一种多线激光雷达测距系统及方法与流程

本发明属激光雷达领域，尤其涉及一种多线激光雷达测距系统及方法。

背景技术：

近年来，移动机器人、自主导航车、车辆的辅助驾驶研究与应用日益增多，单线二维激光雷达以其高的测距精度和角度分辨率，在室内机室外的障碍检测系统中获得广泛的应用。但由于其只有一个激光束扫描平面，障碍点定义为高于地平面的扫描点，因此，单线二维激光雷达只适用于较为平坦的路面。

德国sick公司的LMS1XX系列等产品采用了相类似的结构，其中LMS1XX系列产品的测量范围为50米，扫描角度为270度，一线扫描。德国IBEO LUX4线激光雷达，4线扫描，探测距离200米，垂直扫描3.2度，水平扫描85度。

以上两种现有技术，水平扫描角度无法实现360度，垂直扫描角度很小。垂直扫描线数为一线和四线，无法实现大范围环境三维探测。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种多线激光雷达测距系统，旨在解决现有技术中扫描角度小的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种多线激光雷达测距系统，包括控制及信号处理系统、发射系统和接收系统，所述发射系统包括：依次相连的激光发射模块、第一透镜组；所述接收系统包括：依次相连的第二透镜组、光电探测器；所述雷达系统还包括电机；控制及信号处理系统，用于控制电机上电，电机带动其上的发射系统和接收系统转动；激光发射模块，用于根据控制及信号处理系统的控制信号，发射至少两束以上激光；第一透镜组，用于将两束以上激光进行准直，然后发射出去，以扫描目标物体；第二透镜组，用于接收目标物体反射回来的激光，并进行准直；光电探测器，用于接收从第二透镜组发射回来的激光，并将其进行光电转换、放大处理后，送入控制及信号处理系统。

本发明实施例还提供一种多线激光雷达测距方法，包括：控制及信号处理系统控制电机上电，电机带动其上的发射系统和接收系统转动；发射系统，根据控制及信号处理系统的控制信号，发射至少两束以上激光，将两束以上激光进行准直后发射出去，以扫描目标物体；接收系统，接收目标物体反射回来的激光，并将反射回来的两束以上的激光进行准直，将其进行光电转换、放大处理后，送入控制及信号处理系统，计算目标物体的距离。

综上所述，本发明提供了一种“混合固态”多线激光雷达测距系统和方法，本发明提供的多线激光雷达测距系统，可以发射多束光线进行起伏地势的障碍检测。障碍距离的信息检测，基于激光飞行时间法，通过计算调制激光发射和返回的时间差得到光程进而得到测量物体的距离，本系统垂直视场角从+15度到-15度，水平视场角360度，没有明显的外部旋转部件(旋转部件在内部)，测量距离可达100米以上，每秒30万个三维点云数据。

附图说明

图1是本发明一种多线激光雷达测距系统框图；

图2是本发明测距系统中各模块的结构分布示意图；

图3是本发明发射系统和接收系统的光学结构示意图；

图4是本发明一种多线激光雷达测距系统的一具体实施例框图；

图5是本发明接收电路的内部框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种多线激光雷达测距系统，包括控制及信号处理系统、发射系统和接收系统，所述发射系统包括：依次相连的激光发射模块、第一透镜组；所述接收系统包括：依次相连的第二透镜组、光电探测器；所述雷达系统还包括电机；控制及信号处理系统，用于控制电机上电，电机带动其上的发射系统和接收系统转动；激光发射模块，用于根据控制及信号处理系统的控制信号，发射至少两束以上激光；第一透镜组，用于将两束以上激光进行准直，然后发射出去，以扫描目标物体；第二透镜组，用于接收目标物体反射回来的激光，并进行准直；光电探测器，用于接收从第二透镜组发射回来的激光，并将其进行光电转换、放大处理后，送入控制及信号处理系统。

优选地，见图2所示，所述发射系统和接收系统环绕设置在电机驱动轴承周围，且呈对称分布，发射系统受电机驱动进行水平360度旋转扫描。发射系统和接收系统对称分布，使整个系统结构质量分布均匀，转动更平稳。

