机载激光雷达光学扫描装置和飞行器的制作方法

本实用新型涉及激光雷达扫描点云成像技术领域，尤其是涉及一种机载激光雷达光学扫描装置和飞行器。

背景技术：

随着社会突飞猛进的快速发展、科学技术的不断创新与进步，人们在保证高数据质量、数据精度的情况下对空间信息的快速获取要求越来越高。机载激光雷达光学扫描装置作为一种新型主动式多传感器集成的复杂系统，具有快速、高效、全天时、穿透性强、多回波、数据精度高等优势，便于快速获取高分辨率的数字地形模型，使其在地形测绘、数字城市建模、森林调查、灾害监测、环境监测等领域具有独特的优势所在。通常，机载激光雷达光学扫描装置所使用的扫描光学系统主要负责改变激光、光束指向，目前主要有振镜扫描、四棱镜扫描、楔形镜扫描，这些扫描方式，扫描效率低或寿命比较短。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供机载激光雷达光学扫描装置和飞行器，能够提高扫描效率，减少了点云数据的遮挡，扩大了扫描范围，同时，能够有效的提升扫描装置的使用寿命。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种机载激光雷达光学扫描装置，包括：至少二个激光源、塔形棱镜、光电探测装置、驱动装置；

所述驱动装置用于驱动所述塔形棱镜沿旋转轴旋转；

至少二个激光源中的每一个激光源用于向所述塔形棱镜以垂直于所述旋转轴的方向发射平行激光，以使所述激光能够通过所述塔形棱镜的反射到达目标扫描范围上，进行扫描；

所述光电探测装置用于接收由目标扫描范围反射的回波信号，并根据所述回波信号得到所述目标扫描范围的激光雷达点云图像。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述塔形棱镜为四面体塔型，激光源为2个。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，激光源包括：激光发射器和准直器；

所述激光发射器用于发射激光；

所述准直器用于将所述激光发射器发射的激光转化为平行激光。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：反射镜，所述反射镜与所述旋转轴的方向成预设角度放置在激光源侧，所述反射镜用于反射所述回波信号，以使所述回波信号被所述光电探测装置接收。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述反射镜的结构包括穿孔，所述穿孔贯穿所述反射镜的内部，以能将所述激光源发射的平行激光从所述穿孔中穿过，以垂直于所述旋转轴的方向射向所述塔形棱镜。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述预设角度为45度。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：与所述反射镜匹配设计的接收透镜。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述装置还包括：连接结构，所述驱动装置与所述塔形棱镜通过所述连接结构相连。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述连接结构包括带动杆，所述带动杆与所述驱动装置相连，所述塔形棱镜套设在所述带动杆上。

第二方面，本实用新型实施例还提供一种飞行器，包括：根据上述实施例任一项所述的机载激光雷达光学扫描装置。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：通过在机载激光雷达光学扫描装置上添加至少二个激光源、塔形棱镜、光电探测装置、驱动装置，其中，驱动装置驱动塔形棱镜沿旋转轴旋转，至少二个激光源向塔形棱镜以垂直于旋转轴的方向发射平行激光，以使激光能够通过塔形棱镜的反射到达目标扫描范围上，进行扫描；光电探测装置接收由目标扫描范围反射的回波信号，并根据回波信号得到目标扫描范围的图像，本实用新型能够通过塔形棱镜作为扫描棱镜，在不需要做反复且快速的顺时针和逆时针旋转的情况下，沿旋转轴旋转过程中使激光反射到达目标扫描范围，能够提高扫描效率，减少了点云数据的遮挡，扩大了扫描范围，同时，能够有效的提升扫描装置的使用寿命。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种振镜扫描工作的示意图；

图2为一种四棱镜扫描工作的示意图；

图3为一种楔形镜扫描工作的示意图；

图4为向量旋转的原理图；

图5(a)为本实用新型实施例提供的入射光入射到塔形棱镜的示意图；

图5(b)为本实用新型实施例提供的塔形棱镜旋转一定角度后入射光入射到塔形棱镜的示意图；

图6为本实用新型实施例提供的四面体塔形棱镜的结构图；

图7为本实用新型实施例提供的机载激光雷达光学扫描装置的结构图；

图8为本实用新型实施例提供的锥形交叉扫描结果示意图；

图9(a)为本实用新型实施例提供的两个激光准直器交叉开启的状态一示意图；

图9(b)为本实用新型实施例提供的两个激光准直器交叉开启的状态二示意图；

图9(c)为本实用新型实施例提供的两个激光准直器交叉开启的状态三示意图；

图9(d)为本实用新型实施例提供的两个激光准直器交叉开启的状态四示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前，机载激光雷达光学扫描装置所使用的扫描光学系统主要有振镜扫描、四棱镜扫描、楔形镜扫描。

