感器13之间的会聚光束移动。该可移动玻璃楔18由远程lidar系统的控制和处理单元4进行控制，并且对由光束的飞行行进时间和第一扫掠反射镜11的移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差进行校正。

玻璃楔18根据其折射率、楔角度以及到lidar传感器13的距离，在焦平面中引入横向图像位移，该横向图像位移随着所述楔从聚焦光学器件12移动到lidar传感器13而以线性方式减小。

如上述实施方式中所指示的，代替旋转或可倾斜选项的线性平移移动，在一些情况下可以是有利的，例如，用于稳定性原因或用于简化机械结构。然而，该实施方式也仅能够补偿沿着一个方向(即，单向扫描图案)的初始角度差。

图5e中示出了还能够补偿二维扫描图案的本发明的另一实施方式，该实施方式包含两个旋转楔形棱镜，即放置在接收通道的会聚光束中的一对risley棱镜19。楔形棱镜及其组合对于激光束转向应用是众所周知的，并且对于紧凑设置也是理想的，并且良好地符合根据本发明的lidar系统所要求的反应速率。

根据它们的折射率、它们的楔角度以及它们沿会聚光束的位置，每个单独旋转楔形棱镜在给定位移半径的圆上使图像移位。通过独立地控制每个棱镜的旋转角度，图像被移位到给定圆内的任何点。

所述一对risley棱镜19由远程lidar系统的控制和处理单元4进行控制，并且对由光束的飞行行进时间和第一扫掠反射镜11的移动引起的出射光束与入射光束之间的角度差进行校正。

图6示出了具有激光发射器9的发射光通道与接收光通道分离的另一示例性实施方式。这里，代替扫掠反射镜11，使用扫掠反射镜楔11'来将激光束朝向目标表面偏转。这样的实施方式对于内部杂散光、热管理或机械设置具有优点。尤其是，不同的射出和射入光学器件可以用于发射和接收器通道，例如，用于减少杂散光和/或配备不同滤波器光学器件。

虽然上面已经例示了本发明，但是部分参考一些优选实施方式，必须理解，可以进行实施方式的不同特征的许多修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。