各模块的相对位置信息如下：轴承的外圈，固定在底座上，⑩旋转组件(包括发射电路、激光器、③第一反射镜组、接收电路、⑧光电探测器、微透镜阵列、⑥第二反射镜组、⑨第一、第二透镜组)随轴承的内圈转动，发射电路，控制激光器产生激光，激光经③第一反射镜组到达⑨第一、第二透镜组，激光照射到目标物体上，由目标物体反射回来的激光信号到达⑨第一、第二透镜组，再经⑥第二反射镜组至微透镜阵列，最后物体反射的回波信号聚焦至⑧光电探测器上，将光信号转换成电信号，经接收电路，通过无线传输，发送到控制及信号处理系统。控制及信号处理系统，通过激光发射与反射的时间差，利用S＝(t返射-t发射)*C(光速)得到激光的飞行距离，那么S/2即为物体的实际距离值。通过底座的光电码盘，来获得测量数据的角度信息。一组完整的雷达数据包含角度信息和测量得到的距离信息。

当然，图2所示结构仅为较佳实施例，并不限制本发明，比如⑩旋转组件轮廓，可以由圆形改为方形、六边形及其他多边形等，均应包含在本发明保护范围之内。

优选地，见图3所示，所述激光发射模块，包括16个激光二极管；在激光发射模块与第一透镜组之间还包括第一微透镜阵列；在第二透镜组和光电探测器之间还包括第二微透镜阵列。当然，激光发射模块也可以不采用激光二极管，而采用光纤激光器、气体激光器或半导体激光器。如果使用其他类型激光器，第一和第二微透镜阵列可以不用。

优选地，在第一微透镜阵列与第一透镜组之间，还包括第一反射镜组；在第二微透镜阵列与第二透镜组之间，还包括第二反射镜组。每个反射镜组包括2片反射镜，放置的位置如图3所示，使用反射镜主要是为了改变光学方向，使光学系统体积更紧凑。当然，反射镜可以用棱镜替代或不用反射镜。

优选地，所述光电探测器，包括16个光电探测元件。

优选地，所述第一、第二微透镜阵列，分别包括16个微型圆柱镜；第一微透镜阵列中的16个微型圆柱镜对应激光发射模块中的16个激光二极管；第二微透镜阵列中的16个微型圆柱镜对应光电探测器中的16个光电探测元件。

优选地，所述第一、第二透镜组，分别包括3片非球面透镜。当然，第一、第二透镜组也可以用球面透镜组。虽然测量效果差些，但是也能达到测量目的。

下面结合图3，对发射系统的激光发射和接收系统的激光接收进行说明：

发射系统，使用第一微透镜阵列中的微型圆柱镜准直激光二极管的快轴，使激光二极管的快轴和慢轴发射角基本一致，再用第一透镜组的非球面透镜准直，得到接近圆形的光斑，使得激光能量集中，探测距离远。使用2片反射镜，主要是为了改变光学方向，使光学系统体积更紧凑。

接收系统，使用第二透镜组的非球面透镜组和第二微透镜阵列中的微型圆柱镜结合，接收回波反射激光信号，可以使得信号光斑小，接收系统口径大，微透镜阵列能有效防止串扰。另外，接收系统还可以增加滤光片，只有激光信号通过滤光片，而其他波长的光都会被滤除，提高了系统信噪比，提高了系统在强光下的探测距离。使用2片反射镜，主要是为了改变光学方向，使光学系统体积更紧凑。

综上，使用图3所述光路设计方案，激光光能量集中，有效降低了所需激光功率，发射与接收系统对称分布，提高了系统的转动稳定性，接收系统可以有效提高系统信噪比，使用16个探测器有效防止不同发射角度回波信号之间的串扰。