结合图1所示，示出了一种振镜扫描工作的示意图。振镜扫描对应的光学系统包括：激光器、控制器和振镜，当激光器发射出激光后，控制器控制振镜沿振镜所在平面的中心线顺时针和逆时针翻转。在扫锚目标扫描范围时，通过控制顺时针和逆时针翻转振镜实现扫描。由于其放置在飞行器中，当使用振镜扫描时，飞行器的飞行速度和扫描翻转频率很难受到控制，由于振镜扫描采用扫描翻转的形式进行扫描，电机不断的周期性进行高精度加速、匀速、急停反向加速，且对于大口径重质量的机载扫描镜产生很大的冲量，导致振镜电机的寿命比较短，使用年限少。

结合图2所示，示出了一种四棱镜扫描工作的示意图。四棱镜扫描对应的光学系统包括：激光器、控制器和四棱镜。当激光器发射出激光后，控制器控制四棱镜沿垂直于四棱镜所在平面的中心线进行转动，使得激光被四棱镜反射后以预设角度进行固定扫描。四棱镜扫描需保证四个面扫描视场，因而四棱镜本身体积大，不利于飞行器中轻量化与小型化的要求。第二，有效扫描效率低。当扫描棱镜旋转θ角，扫描光线旋转2*θ角，当激光发射频率一定与扫描视角一定时，有效打到目标上激光点数相对较少。同时，不利于扩展激光器增加点云数量。

结合图3所示，示出了一种楔形反射镜扫描工作的示意图。楔形镜扫描对应的光学系统包括：脉冲激光器、光电编码器、扫描电机和楔形反射镜。楔形反射镜沿中心线45度进行旋转扫描。扫描视场角越大，楔形反射镜楔角越大，导致楔形反射镜尺寸增加，不利于应用在飞行器中。

所以，目前的机载激光雷达光学扫描装置所使用的扫描光学系统，只能局限性比较大、可调整性差，且寿命比较短。

基于此，本实用新型实施例提供了一种机载激光雷达光学扫描装置和飞行器，可以通过在机载激光雷达光学扫描装置上添加至少二个激光源、塔形棱镜、光电探测装置、驱动装置，其中，驱动装置驱动塔形棱镜沿旋转轴旋转，至少二个激光源向塔形棱镜以垂直于旋转轴的方向发射平行激光，以使激光能够通过塔形棱镜的反射到达目标扫描范围上，进行扫描；光电探测装置接收由目标扫描范围反射的回波信号，并根据回波信号得到目标扫描范围的图像，本实用新型能够通过塔形棱镜作为扫描棱镜，在不需要做反复且快速的顺时针和逆时针旋转的情况下，沿旋转轴旋转过程中使激光反射到达目标扫描范围，提高了机载激光雷达光学扫描装置的使用寿命，同时，通过设置至少二个激光源，能够提高扫描效率，减少了点云数据的遮挡，扩大扫描范围。同时，双交叉扫描可减少点云的遮挡。再者，双激光头共扫描镜的形式实现了两套激光雷达同时扫描装置的效率，减小了装置的体积重量有效的降低了成本。

以下首先对机载激光雷达光学扫描装置进行介绍：

本实用新型实施例提供了一种机载激光雷达光学扫描装置，包括：至少二个激光源、塔形棱镜、光电探测装置、驱动装置。

其中，驱动装置包括旋转轴，驱动装置用于驱动塔形棱镜沿旋转轴旋转；

至少二个激光源中的每一个激光源用于向塔形棱镜以垂直于旋转轴的方向发射平行激光，以使激光能够通过塔形棱镜的反射到达目标扫描范围，进行扫描；

光电探测装置用于接收由目标扫描范围反射的回波信号，并根据回波信号得到目标扫描范围的激光雷达点云图像。

其中，塔形棱镜可以为多面塔形棱镜，四面、五面、六面等等。塔形棱镜每一个面的改变光路的过程与通过控制顺时针和逆时针翻转振镜扫描的过程类似。具体塔形棱镜扫描的原理为：结合图4所示，根据向量旋转公式，设任一向量为I，该向量绕某一单位向量P旋转过一个角度ψ所得到的新向量为I’，则有：

式中，ψ的正负均按左手系规定。

在本实用新型实施例中，结合图5(a)所示，以一个激光器入射塔形棱镜为例，塔形棱镜绕旋转轴转动，塔形棱镜的顶面与斜面之间的倾斜角度为θ，当已知法线矢量I，和入射光的矢量R，则将入射光矢量R绕的法线矢量I旋转180°，则可以得到反射后的光线矢量R’。

