一种三维固态面阵激光雷达及其测距方法与流程

本发明属于激光雷达技术领域，具体涉及一种三维固态面阵激光雷达及其测距方法。

背景技术：

在深度成像设备中，TOF法(Time of flight，飞行时间)测距得到广泛的应用，TOF测距方法的原理为：光源驱动模块驱动光发射器发出光信号，该光信号在传播过程中遇到障碍物即被反射和散射，光接收器接收到反射或散射的光信号后，信号处理模块计算发射光和接收光的相位差并结合光速解算出设备到障碍物的距离。

现有的远距离(大于10m)测距采用单点扫描激光雷达来实现，利用窄视场激光测距机配以灵活的扫描装置，它一次可测量目标上一个点的距离，通过扫描装置，使扫描范围覆盖目标的所有待测部位，从而得到目标上各点的距离，再将这些距离数据以适当的顺序进行采集、存储和显示，就可得到目标的距离图像。但是其存在内置机械旋转部件、结构复杂、装调工作量大、体积大、成本高、帧频低以及分辨率低的问题。

固态面阵激光雷达结构简单、无机械旋转部件、分辨率高并且帧频高，但是现有的固态面阵激光雷达均采用红外LED光源，其发射视场角大，直线度和均匀性差，聚焦光路设计复杂，远距离后发射光信号变弱，限制了测量的距离范围，影响了测量的精度。另外，环境光中存在一定的与发射光波段接近的部分，会影响距离测量精度。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种三维固态面阵激光雷达及其测距方法，能够基于固态面阵激光雷达实现远距离的精确测距。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明的一种三维固态面阵激光雷达，包括光源驱动模块、激光模块发射端、激光接收透镜和激光光电接收处理器；

所述光源驱动模块驱动所述激光模块发射端发射调制红外激光信号；

所述激光模块发射端的发射视场角与所述激光接收透镜的接收视场角相等，且小于20°；

所述激光接收透镜接收并聚焦反射或散射回的激光回波信号，将激光回波信号聚焦至激光光电接收处理器；

所述激光光电接收处理器位于激光接收透镜的焦平面上，对收到的信号进行解调，计算得到目标与激光光电接收处理器之间的相对距离。

进一步地，还包括红外LED光源、红外LED光接收透镜以及LED光电接收处理器；

其中激光模块发射端包括激光光源以及激光发射透镜；

所述光源驱动模块分时段驱动红外LED光源和激光光源；

所述红外LED光接收透镜与所述激光接收透镜的焦平面重合；

所述红外LED光接收透镜接收并聚焦反射或散射回的LED回波信号，将LED回波信号聚焦至LED光电接收处理器；

所述LED光电接收处理器位于所述红外LED光接收透镜的焦平面上。

其中，还包括信号处理模块；所述光电接收处理器将计算得到的相对距离发送到信号处理模块，信号处理模块通过非均匀性校正以及温度补偿对相对距离进行优化，输出优化后的相对距离。

其中，所述红外LED光源或激光光源以各自的光电接收处理器为中心，周向均匀排布。

其中，设有针对发射光源的窄带滤波片和增透膜，所述窄带滤波片设置在所述接收透镜底部，增透膜镀制在所述雷达的透镜上。

其中，所述激光发射透镜为平凸透镜，厚度为3mm，曲率半径为6.2mm，直径为9mm，距离激光光源的距离为12mm；激光接收透镜为平凸透镜，厚度为9mm，曲率半径为20.6mm，直径为30mm，距光电接收处理器的距离为40mm。

其中，所述光电接收处理器为像元阵列，每个像元均包括光电转换电路、控制电路、模拟信号处理单元以及A/D转换器；

所述光电转换电路将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号发送给所述模拟信号处理单元；所述模拟信号处理单元对接收到的电信号进行解调，并将电信号发送给所述A/D转换器；所述A/D转换器将解调后的电信号转换成数字信号并输出；所述控制电路用于控制像元的积分时间以及自动增益。