见图5所示，优选地，在光电探测器和控制及信号处理电路之间还包括接收电路，所述接收电路包括：依次相连的APD光接收电路、绑定电路、差分放大电路、后级处理电路；APD光接收电路，用于将光电探测元件探测到的微弱光信号，进行微弱电流信号转换；绑定电路，用于对微弱电流信号进行处理，转换成一定幅度的电压信号，通过电压放大器放大后，再经单端转差分信号输出；差分放大电路，用于对差分信号进行放大；后级处理电路，用于对该差分信号进行后续处理。

综上，电路将APD光接收电路输出的微弱电流信号，经绑定电路中的互助放大器、电压放大器、单端转差分处理。与传统裸露的APD探测器信号处理电路相比，这种方式集成度高，使硬件电路工艺简单化，且大大减低了电路的各种寄生参数，提高了探测器的信噪比、增益、探测效率。

优选地，接收电路与控制及信号处理电路之间，通过无线传输方式进行数据和信号的传输。采用无线传输，避免了使用电线，可以防止转动时电线之间的缠绕。

下面结合图2和图4，对多线激光雷达测距系统进行详细说明：

1、控制及信号处理系统，控制电机上电，轴承内圈开始转动；同时控制发射系统中的16个激光二极管在不同角度分别发光，第一微透镜阵列准直激光二极管的快轴，使激光二极管的快轴和慢轴发射角基本一致，再用第一透镜组中的非球面透镜组准直，得到接近圆形的光斑，经非球面透镜组出射的激光实现对周围环境扫描，扫描激光照射到物体上。

2、接收系统，使用第二透镜组中的非球面透镜和第二微透镜阵列结合，16个方向的激光回波各对应一个光电探测器，只有以一定角度通过微透镜的光线才能被聚焦在光电探测器上，有效防止了其它激光回波的串扰。光电探测器，检测到光信号，接收电路将光信号进行光电转换、放大及A/D转换等等一系列处理，然后利用无线传输方式，将其送达控制及信号处理系统，获得激光发射与反射的时间差，从而得到物体距离信息。角度信息由光电码盘得到。距离和角度信息由接口传输到外部设备。

综上，此雷达发射系统和接收系统对称分布，使整个系统结构质量分布均匀，转动更平稳。发射系统和接收系统均采用2片反射镜改变光学方向，使光学系统体积更紧凑。接收回波信号，依靠无线传输至控制及信号处理系统。测距系统采用无线传输供电。垂直方向进行30度扫描时，发射系统不存在旋转部件，只有水平方向进行360度扫描时，需要电机和轴承带动光学系统旋转来实现。

另外，外部的防护罩具有防水、防尘功能。这样的设计使雷达更利于室外使用，结构稳定性高，抗振动能力强，恶劣天气也可使用。

实施例二

本发明实施例还提了一种多线激光雷达测距方法，包括：控制及信号处理系统控制电机上电，电机带动其上的发射系统和接收系统转动；发射系统，根据控制及信号处理系统的控制信号，发射至少两束以上激光，将两束以上激光进行准直后发射出去，以扫描目标物体；接收系统，接收目标物体反射回来的激光，并将反射回来的两束以上的激光进行准直，将其进行光电转换、放大处理后，送入控制及信号处理系统，计算目标物体的距离。

综上所述，本发明提供了一种“混合固态”多线激光雷达测距系统和方法，此激光雷达系统特征是：除底座外，系统各部件环绕设置在电机驱动轴承周围，受电机驱动进行旋转扫描，形成水平360度扫描。

本发明提供的多线激光雷达测距系统，可以发射多束光线进行起伏地势的障碍检测。障碍距离信息检测，基于激光飞行时间法，通过计算调制激光发射和返回的时间差得到光程进而得到测量物体的距离，该原理在激光测距类产品中广泛应用，物体高度信息由光束扫描角度信息获得。本发明提出的方案，采用自主设计的电路(激光发射电路和接收电路)、光学系统、产品结构，系统垂直视场角从+15度到-15度，水平视场角360度，没有明显的外部旋转部件(旋转部件在内部)，测量距离可达100米以上，每秒30万个三维点云数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。