结合图5(b)所示，当塔镜进行旋转时，则可以计算出绕旋转轴旋转后的新的法线矢量I’。即，入射光矢量R绕I’旋转180°，则可以计算出旋转后的新的反射矢量R”。通过计算R’与R”之间的夹角即激光雷达扫描角度。

可以看出，以塔形棱镜其中的一个面为例，塔形棱镜每转动一下，就改变了法线矢量，即改变了激光源入射塔形棱镜上的入射角，其中，这种改变是改变接收激光的平面角度改变引起的，就像振镜扫描反转一下角度一样。随着塔形棱镜不断的转动，不断改变激光源入射塔形棱镜上的入射角，从而不断改变扫描到目标扫描范围中的位置，实现全覆盖目标扫描范围。另外，由于塔型棱镜采用以中心轴顺时针或者逆时针旋转的方式进行，不需要向振镜扫描一样控制振镜沿振镜所在平面的中心线以不同的频率快速顺时针和逆时针翻转，所以，本实用新型提供的机载激光雷达光学扫描装置使用寿命长。

对于激光源可以根据塔形棱镜中包括有几个面而定，当塔形棱镜中包括有4个面时，激光源可以为2个或者3个或者4个，当塔形棱镜中包括有5个面使，激光源可以为2个或者3个或者4个或者5个，依次类推，激光源的个数不大于塔形棱镜中包括的面数。当然，在可不大于塔形棱镜中包括的面数的情况下，激光源的个数越多，越能够提高扫描效率。可选的，塔形棱镜为四面体塔形棱镜，激光源为2个。

结合图6所示，示出了四面体塔形棱镜的结构图，四面体塔形棱镜侧面包括四个面，顶面为圆形，地面为正方形。四面体塔形棱镜的形状类似与金字塔将顶尖消除，将底面换成圆形。

可选的，激光源包括：激光发射器和准直器。激光发射器用于发射激光；准直器用于将激光发射器发射的激光转化为平行激光。

具体来说，激光发射器可以为任一一种发射出激光的器件，然后，通过准直器将将激光发射器发射的激光转化为平行激光。

可选的，激光源可以为激光准直器，将激光发射器和准直器集中在一个外壳中，在外壳的内部完成发射激光和平行激光矫正的过程。

结合图7所示，示出了一种具有2个激光源且四面体塔形棱镜的机载激光雷达光学扫描装置的结构图。

机载激光雷达光学扫描装置包括：第一激光准直器1、第二激光准直器 2、四面体塔形棱镜3、第一光电探测装置4、第二光电探测装置5、第一接收透镜6、第二接收透镜7、第一反射镜8、第二反射镜9、驱动装置10。

第一激光准直器1、第一光电探测装置4、第一接收透镜6、第一反射镜8，为左侧激光扫描成像部分的结构。第二激光准直器2、第二光电探测装置5、第二接收透镜7、第二反射镜9，为右侧激光扫描成像部分的结构。左侧激光扫描成像部分的结构与右侧激光扫描成像部分的结构的内部元件相同，且对称设计。

其中，第一或者第二反射镜，与旋转轴的方向成预设角度放置在激光源侧，反射镜用于反射回波信号，以使回波信号被光电探测装置接收。反射镜的结构包括穿孔，穿孔贯穿反射镜的内部，以能将激光源发射的平行激光从穿孔中穿过，以垂直于旋转轴的方向射向塔形棱镜。具体来说，以左侧激光扫描成像部分的结构为例，第一反射镜8靠近第一激光准直器1设置，第一激光准直器1发出的平行激光，通过第一反射镜8中的穿孔，到达塔形棱镜上。然后，回波信号再通过塔形棱镜反射到第一反射镜8上，第一反射镜8再反射回第一光电探测装置4中，使得第一光电探测装置4能够根据回波信号得到目标扫描范围的图像。其中，预设角度为45度。

其中，装置包括的接收透镜，接收透镜与反射镜匹配设计，接收透镜用于会聚回波信号，能够使所有的回波信号均能被光电探测装置所接收。

对于，图7所提供的机载激光雷达光学扫描装置的工作过程为：以左侧激光扫描成像部分的结构为例，第一激光准直器1将激光准直成平行光，通过中间带孔的第一反射镜8打到四面体塔形棱镜3上，将激光反射到下方的目标扫描范围上。激光打到目标扫描范围后形成了漫反射，其中一部分光能量原路返回，通过四面体塔形棱镜3与第一反射镜8到达第一接收透镜6。第一接收透镜6将接收到的激光回波信号聚焦到光电探测装置4上将光信号到电信号的转换，形成目标扫描范围对应的图像。可选的，可以基于TOF(Time of Flight)原理，测量出激光的飞行时间T，则可计算出激光出射点与目标之间的距离。计算公式如下：