其中，在红外LED光源与激光光源中间位置处设置有红外LED光接收/激光接收系统的防交叉隔板。

其中，所述光电接收处理器为集成CMOS光电接收处理器，信号处理模块为嵌入式信号处理模块。

本发明的一种三维固态面阵激光雷达测距方法，包括以下步骤：

步骤1，光源驱动模块分时驱动红外LED光源和激光光源发出调制光；

步骤2，红外LED光接收透镜和激光接收透镜接收到反射或散射的光信号并且将信号传输至光电接收处理器；

步骤3，光电接收处理器将所接收到的光信号进行解调，计算得到目标与光电接收处理器之间的相对距离，完成测距。

有益效果：

本发明公开的三维固态面阵激光雷达可实现远距离的测量，由窄视场的三维固态面阵激光雷达实现。窄视场的三维固态面阵激光雷达的激光光源发出高能量激光，发射激光经过发射透镜聚焦后发射的视场角与接收透镜的接收视场角相等，且小于20°，使得本发明的激光雷达的测距光束能量集中，突破测量距离限制，实现了远距离测距；光电接收处理器上存在多个感光元件，可以同时接收经障碍物反射的调制光，处理得到多个点的相对距离，无机械旋转部件、结构简单、分辨率高并且帧频高，提高了测距的准确度和工作效率。

本发明的三维固态面阵激光雷达在窄视场的三维固态面阵激光雷达实现远距离测距的基础上，增加红外LED光源的固态面阵雷达实现近距离大视场测距，提供了一种远近距离双视场三维固态面阵激光雷达，能够实现远距离和近距离双视场范围内的距离测量，适用不同的测量要求。

本发明的光源以光电接收处理器为中心，周向均匀排布，提高发射模块发出光的均匀性，从而增加了测量的距离范围和精度。

本发明设置针对发射光源的窄带滤波片和增透膜，消除环境中邻近波段光源的影响，提高测量的精确度。

附图说明

图1为本发明的一种窄视场三维固态面阵激光雷达的结构主视图。

图2为本发明的一种双视场三维固态面阵激光雷达的结构主视图。

图3为本发明的一种双视场三维固态面阵激光雷达的结构俯视图。

图4为本发明的一种三维固态面阵激光雷达的工作原理示意图。

图5为本发明的一种三维固态面阵激光雷达的光路示意图。

图6为本发明的一种三维固态面阵激光雷达的激光发射透镜尺寸图。

图7为本发明的一种三维固态面阵激光雷达的激光接收透镜尺寸图。

图8为本发明的一种三维固态面阵激光雷达的光源平面分布图。

其中，1-光源驱动模块，2-红外LED光源，3-激光光源，4-激光发射透镜，5-红外LED光接收透镜，6-激光接收透镜，7-窄带滤光片，8-红外LED光接收/激光接收系统的防交叉隔板，9-1-激光光电接收处理器，9-2-LED光电接收处理器，10-信号处理模块，11-红外LED光源的发射视场角，12-红外LED光接收透镜的接收视场角，13-激光模块发射端的发射视场角，14-激光接收透镜的接收视场角。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

实施例1：本实施例为一种窄视场三维固态面阵激光雷达，结构主视图如图1所示，包括光源驱动模块1、激光模块发射端、激光接收透镜6和激光光电接收处理器9-1；

所述光源驱动模块1驱动所述激光模块发射端发射调制红外激光信号；

所述激光模块发射端的发射视场角13与所述激光接收透镜6的接收视场角14相等，且小于20°，如图5所示；

所述激光接收透镜6接收并聚焦反射或散射回的激光回波信号，将激光回波信号聚焦至激光光电接收处理器9-1；

所述激光光电接收处理器9-1位于激光接收透镜6的焦平面上，对收到的信号进行解调，计算得到目标与激光光电接收处理器9-1之间的相对距离。

本实施例中所述光电接收处理器为像元阵列，每个像元均包括光电转换电路、控制电路、模拟信号处理单元以及A/D转换器；所述光电转换电路将接收到的光信号转换成电信号，并将电信号发送给所述模拟信号处理单元；所述模拟信号处理单元对接收到的电信号进行解调，并将电信号发送给所述A/D转换器；所述A/D转换器将解调后的电信号转换成数字信号并输出；所述控制电路用于控制像元的积分时间以及自动增益。

本实施例还可以包括信号处理模块10；所述光电接收处理器将计算得到的相对距离发送到信号处理模块10，信号处理模块10通过非均匀性校正以及温度补偿对相对距离进行优化，输出优化后的相对距离。

经过实验效果验证，本实施例选取发射波长为850nm的激光器作为激光光源，其水平发散角小于20度，垂直发散角小于15度。

激光器在光源驱动模块1的驱动下发射调制光，调制光经激光发射透镜4聚焦后发射到空气中，每个激光器有其各自对应的激光发射透镜4，其中，激光发射透镜4为平凸透镜，尺寸图如图4所示，其厚度为3mm，曲率半径为6.2mm，直径为9mm，中心距离垂直腔面激光器表面的距离为12mm。激光接收透镜6中的透镜为平凸透镜，尺寸图如图5所示，厚度为9mm，曲率半径为20.6mm，直径为30mm，透镜中心距离光电接收处理器9的距离为40mm。