L＝1/2*C*T

其中：C为光速，3×10⁸米/秒；T为激光从发射到接收的飞行时长；L 为目标点与和发射点之间光走过的路程；

综上可知，塔形棱镜为四面体塔形棱镜，利用四面体塔形棱镜的对称结构，设置两个激光源，使得扫描点云数量加倍。相比于原来单路激光，其点云数量增加了1倍，提高了扫描效率，可减小飞机的飞行次数。

同时，两个激光源相对于四面体塔形棱镜进行锥形交叉扫描。具体来说，结合图8所示，塔镜单面扫描极限位置所产生的反射光线R1与 R2之间的夹角，其中，夹角可以为60度，当四面体塔形棱镜倾斜15 度安装时，扫描光线在垂直飞行方向有效的投影角度R1’与R2’之间的夹角，这样可以使激光从上向下进行扫描时，不被物体顶部所遮挡，可以得到扫描到物体的侧面的点云信息。

可选的，装置还包括：旋转结构，驱动装置与塔形棱镜通过旋转结构相连。

其中，连接结构包括带动杆，带动杆与驱动装置相连，塔形棱镜套设在带动杆上。

具体来说，驱动装置通过驱动带动杆运动，带动杆运动使得套设在其上的塔形棱镜运动，从而能够使塔形棱镜沿旋转轴旋转。

可选的，至少二个激光源包括第一激光源和第二激光源；装置还包括：控制器，控制器分别与第一激光源、第二激光源和驱动装置相连；控制器用于控制第一激光源和第二激光源以预设规律进行周期性开启/关闭；其中，塔形棱镜转动一面为一周期。

预设规律包括：在检测到塔形棱镜的基准面与塔形棱镜的目标面呈预设状态角度时，控制开启第一激光源和关闭第二激光源，当旋转第一预设旋转角度后，控制开启第二激光源，当旋转第二预设旋转角度后，控制闭合第一激光源，当旋转第三预设旋转角度后，控制开启第一激光源和关闭第二激光源；其中，旋转第一预设旋转角度、第二预设旋转角度和第三预设旋转角度为完成塔形棱镜转动一面。

结合图9(a)-图9(d)所述，当目标面S1与基准面成45°时，即状态一时，发射光轴a处的第一激光准直器开启，发射光轴b处的第二激光准直器关闭。塔形棱镜继续逆时针旋转扫描，当目标面S1与基准面成15°时，即状态二时，发射光轴b处的第二激光准直器开启，两路激光器开始同时工作。塔形棱镜继续逆时针扫描，当目标面S1与基准面成-15°时，即状态三时，发射光轴a处的第一激光准直器关闭，发射光轴b处的第二激光准直器继续开启。塔形棱镜继续扫描，目标面S1与基准面成-45°时，即状态四时，发射光轴a处的第一激光准直器开启，经S2面开始扫描，发射光轴b处的第二激光准直器关闭，形成一个双头扫描周期。为避免两路激光回波的干扰，两路激光安装时具有一定的夹角。两路激光在扫描时先后依次开启，使得其中一路所发射的激光不被另一路接收光路所接收，从而解决了回波干扰的问题。

本实用新型实施例还提供了一种飞行器，包括：根据上述实施例任一项所述的机载激光雷达光学扫描装置。

该飞行器可以为无人机。

另外，根据本实用新型实施例的飞行器的其它构成以及作用对于本领域的普通技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

本实用新型实施例提供的飞行器，可以通过在机载激光雷达光学扫描装置上添加至少二个激光源、塔形棱镜、光电探测装置、驱动装置，其中，驱动装置驱动塔形棱镜沿旋转轴旋转，至少二个激光源向塔形棱镜以垂直于旋转轴的方向发射平行激光，以使激光能够通过塔形棱镜的反射到达目标扫描范围上，进行扫描；光电探测装置接收由目标扫描范围反射的回波信号，并根据回波信号得到目标扫描范围的图像，本实用新型能够通过塔形棱镜作为扫描棱镜，在不需要做反复且快速的顺时针和逆时针旋转的情况下，沿旋转轴旋转过程中使激光反射到达目标扫描范围，提高了飞行器的使用寿命，同时，通过设置至少二个激光源，能够提高扫描效率，扩大扫描范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本实用新型的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。