可以在激光发射透镜4以及激光接收透镜6前端镀制850nm增透膜，以增加850nm激光的透过率。

实施例2：在实施例1的基础上，本发明还提供了能实现双视场的三维固态面阵激光雷达，结构示意图如图2和图3所示，其中图2为结构主视图，图3为结构俯视图，包括光源驱动模块1、红外LED光源2、激光模块发射端、红外LED光接收透镜5、激光接收透镜6、激光光电接收处理器9-1、LED光电接收处理器9-2和信号处理模块10，其中激光模块发射端包括激光光源3以及激光发射透镜4。

所述光源驱动模块1分时段驱动红外LED光源2和激光光源3；

所述红外LED光接收透镜5与所述激光接收透镜6的焦平面重合；

所述红外LED光接收透镜5接收并聚焦反射或散射回的LED回波信号，将LED回波信号聚焦至LED光电接收处理器9-2。

所述LED光电接收处理器9-2位于所述红外LED光接收透镜5的焦平面上。

反射或散射的红外光经红外LED光接收透镜5或激光接收透镜6聚焦后被传输到光电接收处理器9。

本发明的一种双视场三维固态面阵雷达的工作原理如图4所示，在工作过程中，光源驱动模块1分时段驱动红外LED光源2和激光模块发射端发射不同的调制光，调制光在传播过程中遇到障碍物被反射和散射，红外LED光接收透镜5和激光接收透镜6收到反射或散射回的光信号并将信号传输至光电接收处理器9，光电接收处理器9对收到的信号进行解调并根据TOF测距法计算发射光和接收红光的相位差，得到相对距离，将相对距离传输至信号处理模块10，信号处理模块10对距离信息进行优化，输出优化后的相对距离。

为了使得发射的光分布均匀，红外LED光源或激光光源以各自的光电接收处理器为中心，周向均匀排布，数量一般取2的n次方，n＝1,2,3...。2个和4个光源的排布方式如图6所示。本实施例的光源为4个红外LED光源以及2个激光光源，排布如图2所示。

本实施例中选取发射波长为850nm的红外LED灯作为红外LED光源，其水平发散角大于90度，垂直发散角大于70度。

可以在红外LED光源与激光光源中间位置处设置红外LED光接收/激光接收系统的防交叉隔板8，以防止近距离信号与远距离信号干扰，提高测量精度。

本实施例的激光雷达包括2个光电接收处理器，分别接收近距离和远距离的反射光信号，对反射红外光进行解调并将其与发射红外光进行比相，解算出发射红外光和接收红外光的相位差，结合光速计算得到雷达和障碍物的相对距离，可以得到近距离10m内、视场角＞90度的距离图像和远距离10-50m、视场角＜20度的距离图像。

为了进一步提高测量的精度，在红外LED光接收透镜5以及激光接收透镜6上均镀有850nm增透膜，并在底部设置850nm窄带滤光片7，只允许波长在850nm左右的光通过。反射或散射的红外光经红外LED光接收透镜5或激光接收透镜6聚焦后经850nm窄带滤光片滤光，传输到光电接收处理器9，增加850nm激光的透过率。本发明设置透过窄带滤光片以及增透膜，消除环境中红外光的影响，使测量精确。

另外，本发明激光雷达中的光电接收处理器9可以采用集成CMOS光电接收处理器，信号处理模块10可以采用嵌入式信号处理模块，实现小型化。

本发明激光雷达中所用透镜可以采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS加工制作，也可以采用高透亚克力材料加工或者3D打印，降低了设备重量，提高了设备稳定性。

本发明还提供了一种测距方法，基于上述双视场三维固态面阵雷达，包括以下步骤：

步骤1，红外LED光源2和激光光源3处于发射端，接收到测量命令后，光源驱动模块以电压调制方式分时驱动光源2和激光光源3发出850nm的调制光。

步骤2，调制光在空气中传播，遇到障碍物即被反射和散射，红外LED光接收透镜5和激光接收透镜6接收到反射或散射的红外光信号并且将信号传输至光电接收处理器。

步骤3，光电接收处理器将所接收到的光信号进行解调并与发射光进行比相，获取发射光和接收光的相位差，结合光速计算得到目标与光电接收处理器之间的相对距离，完成测距。

经实验测量，本发明在10m内可实现95×70度视场、精度小于10cm的距离测量，在10m到50m范围内可实现20×15度视场、精度为1％的距离测量，实现了近距离以及远距离的精确测距。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。